基于AMESim的ABS液壓系統(tǒng)的建模與仿真

1、收稿日期:2009-04-27作者簡介:陶潤(1984-,男,碩士研究方向:ABS 的動態(tài)特性研究汽車防抱死制動系統(tǒng)對提高汽車主動安全性有顯著作用,ABS 已越來越廣泛地裝備于各種車輛,因此,建立合理的ABS 模型并對其進行研究分析,是提高國產(chǎn)ABS 及競爭力的必要工作。電磁閥是ABS 系統(tǒng)中重要的執(zhí)行元件1;ABS 液壓系統(tǒng)高頻響應性能很大程度上取決于ABS 電磁閥的動態(tài)響應特性2;電磁閥的動態(tài)響應特性直接影響控制邏輯中參數(shù)的選擇,影響控制精度,有時甚至會導致控制的失敗3。因此,國內(nèi)外的研究多將電磁閥從系統(tǒng)中分離出來單獨研究其動態(tài)特性4-7。而從制動系統(tǒng)的作用來看,電磁閥動態(tài)特性只是影響制動

2、壓力的重要因素,屬于過程量,制動壓力才是決定制動效能的目標量。因此,將電磁閥放入ABS 液壓系統(tǒng)中,研究其對制動壓力的影響,才更有實際意義,而在這方面國內(nèi)外相關研究較少。本文應用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、機械、控制多個領域,只有AMESim 和少數(shù)幾種數(shù)學軟件能將如此多學科領域的系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的平臺上。經(jīng)試驗驗證該模型正確有效,為ABS 的設計和改進提供了簡便可靠的手段。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系統(tǒng)模型,由于本仿真要試驗驗證,因此仿真模型要與試驗設備一致,這里真空助力器、制動主缸、制動

3、輪缸和管路模型都要按試驗設備進行參數(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)過修改后的ABS 制動系統(tǒng)模型如圖1(b所示。文章編號:1671-8496-(201001-0046-03基于AMESim 的ABS 液壓系統(tǒng)的建模與仿真陶潤1,張紅1,付德春2,夏群生3(1.中國農(nóng)業(yè)大學,北京100083;2.北京金萬安汽車電子技術研發(fā)有限公司,北京100084;3.清華大學,北京100084摘要:建立ABS 制動系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)的模型并仿真。利用ABS 混合仿真試驗臺實測制動壓力并與仿真結果對比,結果表明:仿真數(shù)據(jù)與試驗結果一致,平均誤差小于0.84bar 。得出結

4、論,該模型為ABS 液壓控制器的參數(shù)設計提供了簡便可靠的手段,并為控制邏輯的設定提供了依據(jù)。關鍵詞:ABS 液壓系統(tǒng);AMESim 仿真;制動壓力測試中圖分類號:U463.526文獻標識碼: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)技術學院學

7、報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 模型無疑要建立與試驗設備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,因此無論在模型中還是試驗中,都省去了ECU ,改為由自設HCU 驅動電路直接控制電磁閥動作。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)不匹配造成的制動響應特性差,卻難于查明問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、閥動作使得輸入信號極大簡化,使得試驗測量結果制動壓力變得易于控制,有利于仿真與試驗的同條件設定,其結果的對比更能驗證模型的合理性。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、機械和液壓各領域。而電磁閥的動態(tài)特性主要體現(xiàn)在以上各力合力下動鐵的動作時間,從計算的角度看,電磁力和流場對頂桿的作用力是計算最復雜的兩個力,下面將做詳細介紹。2.1電磁力分析ABS 電磁閥是典型的吸入式電磁鐵結構,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陣,建立關系對應表,分別是氣隙長度x 電流i 線圈電感L 關系表和氣隙長度x 電流i 電磁力F 關系表,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 為動鐵速度。動鐵的動力學方程為:(2式中,m 為動鐵質量;K 為彈簧剛度;為動鐵位移;為彈簧力;F 為流場力;b 為粘滯力系數(shù)。電磁力F 是與電流i 和氣隙長度x 唯一的對應,而在電磁閥的動作過程中,電磁力的變化反過來會影響電流i 和氣隙長度x 的變化,因此電磁力的計算是一個不斷反饋的過程。2.2流場力分析流場對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

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。沖擊力的計算公式為:F j =(4式中c q 為流量系數(shù);a 為過流面積,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修改前后的制動系統(tǒng)模型(a四通道制動系統(tǒng)模型(b二通道ABS 制動系統(tǒng)模型參數(shù)名稱輸入力/N 軟管直徑/mm 制動輪缸直徑/mm 真空助力器直徑/mm 軟管長度/m參數(shù)值135010202000.25參數(shù)名稱鉗盤間隙/mm 制動主缸直徑/mm 軟管楊氏模量/bar 制動鉗回位彈簧剛度/N

11、83;m -1參數(shù)值0.325300001.07e+006表1制動系統(tǒng)主要參數(shù)第1期陶潤,等:基于AMESim 的ABS 液壓系統(tǒng)的建模與仿真47圖4仿真與試驗結果壓力/b a r時間/s仿真結果試驗結果表2所示為ABS 液壓調(diào)節(jié)器的主要參數(shù)。3仿真與試驗結果對比設定ABS 電磁閥脈沖控制信號,周期為0.5s ,脈寬為6ms ,通過加、減壓閥的配合,使制動壓力升至最高后,先階梯形下降10個周期,再階梯形上升10個周期。仿真時間共20s ,步長0.00001s 。試驗與仿真采用相同脈沖控制信號,試驗數(shù)據(jù)采集時間也為20s ,得到仿真與試驗結果對比如圖4所示。經(jīng)過進一步計算可知,仿真結果與試驗結果

12、非常接近,平均誤差為0.8378bar 。同時,仿真結果還能精確求出電磁閥動作時間,如表3所示,該結果為控制邏輯參數(shù)的選擇提供了最為有利的依據(jù)。4結論AMESim 可以建立完整的ABS 液壓制動系統(tǒng)仿真模型,經(jīng)試驗驗證該模型正確可靠。仿真結果除了文中所述制動壓力和電磁閥動作時間,還包括整個制動系統(tǒng)的液壓、運動、電路等各領域變量變化,為研究者提供了非常全面的研究對象數(shù)據(jù),為改進ABS 的性能提供了簡便有效的手段,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動力學模型結合可做整車路面防抱死制動研究,因此該模型為更為全面的研究奠定了基礎。參考文獻:1宋健,許永剛,吳衛(wèi)東.防抱制動

13、系統(tǒng)電磁閥的仿真計算研究J.汽車技術,2000(9.2于良耀,王會義,宋健.汽車防抱制動系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)性能評價與試驗J.機械工程學報,2007,43(9.3王紹銧,夏群生,李建秋.汽車電子學M.北京:清華大學出版社,2005.8:215.4宋健,崔華銳,王會義.汽車液壓ABS 電磁閥電磁場動態(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,周凡華.基于有限元法的ABS 高速開關電磁閥性能分析J.同濟大學學報,2003,31(6.8許永剛.ABS 電磁閥設計與仿真計算研究D.北京:清華大學汽車研究所,2000.圖3閥口結構示意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/減壓閥動鐵質量/kg 加/減壓閥粘滯力系數(shù)/N ·(m ·s-2加/減壓閥彈簧預緊力/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