汽車電子穩(wěn)定性程序液壓控制關(guān)鍵部件的建模與仿真

汽車電子穩(wěn)定性程序液壓控制關(guān)鍵部件的建模與仿真

汽車主動(dòng)液壓控制單元hcuesp是一個(gè)電子車輛穩(wěn)定程序（esp），包括防傾斜剎車系統(tǒng)（abs）、動(dòng)態(tài)力管理系統(tǒng)（ts）和水平旋轉(zhuǎn)扭矩管理系統(tǒng)（ayc），用于支持汽車安全的穩(wěn)定行駛。ESP系統(tǒng)由電子控制單元(ECU)、液壓控制單元(HCU)和傳感器組成。ESP性能、控制效果與液控單元的性能密切相關(guān)。當(dāng)HCU對(duì)于指令的執(zhí)行不徹底或其節(jié)奏跟不上時(shí),將導(dǎo)致ECU指令執(zhí)行后,ESP得不到預(yù)期控制的效果,從而影響整套ESP系統(tǒng)的性能。對(duì)于ESP系統(tǒng)中的HCU,國外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[1~5]。近年來,國內(nèi)關(guān)于ESP液壓控制單元的研究有了快速發(fā)展[6!9],但國內(nèi)有關(guān)汽車ESP液控單元的文獻(xiàn)中,對(duì)HCU的建模大多止于標(biāo)準(zhǔn)件層面,只能對(duì)軟件提供的可變參量進(jìn)行分析,因此很難深入分析液壓元件具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)ESP性能的影響。雖然國外的ESP技術(shù)和產(chǎn)品已成熟完善,但發(fā)表的HCU研究文獻(xiàn)多是基于硬件在環(huán)等實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論,并未有從其液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行深入分析的具體研究和方法可供參考。鑒于此,本文根據(jù)HCU中回油泵、高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)原理,推導(dǎo)這些關(guān)鍵部件的數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用AMESim、Matlab軟件建立系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型,通過仿真深入分析元件參數(shù)對(duì)制動(dòng)輪缸壓力調(diào)節(jié)的影響,為ESP的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考依據(jù)。1系統(tǒng)工作原理ESP液壓控制單元HCU原理如圖1所示,由回油泵、電磁閥、蓄能器和直流電動(dòng)機(jī)組成,設(shè)置在制動(dòng)主缸與車輪制動(dòng)輪缸之間,根據(jù)ECU的控制指令,自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力。ESP系統(tǒng)分ABS、TCS和AYC3種工作模式。在AYC工作模式下輪缸增壓被稱為主動(dòng)增壓過程,此時(shí)制動(dòng)踏板未動(dòng)作,限壓閥從常通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄迚籂顟B(tài),吸入閥打開,制動(dòng)液通過吸入閥、回油泵、阻尼器、增壓閥進(jìn)入輪缸,推動(dòng)輪缸中的活塞,壓緊摩擦片進(jìn)行制動(dòng)。本文主要研究回油泵、限壓閥對(duì)這種模式下輪缸增壓過程的影響。2esp-esp一源動(dòng)力控制單元的數(shù)學(xué)模型2.1高速開關(guān)閥及其控制單元的運(yùn)動(dòng)分析在液壓控制單元中回油泵采用單柱塞泵,由帶偏心輪的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),在吸、壓油閥芯之間形成一個(gè)密閉的柱塞腔,如圖2所示。當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí),柱塞腔的油由于受到壓縮,壓力升高,頂開壓油閥的球形閥芯,完成壓油過程;當(dāng)柱塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí),柱塞腔壓力降低,吸油閥的擋板閥芯被頂開,完成吸油過程。泵的流量為式中Az——柱塞工作面積vz——柱塞垂直運(yùn)動(dòng)速度式中e——電動(dòng)機(jī)偏心輪偏心量θ——偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度式中n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ESP液壓控制單元中的增壓閥、減壓閥、吸入閥和限壓閥均為高速開關(guān)閥,可見高速開關(guān)閥是HCU的關(guān)鍵部件。高速開關(guān)閥是電、磁、機(jī)、液的強(qiáng)耦合系統(tǒng),以閥口常開的限壓閥為例(圖3),閥芯運(yùn)動(dòng)受到電磁力、液動(dòng)力和彈簧力等制約。其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為式中mf——閥芯運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量xf——閥芯運(yùn)動(dòng)件位移FX——電磁力Fp——液動(dòng)力FB——粘性阻尼力液體流經(jīng)閥芯時(shí)產(chǎn)生的液動(dòng)力對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性具有重要影響。分析穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力時(shí)選取介于閥腔入口及節(jié)流口的一段流體空間為控制體(圖4),對(duì)控制體積中的液體應(yīng)用動(dòng)量定理,可得閥芯(下端面)所受穩(wěn)態(tài)軸向液動(dòng)力為式中v0、vj——閥腔入口處、節(jié)流處流速p0、pj、p2——閥腔入口處、節(jié)流處、出口處壓力α——閥座半錐角根據(jù)閥口流量公式其中Δp=p2-p0可得根據(jù)伯努利方程推導(dǎo)出節(jié)流處壓力考慮到在閥芯上端面作用有背壓p3,當(dāng)閥芯處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),背壓p3即閥出口壓力p2,所以穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力式中A2——閥座錐角大端面積將式(6)~(9)代入式(5),可得式中Ad12——閥座導(dǎo)角在水平方向的投影面積由式(10)可知Fst是關(guān)于閥芯過流面積的二階方程,閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)中閥座錐角及入口孔徑對(duì)該兩項(xiàng)有較大的影響權(quán)重,除此以外,閥兩端壓差對(duì)液動(dòng)力影響較大。3閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)理在建立ESP液控單元仿真模型時(shí),對(duì)回油泵和高速開關(guān)閥的仿真模塊進(jìn)行了細(xì)化。首先利用AMESim軟件液壓元件設(shè)計(jì)庫(HCD)的功能構(gòu)建了回油泵的仿真子模型,如圖5所示。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)使柱塞腔的體積發(fā)生變化,柱塞腔的油壓也相應(yīng)改變使得進(jìn)油閥芯及壓油閥芯交替開合,從而交替完成吸油和壓油工作。該子模型體現(xiàn)了單柱塞泵流量及壓力的波動(dòng)性,另外模型增加泄漏模塊,可以模擬主要由內(nèi)泄漏引起的容積損失。因此,該子模型更接近泵的工作實(shí)際。其次為精確描述高速開關(guān)閥閥芯所受的液動(dòng)力,揭示閥芯運(yùn)動(dòng)機(jī)理,根據(jù)上述高速開關(guān)閥的數(shù)學(xué)模型建立限壓閥的Simulink模型,封裝為S函數(shù),令輸入為限壓閥進(jìn)、出油口油壓,輸出為通過限壓閥的流量,將其嵌入到用AMESim建立的液控單元系統(tǒng)模型中,如圖6所示。通過聯(lián)合仿真,可以分析閥的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。4模擬分析4.1回油泵出口阻尼器孔徑HCU中吸入閥孔徑對(duì)回油泵泵油能力的影響如圖7所示。當(dāng)吸入閥孔徑變大,泵的吸油管路阻力變小,此時(shí)吸油口壓力增大,更容易頂開進(jìn)油閥芯,使得泵油能力加強(qiáng),制動(dòng)輪缸增壓速率加快。其次,減小進(jìn)油擋板閥芯下端面的有效工作直徑,使得進(jìn)油閥芯的上下面積差加大,進(jìn)油閥芯更能及時(shí)關(guān)閉,壓油過程延長,從而提高泵的效率,輪缸增壓速率明顯加快,如圖8所示。由圖9可知,改變回油泵出口連接的阻尼器孔徑對(duì)輪缸主動(dòng)增壓速率影響不大。理論上提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以增大泵的流量,但通過仿真分析得出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2000r/min以上時(shí)改變轉(zhuǎn)速對(duì)回油泵泵油能力影響不大,此時(shí)輪缸主動(dòng)增壓速率影響基本不變,如圖10所示。4.2高頻dm控制下的仿真分析應(yīng)用圖6所示HCU仿真模型,令吸入閥、增壓閥全開,限壓閥采用4000Hz的PWM控制,對(duì)輪缸主動(dòng)增壓過程進(jìn)行仿真。為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,在ESP硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖11)上對(duì)閥進(jìn)行相同工況的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。圖12為40%占空比下輪缸壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比。由圖可見,在高頻PWM控制下,限壓閥能起到很好的溢流限壓作用,而且仿真結(jié)果較好地反映實(shí)際的液壓系統(tǒng)響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)限壓閥在100Hz、2000Hz和5000Hz頻率PWM控制下的增壓過程進(jìn)行仿真,得到40%占空比下輪缸壓力及限壓閥芯的位移,分別如圖13、14所示。由圖可見,高頻PWM控制下的高速開關(guān)閥與低頻(10~100Hz)PWM控制有著本質(zhì)的區(qū)別。在低頻PWM控制下,高速開關(guān)閥處于頻繁開關(guān)的工作狀態(tài),對(duì)輪缸壓力的調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大壓力波動(dòng)。在高頻PWM控制下,高速開關(guān)閥閥芯可以懸浮在某一開度,使得低成本的高速開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)與比例閥相近的線性控制功能,從而制動(dòng)壓力的增加過程能夠更加平穩(wěn)精確,避免高速開關(guān)閥的完全開和關(guān)帶來的壓力波動(dòng)和噪聲。5電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)油閥芯尺寸(1)回油泵的單柱塞結(jié)構(gòu)不可避免地帶來輸出流量的不連續(xù)性,回油泵的吸壓油過程并不完全取決于柱塞腔體積變化,還與吸、壓油閥芯能否及時(shí)配合動(dòng)作有關(guān)。通過仿真得到增大吸入閥孔徑和減小進(jìn)油閥芯下端面尺寸可以使得進(jìn)油閥芯在吸油過程及時(shí)打開而在壓油過程及時(shí)關(guān)閉,從而提高回油泵泵效率。通常增大電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可使泵輸出流量增加,而通過仿真得到在2000r/min以上改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)回油泵泵油能力影響不大。(2)高速開關(guān)閥閥芯運(yùn)動(dòng)受到電磁力、液動(dòng)力和彈簧力等的制約,液動(dòng)力對(duì)閥