基于PWM控制的ESP高速开关阀动力学特性研究与仿真.pdf

第 1 2期 2 0 1 5牟 1 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 8 7 基 于 P WM控制的 E S P高速开关阀 动力学特性研究与仿真 王冬 良 ， 陈 南 2刘远伟 1 ． 三江学院 机械工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 1 2 ； 2 ． 东南大学 机械工程学院， 江苏 南京2 1 1 1 8 9 摘要 汽车E S P中采用的高速开关阀是二位二通电磁阀， 通过电磁阀的开启或关闭来实现车轮轮缸的增压、 保压和减 压。在 1 0 1 0 0 H z 低频范围内， 高速开关阀虽实现了平均开度控制， 但阀还是会出现时开时闭的状态， 且电磁阀在状态 切换中存在压力响应滞后现象。为了提高液压系统的控制精度， 提出了脉宽调制 P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n ， P WM 控制高 速开关电磁阀的仿真模型， 研究分析了调制频率在高频情况下， 通过改变P WM下的占空比， 实现高速开关阀压力精确控 制的效果， 达到 E S P制动压力响应快且平稳。 关键词 P WM控制； E SP ； 高速开关电磁阀； 仿真 中图分类号 T H1 6 ； U 4 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 1 2 0 0 8 7 0 4 Dy n a mi c s Re s e a r c h a n d Si mu l a t i o n o f Hi g h - Sp e e d On - Off S o l e n o i d Va l u e o f Au t o mo t i v e El e c t r o n i c S t a b i l i t y Pr 0 g r a m B a s e d o n P W M Co n t r o l W ANG Do ng -l i a n g ，CHEN Na n ，LI U Yua n- we i 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S a n j i a n g U n i v e r s i t y ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 1 2 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ， C h i n a Ab s t r a c t Hi g h - s p e e d s w i t c h v a l u e o fa u t o m o b i l e E S P is t w o p o s i t i o n t w o - w a y s o le n o i d v alues t h r o u g h s w i t c h i n g o n a n d o f fof w h i c h t o i m p l e m e n t t h e p r e s s u r iz a t i o n ， p r e s s u r e m a i n t a i n i n g and d e p r e s s u r iz atio n ofw h e e l c y l i n d e r ． Wi t h i n t h e l o w f r e q u e n c y r ang e f r o m 1 0 H z t o 1 0 0 H z ， t h e h i g h - s p e e d o n s o l e n o i d v a l u e C an c o n t r o l t h e a v e r a g e o p e n i n g ，b u t i n an u n s t a b l e s t atu s a n d t h e l a g ofr e o nse a p p e a r s i n t h e s t at e ofo n s o l e n o i d v alu e ． T o i m p r o v e t h e c o n t r o l p r e c i s i o n o ft h e h y d r a u l i c s t e m， i t p r o p o s e s t h e s i m u l at i o n ofc o n t r o l l i n g h i g h - s p e e d o n s o l e n o i d v a l ue t h r o u g h P u l s e Wi d t h Mo d u l a t i o n P WM ． I t s t u d i e s and a n aly z e s t h e r e aliz atio n o fp r e c is e c o n t r o l l i n g o f p r e s s u r e ofh i g h - s p e e d o n v alu e t o a c h ie v e q u ic k a n d s t abl e r e s p o nse ofE S P b r a k i n g p r e s s u r e t h r o u g h c h ang i n gd u t y r at i ow h e nmo d u l at i o n f r e q u e n c yi s i n 泓 Ke y W o r d s PW M Co n t r o l ；ES P；Hi g h - - S p e e d On - Off S o l e n o i d Va l v e ；S i m u l a t i o n 1引言 汽车电子稳定性程序 E l e c t r o n i c S t a b i l i t y P r o g r a m， E S P 是 改善汽车行驶稳定性的一种主动安全系统『 1 1。E S P系统是制动防 抱死系统 A n t i l o c k B r a k i n g S y s t e m， A B S 和 A B S ， 驱动防滑控 制 系统 A c c e l e r a t i o n S l i p R e g u l a t i o n ， A S R 两大系统组合系统的进 一 步发展， 可以快速、 主动地对汽车各个车轮进行制动。 E S P功能 包含 A B S ， A S R和直接横摆力矩控制系统 D i r e c t Y a w C o n t r o l ， D Y C ， 其中A B S 和 A S R主要是针对制动和驱动状态下的车轮打 滑进行控制， 将车轮滑移率始终控制在理想的范围内； D Y C则是 针对横摆力矩控制， 当车辆发生甩尾或者转向不足时， 针对车辆 理想轨迹和实际状态之间的差异进行控制12 1。装备 E S P的车辆， 其制动力 、 驱动力和侧向力可按最佳的控制策略进行控制， 使实 际的汽车行驶性能接近设定的汽车行驶性能。 2 E S P系统构成 E S P系统由传感器、控制器和执行器三大类别的部件总成 组成。 传感器主要包括车轮速度传感器、 组合传感器 横摆角速度 传感器、 侧向加速度传感器 、 压力传感器、 方向盘转角传感器 、 制 动踏板开关等。 执行器包括真空助力器、 制动总泵、 液压控制单元 总成 简称 H C U， Hy d r a u l i c C o n t ml U n i t 、 制动分泵、 液压油管、 制 动器总成等。 E S P控制器是集成在 H C U内部， 部分车辆是通过线 束引出分开安装。以上部件构成了完整的汽车 E S P系统。 E S P控制器总成主要由电机、 液压阀体 、 电磁阀和集成电子 来稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 4 基金项 目 江苏省高校 自然科学基金研究资助项 目 1 3 K J D 5 8 0 0 0 1 ； 江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项 目 Q c 2 0 1 3 O 2 作者简介 王冬良， 1 9 8 0 - ， 男， 江苏常州人， 硕士研究生， 讲师， 主要研究方向 汽车电子控制技术、 电动汽车驱动系统； 陈南， 1 9 5 3 一 ， 男， 重庆人， 博士研究生， 博士生导师， 教授， 主要研究方向 车辆振动与噪声控制、 车辆系统动力学及其控制 8 8 王冬 良等 基于 P WM控制的 E S P高速开关阈动力学特性研究与仿真 第 1 2期 控制单元 E C U 组成。其中电子控制单元为系统的核心， 实现对 系统输人输出的管理和控制系统的构建， 如图 1 所示。 a E S P控制器分解图 圆 b E S P系统控制逻辑简图 图 1汽车 E S P 控制器总成分解图及控制简图 Fi g ． 1 Th e De c o mp o s i t i o n o f Au t o mo b i l e ES P Co n t r o l l e r As s e mb l y a n d t h e Co n t r o l Di a gra m E S P液压控制单元 简称 HC U， H y d r a u l i c C o n t r o l U n i t 是执 行器的核心部件 ， 由电机、 柱塞泵 、 阀块、 阀芯和电磁线圈组成， 通 过阀块内部管路对单个制动通道压力进行控制， 阀块内液压控制 系统 ， 如图 2所示 。 网 2 E S P液压控制单元原理 图 F i g ．2 T h e P r i n c i p l e Di a g r a m o f t h e ES P Hy d r a u l i c Co n t r o l Un i t 冈中 H z 一制动主缸 ； MC 一制动管路 ； HS V 一 高压开关 阀； u s v - 一 转换 阀； s R P 一 回液泵 ； M 一 回液泵电机 ； E V 液 阀； A 一 出液阀 R V R 一单向阀； L R 一后左 ； R 卜 甫 右 ； L 啪左 ； R R 一后右。 E S P液压控制单元中有 1 2个电磁阀， 其中包含4个进液阀 E v、 4个出液阀 A V、 2个转换阀 U S V和 2个高压开关阀 H S V， H S V阀和 E V阀的差别在于 HS V阀能在制动液压力差大于 0 ． 1 MP a 时也能工作。E S P中采用的二位二通的电磁阀是高速开 关阀， 通过电磁阀的开或关来实现车轮轮缸的增压、 保压和减压 ， 此种电磁阀在状态切换中存在压力响应滞后现象[1 1 。在逆变电路 中应用较为广泛的 P WM控制技术则是通过一系列脉冲的宽度 进行调制， 来等效地获得所需波形， 具有易于控制、 没有响应滞 后、 控制范围宽等特点。因此 ， 为了提高 E S P液压系统的控制精 度， 达到精确控制轮缸压力的要求， 提出了运用脉宽调制 P u l s e Wi d t h M o d u l a t i o n ， P WM 控制高速开关电磁阀。 E S P可根据控制策略对各个车轮进行制动，如车辆在不足 转向时对弯道内测后轮或过多转向时对弯道外侧前轮进行制动。 此外 ， E S P可利用发动机干预来保证车辆稳定性。当系统进入 E S P工作状态后， 有增压、 保压和减压三种模式。当E S P增压时， 进液阀 L R E V和出液阀 L R A V断电， 转换阀 U S V、 高压开关阀 H S V和泵电机 M通电， 制动液在泵作用下经 HS V、 回液泵 s R P 、 高压阻尼器、 进液阀L R E V后进入后左车轮制动轮缸； 当压力增 加到超过阈值时， E S P系统进入保压模式；当 E S P进入减压时， H S V、 U S V、 L RE V和 L RA V都通电， M断电，制动液流人低压蓄 能器， 蓄能器容积变大， 存储制动液， 为下一工作循环储备油源； 当压力下降到超过阈值时， E S P进入增压模式，系统进入下一个 循环， 周而复始， 直到系统退出E S P模式。根据 E S P液压控制单 元原理图， 利用 A E MS i m仿真软件构建 E S P液压系统模型， 汽车 E S P液压系统 A ME S i m模型， 如图3 所示。 图 3 E S P液压系统 AME S i m模型 Fi g ． 3 T h e AMES i m Mo d e l o f Hy d r a u l i c S y s t e m f o r ES P 3高速开关电磁阀模型的建立 文献 对高速开关电磁阀的脉冲宽度调制 P WM控制有了 一 定的研究， 其调制频率集中在 1 0 ～ 1 0 0 H z 范围内， 高速开关阀 的动态响应时间为 2 ms 左右， 阀芯动作过程， 如图4所示。 1 、 J t s 1 c ‘ ／ ＼ “ J 图4低频 P WM控制的高速开关电磁阀的动态响应曲线 F i g ．4 Th e Dy n a mi c Re s p o n s e Cu r v e s o f Lo w- F r e q ue n c y P W M Co n t r o l o f Hi g h - S p e e d On - Off S o l e n o i d Va l v e 通过调节占空比，可以控制高速开关电磁阀在一个调制周 期 T内的平均开度， 控制制动轮缸压力。 在 1 0 ～ 1 0 0 H z 低频范围 内， 虽实现了高速开关电磁阀的平均开度控制， 但阀还是会时开 时闭的状态， 会导致阀出现开闭时撞击噪声、 制动压力非线性增 长等现象。因此， 为进一步提高 E S P系统的控制精度， 要求高速 开关阀阀芯在某一开度位置上， 实现压力增长速度线性化。 E S P系统中的高压开关阀、 转换阀、 进液阀和出液阀都是高 速开关阀， 该阀是机、 电、 液、 磁的强耦合系统l l 】7 1 ， 以进液阀为例， 其结构， 如图5 所示。 高速电磁阀线圈不通电时， 在回位弹簧作用 ～一鐾 ～ ． 三 一 - 剐 一感 感 感 感 踏 一 一传 传 传 传 动 一 耋暑 筛 丽 一 一轮 组 转 一 射 忻 NO ． 1 2 D e c ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与制 造 8 9 下， 推杆使阀芯打开， 阀处于常开状态， 进油口A 连接制动主缸 与出油 口 连接制动轮缸 相通 ； 当线圈通电时 图 5所示状 态 ， 推杆在电磁力作用下使阀芯下移， 阀处于关闭位置， 切断了 进油 口A与出油口B之间的压力传递。 仑 a 结构 图 一一 ◆ 曰 b 液流示意图 1 ． 滤网座 2 ．滤网 3 ． 阀座 4 ． 回位弹簧 5 ． 推杆 6 ．限位橡胶座 7 ． 电磁 阀线圈轭铁 8 ．线 圈架 9 ．线圈 1 O ． 隔磁装置 1 1 ． 动铁 1 2 ．线圈端盖 1 3 ． 阀体 1 4 ．环滤网 1 5 ． 回流阀 A． 进油 口 丑出油 口 图 5高速开关阀结构及液流示意图 Fi g ． 5 Hi g h S p e e d On -Off S o l e n o i d Va l v e S t r u c t u r e＆ F l o w Di a a m 4高速开关电磁阀动力学模型的建立 高速开关阀的阀芯运动受到液动力、 电磁力和弹簧力等约 束， 运动学方程为 ， 一 一 1 式中 m， 一阀芯质量； 即一阀芯位移； 一电磁阀电磁力； 液 动力； 一回位弹簧弹力； 制动液粘性阻尼力。 根据动能定理， 得出阀芯所受轴向液动力为 f F “ P Q v i - - p Q v k c o s t - p A I P k 2 a r r d r - p 。 A C O S O ／ 2 式中 口 一阀进油口处、 阀开启时阀芯通流处流速； P 、 p 、 p 一阀 进油口处、 阀开启时阀芯通流处、 阀出油口处压力； A 厂 阀 开启时阀芯通流处通道面积； 阀座半锥角，图 5中所示 为 9 0 。 。 高速开关阀阀口流量为 Q A tan ＼[ 8 A k 3 式中 c 一阀口流量系统 ； p 制动液密度 ； 却一阀口两侧压力 差， 卸 。 ； A 制动液流动雷诺数 一阀口边缘湿周长 度； 矿 制动液动力黏度。 式 3 考虑了流量系统的非恒定性， 当 △ p 较小时， 流量 Q 基 本与△ p成正比， 由于 E S P液压控制单元中的高速开关电磁阀阀 座孔径较小 约为0 ． 7 mm ， 所以 A 低， 约为1 0 0 ； 制动液平均密度 约为 8 5 0 k g ／ m ； 平均动力黏度 田约为4 2 ．5 m m ％。因此， 式 3 可以 简化为 Q C q A k 4 式 4 可得 p a p 5 式中 A， 进油iz l 面积。 有伯努利方程可推导出通流处压力 P 19 。 - C ； A p 6 在阀芯背面有背压，当阀芯处于稳定状态时背压等于出E l 压力。所以， 稳态时液动力为 - p 。 A 7 式中 A。 一阀座锥角大端面积。 将式 3 一 式 7 代人式 2 ， 得 F , , 2AC --- d 一 A 卸 8 ． A p A k -- 由式可知液动力是高速开关阀开启时阀芯通流处通道面积 的二阶方程，进油口孔径以及阀座锥角对其有较大的影响权重。 此外， 阀口两侧的压力差对液动力也有一定的影响。 根据上述结果、 结论， 建立了汽车 E S P H C U 1 ／ 4 A ME S i m模 型lS - O ] ， 如图 6所示。 图 6 E S P - HC U l ／ 4 A ME S i m模型 F i g ． 6 AMES i m Mo d e l o f 1 ／4 ES P- HC U 5仿真结果分析 根据图6 所示 E S P H C U模型， 使高压开关阀 阀 1 闭合 、 转换阀 阀2 打开、 电机工作， 进液阀 阀 3 采用 4 0 0 0 Hz 的高频 进行 P WM控制， 对轮缸的压力进行仿真。4 k H z 下， 不同占空比 下高速开关阀阀芯位移曲线， 如图 7 所示。 ff s 图7 4 0 0 0 H z P WM控制高速开关阀不同占空比下阀芯响应曲线 F i g ．7 Co r e Re s p o n s e Cu r v e s o f 4 0 0 0 Hz P W M Hi g h - Sp e e d On - Off S o l e n o i d Va l v e C o n t r o l Va l v e Un d e r Di f f e r e n t Du t y Ra t i o 由仿真结果可见 ， 2 0 ％的占空比时， 阀全开； 8 0 ％的占空比 一 一 津 掏匿 机械 设 计 与制 造 No ． 1 2 De c ． 2 01 5 时， 阀全关； 这两种占空比下， 电磁阀实现了传统二位二通高速开 关电磁阀开朕 效果。 当占空比为6 0 ％时， 电磁阀线圈通电时间达 l O re后， 阀芯处于闭合与接近闭合的状态， 不是阀悬浮中间位置， 不利用控制。当占空比在 4 0 ％时， 阀芯位移能在 P WM控制下处 于开或者关以外的状态， 即中间悬浮状态。对 4 0 ％附近的占空比 进行细微化后， 得出了 P WM控制下阀芯开度曲线， 如图 8 所示。 至 嫠 鎏 { 霜 _ ＼ ● _ 。 、 - 占 空 比 L ％ 图 8阀芯开度曲线及最佳占空比控制区间 Fi g ． 8 Th e Op e n i n g o f t h e Va l v e Co r e Cu r v e ＆ t h e B e s t Co n t r o l Ra n g e o f Du t y Ra t i o 由图 8阀芯开度曲线可见， 当占空比在 3 0 ～ 5 0 ％区间时， 能 够保证阀芯在开度 2 0 ～ 9 O ％之间， 实现了一定的占空比控制能 使阀芯悬浮在某一位置， 达到了与比例阀相似的线性响应特征。 6结束语 通过对低频、 高频 P WM控制下高速电磁阀动态响应性能的 研究， 提出了在高频 P WM控制下， 高速阀阀芯可以悬浮在某一 开度， 实现与比例阀相似的线性特性， 使得 E S P系统制动压力增 长过程更精确平稳。 参考文献 [ 1 ] 李永， 宋健． 车辆稳定控制技术[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 2 1 2 ． L i Y o n g ， S o n g J i a n ． V e h i c l e S t a b i l i t y C o n t r o l T e c h n o l o g y[ M J ． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 1 2 1 2 ． [ 2 ] 孟爱红， 王治中， 宋健． 汽车 E S P液压控制单元关键部件建模与系统 仿真[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 1 3 2 1 - 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o ff v a l v e [ D ] ．C h a n g s h a H u n a n N o r m a l U n i v e r s i t y ， 2 0 0 8 ． [ 6 j T u H C ， R a n n o w M B ， Wa n g M．Mo d e l i n g a n d v a l i d a t i o n o f a h i g h s p e e d r o t a ry P WM o n ／ o ffv a l v e [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e A S ME D y n a mi c S y s t e ms a n d Co n t r o l C o n f e r e n c e 2 0 0 9 ． Ho l l y wo o d ， CA，US A， 2 0 0 9 6 2 9 - 6 3 6 ． [ 7 ] 王伟玮， 宋健， 李亮． 高速开关阀在高频 P WM控制下的比例功能[ n 清华大学学报 自 然科学版， 2 0 1 1 5 7 1 5 7 1 9 ． Wa n g We i w ， S o n g J i a n ， L i L i a n g ．Hi g h s p e e d o n 叫J f f s o l e n o i d v a l v e w i t h p ro p o r t i o n a l c o n t r o l b a s e d o n h i g h f r e q u e n c y P WM c o n t ro l [ J ] J o u rua l o f T s i n g h u a U n i v e r s i t v Na t u ml S c i e n c e E d i t i o n ， 2 01 1 ， 5 1 5 7 l 5 _ 7 1 9 ． [ 8 ] 余卓平， 余萌里， 熊璐．基于 A M E S i m的汽车电子稳定系统轮缸压力精 确控制研究[ J ] ．汽车技术， 2 0 1 3 2 1 9 2 2 5 9 ． Yu Z h u o - p i n g ， Y u Me n g - l i ， X i o n g L u ．Mo d e l i n g a n d c o n t r o l l i n g o f v e h Me E S P w h e e l c y l i n d e r p r e s s u r e b a s e d o n AME S i m[ J J ．A u t o mo b i l e T e c h n o ～ l o gy． 2 0 1 3 2 1 9 - 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1 9 4 ． [ 6 ] 杜平安．有 限元 网格划分基本原则[ J ] _ 机械设计 与制造 ， 2 0 0 0 1 3 4 3 5 ． D u P i n g - a n ． T h e b a s i c p r i n c i p l e o f fi n i t e e l e me n t g r i d s d i f f e r e n t i a t i o n [ J ] ． M a c h i n e ryD e s i g n M a n u f a c t u r e ， 2 0 0 0 1 3 4 - 3 5 ． [ 7 ] 陈定方， 卢全国． 现代设计理论与方法[ M] ． 武汉华中科技大学m版 社 ， 2 0 1 0 ． C h e n D i n g f a n g ， L u Q u a n - g u o ． Mo d e r n De s i g n T h e o ry a n d Me t h o d l M] ． Wu h a n Hu a z ho n gUn i v e r s i t y o f S c i e n c e＆t e c h n o l o gy P r e s s ． 2 01 0 ． [ 8 ] 蒋新雅， 王金龙． 基于A D A M S 的新产品开发设计[ z ] ． 2 0 1 4 1 3 2 1 3 4 ． J i a n g X i n - y a ， Wa n g J i n - l o n g ． A D e s i g n Me t h o d o f N e w P r o d u c t B a s e d O n A D A M S [ Z ] ．2 0 1 4 1 3 2 1 3 4 ． [ 9 ] 成大先．机械设计手册[ M] 一 E 京 化学工业出版社， 2 0 0 8 ． C h e n g D a - x i a n ．M e e h a n i c a l D e s i g n H a n d b o o k [ M] ． B e i j i n g C h e m i c a l I n d u s t ryP r e s s ， 2 0 0 8 ． [ 1 O ] 马斌强， 顿文涛， 郭洁．基于A D A M S 的平行四连杆液 举升机构的 仿真设计[ J ] ． 河南农业大学学报， 2 0 1 2 6 6 6 4 6 6 7 ． Ma B i n - q i a n g ， D u n We n - t a o ， G u 0 J i e 5 i mu l a t i n g d e s i g n o f h y d r a n l i c l i f - t i n g me c ha n i s ms c o n s i s t i n g o f f o u r p a r a l l e l c o n n e c t i n g r o d s b a s e d o n A D A MS [ J ] J o u r n a l o f H e n a n A g r i c n h u m l U o i v e