联合AMESim_Matlab的汽车制动踏板模拟器动态性能分析_图文

1、第 25卷 第 1期 Vo. l 25 No . 1重 庆 理 工 大 学 学 报 (自然科学 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基金项目 :国家 863 计划重大项目资助 (2008AA 11A 140作者简介 :金智林 (1978 , 男 , 江西乐平人 , 博士后 , 讲师 , 主要从事车辆动力学与控制方面研究。联合 A MES m i /M atlab 的汽车制动踏板模拟器动态性能分析金智林 1, 施瑞康 2, 赵又群

2、 1, 施正堂 2, 郭立书2(1. 南京航空航天大学 车辆工程系 , 南京 210016; 2. 浙江亚太机电股份有限公 司 , 杭州 311203摘 要 :设计了基于进 、 出油电磁阀控制的汽车制动踏板模拟器 , 分析了电控液压制动系统 中踏板模拟器的工作原理 , 应用 AM ESi m 软件建立了汽车制动踏板模拟器的动力学模型 , 联合 M atlab 软件设计了踏板特性跟踪的 PI D 控制策略 。 通过实例 , 仿真分析了重要参数对踏板特性 的影响规律 , 为设计具有良好制动感觉的制动踏板提供依据 。关 键 词 :制动踏板模拟器 ; 电控液压制动系统 ; 联合仿真 ; 汽车主动安全

3、中图分类号 :U463. 5 文献标识码 :A文章编号 :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制动系统是汽车行驶安全的 重要保障 , 相比 传统制动系统 , 电控制动系统具有结构简单、 制动 响应快、 控制

7、 精度高、 布置灵活、 踏板特性一致等 诸多优点 , 易于与汽车动态控制系统进行整合 , 且 可满足电动汽车及混合动力汽车的再生制动系统 需求 , 具有很好的发 展前景1。但电控制动系 统取消了制动踏板与 制动轮缸的直接连接 , 必须 采 用特定装置来模拟 制动踏板感觉 , 保证给驾驶 员 传递制动反馈信息。良好的制动踏板感觉是汽车用户满意度的一项重要指标 , 由驾驶员主观评 价获得。为了将主 观评价和制动系统客观变量联系 起来 , 提出了制 动感觉因子 BFI , 包括了踏板回位弹簧预紧力、 踏 板力、 踏 板位 移和 制 动器 响 应时 间 等参 数 的影 响2。国外的一些研究则应用 AM

8、ES i m 软件建立的包括制动主缸和真空助力器在内的液压制动系 统模型进行仿真分析3-4。国内对汽车制动踏板模拟器 的 研究 很 少 , 其中 吉 林大 学 进行 了 采用 ECU 模拟踏板力的相关研究 5, 其他只有部分研究采用 AMES i m 软件对汽车 ABS 系统及 ESP 系统进行液压建模和分析6-8。本文针对电控液压制动系统的制动意图产生 单元分析了踏板模拟器的工作原 理 , 经过合理简 化后 , 应用 AMES i m 软件建立了汽车 制动踏板模 拟器的动力学模 型。联合 M a talab 软件的计算和 控制优势 , 设计了踏板特性跟踪的 PI D 控制策略 , 并进行实例

9、仿真 , 分 析了主要参数对制动踏板特 性的影响。1 制动踏板模拟器的工作原理电控液压制动系统中取消了踏板及主缸与制 动轮缸的液压直接连接 , 为了获得驾驶员的制动 意图以及保证驾驶员的良好制动 感觉 , 需增设制 动踏板模拟器 , 其结构原理如图 1所示 , 包括传统 的制动踏板、 液压缸、 油杯、 高压蓄能器、 电机和液 压泵、 进、 出油电磁阀、 踏板行程传感器、 压力传感 器及电子控制单元等部件。图 1 踏板模拟器的结构示意图 , 过踏板行程传感器和压力传感器感知驾驶员的制 动意图 , 并控制电控液压制动系统的液压控制 单 元及制动器输出 对应制动 意图的 适当大 小制 动 力。同时

10、, 电子控制单元根据踏板行程传感器 信 号以及制动踏板力与踏板行程的理想关系曲线 , 计算液压缸内的参 考压力 , 然后与压力传感器 的 实际测量 值比较 , 调 节进、 出油电 磁阀的 通断 时 间 , 使液压缸内压力自动快速跟踪参考值的变化。 液压缸内产生的液压力通过踏板给驾驶员施加一 个反作用力 , 提供驾驶员良好的踏板感觉。2 制动踏板模拟器的 AM ESi m 模型在制动过程中 , 踏板行程及踏板力为随时 间 变化的动态量 , 因此需要建立汽车制动踏板模 拟 器的动态模型 , 然后根据踏板模拟器动态特性 决 定其控制逻辑。 AMES i m 为用户提供了一个时域 仿真建模环境 , 该

11、软件集成了专门的液压元件库。 根据上述汽车制动 踏板模拟器的工作原理 , 按 模 块建立制动踏板模拟器的模型。为模拟 汽 车制 动 踏 板特 性 , 建 模 时 做 如 下 简化 :1 忽略管路的液压损失 ;2 假设电机和泵在非制动过程工作 , 并能提 供蓄能器稳定的压 力 , 即把蓄能器看成一个稳 定 的液压动力源。因此 , 对应数学 模型只考虑液压阀和节流 器 的液压力动态特性及液压缸的机械力动态特性变 化。踏板行程传感器采用的信号源在 M a tlab 软件 环境中模拟 , 如图 2所示。图 2 i m 2重 庆 理 工 大 学 学 报2. 1 液压系统数学模型考虑油 液的压 缩性及 液

12、压缸 容积 变化 等因 素 , 根 据液 压缸 内压 力与 压 力变 化率 的关 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 为液压缸内压力 ; P H 为蓄能器压力 ; P L 为 油杯压力 ; E 为液压油体积弹性模量 ; V 为液压缸 容积 ; C 1和 C 2分别为进、 出油阀 口流量系数 ; A 1和 A 2分别为进、 出油阀口通流截面积 ; n 1和 n 2分 别 为 进、 出 油 电 磁 阀 节 流 阀 指 数 , 取 值 范 围 为 0. 51。2. 2 机械系统数学模型将液压缸活塞及踏板组件等效为一

13、个单质量 的弹簧阻尼系统 , 则活塞的运动微分方程为m2d t=-PA p +c td t +k t x (2式中 :m 为液压 缸内活塞 的质量 ; A p 为活 塞的面 积 ; x 为活塞的位移 ; c t 和 k t 分别为踏板组件对活 塞等效阻尼系数和等效刚度。3 模拟器的踏板特性仿真分析3. 1 踏板特性跟踪控制策略为使踏板模拟器仿真结果能应用在汽车实际 应用中 , 选取工程中常用且易于实现的经 典 PI D控制算法。由踏板行程 传感器测得踏板位移 , 通 过踏板理想特性曲线4计算出目标踏板反馈力 ;而实际踏板反馈力由压力传感器的测量值经过计 算后获得。目标踏板反馈力与实际踏板反馈力

14、之 差 e 为控制策略的输入 , 根据 PI D 控制算法得 到输出量 u 为控制进、 出油电磁阀开关的时间。u (t =k P e(t +k Ie(t d t +k D d t (3式中 k P , k I , k D 为比例、 积分和微分系数。 3. 2 实例仿真为了分析踏板模拟器的踏 板动态特性 , 采 用 联合 AMES i m 和 M atlab 的仿 真技术 , 在 AM ESi m 环境下建立踏板 模拟器液 压系统 和机械 系统 模 型 , 将模型通过 Si m ulink 接口生成 S 函数 , 在 M at lab 环境下计算 踏板模拟器模型和设计 PI D 控 制 算法。图

15、 3 为采用联合仿真技术的汽车制动踏板 模拟器控制框图。选择典型制动工况对汽车制动踏板模拟器的 踏板特性进行实例仿真。输入的信号为踏板位移 传感器信号 , 如图 4(a, 踏板位移在 0 5s 内从 0线性上升到最大行程 112mm 。传统液压制动 系 统的理想踏板特性曲线如图 4(b 虚线所示 , 实线 为仿真结果 , 与传统液压制动系统踏板特性一致 , 表明该制动踏板模拟器可实现电控液压制动系统 的踏板感觉模拟功 能 , 反馈给驾驶员良好的制 动 踏板感觉。图 3 制动踏板模拟器控制3金智林 , 等 :联合 AMES i m /M atlab 的汽车制动踏板模拟器动态性能分析 图 4 制动

16、踏板模拟器的踏板特性曲线3. 3 结果分析设置不同的蓄能器压力进行仿真分 析 , 得到 不同压力时汽车制动踏板模拟器的踏板特性。图 5表明在不同蓄能器压力下均能较好跟踪理想踏 板特性。蓄能器压力高 (如图 5虚线 , 在踏板小 行程时踏板力变化缓慢 , 模拟力偏离理想特性较 大 ; 蓄能器压力低 (如图 5点划线 , 则踏板力的跟 踪速度慢 , 在接近最 大踏板行程时踏板力变化迅 速 , 模拟踏板力偏离理想特性较大。图 5 蓄能器压力对踏板特性的影响设置不同的液压油体积弹性模量或液压缸体 积 , 分析液 压油压缩性参数对模拟踏板特性的影 响。图 6为液压油体积弹性模量不同时汽车制动 踏板模拟器

17、的踏板特性 , 均能较好跟踪理想踏板特 性。液压油体积弹性模量大 (如图 6点划线 , 在小 的踏板行程时模拟踏板力跟随速度慢 , 大的踏板行 程时踏板力误差小。液压油体积弹性模量小 (如图 6 快 , 但在大的踏板行程时踏板力误差变大。图 6 液压油参数对踏板特性的影响4 结论1 分析了电控液压制动系统中制动踏板 模 拟器的工作原理 , 利用 AM ES i m 和 M atlab 联合 仿 真技术实现了踏板模拟器的踏板力动态跟踪。2 分析了蓄能器及液压油 性能对模拟器 的 踏板特性跟踪效果 的影响 , 得到了主要参数对 模 拟踏板力的影响规 律 , 为电控液压制动系统的 踏 板模拟器设计提

18、供了理论依据。参考文献 :1 林志轩 , 高晓杰 . 制动踏板感觉研究现状 J.农业装 备与车辆工程 , 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 郑宏宇 , 宗长富 , 高越 , 等 . 线控制动系统的踏 板力模拟 研 究 J.系 统 仿 真 学 报