基于AMESim的汽車制動系統(tǒng)仿真研究

曹亞楠 孫艷妮

摘要：電機制動和液壓制動是當下純電動汽車常見的一種電液復合制動模式，在該制動模式下，汽車制動系統(tǒng)復合制動性能和效果尤為重要。在傳統(tǒng)制動技術下，液壓制動系統(tǒng)雖能滿足汽車制動要求，但無法在汽車行進過程中實時調(diào)節(jié)制動壓力。相比技術較為完備的電機制動，液壓制動技術有待改進?；诖耍狙芯看罱ˋMESim仿真試驗模型，就電子液壓制動系統(tǒng)采用PID算法控制器進行復合制動試驗仿真分析。通過利用實驗室電機臺架相關參數(shù)進行仿真，試驗結(jié)果表明，該仿真模型在引入PID控制器后，能采用電液復合制動系統(tǒng)良好地改善汽車液壓控制壓力，且制動調(diào)節(jié)控制模型對電機制動和液壓制動期望壓力跟隨性較好，取得預期復合制動控制效果，為新能源汽車電液復合制動系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)節(jié)控制改進提供了重要參考。

關鍵詞：AMESim系統(tǒng)；純電動汽車；復合雙重制動系統(tǒng)；實驗仿真

中圖分類號：U463.5 ?收稿日期：2023-04-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.016

1 前言

如今汽車制造工業(yè)的發(fā)展如火如荼，隨著汽車事故不斷增多，人們越來越重視汽車制動系統(tǒng)的工作性能，由此引發(fā)了業(yè)內(nèi)對于汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS控制系統(tǒng)的模擬與仿真，在此基礎上，衍生出了各種各樣的汽車制動控制算法[1]。目前，市面上比較流行的汽車防抱死制動系統(tǒng)控制算法為PID控制算法、邏輯控制算法以及模糊控制算法等。其中，最具代表性且使用最為廣泛的汽車制動系統(tǒng)控制算法為PID控制算法，當下這種控制算法在汽車工業(yè)領域的應用已經(jīng)相對成熟，它與邏輯控制算法以及模糊控制算法相比，抗干擾能力強，操作便捷和方便，更適用于對轎車的制動控制。由于它具有獨特的控制優(yōu)越性，所以目前逐漸被應用到化工和機械控制領域。

2 汽車制動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

汽車電液復合制動系統(tǒng)主要由液壓制動/電機制動子系統(tǒng)與執(zhí)行控制器組成，其中，汽車液壓制動子系統(tǒng)包含液壓回流、調(diào)節(jié)、供給與液壓控制單元四個基本結(jié)構(gòu)模塊[2]。

2.1 汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓供給單元

汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓供給單元分別包括液壓泵、濾清器、蓄能器及其截止閥和單向閥的電機泵組合（汽車液壓制動驅(qū)動電機）幾個模塊。在汽車制動系統(tǒng)工作運行過程中，首先由汽車液壓制動蓄能器為汽車液壓制動子系統(tǒng)提供充足的高壓制動液。當汽車液壓制動蓄能器工作運行時的蓄能器壓力不足時，蓄能器將直接由電機泵組合（汽車液壓制動驅(qū)動電機）模塊為其及時進行制動液補充；當汽車液壓制動子系統(tǒng)工作時的蓄能器壓力達到系統(tǒng)預設既定閾值時，單向閥的電機泵組合（汽車液壓制動驅(qū)動電機）便自動終止工作運行，由此源源不斷地為汽車液壓制動系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓，從而確保了汽車液壓制動蓄能器壓力始終能夠保持相對穩(wěn)定[3]。

2.2 汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓調(diào)節(jié)單元

汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓調(diào)節(jié)單元主要功能作用是為汽車液壓制動系統(tǒng)提供充足的液壓制動力矩。在系統(tǒng)工作時，高壓制動液會通過液壓供給單元向液壓調(diào)節(jié)單元輸送，在此過程中，高壓制動液液壓力的大小會由液壓制動子系統(tǒng)減壓電磁閥和增壓電磁閥進行適當調(diào)節(jié)，然后，液壓制動子系統(tǒng)制動輪缸的活塞會通過高壓制動液進行強力推動，最終向汽車制動盤中施加源源不斷的摩擦作用力，用以液壓調(diào)節(jié)和制動控制。

2.3 汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓回流單元

汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓回流單元中的主要零部件由“溢流閥”“儲液罐”和“回流控制器”組成，其中，液壓回流單元的核心功能則是向儲液罐提供回流制動液，其具體工作原理是：如果汽車液壓制動系統(tǒng)蓄能器中存在過高的壓力時，系統(tǒng)將會自動驅(qū)動并及時開啟溢流閥，此時，制動回流液會經(jīng)過液壓回流單元中的溢流閥進行泄壓處理，處理完成后，制動液會及時流向儲液罐，從而為下一次液壓制動控制提供準備[4]。

2.4 汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓控制單元

汽車液壓制動子系統(tǒng)之液壓控制單元包含了傳感器模塊，主控制器模塊和系統(tǒng)液壓制動所需的各關鍵零部件驅(qū)動模塊等，其中，系統(tǒng)主控制單元的功能是負責接收汽車液壓制動驅(qū)動執(zhí)行器發(fā)出的制動強度信號，經(jīng)過控制器轉(zhuǎn)化將其輸出到信號控制接收中心，從而驅(qū)使相應的控制單元零部件工作，由此完成對汽車液壓制動系統(tǒng)的制動控制。

具體控制原理為：駕駛員將汽車的液壓制動控制踏板踩下，此時制動踏板信號會及時傳輸給汽車液壓制動控制單元，與此同時，汽車電液復合制動系統(tǒng)減壓閥和增壓閥分別做出“關閉”與“開啟”動作，在此過程中，制動輪缸通過增壓閥接收控制單元的高壓制動液，這一控制過程即為“汽車液壓制動控制的增壓過程”。相反，當汽車駕駛員將腳中的制動踏板松開時，此時汽車電液復合制動系統(tǒng)減壓閥和增壓閥分別做出“開啟”與“關閉”動作，在此過程中，制動輪缸通過減壓閥接收控制單元的高壓制動液，使其向儲液罐回流，這一階段輪缸液壓控制壓力充分得到釋放，這一控制過程即為“汽車液壓制動控制的減壓過程”。當駕駛員未對汽車的制動踏板做出任何的執(zhí)行控制操作時，汽車電液復合制動系統(tǒng)減壓閥和增壓閥均同時保持關閉狀態(tài)，此時輪缸壓力與汽車制動踏板均完全保持不動和不變，這一控制過程即為“汽車液壓制動控制的保壓過程”[5]。

3 汽車制動系統(tǒng)工作原理

現(xiàn)階段，汽車ABS防抱死制動系統(tǒng)在汽車上得到廣泛應用，它與汽車中普通的制動系統(tǒng)相比，在原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎上增加了ECU電子控制單元、壓力調(diào)節(jié)技術裝置和輪速傳感器等控制設備，此制動系統(tǒng)的工作職能是將汽車在行駛過程中的車輪滑移率嚴格控制在20%的目標制動閾值左右，在系統(tǒng)工作運行過程中，汽車ABS防抱死制動系統(tǒng)控制的工作原理是：首先對車速信號進行收集，由車速傳感器自動對汽車車輪進行判斷，分析其是否已經(jīng)抱死，然后經(jīng)過判斷分析之后，及時對系統(tǒng)制動壓力進行調(diào)整，并對汽車行駛路線進行控制，由此徹底阻止汽車輪胎抱死，同時將汽車輪胎的滑移率控制在20%附近（最佳滑移率），此時地面產(chǎn)生巨大的摩擦力，強大的附著系數(shù)通過制動壓力傳遞給汽車，由此大大縮短制動時間，提高汽車制動效率，縮短汽車制動距離，保證了汽車行進過程中的平穩(wěn)制動和穩(wěn)定操作。通常情況下，汽車輪胎的滑移率最大區(qū)間范圍是（0，1），一般在這一區(qū)間內(nèi)進行制動，可以完全保證汽車的平穩(wěn)制動性能，保證方向操作控制穩(wěn)定性[6]。因此，ABS系統(tǒng)控制過程中，必須要高度重視汽車的“滑移率”，這一參數(shù)的計算公式為：

[λ=uν-uwuν?100%=1-ωRuν?100%] ???????（1）

式中，汽車在道路中平穩(wěn)行駛的瞬時速度為[uν]；汽車在行進過程中的車輪制動瞬時線速度為[uw]；汽車在制動前車輪防抱死旋轉(zhuǎn)的角速度為[ω]；汽車制動過程中車輪防抱死有效滾動半徑為R。

本研究采用的汽車防抱死制動系統(tǒng)控制算法為PID控制算法，這種控制算法可利用比例積分對汽車實際滑移率進行微分控制，它能夠?qū)⑵嚮坡士刂圃谧罴鸦坡庶c附近，但是基于“滑移率”的PID控制算法在汽車工業(yè)中的應用技術難點在于，難以有效確定微分系數(shù)、積分系數(shù)和比例系數(shù)這三個基本控制參數(shù)，而在具體使用時，通常可基于試驗方法或理論方法，在查閱相關文獻資料基礎上確定上述三大系數(shù)，在此基礎上進行實驗仿真數(shù)值的驗證分析。

4 汽車制動系統(tǒng)算法控制

本文在對汽車液壓制動子系統(tǒng)進行制動控制時，選擇了PID控制器分別通過對汽車減壓閥和增壓閥的調(diào)節(jié)控制來有效調(diào)節(jié)和分配汽車的液壓制動系統(tǒng)壓力。同時對電磁閥的工作過程進行PWM控制，當汽車制動系統(tǒng)在理想工況之下進行工作時，將電磁閥徹底開啟，此時PWM處于高電平狀態(tài)，在此過程中，汽車液壓制動子系統(tǒng)中的液壓壓力發(fā)生較大變化；當電磁閥徹底被關閉時，此時PWM處于低電平狀態(tài)，在此過程中，汽車液壓制動子系統(tǒng)中的液壓壓力不會發(fā)生較大變化，即始終保持恒定。正常條件下，電磁閥的閥口平均開度會受PWM。

占空比影響，而汽車液壓制動子系統(tǒng)中的液壓壓力增長速率將由電磁閥閥口的平均開度來決定，因此可以基于PWM信號控制原理來對汽車輪缸的實際壓力水平進行精準控制。但是對于本研究所提到的汽車液壓制動子系統(tǒng)而言，在制動工作過程中，輪缸實際壓力和期望壓力分別作為液壓制動子系統(tǒng)的最終輸出量和最終輸入量，由于在實際控制時，考慮到輪缸壓力與PWM占空比之間并無確切的數(shù)學對等關系，所以在本研究系統(tǒng)仿真實驗中，將PID控制器的輸入變量用液壓制動子系統(tǒng)的期望壓力和實際的輪缸壓力之間的偏差來表示，通過對PWM占空比和壓力偏差之間的關系進行有效調(diào)整，由此確定PID相關參數(shù)值。另外，還需不斷調(diào)整和調(diào)節(jié)PID控制過程中的調(diào)節(jié)控制器，減少控制偏差。其中，最為關鍵的三個控制參數(shù)為PID控制器參數(shù)中的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，它們分別對液壓制動子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度、穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)誤差的變化率產(chǎn)生較大的影響[7]。

5 基于AMESim的汽車制動系統(tǒng)仿真試驗

5.1 仿真模型構(gòu)建

為了便于對汽車防抱死制動ABS系統(tǒng)進行深入的仿真試驗研究，本文首先針對汽車制動系統(tǒng)進行AMESim建模分析，其中包含制動器仿真模型、輪胎和車輛動力學模型三大部分。由于本文研究的主要是汽車在直線行駛時的制動系統(tǒng)試驗仿真問題，所以在建立上述三大數(shù)學模型時首先需要對被控對象作以下研究假設：

a.在路面行駛過程中，汽車所要行駛的路面不平度完全忽略不計。

b.汽車在路面，即試驗路段始終按照既定的路線進行直線運動，并不存在橫向作用力。

c.基于AMESim的汽車制動仿真實驗研究對象為整車，汽車載重類型為空載，汽車載重重量為整車質(zhì)量。

d.本研究在仿真試驗時忽略了汽車在路面行駛中所遇到的路面阻力和外界風力阻力等干擾因素。

基于上述四個基本研究假設，本研究在試驗仿真前基于AMESim軟件進行汽車受力分析，研究分析汽車在直線行駛時的受力情況，由此基于車輛動力學公式構(gòu)建雙輪模型，輪速模型和車速模型等。本研究選取的受試對象為比亞迪F6小型轎車，所以本文同時假設車輛在直線行駛時的初始車速為50 km/h，根據(jù)該車型相關參數(shù)設定車輪在路面中的滾動半徑、轉(zhuǎn)動慣量分別為0.42339 m和13 kg·m2，汽車整車總重量為813.8 kg。

基于上述思路，為了驗證汽車制動系統(tǒng)控制效果和電液復合制動系統(tǒng)EHHB制動控制方案的可行性，本研究基于AMESim軟件進行模型仿真試驗分析，構(gòu)建的實驗仿真模型如圖1所示。

5.2 基于AMESim的汽車制動系統(tǒng)仿真試驗結(jié)果

5.2.1 基于AMESim的階躍響應試驗

當系統(tǒng)開啟電磁閥時，基于AMESim的液壓制動子系統(tǒng)液壓壓力控制器會作出“減壓”或“增壓”的動作，此時液壓壓力發(fā)生相應的動態(tài)變化，但是當系統(tǒng)關閉電磁閥時，基于AMESim的液壓制動子系統(tǒng)液壓壓力控制器并不會作出“減壓”或“增壓”的動作，此時液壓壓力并不會發(fā)生相應的動態(tài)變化。如圖2所示，本研究基于階躍響應試驗，通過AMESim仿真模型進行試驗分析，以觀察汽車制動系統(tǒng)液壓壓力響應速率。

在仿真試驗過程中，本研究選用了額定轉(zhuǎn)矩較小的驅(qū)動電機，通過小型電機臺架進行AMESim仿真，為了準確獲取實驗室測試數(shù)據(jù)結(jié)果，本試驗設置的液壓制動力相對較小，小型驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩僅1.75 N·m，而液壓壓力變化區(qū)間為0～467 kPa。由上圖測試結(jié)果可知，汽車制動系統(tǒng)液壓壓力響應速率僅為1 s，相對較為緩慢，但是在試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)，汽車制動系統(tǒng)保壓時尚存在小幅度的波動，階躍響應曲線表現(xiàn)出來的總體期望壓力基本達到預設目標，符合制動要求。

5.2.2 基于AMESim的正弦跟隨試驗

在期望壓力的跟隨效果仿真試驗基礎上，本研究進一步通過AMESim 仿真模型驗證汽車制動系統(tǒng)的期望壓力跟隨性，圖3所示為基于正弦跟隨試驗得到相對平穩(wěn)的跟隨試驗曲線。在試驗結(jié)果中，汽車液壓制動壓力響應時間約為0.6 s，在這一區(qū)間內(nèi)，汽車制動系統(tǒng)壓力響應速率增長幅度較大，約在0.6 s之后快速達到期望壓力值，而在0.6 s之后即轉(zhuǎn)入期望壓力跟隨狀態(tài)?？梢钥闯?，汽車制動系統(tǒng)整體上有著較好的期望壓力跟隨性，而且在制動試驗中表現(xiàn)出良好的制動控制性能，充分滿足了汽車制動時的液壓壓力要求。

6 結(jié)語

本研究采用了PID算法進行汽車復合制動控制，為了驗證PID控制器對汽車制動的整體控制效果，本文在階躍響應過程仿真試驗時加入PID控制器收集實驗結(jié)果，以觀察PID控制對試驗結(jié)果的影響。最終實驗結(jié)果表明，該汽車制動系統(tǒng)在加入PID算法控制器后，增壓速率顯著提升，增壓過程所需時間為0.86 s，在系統(tǒng)保壓過程中，相比無PID控制器，加入PID控制器后汽車制動系統(tǒng)的壓力波動較小，總體上取得良好制動控制效果，有效改善了汽車制動時的壓力控制水平，達到預設制動目標。

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作者簡介：

曹亞楠，女，1988年生，工程師，研究方向為汽車底盤設計。