張佳琛

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商用車EBS系統(tǒng)橋控模塊建模和特性研究

張佳琛

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

商用車EBS系統(tǒng)是目前商用車安全領(lǐng)域中最具開創(chuàng)性的制動(dòng)安全技術(shù)。在EBS系統(tǒng)中，通常由橋控模塊控制后軸兩側(cè)制動(dòng)氣室壓力，文章從橋控模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理入手，建立橋控模塊的AMESim模型，通過(guò)離線仿真與試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證并且對(duì)橋控模塊的工作特性進(jìn)行分析。

EBS系統(tǒng)；橋控模塊；AMESim模型；特性分析

前言

EBS是電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（Electronically controlled Braking System）的英文縮寫[1]，在1996年，美國(guó)WABCO公司在奔馳的“ACTROS”商用車型上首次裝配EBS系統(tǒng)，自此性能出色的EBS系統(tǒng)迅速開始在北美和歐洲商用車市場(chǎng)普及。至今EBS系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了20多年，核心技術(shù)主要由WABCO和KNORR兩家商用車零部件公司掌握。如今，EBS系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類型客車、貨車、半掛牽引車、全掛牽引車以及其它一些中大型特種運(yùn)輸車輛上。EBS 系統(tǒng)與傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)相比，主要是在保留氣控回路基礎(chǔ)上采用線控技術(shù)，將駕駛員制動(dòng)意圖和車輛狀況的信息進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)閥件發(fā)送電信號(hào)，從而對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行控制，大大改善傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)特性，并為商用車制動(dòng)安全融入了更多新的功能[2]。

國(guó)外WABCO和KNORR兩家公司是該產(chǎn)品的主要供應(yīng)商，掌握成熟和先進(jìn)的EBS系統(tǒng)技術(shù)，國(guó)外其他廠商或高校也對(duì)EBS系統(tǒng)零部件及控制算法有較為深入的研究。而在國(guó)內(nèi)，商用車整車及零部件制造商對(duì)于EBS系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，目前仍然未出現(xiàn)國(guó)產(chǎn)的EBS產(chǎn)品投入實(shí)車應(yīng)用，不過(guò)已經(jīng)有眾多制動(dòng)系統(tǒng)零部件公司在EBS系統(tǒng)方面展開技術(shù)研究，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將有國(guó)產(chǎn)EBS產(chǎn)品的問(wèn)世。

在EBS系統(tǒng)中，后橋制動(dòng)氣室壓力由橋控模塊控制，本文從對(duì)橋控模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理入手，建立橋控模塊的AMESim模型，通過(guò)離線仿真與試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證以及對(duì)橋控模塊的工作特性進(jìn)行分析。

1 橋控模塊的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 橋控模塊的結(jié)構(gòu)

在EBS系統(tǒng)中，橋控模塊控制后軸的左右制動(dòng)氣室壓力，它集成有獨(dú)立的控制單元。某型號(hào)橋控模塊的外觀示意圖如圖1所示，橋控模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 橋控模塊外觀示意圖

a：進(jìn)氣電磁閥線圈；b：進(jìn)氣電磁閥回位彈簧；c：進(jìn)氣電磁閥鐵芯； ：進(jìn)氣閥氣壓閥芯；e：氣壓傳感器；f， g：活動(dòng)塊；h：排氣閥氣壓閥芯；i：排氣電磁閥線圈；j：排氣電磁閥回位彈簧；k：排氣電磁閥鐵芯； 1，2：進(jìn)氣口；5，6：出氣口，進(jìn)入制動(dòng)氣室； 3：排氣口，通向大氣；4：備壓氣體入口

橋控模塊有兩個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道由進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥、兩個(gè)氣壓閥芯、氣壓傳感器以及活動(dòng)塊組成。兩個(gè)通道共用一個(gè)安裝有消音器的排氣口以及連接到備壓閥的備壓氣體入口。進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥是高速開關(guān)電磁閥，由回位彈簧、銅線圈、鐵質(zhì)閥芯及軛鐵構(gòu)成。橋控模塊采用雙回路設(shè)計(jì)，電控控制優(yōu)先，冗余的氣動(dòng)控制回路作為電控故障時(shí)備用。

1.2 橋控模塊的工作原理

橋控模塊采用了雙回路控制設(shè)計(jì)，將后軸兩側(cè)的制動(dòng)氣室的控制通路分開，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)車輪制動(dòng)力的單獨(dú)調(diào)節(jié)[3]。兩個(gè)通道在功能上與氣壓ABS電磁閥基本相同，橋控模塊的控制單元控制進(jìn)、排氣電磁閥的電流通斷或者給以合適的脈寬調(diào)制電流就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)后軸制動(dòng)氣室的增壓、保壓、減壓、步進(jìn)增壓、步進(jìn)減壓等控制。

橋控模塊中集成有控制單元，該控制單元采集后輪輪速傳感器、摩擦襯片磨損傳感器以及橋控模塊內(nèi)氣壓傳感器的模擬信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理和誤差檢測(cè)，可以通過(guò)CAN協(xié)議與EBS的中央控制單元（ECU）進(jìn)行通訊，發(fā)送后軸制動(dòng)系相關(guān)信息并接收ECU發(fā)來(lái)的控制命令，通過(guò)控制橋控模塊的電磁閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)后軸的制動(dòng)氣室壓力。

當(dāng)橋控模塊的電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，備壓閥運(yùn)輸高壓氣體從橋控模塊的備壓氣體入口進(jìn)入，推動(dòng)活動(dòng)塊運(yùn)動(dòng)改變氣體通道，此時(shí)橋控模塊只相當(dāng)于兩個(gè)通路，制動(dòng)氣室壓力由制動(dòng)信號(hào)傳輸器的后橋輸出口開度控制，減壓時(shí)高壓氣體從備壓閥的排氣口排出，備壓閥保證了電控系統(tǒng)故障時(shí)的車輛具備常規(guī)氣壓制動(dòng)能力，但后軸喪失ABS防抱死功能以及無(wú)法對(duì)兩側(cè)制動(dòng)壓力單獨(dú)調(diào)節(jié)，須盡快進(jìn)行電控系統(tǒng)的故障檢測(cè)與修復(fù)。

從結(jié)構(gòu)上可以看出，橋控模塊的進(jìn)氣電磁閥是常閉型，排氣電磁閥是常開型。當(dāng)電控部分正常運(yùn)作時(shí)，橋控模塊上的 ECU 會(huì)根據(jù)控制邏輯向電磁閥發(fā)出電信號(hào)，通過(guò)控制電磁閥的通電與失電控制制動(dòng)氣室的壓力。橋控模塊的工作循環(huán)中電磁閥的控制狀態(tài)如表1所示。

表1 橋控模塊工作狀態(tài)

常規(guī)增壓過(guò)程：橋控模塊的的進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥都通電，因?yàn)殡姶帕Φ淖饔茫姶盆F芯將會(huì)克服彈簧阻力向另一側(cè)移動(dòng)，原本常閉的進(jìn)氣電磁閥打開，高壓氣體可以進(jìn)入，原本常開的排氣電磁閥關(guān)閉，關(guān)閉了制動(dòng)氣室與橋控模塊排氣口的通路。輸入口至輸出口形成了一條通道，儲(chǔ)氣筒中的高壓氣體經(jīng)橋控模塊后進(jìn)入左右輪的制動(dòng)氣室，制動(dòng)氣室壓力增加。

保壓過(guò)程：對(duì)進(jìn)氣電磁閥停止通電，對(duì)排氣電磁閥保持通電，由于進(jìn)氣電磁閥斷電后，電磁力消失，在回位彈簧力的作用下，電磁鐵芯恢復(fù)到初始位置，氣壓閥芯重新回到閥座上，進(jìn)氣電磁閥關(guān)閉。另外排氣電磁閥保持通電時(shí)使到排氣口的通道關(guān)閉，制動(dòng)氣室壓力不會(huì)增壓或減少，這就是保壓過(guò)程。

常規(guī)減壓過(guò)程：進(jìn)氣電磁閥和排氣電磁閥都斷電，進(jìn)氣電磁閥保持關(guān)閉，排氣電磁閥保持打開，此時(shí)，制動(dòng)氣室的高壓氣體會(huì)經(jīng)由排氣口進(jìn)入大氣，制動(dòng)氣室壓力降低。

步進(jìn)增壓過(guò)程：當(dāng)需要對(duì)車輪進(jìn)行防抱死控制時(shí)，橋控模塊承擔(dān)了ABS電磁閥的對(duì)制動(dòng)氣室壓力的步進(jìn)調(diào)節(jié)功能，橋控模塊控制單元接收中央控制單元的控制信號(hào)以及后軸氣壓傳感器的信號(hào)，根據(jù)控制邏輯對(duì)進(jìn)氣電磁閥發(fā)出一定頻率與占空比的脈寬電流，對(duì)排氣電磁閥保持通電，控制進(jìn)氣電磁閥交替打開和關(guān)閉，橋控模塊處于增壓和保壓的狀態(tài)交替中，制動(dòng)氣室壓力步進(jìn)增加，精準(zhǔn)控制車輪制動(dòng)壓力，防止發(fā)生抱死。

步進(jìn)減壓過(guò)程：當(dāng)需要對(duì)車輪進(jìn)行防抱死控制時(shí)，也需要步進(jìn)減小制動(dòng)氣室壓力。橋控模塊控制單元根據(jù)控制邏輯對(duì)進(jìn)氣電磁閥保持失電狀態(tài)，對(duì)排氣電磁閥發(fā)出一定頻率與占空比的脈寬電流，控制排氣電磁閥交替打開和關(guān)閉，橋控模塊處于保壓和減壓的狀態(tài)交替中，制動(dòng)氣室交替地進(jìn)行減壓與保壓，可以較精準(zhǔn)的控制制動(dòng)氣室壓力，防止減壓過(guò)小影響制動(dòng)性能的最大化。

2 橋控模塊建模

根據(jù)以上所述的橋控模塊的結(jié)構(gòu)與工作原理，運(yùn)用AMESim系統(tǒng)建模軟件搭建橋控模塊的AMESim模型。根據(jù)結(jié)構(gòu)在AMESim的元件庫(kù)中選擇合適的元件，根據(jù)其工作原理對(duì)元件進(jìn)行組合連接，在子模型模式中為所選元件分別搭配合適的數(shù)學(xué)模型[4]，搭建的橋控模塊AMESim模型如圖3所示。其中，這里未對(duì)橋控模塊的備用氣動(dòng)通道進(jìn)行建模，重點(diǎn)對(duì)橋控模塊電控的氣體通道進(jìn)行建模，下面研究橋控模塊的電子控制模式下的靜動(dòng)態(tài)特性。

圖3 橋控模塊AMESim模型

表2 橋控模塊部分參數(shù)

建立橋控模塊AMESim模型后，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式，修改各元件的子模型對(duì)應(yīng)參數(shù)，橋控模塊的部分主要參數(shù)如表2所示，參數(shù)的數(shù)值主要由實(shí)際測(cè)量所得，對(duì)部分無(wú)法獲取的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估。參數(shù)設(shè)置完成后，經(jīng)過(guò)編譯就可以進(jìn)入仿真模式，設(shè)置仿真時(shí)間和仿真步長(zhǎng)之后就可以進(jìn)行仿真。

3 模型驗(yàn)證與仿真分析

3.1 靜態(tài)特性分析

對(duì)橋控模塊靜態(tài)特性的研究可以得到橋控模塊的最大壓力值、最小壓力值、升壓速率、降壓速率等性能參數(shù)，以及高壓狀態(tài)下的密封性能指標(biāo)，只有在靜態(tài)特性良好的前提下，才能更好地控制橋控模塊工作在系統(tǒng)要求的工作狀態(tài)[5]。

在離線仿真時(shí)，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s，仿真時(shí)間為10s，氣源壓力設(shè)為800kPa，溫度設(shè)為293.15K，制動(dòng)氣室容積設(shè)為1L，大氣壓力設(shè)為101.325kPa，橋控模塊與制動(dòng)氣室之間連接管長(zhǎng)度設(shè)為1m，管徑設(shè)為10mm。

AMESim仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。仿真中升壓速率、降壓速率比試驗(yàn)中略快一點(diǎn)，達(dá)到的最大壓強(qiáng)也略高一些，這與仿真中忽略掉一些微小影響參數(shù)有關(guān)，但整體而言，橋控模塊的靜態(tài)壓力響應(yīng)、釋放特性試驗(yàn)結(jié)果與AMESim模型的仿真結(jié)果擬合度很高，所建立的橋控模塊模型準(zhǔn)確。壓力上升到最高值的75%需要0.2s，壓力釋放時(shí)達(dá)到最大值的15%需要0.25s，響應(yīng)速度較快，滿足工作要求。

圖4 橋控模塊靜態(tài)特性曲線

3.2 動(dòng)態(tài)特性分析

橋控模塊的動(dòng)態(tài)特性是指橋控模塊對(duì)輸出氣體壓力隨控制指令的動(dòng)態(tài)變化而改變的關(guān)系。在橋控模塊進(jìn)行階梯增壓、階梯減壓時(shí)，橋控模塊輸出壓力非線性變化[6]。

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置仿真時(shí)間為4s，其余與靜態(tài)特性參數(shù)一致。因?yàn)闃蚩啬K的電磁閥為高速開關(guān)式電磁閥，工作只有開關(guān)兩種狀態(tài)，通過(guò)對(duì)橋控模塊輸入脈沖調(diào)制電流，調(diào)節(jié)控制信號(hào)的頻率和占空比就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)橋控模塊的階梯增壓和階梯減壓兩種狀態(tài)調(diào)節(jié)。設(shè)置橋控模塊的控制信號(hào)參數(shù)為：小步長(zhǎng)增壓時(shí)間與小步長(zhǎng)減壓時(shí)間為40ms，小步長(zhǎng)保壓時(shí)間為60ms，即階梯增壓時(shí)，對(duì)進(jìn)氣電磁閥輸入頻率為10Hz，占空比為40%的脈寬調(diào)制電流，排氣電磁閥保持通電；階梯減壓時(shí)，對(duì)排氣電磁閥輸入頻率為10Hz，占空比為60%的脈寬調(diào)制電流，進(jìn)氣電磁閥保持?jǐn)嚯姟?/p>

AMESim仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果擬和程度較高，基本可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在階梯增壓初期，壓差大，所以增壓速率快，在階梯增壓的后幾個(gè)周期，由于制動(dòng)氣室與高壓儲(chǔ)氣罐壓差小，增壓速率降低。同理，階梯減壓時(shí)，減壓速率也隨著壓差減小，釋放速率降低。右圖中還可以看出，試驗(yàn)中階梯增壓與階梯減壓和仿真曲線相比，都有大約50ms的延遲，這與模型搭建時(shí)忽略部分因素有關(guān)。

圖5 橋控模塊的動(dòng)態(tài)特性曲線

4 結(jié)論

本文以商用車EBS系統(tǒng)中的橋控模塊為研究對(duì)象，利用AMESim系統(tǒng)建模軟件搭建了橋控模塊的AMESim模型，在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)橋控模塊的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真與分析，并根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所建橋控模塊模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)分析得到了橋控模塊各種工作狀態(tài)下的理論工作參數(shù)，為橋控模塊的設(shè)計(jì)與動(dòng)、靜態(tài)特性的測(cè)試方法提供了思路，同時(shí)能夠縮短橋控模塊的開發(fā)周期以及節(jié)省科研成本。

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Modeling and Characteristic Study of Axle Modulator of Commercial Vehicle EBS System

Zhang Jiachen

（Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070）

Commercial vehicle EBS system is the most pioneering braking safety technology in the field of commercial vehicle safety. In EBS system, the brake chamber pressure on both sides of the rear axle is usually controlled by the axle modulator. Starting from the structure and working principle of the axle modulator, the AMESim model of the axle modulator is established. The correctness of the model is verified by comparing the data of off-line simulation and test-bed test, and the working characteristics of the axle modulator are analyzed.

EBS System; Axle Modulator; AMESim Model; Characteristic Analysis

B

1671-7988(2019)05-112-04

U463.5

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U463.5

張佳琛，武漢理工大學(xué)，碩士研究生，汽車動(dòng)力學(xué)及控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.034