聯(lián)合AMESim_Matlab的汽車制動(dòng)踏板模擬器動(dòng)態(tài)性能分析_圖文

1、第 25卷 第 1期 Vo. l 25 No . 1重 慶 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (自然科學(xué) Journa l of Chongqing U niversity of T echno l ogy(N atural Science2011年 1月 Jan . 2011收稿日期 :2010-09-25基金項(xiàng)目 :國家 863 計(jì)劃重大項(xiàng)目資助 (2008AA 11A 140作者簡介 :金智林 (1978 , 男 , 江西樂平人 , 博士后 , 講師 , 主要從事車輛動(dòng)力學(xué)與控制方面研究。聯(lián)合 A MES m i /M atlab 的汽車制動(dòng)踏板模擬器動(dòng)態(tài)性能分析金智林 1, 施瑞康 2, 趙又群

2、 1, 施正堂 2, 郭立書2(1. 南京航空航天大學(xué) 車輛工程系 , 南京 210016; 2. 浙江亞太機(jī)電股份有限公 司 , 杭州 311203摘 要 :設(shè)計(jì)了基于進(jìn) 、 出油電磁閥控制的汽車制動(dòng)踏板模擬器 , 分析了電控液壓制動(dòng)系統(tǒng) 中踏板模擬器的工作原理 , 應(yīng)用 AM ESi m 軟件建立了汽車制動(dòng)踏板模擬器的動(dòng)力學(xué)模型 , 聯(lián)合 M atlab 軟件設(shè)計(jì)了踏板特性跟蹤的 PI D 控制策略 。 通過實(shí)例 , 仿真分析了重要參數(shù)對踏板特性 的影響規(guī)律 , 為設(shè)計(jì)具有良好制動(dòng)感覺的制動(dòng)踏板提供依據(jù) 。關(guān) 鍵 詞 :制動(dòng)踏板模擬器 ; 電控液壓制動(dòng)系統(tǒng) ; 聯(lián)合仿真 ; 汽車主動(dòng)安全

3、中圖分類號 :U463. 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1674-8425(2011 01-0001-04Dyna m ic Anal ysis of V ehicl e B rake Pedal Em ul atorbased on A M ESi m /M atlabJI N Zh i lin 1, S H I Rui kang 2, Z HAO You qun 1, S H I Zheng tang 2, GUO L i s hu2(1. Depa rt m ent o fV ehic l e Eng i neering , N anji ng U nivers i ty o f A

4、eronauti cs and A stronautics , N an ji ng 210016, Ch i na ;2. Zheji ang A si a Pac ifi c M echan i ca l&E lectron ic CO. L t d , H angzhou 311203, Ch i naAbst ract :A Brake Pedal Em ulator contro lled by t w o so leno i d s is presented i n this paper . Fr o m its w orking pri n ciple , t h e d

5、yna m i c m ode lo fB rake PedalEm ulator is established usi n g AMES i m soft w are . A lso , t h e PI D contro l algorith m is designed usi n g MATLAB so ft w are . A typical exa m ple is given by nu m er ical co si m ulation and the infl u ence of so m e i m portant para m eters on the peda l cha

6、racteristics is obta i n ed . The resu lts sho w that good brak i n g fee l can be pr ov i d ed by the B rake Peda lEmu lator . K ey w ords :brake pedal e m u lator ; e lectro hydrau lic brake syste m; co si m ulation; veh icle acti v e safe ty制動(dòng)系統(tǒng)是汽車行駛安全的 重要保障 , 相比 傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng) , 電控制動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、 制動(dòng) 響應(yīng)快、 控制

7、 精度高、 布置靈活、 踏板特性一致等 諸多優(yōu)點(diǎn) , 易于與汽車動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行整合 , 且 可滿足電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng) 需求 , 具有很好的發(fā) 展前景1。但電控制動(dòng)系 統(tǒng)取消了制動(dòng)踏板與 制動(dòng)輪缸的直接連接 , 必須 采 用特定裝置來模擬 制動(dòng)踏板感覺 , 保證給駕駛 員 傳遞制動(dòng)反饋信息。良好的制動(dòng)踏板感覺是汽車用戶滿意度的一項(xiàng)重要指標(biāo) , 由駕駛員主觀評 價(jià)獲得。為了將主 觀評價(jià)和制動(dòng)系統(tǒng)客觀變量聯(lián)系 起來 , 提出了制 動(dòng)感覺因子 BFI , 包括了踏板回位彈簧預(yù)緊力、 踏 板力、 踏 板位 移和 制 動(dòng)器 響 應(yīng)時(shí) 間 等參 數(shù) 的影 響2。國外的一些研究則應(yīng)用 AM

8、ES i m 軟件建立的包括制動(dòng)主缸和真空助力器在內(nèi)的液壓制動(dòng)系 統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析3-4。國內(nèi)對汽車制動(dòng)踏板模擬器 的 研究 很 少 , 其中 吉 林大 學(xué) 進(jìn)行 了 采用 ECU 模擬踏板力的相關(guān)研究 5, 其他只有部分研究采用 AMES i m 軟件對汽車 ABS 系統(tǒng)及 ESP 系統(tǒng)進(jìn)行液壓建模和分析6-8。本文針對電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)意圖產(chǎn)生 單元分析了踏板模擬器的工作原 理 , 經(jīng)過合理簡 化后 , 應(yīng)用 AMES i m 軟件建立了汽車 制動(dòng)踏板模 擬器的動(dòng)力學(xué)模 型。聯(lián)合 M a talab 軟件的計(jì)算和 控制優(yōu)勢 , 設(shè)計(jì)了踏板特性跟蹤的 PI D 控制策略 , 并進(jìn)行實(shí)例

9、仿真 , 分 析了主要參數(shù)對制動(dòng)踏板特 性的影響。1 制動(dòng)踏板模擬器的工作原理電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)中取消了踏板及主缸與制 動(dòng)輪缸的液壓直接連接 , 為了獲得駕駛員的制動(dòng) 意圖以及保證駕駛員的良好制動(dòng) 感覺 , 需增設(shè)制 動(dòng)踏板模擬器 , 其結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示 , 包括傳統(tǒng) 的制動(dòng)踏板、 液壓缸、 油杯、 高壓蓄能器、 電機(jī)和液 壓泵、 進(jìn)、 出油電磁閥、 踏板行程傳感器、 壓力傳感 器及電子控制單元等部件。圖 1 踏板模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖 , 過踏板行程傳感器和壓力傳感器感知駕駛員的制 動(dòng)意圖 , 并控制電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的液壓控制 單 元及制動(dòng)器輸出 對應(yīng)制動(dòng) 意圖的 適當(dāng)大 小制 動(dòng) 力。同時(shí)

10、, 電子控制單元根據(jù)踏板行程傳感器 信 號以及制動(dòng)踏板力與踏板行程的理想關(guān)系曲線 , 計(jì)算液壓缸內(nèi)的參 考壓力 , 然后與壓力傳感器 的 實(shí)際測量 值比較 , 調(diào) 節(jié)進(jìn)、 出油電 磁閥的 通斷 時(shí) 間 , 使液壓缸內(nèi)壓力自動(dòng)快速跟蹤參考值的變化。 液壓缸內(nèi)產(chǎn)生的液壓力通過踏板給駕駛員施加一 個(gè)反作用力 , 提供駕駛員良好的踏板感覺。2 制動(dòng)踏板模擬器的 AM ESi m 模型在制動(dòng)過程中 , 踏板行程及踏板力為隨時(shí) 間 變化的動(dòng)態(tài)量 , 因此需要建立汽車制動(dòng)踏板模 擬 器的動(dòng)態(tài)模型 , 然后根據(jù)踏板模擬器動(dòng)態(tài)特性 決 定其控制邏輯。 AMES i m 為用戶提供了一個(gè)時(shí)域 仿真建模環(huán)境 , 該

11、軟件集成了專門的液壓元件庫。 根據(jù)上述汽車制動(dòng) 踏板模擬器的工作原理 , 按 模 塊建立制動(dòng)踏板模擬器的模型。為模擬 汽 車制 動(dòng) 踏 板特 性 , 建 模 時(shí) 做 如 下 簡化 :1 忽略管路的液壓損失 ;2 假設(shè)電機(jī)和泵在非制動(dòng)過程工作 , 并能提 供蓄能器穩(wěn)定的壓 力 , 即把蓄能器看成一個(gè)穩(wěn) 定 的液壓動(dòng)力源。因此 , 對應(yīng)數(shù)學(xué) 模型只考慮液壓閥和節(jié)流 器 的液壓力動(dòng)態(tài)特性及液壓缸的機(jī)械力動(dòng)態(tài)特性變 化。踏板行程傳感器采用的信號源在 M a tlab 軟件 環(huán)境中模擬 , 如圖 2所示。圖 2 i m 2重 慶 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)2. 1 液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型考慮油 液的壓 縮性及 液

12、壓缸 容積 變化 等因 素 , 根 據(jù)液 壓缸 內(nèi)壓 力與 壓 力變 化率 的關(guān) 系 8可得d t =C 1A 1EV (PH -P n 1d t =-C 2A 2E V(P-P L n2(1式中 :P 為液壓缸內(nèi)壓力 ; P H 為蓄能器壓力 ; P L 為 油杯壓力 ; E 為液壓油體積彈性模量 ; V 為液壓缸 容積 ; C 1和 C 2分別為進(jìn)、 出油閥 口流量系數(shù) ; A 1和 A 2分別為進(jìn)、 出油閥口通流截面積 ; n 1和 n 2分 別 為 進(jìn)、 出 油 電 磁 閥 節(jié) 流 閥 指 數(shù) , 取 值 范 圍 為 0. 51。2. 2 機(jī)械系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型將液壓缸活塞及踏板組件等效為一

13、個(gè)單質(zhì)量 的彈簧阻尼系統(tǒng) , 則活塞的運(yùn)動(dòng)微分方程為m2d t=-PA p +c td t +k t x (2式中 :m 為液壓 缸內(nèi)活塞 的質(zhì)量 ; A p 為活 塞的面 積 ; x 為活塞的位移 ; c t 和 k t 分別為踏板組件對活 塞等效阻尼系數(shù)和等效剛度。3 模擬器的踏板特性仿真分析3. 1 踏板特性跟蹤控制策略為使踏板模擬器仿真結(jié)果能應(yīng)用在汽車實(shí)際 應(yīng)用中 , 選取工程中常用且易于實(shí)現(xiàn)的經(jīng) 典 PI D控制算法。由踏板行程 傳感器測得踏板位移 , 通 過踏板理想特性曲線4計(jì)算出目標(biāo)踏板反饋力 ;而實(shí)際踏板反饋力由壓力傳感器的測量值經(jīng)過計(jì) 算后獲得。目標(biāo)踏板反饋力與實(shí)際踏板反饋力

14、之 差 e 為控制策略的輸入 , 根據(jù) PI D 控制算法得 到輸出量 u 為控制進(jìn)、 出油電磁閥開關(guān)的時(shí)間。u (t =k P e(t +k Ie(t d t +k D d t (3式中 k P , k I , k D 為比例、 積分和微分系數(shù)。 3. 2 實(shí)例仿真為了分析踏板模擬器的踏 板動(dòng)態(tài)特性 , 采 用 聯(lián)合 AMES i m 和 M atlab 的仿 真技術(shù) , 在 AM ESi m 環(huán)境下建立踏板 模擬器液 壓系統(tǒng) 和機(jī)械 系統(tǒng) 模 型 , 將模型通過 Si m ulink 接口生成 S 函數(shù) , 在 M at lab 環(huán)境下計(jì)算 踏板模擬器模型和設(shè)計(jì) PI D 控 制 算法。圖

15、 3 為采用聯(lián)合仿真技術(shù)的汽車制動(dòng)踏板 模擬器控制框圖。選擇典型制動(dòng)工況對汽車制動(dòng)踏板模擬器的 踏板特性進(jìn)行實(shí)例仿真。輸入的信號為踏板位移 傳感器信號 , 如圖 4(a, 踏板位移在 0 5s 內(nèi)從 0線性上升到最大行程 112mm 。傳統(tǒng)液壓制動(dòng) 系 統(tǒng)的理想踏板特性曲線如圖 4(b 虛線所示 , 實(shí)線 為仿真結(jié)果 , 與傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)踏板特性一致 , 表明該制動(dòng)踏板模擬器可實(shí)現(xiàn)電控液壓制動(dòng)系統(tǒng) 的踏板感覺模擬功 能 , 反饋給駕駛員良好的制 動(dòng) 踏板感覺。圖 3 制動(dòng)踏板模擬器控制3金智林 , 等 :聯(lián)合 AMES i m /M atlab 的汽車制動(dòng)踏板模擬器動(dòng)態(tài)性能分析 圖 4 制動(dòng)

16、踏板模擬器的踏板特性曲線3. 3 結(jié)果分析設(shè)置不同的蓄能器壓力進(jìn)行仿真分 析 , 得到 不同壓力時(shí)汽車制動(dòng)踏板模擬器的踏板特性。圖 5表明在不同蓄能器壓力下均能較好跟蹤理想踏 板特性。蓄能器壓力高 (如圖 5虛線 , 在踏板小 行程時(shí)踏板力變化緩慢 , 模擬力偏離理想特性較 大 ; 蓄能器壓力低 (如圖 5點(diǎn)劃線 , 則踏板力的跟 蹤速度慢 , 在接近最 大踏板行程時(shí)踏板力變化迅 速 , 模擬踏板力偏離理想特性較大。圖 5 蓄能器壓力對踏板特性的影響設(shè)置不同的液壓油體積彈性模量或液壓缸體 積 , 分析液 壓油壓縮性參數(shù)對模擬踏板特性的影 響。圖 6為液壓油體積彈性模量不同時(shí)汽車制動(dòng) 踏板模擬器

17、的踏板特性 , 均能較好跟蹤理想踏板特 性。液壓油體積彈性模量大 (如圖 6點(diǎn)劃線 , 在小 的踏板行程時(shí)模擬踏板力跟隨速度慢 , 大的踏板行 程時(shí)踏板力誤差小。液壓油體積彈性模量小 (如圖 6 快 , 但在大的踏板行程時(shí)踏板力誤差變大。圖 6 液壓油參數(shù)對踏板特性的影響4 結(jié)論1 分析了電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)踏板 模 擬器的工作原理 , 利用 AM ES i m 和 M atlab 聯(lián)合 仿 真技術(shù)實(shí)現(xiàn)了踏板模擬器的踏板力動(dòng)態(tài)跟蹤。2 分析了蓄能器及液壓油 性能對模擬器 的 踏板特性跟蹤效果 的影響 , 得到了主要參數(shù)對 模 擬踏板力的影響規(guī) 律 , 為電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)的 踏 板模擬器設(shè)計(jì)提

18、供了理論依據(jù)。參考文獻(xiàn) :1 林志軒 , 高曉杰 . 制動(dòng)踏板感覺研究現(xiàn)狀 J.農(nóng)業(yè)裝 備與車輛工程 , 2007, 196(6:4-7.2 Ebert G, K aa tz A. O bjecti ve Cha racte rization o f V ehic l eBrake F eelJ.SAE paper , 1994, 94:311.3 M ark HUD S ON. A n Investi ga ti on i nto B rake P eda l F eelon a L uxury Sa l oon Car D .Bradfo rd :U niv . o f Brad ford , 2004. 4 PLATTARD O. Investi g ati on of the Brake D esi gn P arame ters Infl uence D .C ranfi e l d :Cran fie l d U n i versi ty , 2006.5 鄭宏宇 , 宗長富 , 高越 , 等 . 線控制動(dòng)系統(tǒng)的踏 板力模擬 研 究 J.系 統(tǒng) 仿 真 學(xué) 報(bào)