汽車ESP液壓控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真

張 勇，鄧國(guó)紅，王林峰，石智衛(wèi)

(1.重慶理工大學(xué)重慶汽車學(xué)院，重慶 400054;2.江森自控帥福得新能源電池研發(fā)(上海)有限公司，上海 201106)

汽車電子穩(wěn)定性程序(electronic stability program，ESP)是汽車的一種新型主動(dòng)安全系統(tǒng)，它主要包括各種傳感器、控制器和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)傳感器不斷采集汽車行駛狀態(tài)信號(hào)，控制器判斷汽車穩(wěn)定狀態(tài)并做出控制命令，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制命令，對(duì)4個(gè)車輪分別進(jìn)行制動(dòng)，產(chǎn)生橫擺力矩，控制汽車不足轉(zhuǎn)向或過(guò)多轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，以提高汽車的操縱穩(wěn)定性，減少交通事故的發(fā)生［1－3］。

液壓系統(tǒng)是ESP控制系統(tǒng)中的高速執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各液壓控制閥必須在短時(shí)間內(nèi)對(duì)控制指令做出響應(yīng)，其動(dòng)態(tài)特性直接決定了ESP控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。因此，研究ESP控制系統(tǒng)的工作原理，掌握液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性及影響因素，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理匹配，保證ESP工作的可靠性，是非常必要的［4］。

1 ESP液壓系統(tǒng)模型的建立

1.1 ESP液壓控制系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示，ESP液壓系統(tǒng)共有12個(gè)電磁閥和1個(gè)電機(jī)接受電子控制單元(ECU)的命令。當(dāng)ESP控制系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，隔離閥、吸入閥和泵通電，制動(dòng)液經(jīng)吸入閥和回油泵流入高壓阻尼器以減弱油壓脈動(dòng)，然后經(jīng)增壓閥流入制動(dòng)輪缸進(jìn)行制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，減壓閥和吸入閥不通電，切斷制動(dòng)主缸與制動(dòng)輪缸的油路及制動(dòng)輪缸與低壓蓄能器的油路，保持制動(dòng)力不變。當(dāng)制動(dòng)力超過(guò)目標(biāo)值時(shí)，減壓閥通電，制動(dòng)液經(jīng)減壓閥流入低壓蓄能器以暫時(shí)儲(chǔ)存，并成為下一次增壓的油源，制動(dòng)力也逐漸減小。在新的增壓過(guò)程中，制動(dòng)液在回油泵的作用下經(jīng)阻尼器、增壓閥再次流入制動(dòng)輪缸。如此進(jìn)行增減壓循環(huán)，直至液壓系統(tǒng)退出ESP控制模式［5］。

圖1 ESP液壓控制系統(tǒng)的工作原理

1.2 ESP液壓系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論，在AMEsim軟件中建立液壓系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型，描述其動(dòng)態(tài)性能［6－7］:

1)節(jié)流閥模型

節(jié)流閥起流量控制作用，在增壓閥、減壓閥和阻尼器中都會(huì)用到，是液壓系統(tǒng)中常用的模型。節(jié)流閥模型的輸入量為制動(dòng)液壓力差Δp(Pa)，輸出量為流量q(m3/s)，其數(shù)學(xué)模型為

式中:A為節(jié)流孔截面積(m2);Cqmax為最大流量系數(shù)，取 0.7;ρ為制動(dòng)液密度，取 850 kg/m3;λc為制動(dòng)液臨界雷諾數(shù)，取1 000;υ為制動(dòng)液運(yùn)動(dòng)黏度，取42.5 m2/s;d為節(jié)流孔徑(m)。

2)電磁閥模型

汽車ESP液壓系統(tǒng)中各種電磁閥的作用不同，其結(jié)構(gòu)和尺寸也不相同，使用較多的是高速開關(guān)閥，其流量特性按式(1)計(jì)算。電磁閥在驅(qū)動(dòng)電壓作用下，完全開啟和關(guān)閉都存在一定的時(shí)間延遲，閥芯的位移和速度通過(guò)設(shè)置固有頻率和阻尼比，采用二階延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算。為使制動(dòng)液快速進(jìn)入工作循環(huán)，吸入閥采用較大的孔徑，約為2.5 mm;為提高制動(dòng)壓力的控制精度，增壓閥和減壓閥一同起雙重節(jié)流作用，采用較小的孔徑，約為0.6 mm。

3)蓄能器模型

汽車ESP液壓系統(tǒng)采用彈簧活塞式蓄能器，其數(shù)學(xué)模型需定義活塞直徑、彈簧剛度等，輸入量為制動(dòng)液流量q(m3/s);輸出量為蓄能器端口壓力p(Pa)。

式中:q為油泵輸出流量(L/min);V為油泵排量，取0.12 cc/r;n為油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，取3 000 r/min。

5)主缸模型

主缸采用雙腔串聯(lián)模型，直接調(diào)取軟件子模型中的主缸，增加預(yù)壓?jiǎn)卧?。根?jù)主缸實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定前后缸活塞直徑為22.2 mm;前后缸活塞桿徑為3.25 mm;前缸運(yùn)動(dòng)部件等效質(zhì)量0.3 kg，后缸運(yùn)動(dòng)部件等效質(zhì)量0.2 kg;后缸彈簧剛度3.8 N/mm;預(yù)壓?jiǎn)卧念A(yù)壓力通過(guò)編輯ASCII文件調(diào)節(jié)以快速建立壓力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

6)輪缸模型

輪缸采用盤式制動(dòng)器，直接調(diào)取軟件子模型中的輪缸。設(shè)定制動(dòng)輪缸直徑為50 mm，制動(dòng)器有效半徑為130 mm，制動(dòng)效能因數(shù)為0.8，其數(shù)學(xué)模型為

式中:mp為輪缸活塞質(zhì)量;xp為輪缸活塞位移;Cp為制動(dòng)器黏性阻尼;Kk為等效剛度;Aw為活塞截面積;Fk0為系統(tǒng)干摩擦力。

最終建立好的整個(gè)液壓系統(tǒng)模型如圖2所示。式中:E為制動(dòng)液體積模量，取17 000 bar;A為截面積，取314 mm2;k為彈簧剛度，取20 N/mm;vol為蓄能器的容積。

4)油泵模型

預(yù)壓泵和回油泵都采用柱塞泵，其數(shù)學(xué)模型需定義油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和油泵排量，輸入量為制動(dòng)液壓力，輸出量為油泵流量，忽略機(jī)械損失和制動(dòng)液泄漏。

圖2 ESP液壓系統(tǒng)模型

2 ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析

在汽車行駛過(guò)程中，ESP控制系統(tǒng)需要根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)情況對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)。ECU發(fā)出控制指令后，液壓系統(tǒng)應(yīng)能在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)輪缸制動(dòng)壓力進(jìn)行精確的增壓、保壓、減壓調(diào)節(jié)。因此，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輪缸制動(dòng)壓力的響應(yīng)速度成為衡量液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要指標(biāo)［8］。

以左前輪為例，通過(guò)PWM設(shè)置產(chǎn)生周期信號(hào)作為增壓閥和減壓閥的控制源，仿真時(shí)間2 s，步長(zhǎng)0.01 s，對(duì)所建立的液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真?？刂菩盘?hào)及仿真結(jié)果如圖3～8所示。

圖3 控制信號(hào)

圖8 低壓蓄能器活塞位移

從仿真結(jié)果可以看出，在控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，增壓閥、減壓閥可實(shí)現(xiàn)周期性開啟和關(guān)閉，輪缸制動(dòng)壓力和流量也呈現(xiàn)周期性變化，以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)車輪的增壓－保壓－減壓－保壓的循環(huán)工作。

在增壓過(guò)程中，增壓閥開啟，減壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)液在回油泵的作用下流入制動(dòng)輪缸。增壓前期，制動(dòng)輪缸流量迅速增加，壓力也迅速增加;增壓后期，制動(dòng)輪缸壓力趨于飽和，流量降低，但回油泵持續(xù)供油，壓力緩慢上升。在減壓過(guò)程中，增壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)，減壓閥開啟，制動(dòng)輪缸中的高壓制動(dòng)液速釋放到低壓回路中，輪缸壓力急劇降低。部分制動(dòng)液儲(chǔ)存在低壓蓄能器中，既可以減小壓力沖擊和脈動(dòng)流量，消除系統(tǒng)噪聲，又可以存儲(chǔ)減壓所排出的制動(dòng)液，作為下次增壓的油源。在整個(gè)工作循環(huán)中還包括保壓過(guò)程，這時(shí)增壓閥和減壓閥都保持關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)輪缸壓力變化緩慢。

增壓閥和減壓閥并不隨著控制信號(hào)的通斷立即開啟、關(guān)閉，而是存在著明顯的遲滯特性，這與實(shí)際電磁閥的工作過(guò)程是吻合的。

3 動(dòng)態(tài)特性影響因素仿真分析

利用AMEsim批處理功能得到ESP液壓系統(tǒng)各元件不同特征參數(shù)值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，就可以直觀地考察各種特征參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

液壓控制閥是液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，通過(guò)改變其固有頻率可以得到不同的響應(yīng)特性，如圖9～10。

從以上仿真結(jié)果可以看出，改變液壓系統(tǒng)中主要元件的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度都有一定的影響，提高電磁閥的固有頻率可以提高響應(yīng)速度，但會(huì)增加成本?；赜捅门帕吭龃罂梢栽龃笙到y(tǒng)的流量和壓力，加速循環(huán)，但是過(guò)大的排量會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力超調(diào)，浪費(fèi)系統(tǒng)資源。過(guò)小的排量使輪缸達(dá)不到系統(tǒng)壓力響應(yīng)要求，低壓蓄能器減壓不充分。低壓蓄能器容積過(guò)小導(dǎo)致系統(tǒng)減壓不充分，增大容積可以使系統(tǒng)充分減壓，但過(guò)大的容積使增壓過(guò)程不能達(dá)到要求。在進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，各主要元件間要合理匹配，才能提高系統(tǒng)的性能［9］。

4 整車聯(lián)合仿真

4.1 聯(lián)合仿真平臺(tái)的建立

利用Matlab與AMEsim的聯(lián)合仿真技術(shù)，將在AMEsim中建立的液壓系統(tǒng)模型與在Matlab中建立的7自由度整車模型及ESP控制器連接，建立ESP聯(lián)合仿真平臺(tái)，如圖15所示。

圖15 聯(lián)合仿真框圖

仿真系統(tǒng)以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入，以橫擺角速度作為控制變量，二自由度車輛模型作為參考模型。ESP控制器包括模糊控制器、stateflow控制器和信號(hào)觸發(fā)器。模糊控制器以橫擺角速度差值作為輸入，以目標(biāo)橫擺力矩作為輸出;stateflow以前輪轉(zhuǎn)角及橫擺角速度差值作為輸入進(jìn)行四通道制動(dòng)力分配;信號(hào)觸發(fā)器用于觸發(fā)電磁閥信號(hào)。在AMEsim中所建立的液壓模型以S函數(shù)的形式嵌入到整車仿真系統(tǒng)中，使用SimulCosim接口形式進(jìn)行通訊，將4個(gè)輪缸的壓力輸入到車輛模型，將控制器輸出的8個(gè)電磁閥信號(hào)輸入到液壓系統(tǒng)中。通過(guò)所建立的聯(lián)合仿真平臺(tái)，可以方便地對(duì)車輛模型、控制器及液壓系統(tǒng)進(jìn)行修改及匹配，完成ESP的快速原型設(shè)計(jì)。

4.2 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)所建立的聯(lián)合仿真平臺(tái)，以某乘用車為例，對(duì)整車模型進(jìn)行仿真。

仿真工況1:車速為90 km/h，道路為附著系數(shù)為0.4的濕滑路面，前輪轉(zhuǎn)角為2°，頻率為0.5 Hz的正弦信號(hào)輸入。仿真結(jié)果如圖16～18所示。

圖18 輪缸壓力

從仿真結(jié)果可以看出，沒(méi)有ESP控制的車輛產(chǎn)生了很大的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，此時(shí)車輛穩(wěn)定性差，處于危險(xiǎn)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)ESP控制的車輛，其輪缸液壓制動(dòng)系統(tǒng)可快速響應(yīng)，使橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角都得到了較好控制，提高了汽車的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在AMEsim仿真平臺(tái)中根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作原理，建立了ESP液壓控制系統(tǒng)仿真模型，并分析了主要元件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。利用Matlab與AMEsim接口技術(shù)，建立了ESP聯(lián)合仿真平臺(tái)?；诖似脚_(tái)，以某款乘用車為例，對(duì)其不同行駛工況進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，所建立的液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，聯(lián)合仿真平臺(tái)有效，ESP提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。該平臺(tái)的建立也為下一步搭建ESP硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)及實(shí)車試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

［1］Yoshiyuki Yasui，Kenji Tozu，Noriaki Hattori，et al..Improvement of Vehicle Directional Stability for Transient Steering Maneuvers Using Active Brake Control［J］.SAE paper，1996(4):485.

［2］Kihong Park，Seung-Jin Heo，Inho Baek.Controller design for improving lateral vehicle dynamics stability［J］.SAE Review，2001，22:481 －486.

［3］李渭軍，張偉.SX6733GE81城市客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)［J］.客車技術(shù)與研究，2011(3):23－25.

［4］謝敏松.汽車ESP液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［5］劉巍.輕型汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性控制算法及硬件在環(huán)試驗(yàn)臺(tái)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007.

［6］付永領(lǐng).AMEsim系統(tǒng)建模和仿真從入門到精通［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［7］AMESim .AMESim 4.2 User Manual［Z］.［S.l.］:IMAGINE，2004.

［8］謝劍暉.汽車ESP液壓調(diào)節(jié)器建模與控制策略分析［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2008.

［9］祁雪樂(lè)，宋健，王會(huì)義.基于AMESim的汽車ESP液壓控制系統(tǒng)建模與分析［J］.機(jī)床與液壓，2005(8):115－122.