基于AMESim的ABS液壓系統(tǒng)的建模與仿真

1、收稿日期:2009-04-27作者簡(jiǎn)介:陶潤(rùn)(1984-,男,碩士研究方向:ABS 的動(dòng)態(tài)特性研究汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)提高汽車(chē)主動(dòng)安全性有顯著作用,ABS 已越來(lái)越廣泛地裝備于各種車(chē)輛,因此,建立合理的ABS 模型并對(duì)其進(jìn)行研究分析,是提高國(guó)產(chǎn)ABS 及競(jìng)爭(zhēng)力的必要工作。電磁閥是ABS 系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件1;ABS 液壓系統(tǒng)高頻響應(yīng)性能很大程度上取決于ABS 電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性2;電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接影響控制邏輯中參數(shù)的選擇,影響控制精度,有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致控制的失敗3。因此,國(guó)內(nèi)外的研究多將電磁閥從系統(tǒng)中分離出來(lái)單獨(dú)研究其動(dòng)態(tài)特性4-7。而從制動(dòng)系統(tǒng)的作用來(lái)看,電磁閥動(dòng)態(tài)特性只是影響制動(dòng)

2、壓力的重要因素,屬于過(guò)程量,制動(dòng)壓力才是決定制動(dòng)效能的目標(biāo)量。因此,將電磁閥放入ABS 液壓系統(tǒng)中,研究其對(duì)制動(dòng)壓力的影響,才更有實(shí)際意義,而在這方面國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少。本文應(yīng)用AMESim 軟件,建立了包括電磁閥在內(nèi)的ABS 液壓系統(tǒng)模型,該模型跨越了電磁、液壓、機(jī)械、控制多個(gè)領(lǐng)域,只有AMESim 和少數(shù)幾種數(shù)學(xué)軟件能將如此多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的平臺(tái)上。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該模型正確有效,為ABS 的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了簡(jiǎn)便可靠的手段。1ABS 液壓系統(tǒng)模型如圖1(a所示為AMESim 軟件自帶的四通道制動(dòng)系統(tǒng)模型,由于本仿真要試驗(yàn)驗(yàn)證,因此仿真模型要與試驗(yàn)設(shè)備一致,這里真空助力器、制動(dòng)主缸、制動(dòng)

3、輪缸和管路模型都要按試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)修改,如表1所示,而最主要的建模工作是在其中加入ABS 液壓控制器模型。經(jīng)過(guò)修改后的ABS 制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖1(b所示。文章編號(hào):1671-8496-(201001-0046-03基于AMESim 的ABS 液壓系統(tǒng)的建模與仿真陶潤(rùn)1,張紅1,付德春2,夏群生3(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),北京100083;2.北京金萬(wàn)安汽車(chē)電子技術(shù)研發(fā)有限公司,北京100084;3.清華大學(xué),北京100084摘要:建立ABS 制動(dòng)系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的模型并仿真。利用ABS 混合仿真試驗(yàn)臺(tái)實(shí)測(cè)制動(dòng)壓力并與仿真結(jié)果對(duì)比,結(jié)果表明:仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果一致,平均誤差小于0.84bar 。得出結(jié)

4、論,該模型為ABS 液壓控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)便可靠的手段,并為控制邏輯的設(shè)定提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:ABS 液壓系統(tǒng);AMESim 仿真;制動(dòng)壓力測(cè)試中圖分類(lèi)號(hào):U463.526文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe Modeling and Simulation of ABS Hydraulic-brake System UsingAMESimTAO Run 1,ZHANG Hong 1,FU De-chun 2,XIA Qun-sheng 3(1.China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.Jin Wan An Corporation,Beiji

5、ng 100084,China;3.Tsinghua University,Beijing 100084,ChinaAbstract:The ABS hydraulic system was modeled and simulated.The braking pressure was measured by the ABS HIL simulation test platform and compared with the simulation results,the results show that the simulation results can agree with the mea

6、sured valves,the average error is less than 0.84bar.The conclusion is the model gives a convenient and reliable way in the ABS hydraulic control unit parameters design,and provides basis of control logic.Key words:ABS hydraulic-brake system;AMESim simulation;brake pressure measuring第9卷第1期廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)

7、報(bào)V ol.9No.12010年3月JOURNAL OF GUANG DONG COMMUNICATIONS POLYTECHNIC March 20102ABS 液壓控制器模型ABS 本身包括控制部分ECU 和執(zhí)行部分HCU(液壓控制器,而建立ECU 模型無(wú)疑要建立與試驗(yàn)設(shè)備ECU 中同樣的控制算法模型,在本研究中由于不具備這樣的條件,因此無(wú)論在模型中還是試驗(yàn)中,都省去了ECU ,改為由自設(shè)HCU 驅(qū)動(dòng)電路直接控制電磁閥動(dòng)作。這樣做一方面讓研究更突出了ABS 液壓系統(tǒng)本身的特性,避免了由于控制邏輯參數(shù)不匹配造成的制動(dòng)響應(yīng)特性差,卻難于查明問(wèn)題到底出在算法還是出在元件上。另一方面,直接控制電磁

8、閥動(dòng)作使得輸入信號(hào)極大簡(jiǎn)化,使得試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果制動(dòng)壓力變得易于控制,有利于仿真與試驗(yàn)的同條件設(shè)定,其結(jié)果的對(duì)比更能驗(yàn)證模型的合理性。如圖2所示為ABS 液壓調(diào)節(jié)器模型。電磁閥是ABS 系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件,也是液壓系統(tǒng)中受力最復(fù)雜的元件,它主要受電磁力、彈簧力、液壓力和流體沖擊力,以及粘滯力的作用,因此它的模型涉及電磁、機(jī)械和液壓各領(lǐng)域。而電磁閥的動(dòng)態(tài)特性主要體現(xiàn)在以上各力合力下動(dòng)鐵的動(dòng)作時(shí)間,從計(jì)算的角度看,電磁力和流場(chǎng)對(duì)頂桿的作用力是計(jì)算最復(fù)雜的兩個(gè)力,下面將做詳細(xì)介紹。2.1電磁力分析ABS 電磁閥是典型的吸入式電磁鐵結(jié)構(gòu),其電磁力和線圈電感受諸多因素影響,難以精確地用公式表示,因此利用

9、Ansys 有限元分析求得電磁力和電感點(diǎn)陣,建立關(guān)系對(duì)應(yīng)表,分別是氣隙長(zhǎng)度x 電流i 線圈電感L 關(guān)系表和氣隙長(zhǎng)度x 電流i 電磁力F 關(guān)系表,在此模型中調(diào)用。電磁線圈的微分方程為:=(1式中,i 為線圈電流;U 為線圈電壓;v 為動(dòng)鐵速度。動(dòng)鐵的動(dòng)力學(xué)方程為:(2式中,m 為動(dòng)鐵質(zhì)量;K 為彈簧剛度;為動(dòng)鐵位移;為彈簧力;F 為流場(chǎng)力;b 為粘滯力系數(shù)。電磁力F 是與電流i 和氣隙長(zhǎng)度x 唯一的對(duì)應(yīng),而在電磁閥的動(dòng)作過(guò)程中,電磁力的變化反過(guò)來(lái)會(huì)影響電流i 和氣隙長(zhǎng)度x 的變化,因此電磁力的計(jì)算是一個(gè)不斷反饋的過(guò)程。2.2流場(chǎng)力分析流場(chǎng)對(duì)頂桿的作用力在閥口模型中可以求出,如圖3所示。液壓力的計(jì)

10、算式為:(3式中,為液壓沖擊力;為入口壓力;為出口壓力;為壓力分界直徑;為朝向入口的球桿直徑;為背向入口球桿直徑。沖擊力的計(jì)算公式為:F j =(4式中c q 為流量系數(shù);a 為過(guò)流面積,為圖中area ;為出入口壓差,;為流向角;x 為球閥位移。圖2ABS 液壓調(diào)節(jié)器模型 加壓閥回流泵蓄能器減壓閥圖1修改前后的制動(dòng)系統(tǒng)模型(a四通道制動(dòng)系統(tǒng)模型(b二通道ABS 制動(dòng)系統(tǒng)模型參數(shù)名稱輸入力/N 軟管直徑/mm 制動(dòng)輪缸直徑/mm 真空助力器直徑/mm 軟管長(zhǎng)度/m參數(shù)值135010202000.25參數(shù)名稱鉗盤(pán)間隙/mm 制動(dòng)主缸直徑/mm 軟管楊氏模量/bar 制動(dòng)鉗回位彈簧剛度/N

11、83;m -1參數(shù)值0.325300001.07e+006表1制動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)第1期陶潤(rùn),等:基于AMESim 的ABS 液壓系統(tǒng)的建模與仿真47圖4仿真與試驗(yàn)結(jié)果壓力/b a r時(shí)間/s仿真結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果表2所示為ABS 液壓調(diào)節(jié)器的主要參數(shù)。3仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比設(shè)定ABS 電磁閥脈沖控制信號(hào),周期為0.5s ,脈寬為6ms ,通過(guò)加、減壓閥的配合,使制動(dòng)壓力升至最高后,先階梯形下降10個(gè)周期,再階梯形上升10個(gè)周期。仿真時(shí)間共20s ,步長(zhǎng)0.00001s 。試驗(yàn)與仿真采用相同脈沖控制信號(hào),試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間也為20s ,得到仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步計(jì)算可知,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果

12、非常接近,平均誤差為0.8378bar 。同時(shí),仿真結(jié)果還能精確求出電磁閥動(dòng)作時(shí)間,如表3所示,該結(jié)果為控制邏輯參數(shù)的選擇提供了最為有利的依據(jù)。4結(jié)論AMESim 可以建立完整的ABS 液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該模型正確可靠。仿真結(jié)果除了文中所述制動(dòng)壓力和電磁閥動(dòng)作時(shí)間,還包括整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的液壓、運(yùn)動(dòng)、電路等各領(lǐng)域變量變化,為研究者提供了非常全面的研究對(duì)象數(shù)據(jù),為改進(jìn)ABS 的性能提供了簡(jiǎn)便有效的手段,為控制邏輯參數(shù)的選擇提供了有力的依據(jù)。該模型與控制邏輯模型及整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合可做整車(chē)路面防抱死制動(dòng)研究,因此該模型為更為全面的研究奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn):1宋健,許永剛,吳衛(wèi)東.防抱制動(dòng)

13、系統(tǒng)電磁閥的仿真計(jì)算研究J.汽車(chē)技術(shù),2000(9.2于良耀,王會(huì)義,宋健.汽車(chē)防抱制動(dòng)系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)與試驗(yàn)J.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(9.3王紹銧,夏群生,李建秋.汽車(chē)電子學(xué)M.北京:清華大學(xué)出版社,2005.8:215.4宋健,崔華銳,王會(huì)義.汽車(chē)液壓ABS 電磁閥電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的研究J.公路交通科技,2003,120(4.5Wang Gui-hua,Liu Na,Yao Zhang-tao .Calculation forHigh-speed Electromagnet Property of Electronic-con-trolled Fuel Injection Sy

14、stem of Diesel EngineR.De-troit America:SAE World Congress.March 2004.6Viktor Szente,Ph D student,Islnos Vad,etal .Computa-tional and Experimental Investigation on Solenoid Valve DynamicsR.Como Italy:IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Pro-ceedings .July 2001.7湯東勝

15、,吳光強(qiáng),周凡華.基于有限元法的ABS 高速開(kāi)關(guān)電磁閥性能分析J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,31(6.8許永剛.ABS 電磁閥設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算研究D.北京:清華大學(xué)汽車(chē)研究所,2000.圖3閥口結(jié)構(gòu)示意d rpP 1xd rsd rs P 2d saread bd ad ad bd sP 2P 1表2ABS 液壓調(diào)節(jié)器主要參數(shù)參數(shù)名稱加/減壓閥電壓/V 加/減壓閥線圈匝數(shù)加/減壓閥線圈電阻/加/減壓閥動(dòng)鐵質(zhì)量/kg 加/減壓閥粘滯力系數(shù)/N ·(m ·s-2加/減壓閥彈簧預(yù)緊力/N 加/減壓閥彈簧剛度/N ·mm -1加/減壓閥球頭直徑/mm 加/減壓閥朝向入口球桿直徑/mm 加/減壓閥背向入口球桿直徑/mm參數(shù)值123503.60.0044201540.800.8參數(shù)名稱加壓閥氣隙/mm 減壓閥氣隙/mm 加壓閥閥孔直徑/mm減壓閥閥孔直徑/mm蓄能器彈簧預(yù)緊力/N 蓄能器彈簧剛度/N ·mm -1蓄能器活塞直徑/mm 蓄能器活塞桿直徑/mm 回流泵流量/cc ·r