基于AMESim的ABS液压系统的建模与仿真

1、收稿日期:2009-04-27作者简介:陶润(1984-,男,硕士研究方向:ABS 的动态特性研究汽车防抱死制动系统对提高汽车主动安全性有显著作用,ABS 已越来越广泛地装备于各种车辆,因此,建立合理的ABS 模型并对其进行研究分析,是提高国产ABS 及竞争力的必要工作。电磁阀是ABS 系统中重要的执行元件1;ABS 液压系统高频响应性能很大程度上取决于ABS 电磁阀的动态响应特性2;电磁阀的动态响应特性直接影响控制逻辑中参数的选择,影响控制精度,有时甚至会导致控制的失败3。因此,国内外的研究多将电磁阀从系统中分离出来单独研究其动态特性4-7。而从制动系统的作用来看,电磁阀动态特性只是影响制动

2、压力的重要因素,属于过程量,制动压力才是决定制动效能的目标量。因此,将电磁阀放入ABS 液压系统中,研究其对制动压力的影响,才更有实际意义,而在这方面国内外相关研究较少。本文应用AMESim 软件,建立了包括电磁阀在内的ABS 液压系统模型,该模型跨越了电磁、液压、机械、控制多个领域,只有AMESim 和少数几种数学软件能将如此多学科领域的系统建立在统一的平台上。经试验验证该模型正确有效,为ABS 的设计和改进提供了简便可靠的手段。1ABS 液压系统模型如图1(a所示为AMESim 软件自带的四通道制动系统模型,由于本仿真要试验验证,因此仿真模型要与试验设备一致,这里真空助力器、制动主缸、制动

3、轮缸和管路模型都要按试验设备进行参数修改,如表1所示,而最主要的建模工作是在其中加入ABS 液压控制器模型。经过修改后的ABS 制动系统模型如图1(b所示。文章编号:1671-8496-(201001-0046-03基于AMESim 的ABS 液压系统的建模与仿真陶润1,张红1,付德春2,夏群生3(1.中国农业大学,北京100083;2.北京金万安汽车电子技术研发有限公司,北京100084;3.清华大学,北京100084摘要:建立ABS 制动系统中液压系统的模型并仿真。利用ABS 混合仿真试验台实测制动压力并与仿真结果对比,结果表明:仿真数据与试验结果一致,平均误差小于0.84bar 。得出结

4、论,该模型为ABS 液压控制器的参数设计提供了简便可靠的手段,并为控制逻辑的设定提供了依据。关键词:ABS 液压系统;AMESim 仿真;制动压力测试中图分类号:U463.526文献标识码: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,China第9卷第1期广东交通职业技术学院学报JOURNAL OF GUANG DONG COMMUNICATIONS POLYTECHNIC March 20102ABS 液压控制器模型ABS 本身包括控制部分ECU 和执行部分HCU(液压控制器,而建立ECU 模型无疑要建立与试验设备ECU 中同样的控制算法模型,在本研究中由于不具备这样的条件,因此无论在模型中还是试验中,都省去了ECU ,改为由自设HCU 驱动电路直接控制电磁阀动作。这样做一方面让研究更突出了ABS 液压系统本身的特性

6、,避免了由于控制逻辑参数不匹配造成的制动响应特性差,却难于查明问题到底出在算法还是出在元件上。另一方面,直接控制电磁阀动作使得输入信号极大简化,使得试验测量结果制动压力变得易于控制,有利于仿真与试验的同条件设定,其结果的对比更能验证模型的合理性。如图2所示为ABS 液压调节器模型。电磁阀是ABS 系统中最重要的执行元件,也是液压系统中受力最复杂的元件,它主要受电磁力、弹簧力、液压力和流体冲击力,以及粘滞力的作用,因此它的模型涉及电磁、机械和液压各领域。而电磁阀的动态特性主要体现在以上各力合力下动铁的动作时间,从计算的角度看,电磁力和流场对顶杆的作用力是计算最复杂的两个力,下面将做详细介绍。2.

7、1电磁力分析ABS 电磁阀是典型的吸入式电磁铁结构,其电磁力和线圈电感受诸多因素影响,难以精确地用公式表示,因此利用Ansys 有限元分析求得电磁力和电感点阵,建立关系对应表,分别是气隙长度x 电流i 线圈电感L 关系表和气隙长度x 电流i 电磁力F 关系表,在此模型中调用。电磁线圈的微分方程为:=(1式中,i 为线圈电流;U 为线圈电压;v 为动铁速度。动铁的动力学方程为:(2式中,m 为动铁质量;K 为弹簧刚度;为动铁位移;为弹簧力;F 为流场力;b 为粘滞力系数。电磁力F 是与电流i 和气隙长度x 唯一的对应,而在电磁阀的动作过程中,电磁力的变化反过来会影响电流i 和气隙长度x 的变化,

8、因此电磁力的计算是一个不断反馈的过程。2.2流场力分析流场对顶杆的作用力在阀口模型中可以求出,如图3所示。液压力的计算式为:(3式中,为液压冲击力;为入口压力;为出口压力;为压力分界直径;为朝向入口的球杆直径;为背向入口球杆直径。冲击力的计算公式为:F j =(4式中c q 为流量系数;a 为过流面积,为图中area ;为出入口压差,;为流向角;x 为球阀位移。图2ABS 液压调节器模型 加压阀回流泵蓄能器减压阀图1修改前后的制动系统模型(a四通道制动系统模型(b二通道ABS 制动系统模型参数名称输入力/N 软管直径/mm 制动轮缸直径/mm 真空助力器直径/mm 软管长度/m参数值参数名称钳

9、盘间隙/mm 制动主缸直径/mm 软管杨氏模量/bar 制动钳回位弹簧刚度/N ·m -1表1制动系统主要参数第1期陶润,等:基于AMESim 的ABS 液压系统的建模与仿真47图4仿真与试验结果压力/b a r时间/s仿真结果试验结果表2所示为ABS 液压调节器的主要参数。3仿真与试验结果对比设定ABS 电磁阀脉冲控制信号,周期为0.5s ,脉宽为6ms ,通过加、减压阀的配合,使制动压力升至最高后,先阶梯形下降10个周期,再阶梯形上升10个周期。仿真时间共20s ,步长0.00001s 。试验与仿真采用相同脉冲控制信号,试验数据采集时间也为20s ,得到仿真与试验结果对比如图4所

10、示。经过进一步计算可知,仿真结果与试验结果非常接近,平均误差为0.8378bar 。同时,仿真结果还能精确求出电磁阀动作时间,如表3所示,该结果为控制逻辑参数的选择提供了最为有利的依据。4结论AMESim 可以建立完整的ABS 液压制动系统仿真模型,经试验验证该模型正确可靠。仿真结果除了文中所述制动压力和电磁阀动作时间,还包括整个制动系统的液压、运动、电路等各领域变量变化,为研究者提供了非常全面的研究对象数据,为改进ABS 的性能提供了简便有效的手段,为控制逻辑参数的选择提供了有力的依据。该模型与控制逻辑模型及整车动力学模型结合可做整车路面防抱死制动研究,因此该模型为更为全面的研究奠定了基础。

11、参考文献:1宋健,许永刚,吴卫东.防抱制动系统电磁阀的仿真计算研究J.汽车技术,2000(9.2于良耀,王会义,宋健.汽车防抱制动系统中液压系统性能评价与试验J.机械工程学报,2007,43(9.3王绍銧,夏群生,李建秋.汽车电子学M.北京:清华大学出版社,2005.8:215.4宋健,崔华锐,王会义.汽车液压ABS 电磁阀电磁场动态特性的研究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-trol

12、led Fuel Injection System 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-cee

13、dings .July 2001.7汤东胜,吴光强,周凡华.基于有限元法的ABS 高速开关电磁阀性能分析J.同济大学学报,2003,31(6.8许永刚.ABS 电磁阀设计与仿真计算研究D.北京:清华大学汽车研究所,2000.图3阀口结构示意d rpP 1xd rsd rs P 2d saread bd ad ad bd sP 2P 1表2ABS 液压调节器主要参数参数名称加/减压阀电压/V 加/减压阀线圈匝数加/减压阀线圈电阻/加/减压阀动铁质量/kg 加/减压阀粘滞力系数/N ·(m ·s-2加/减压阀弹簧预紧力/N 加/减压阀弹簧刚度/N ·mm -1加/减压阀球头直径/mm 加/减压阀朝向入口球杆直径/mm 加/减压阀背向入口球杆直径/mm参数值123503.6参数名称加压