張 勇，鄧國紅，王林峰，石智衛(wèi)

(1.重慶理工大學重慶汽車學院，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)行機構(gòu)。通過傳感器不斷采集汽車行駛狀態(tài)信號，控制器判斷汽車穩(wěn)定狀態(tài)并做出控制命令，液壓執(zhí)行機構(gòu)接受控制命令，對4個車輪分別進行制動，產(chǎn)生橫擺力矩，控制汽車不足轉(zhuǎn)向或過多轉(zhuǎn)向的運動趨勢，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)行機構(gòu)，各液壓控制閥必須在短時間內(nèi)對控制指令做出響應，其動態(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)行機構(gòu)的動態(tài)特性及影響因素，對系統(tǒng)參數(shù)進行合理匹配，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個電磁閥和1個電機接受電子控制單元(ECU)的命令。當ESP控制系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，隔離閥、吸入閥和泵通電，制動液經(jīng)吸入閥和回油泵流入高壓阻尼器以減弱油壓脈動，然后經(jīng)增壓閥流入制動輪缸進行制動。當制動力達到目標值時，減壓閥和吸入閥不通電，切斷制動主缸與制動輪缸的油路及制動輪缸與低壓蓄能器的油路，保持制動力不變。當制動力超過目標值時，減壓閥通電，制動液經(jīng)減壓閥流入低壓蓄能器以暫時儲存，并成為下一次增壓的油源，制動力也逐漸減小。在新的增壓過程中，制動液在回油泵的作用下經(jīng)阻尼器、增壓閥再次流入制動輪缸。如此進行增減壓循環(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)流體力學相關理論，在AMEsim軟件中建立液壓系統(tǒng)主要元件的數(shù)學模型，描述其動態(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液壓力差Δp(Pa)，輸出量為流量q(m3/s)，其數(shù)學模型為

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為制動液密度，取 850 kg/m3;λc為制動液臨界雷諾數(shù)，取1 000;υ為制動液運動黏度，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閥，其流量特性按式(1)計算。電磁閥在驅(qū)動電壓作用下，完全開啟和關閉都存在一定的時間延遲，閥芯的位移和速度通過設置固有頻率和阻尼比，采用二階延遲環(huán)節(jié)進行計算。為使制動液快速進入工作循環(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)學模型需定義活塞直徑、彈簧剛度等，輸入量為制動液流量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，增加預壓單元。根據(jù)主缸實際結(jié)構(gòu)尺寸，設定前后缸活塞直徑為22.2 mm;前后缸活塞桿徑為3.25 mm;前缸運動部件等效質(zhì)量0.3 kg，后缸運動部件等效質(zhì)量0.2 kg;后缸彈簧剛度3.8 N/mm;預壓單元的預壓力通過編輯ASCII文件調(diào)節(jié)以快速建立壓力，提高系統(tǒng)的響應時間。

6)輪缸模型

輪缸采用盤式制動器，直接調(diào)取軟件子模型中的輪缸。設定制動輪缸直徑為50 mm，制動器有效半徑為130 mm，制動效能因數(shù)為0.8，其數(shù)學模型為

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。

最終建立好的整個液壓系統(tǒng)模型如圖2所示。式中:E為制動液體積模量，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

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

圖2 ESP液壓系統(tǒng)模型

2 ESP液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真分析

在汽車行駛過程中，ESP控制系統(tǒng)需要根據(jù)運行狀態(tài)情況對車輛進行實時干預。ECU發(fā)出控制指令后，液壓系統(tǒng)應能在極短時間內(nèi)對輪缸制動壓力進行精確的增壓、保壓、減壓調(diào)節(jié)。因此，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輪缸制動壓力的響應速度成為衡量液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的主要指標［8］。

以左前輪為例，通過PWM設置產(chǎn)生周期信號作為增壓閥和減壓閥的控制源，仿真時間2 s，步長0.01 s，對所建立的液壓系統(tǒng)進行仿真?？刂菩盘柤胺抡娼Y(jié)果如圖3～8所示。

圖3 控制信號

圖8 低壓蓄能器活塞位移

從仿真結(jié)果可以看出，在控制信號驅(qū)動下，增壓閥、減壓閥可實現(xiàn)周期性開啟和關閉，輪缸制動壓力和流量也呈現(xiàn)周期性變化，以實現(xiàn)制動車輪的增壓－保壓－減壓－保壓的循環(huán)工作。

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

增壓閥和減壓閥并不隨著控制信號的通斷立即開啟、關閉，而是存在著明顯的遲滯特性，這與實際電磁閥的工作過程是吻合的。

3 動態(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)值的動態(tài)響應曲線，就可以直觀地考察各種特征參數(shù)對液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

液壓控制閥是液壓系統(tǒng)的關鍵元件，通過改變其固有頻率可以得到不同的響應特性，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)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應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速度，但會增加成本?；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)，但是過大的排量會導致系統(tǒng)壓力超調(diào)，浪費系統(tǒng)資源。過小的排量使輪缸達不到系統(tǒng)壓力響應要求，低壓蓄能器減壓不充分。低壓蓄能器容積過小導致系統(tǒng)減壓不充分，增大容積可以使系統(tǒng)充分減壓，但過大的容積使增壓過程不能達到要求。在進行液壓系統(tǒng)設計時，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)合仿真平臺的建立

利用Matlab與AMEsim的聯(lián)合仿真技術，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，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控制器和信號觸發(fā)器。模糊控制器以橫擺角速度差值作為輸入，以目標橫擺力矩作為輸出;stateflow以前輪轉(zhuǎn)角及橫擺角速度差值作為輸入進行四通道制動力分配;信號觸發(fā)器用于觸發(fā)電磁閥信號。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接口形式進行通訊，將4個輪缸的壓力輸入到車輛模型，將控制器輸出的8個電磁閥信號輸入到液壓系統(tǒng)中。通過所建立的聯(lián)合仿真平臺，可以方便地對車輛模型、控制器及液壓系統(tǒng)進行修改及匹配，完成ESP的快速原型設計。

4.2 仿真結(jié)果及分析

通過所建立的聯(lián)合仿真平臺，以某乘用車為例，對整車模型進行仿真。

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，此時車輛穩(wěn)定性差，處于危險狀態(tài)。經(jīng)過ESP控制的車輛，其輪缸液壓制動系統(tǒng)可快速響應，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

在AMEsim仿真平臺中根據(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態(tài)響應性能。利用Matlab與AMEsim接口技術，建立了ESP聯(lián)合仿真平臺?；诖似脚_，以某款乘用車為例，對其不同行駛工況進行仿真。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)合仿真平臺有效，ESP提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。該平臺的建立也為下一步搭建ESP硬件在環(huán)實時仿真平臺及實車試驗奠定了基礎。

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