商用車電控氣壓制動閥建模與實驗驗證

黃全安　彭乾

摘 要：商用車的質量大、質心高，致使其制動安全性易受影響，重大事故多發。此外，氣壓制動系統有一定的作動延遲，導致氣壓精確調控具有一定難度。電控制動系統能夠通過提高制動響應速度改善氣壓制動性能和制動安全性。作為電控制動系統的核心部件，電控氣壓制動閥的響應特性嚴重影響著整個制動系統的工作性能和車輛的行駛安全性。本文以最新一代直動式開關電磁閥驅動的商用車電控氣壓制動閥為研究對象，分析了其結構及工作原理，利用AMESim仿真軟件搭建氣動閥的仿真模型，針對增壓和減壓工況進行了仿真，并通過硬件在環實驗驗證了仿真模型的準確性和可靠性。最后，根據仿真結果和實驗測試結果搭建了AMESim和Matlab/Simulink聯合仿真模型，提出了PID壓力閉環的電控氣壓制動閥控制方法，并利用仿真模型和硬件在環實驗臺對提出的壓力控制方法進行了驗證。結果表明，所提出的壓力控制方法可以分別使仿真壓力和實驗壓力達到穩態最大壓力值75%所經歷的時間為288ms和284ms，滿足法規中對響應時間不大于0.6s的要求。

關鍵詞：商用車;氣壓制動閥;AMESim建模;硬件在環試驗;PID壓力控制

1 前言

作為交通運輸的重要工具，商用車的發展關系著國計民生。由于商用車存在車身偏長、質量偏大和質心偏高的特點，致使其制動安全性和行駛穩定性易受影響，縱向/橫向滑動、折疊、側翻等事故多發[1]。因此商用車運行安全保障技術國際汽車行業聚焦的一大難題。電控制動系統（Electronic Braking System，EBS）具有響應迅速、舒適性高、電控與機械冗余等特點，在提高商用車輛的安全性和行駛穩定性方面優勢明顯[2-3]。國外對電控制動系統的研究較為系統，對系統關鍵零部件的特性研究也較為深入[4-6]。目前國內尚未有較為成功的電控制動系統商業化應用，電控制動系統的研究主要集中在部分高校內[7-10]。吉林大學汽車工程學院搭建了商用車電控制動系統硬件在環實驗平臺，對關鍵零部件建模仿真和算法驗證進行了較為深入的研究[11-12]。不同于上一代研究較為廣泛的電控比例繼動閥，新一代電控制動閥以兩個開關電磁閥分別控制進氣和排氣，實現電控制動系統的增壓和減壓。目前國內尚未對其工作原理、模型建立和控制方法進行深入的研究。

電控氣壓制動閥作為商用車電控制動系統的核心零部件，其響應速度直接影響整個制動系統的工作性能。針對新一代電控氣壓制動閥，本文首先對其結構和工作原理進行了分析，然后利用AMESim軟件進行了建模仿真，分析其在增壓和減壓工況下的響應時間，之后利用硬件在環實驗平臺對仿真模型的準確性進行了驗證。最后建立AMESim和Matlab/Simulink聯合仿真模型，提出電控氣壓制動閥PID壓力閉環的控制方法，并通過仿真和實驗驗證控制方法的可行性。

2 電控氣壓制動閥的結構及工作原理

2.1 電控氣壓制動閥的結構

在電控制動系統中，電控氣壓制動閥負責調控單個車軸的左右兩側的制動氣室壓力，其內置獨立的電控單元。新一代前橋電控氣壓制動閥的外觀如圖1所示。

前橋的電控氣壓制動閥的結構原理圖如圖2所示，圖中，11和12口為連接起源的進氣口，21和22為與制動氣室接通的出氣口，3為接通大氣的排氣口，4為連接氣源的備壓口。三個電磁閥從左到右依次為進氣控制電磁閥、排氣控制電磁閥和備壓電磁閥，電磁閥的開閉由電控單元控制。制動閥采用雙回路設計，由電控單元控制的電控回路優先工作，當電控回路失效時，由備壓氣路作為冗余回路支持制動閥繼續工作。

2.2 電控氣壓制動閥的工作原理

如圖3為電控氣壓制動閥的結構簡圖及氣路連接方式。當ECU接收到制動信號后，由氣源提供的壓縮空氣，沿氣管進入制動閥，制動閥輸出經過調節后的壓力至制動氣室，推動制動氣室的活塞運動，活塞桿壓緊剎車盤，實現對車輪的制動。電控氣壓制動閥可以實現對制動氣室的增壓、減壓和保壓功能，對應車輛的實施制動、保持制動和解除制動。

增壓時，控制腔活塞位于圖4中的初始位置，此時，進氣電磁閥打開，排氣電磁閥關閉。沿控制氣路經過進氣電磁閥進入到控制腔內的壓縮空氣，推動控制活塞下移。控制活塞移動到圖4（b）中的位置后，繼續下移，控制活塞推動負載活塞克服彈簧阻力和摩擦力向下移動，由于負載活塞的下移，進氣口被打開。當活塞移動感到圖4（c）時，進氣口和出氣口接通，高壓空氣沿主氣路進入到制動氣室內，實現制動氣室的增壓。

當需要解除制動，即減壓時，比例繼動閥需要將制動氣室的壓縮空氣排放到大氣中。此時，進氣電磁閥斷電，排氣電磁閥通電，控制腔內的壓縮氣體經過排氣電磁閥排放到大氣中，負載活塞和控制活塞在彈簧力和主腔下方氣體壓力作用下上移，進氣口2被關閉，活塞繼續上移，到達4（a）位置時，出氣口14和排氣口13接通，制動氣室內的壓縮空氣經由排氣口13排向大氣，實現制動壓力的解除。

保壓時，進氣電磁閥和排氣電磁閥同時接通，控制腔壓力保持在一定水平，使出氣口14同時和進氣口2和排氣口13隔斷，制動器室內壓力保持不變，實現保壓。

3 電控氣壓制動閥建模

3.1 機械和氣路模型

電控氣壓制動閥的機械模型，主要要指內活塞的運動，即控制腔活塞和主腔活塞的微分方程。

如圖4所示，以控制腔活塞的初始位置為xri，運動到中間位置為xrm，運動到最終位置為xrt。

（1）

式中，Ar為控制腔活塞的有效作用面積，Arl為主腔活塞的有效作用面積，Kr為主腔復位彈簧的彈簧剛度，F0為主腔復位彈簧的預應力，Ff為控制腔活塞與閥體的摩擦力，Ffl主腔活塞與閥體的摩擦力。

對于電控氣壓制動系統中的空氣，一般認為：不與外界進行熱量交換，即dQ=0;氣體粘性和摩擦力很小，氣體流動過程可逆絕熱，可逆絕熱過程方程如下：

式中，C為比例常數，P為氣體壓力，ρ為空氣密度，γ為理想氣體比熱比。對于控制腔，控制活塞從初始狀態到平衡狀態，根據式（2），有以下過程：

式中，控制腔平衡時的壓力，控制腔平衡時的體積，控制腔平衡時的氣體質量，為控制腔初始狀態時的壓力，為控制腔初始狀態時的體積，為控制腔初始狀態時的氣體質量。

控制腔隨著氣體沖入，其壓力值逐漸增大，整個過程可分為聲速和亞聲速兩段，其質量流量可表示為：

式中，C為小孔流量系數，ps為氣源壓力，為零度和標準大氣壓下空氣密度。對于控制腔，有。負載腔與控制腔情況相似，同樣滿足上述公式。

3.2 電控氣壓制動閥AMESim模型

根據前橋模塊的機械結構和工作原理，依次在AMESim軟件SECTCH模式下選取信號庫、氣壓庫、和機械庫中選取所需元器件并連接，得到前橋模塊的AMESim模型如圖5所示。

圖中，1為氣源，2、3分別為進排氣電磁閥控制信號，4和5分別為進排氣電磁閥，6為控制閥，7為主閥，8為制動氣室。各個元器件的參數例如彈簧剛度、活塞位移和質量等都經過實際測量得到。對于難以測量的參數例如活塞所受摩擦力等，通過實驗確定。表1為前橋模塊的部分參數。

4 仿真結果

電控氣壓制動閥的增減壓是通過控制進氣和排氣電磁閥的開合實現的。氣源壓力設定為0.8MPa，設置仿真時間為2s，仿真時間步長為0.001s，電磁閥的控制頻率為40Hz，控制電壓為24V。仿真得到如圖6電控氣壓制動閥的增壓特性曲線和圖7的減壓特性曲線。

由圖6和圖7可以得出上升到目標壓力的時間為550ms，從目標壓力下降到0需要600ms。壓力上升和下降與控制信號相比有存在延遲現象，增壓時，延遲時間約為40ms，減壓時，延遲時間約為22ms。經過對電控氣壓制動閥的原理分析，造成壓力變化時間延遲主要原因為：（1）電磁閥從接收到信號到完全打開或關閉需要一定時間，本文中的電磁閥選取的是AMESim中庫中的電磁閥，模型過于理想化。（2）增壓時，電控氣壓制動閥的主腔活塞需要在控制腔壓力大到足以克服摩擦力時才會動作，減壓時制動氣室內的壓縮空氣推動控制活塞上移，氣體得以從排氣口排向大氣，因此造成時間延遲，并且增壓延遲時間大于減壓。

另外，壓力下降過程比上升過程耗時要多，造成這一原因也是因為相對于氣體壓力，彈簧的回正力較小，使回程時間大于增壓時間。

5 硬件在環實驗驗證及壓力控制方法

5.1 硬件在環實驗平臺

近年來，隨著電子技術、控制技術和傳感技術的發展，計算機硬件在環系統（Hardware-in-the-loop）逐漸在車輛電子控制系統開發中得到更多的應用。相對于實車道路試驗，硬件在環仿真具有成本低、周期短、不受道路天氣影響、安全性高、便于調試等優點，這使得硬件在環仿真成為汽車電子系統前期開發的重要技術手段[13]。

本章搭建的硬件在環仿真平臺如圖8所示，可以通過硬件在環實驗方法對所搭建的數學模型、所開發的控制方法和所設計的機械結構進行驗證。本文中的硬件在環仿真中的制動系統是真實存在的，整車的模型是虛擬化的。整個硬件在環系統由軟件系統、接口系統和硬件系統組成。軟件系統包括控制算法和整車模型;接口系統主要包括負責信號輸入和輸出的I/O接口;硬件系統主要指電控氣壓制動系統的執行機構等。

本硬件在環仿真平臺以PXI為核心，基于TruckSim件和LabVIEW軟件的聯合仿真，實現制動系統及多種傳感器硬件在環仿真實驗。可用于極限工況、非極限工況下操縱穩定性道路試驗，完成EBS算法開發及全工況硬件在環仿真實驗，仿真試驗臺實物圖如圖9所示。

5.2 仿真結果驗證

圖10和圖11分別為電控氣壓制動閥增壓特性和減壓特性的實驗與仿真對照圖，從圖中可以看出，仿真曲線和實驗曲線能夠反映出進排氣速率和系統的延時等特性。仿真模型的輸出值逼近實測值，說明仿真模型與實際物理模型具有很高的吻合度。

5.3 電控氣壓制動閥壓力控制

AMESim可以和Matlab/Simulink、LabView等多種仿真軟件進行數據交流。本節在Matlab/Simulink中建立電控氣壓制動閥的壓力控制策略，選取SimCosim集成模擬器，作為AMESim與Matlab/Simulink的交互接口，建立如圖12所示的AMESim與Matlab/Simulink聯合仿真模型。

將AMESim接口以S-Function的形式嵌入到Matlab/Simulink軟件中，S-Function的輸出為進其和排氣電磁閥的控制信號，輸入為電控氣壓制動閥的輸出壓力。控制方法流程圖如圖13所示。

控制算法主要分為四部分：PID控制模塊、進排氣判斷模塊、數據轉換模塊和S-Function模塊。本文中，由于系統內部變量如控制腔壓力變化、電磁閥芯位移等中間變量難以測量，實際控制中只能根據壓力信號實現對系統的控制，選用PID控制。PID模塊輸出的占空比為正，代表進氣閥打開，排氣閥關閉，系統增壓;占空比為負，進氣閥關閉，排氣閥打開，系統泄壓;占空比為0，進排氣閥都關閉，系統保壓。進排氣判斷模塊主要根據當前閥的狀態分配進氣電磁閥和排氣電磁閥的占空比。數據轉換模塊根據電磁閥的占空比計算出進排氣電磁閥的控制信號（電磁閥開啟狀態和關閉狀態的時間）。電磁閥的控制信號作為S-Function的輸入，實現對AMESim中電磁閥調控，最終實現對輸出壓力的控制。輸出壓力再通過跟目標壓力對比，實現了壓力的閉環控制。

按照一般PID調參方式，分別對比例系數KP，積分系數KI和微分系數KD進行選擇，最后選取KP為0.25，KI為0.03，KD為0.015。控制算法的輸出壓力如圖14所示。從圖中可以看出，輸出壓力峰值為0.832Mpa，穩態值為0.810MPa，到達最大穩態值75%的時間為0.28s。

（5）

當壓力上升時，仿真曲線仍然存在超調和一定的延時，其原因為主要為對系統阻尼的估計值存在偏差。

仿真試驗平臺搭建完成后可以對仿真結果進行驗證，將Matlab/Simulink算法在上位機中編譯，可以實現對電控制動閥的實時調控。

PID控制下制動閥的仿真曲線和實驗曲線如圖15所示。由圖可以看出仿真曲線與實驗曲線在壓力上升時基本吻合，仿真壓力達到穩態最大壓力值的75%所經歷的時間為288ms，實驗壓力達到穩態最大壓力值的75%所經歷的時間為284ms。按照GB12676規定，采用氣壓制動的汽車，氣室響應時間應小于0.6s，所以，控制方法完全滿足法規要求。

在到達目標壓力時，仿真曲線的超調量比實驗曲線大，主要原因在于實際臺架的阻尼較大，仿真模型由于沒有考慮阻尼對氣壓特性的影響，致使阻尼小于實際值。

6 結論

通過分析電控氣壓制動閥的結構和工作原理，在AMESim中建立了電控氣壓制動閥的仿真模型。針對增壓和減壓工況進行仿真，通過硬件在環實驗平臺驗證了仿真模型的準確性。建立了AMESim與Matlab/Simukink聯合仿真模型，通過PID壓力閉環控制算法實現對輸出壓力的調控，仿真與實驗對比結果表明，控制方法可以滿足法規對壓力響應時間不大于0.6s的要求，控制方法可以實現對輸出壓力的調控。

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