基于AMESim的汽车ESP液压控制系统建模与分析

2016-08-09张凡彭富明

大科技 2016年21期

关键词：轮缸液压特性

张凡彭富明

（南京理工大学南京市 210094）

基于AMESim的汽车ESP液压控制系统建模与分析

张凡彭富明

（南京理工大学南京市 210094）

简述ESP系统结构及原理，基于AMESim软件建立ESP液压系统仿真模型，模拟汽车在不同工况下ESP系统增压、保压、泄压的工作过程，对ESP液压系统动态特性进行分析。

电子稳定程序；液压执行单元；动态特性；AMESim

引言

汽车电子稳定程序（Electronic Stability Program）是目前世界上最尖端的汽车主动安全系统电子设备。汽车ESP液压系统主要由电子控制单元（Electronic Control Unit）、传感器和液压系统等三部分组成，在汽车行驶过程中，ESP根据车辆行驶状况，通过对单个车轮施加一定的制动压力，调节汽车横摆力矩，保证汽车按照驾驶员的意图行驶[1]。汽车稳定性控制系统可以使汽车在各种行驶工况及允许的物理极限范围下，保持在车道内稳定行驶，提高汽车在高速时遇到突发情况下的安全性。ESP系统的关键执行部件—液压调节器（HCU），是一个在短时间内完成动态响应的高速响应系统，HCU的性能显著地影响着整个系统的性能。为保证ESP系统的工作可靠性和控制精度，进行其液压系统动态特性研究是十分必要的。

1 ESP液压系统结构及原理

ESP液压控制系统的组成主要包括制动主缸，制动轮缸，液压调节器。其中液压调节器包括12个二位二通电磁阀、单向阀、柱塞泵等。ESP系统工作时，隔离阀1从常通状态切换为限压状态，吸入阀2打开，制动液在预压泵9的作用下通过吸入阀2、回油泵6进入高压阻尼器8，再进入增压阀3进入轮缸5，压紧摩擦片进行制动；当制动力足够时，增压阀3和吸入阀2关闭，减压阀4打开，轮缸中的高压制动液进入蓄能器7，为下一次制动作准备。如此循环直到退出ESP模式。

2 ESP液压系统建模

2.1 液压缸建模

ESP系统用于控制车辆的横摆力矩，其制动过程主要有三种形式，分别为被动制动、半主动制动和全主动制动。考虑到低温条件下，液压介质的黏度很高，在全主动制动过程中，液压系统建立压力时间长，不利于车辆的主动干预，所以引入预压泵单元。系统液压主缸采用汽车常用的双腔串联式制动主缸，保证至少有一个制动回路能正常工作。其中两个油缸分别用于前轮制动和后轮制动。结合双腔串联制动液压缸的结构原理和预压泵单元中油泵的数学模型，从AMESim库中选取正确的元件构建模型。为验证液压缸建模合理性，现对其独立仿真分析，仿真结果如图1所示。从图中可以看出两个油缸的输出压力与给定的信号在时域内吻合，说明液压缸的模型是正确的。

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图1 制动主缸压力响应

图2 制动轮缸压力响应

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2.2 制动轮缸建模

液压调节器用于接收电子稳定性系统控制器发出的指令，通过各液压元件的动作实现相应回路的通断，进而实现各制动轮缸压力的调节。基于油泵、蓄能器节流器、电磁阀等模型的数学模型，分别在AMESim软件的液压库和机械库中为其找到相应的子模型，按照液压原理图连接好，得到的ESP液压调节器的模型。建立好完整的汽车ESP液压系统模型[2]。

2.3 液压调节器建模

汽车ESP液压系统的动态特性是指系统从原来的平衡状态达到一个新平衡状态的过程中所表现出来的特性。在这个动态过程中，系统中的各变量都在随时间不断地变化，这样就体现了系统动态特性的优劣。根据动态特性相关理论，本文对ESP液压系统提出系统稳定和轮缸压力响应速度两个动态指标，并从电磁阀截流面积、预压单元预压大小两个因素进行仿真研究并分析。仿真参数设置为：柱塞泵排量为0.18cc/r，蓄能器活塞直径为15mm，活塞行程为10mm，预压单元预压值为25bar，增压阀截流面积0.5mm2，减压阀截流面积0.6mm2，隔离阀和吸入阀截流面积为2mm2，工作温度39℃，液压介质密度850kg/m3。ESP系统处于全主动工作状态，一个调节周期为0.5s，其中增压时间0.2s，保压时间0.1s，减压时间0.2s。

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车轮制动器分为鼓式制动器与盘式制动器。盘式制动器具有诸多优点，应用广泛，对于车辆制动性能以及车辆主动安全性的提高效果明显，所以本文将建立盘式制动器模型。结合盘式制动器的结构原理在AMESim中建立制动轮缸模型。对其性能分析，结果如图2所示。从图中可以看出在第0.5s的时候电磁阀开启，经过0.1s电磁阀开启最大流通面积，同时在预压泵工作的条件下轮缸压力迅速建立起来，压力响应快，说明制动轮缸的模型是正确的。

3 动态特性分析

前进速度：当铁丝直径为8 毫米时，前进的速度为4500 能正常循迹，但速度过慢，当提速为4800 时加速2 秒，当加速到5000 时因车速过快，影响了循迹，卡顿现象严重。故选择最佳前进速度4800。

3.1 预压单元预压大小对系统动态特性的影响

仿真对比预压单元压力分别为0bar，20bar，40bar的左前轮缸压力响应和流量响应。仿真结果如图3～4所示，从图中可以看出，预压单元预压力为0时，轮缸的响应很慢，对主缸进行预压处理后，响应的品质大为提高。

图3 预压单元压力对轮缸压力的影响

图4 预压单元压力对轮缸流量的影响

3.2 液压控制阀截流面积对系统动态特性的影响

液压控制阀特征参数是阀口截流面积，在实际ESP液压系统中，液压阀的截流面积一般在0.5mm2左右。故设置增压阀截流面积分别为0.8mm2、0.5mm2、0.3mm2，对应的减压阀截流面积为 0.9mm2、0.6mm2、0.4mm2，仿真得到变化曲线如图5～6所示，从图中可以看出过小的截流面积导致系统压力调节明显滞后，使得轮缸压力建立过慢；但是过大的截流面积容易产生流量的脉动冲击，严重影响系统的稳定性。因此截流面积设计时要注意与实际系统的匹配。