电-液制动系统高速开关电磁阀的建模与动态特性仿真*

初 亮,赵 迪,李文惠

(1.吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022; 2.吉林东光奥威汽车制动系统有限公司,长春 130012)

电-液制动系统高速开关电磁阀的建模与动态特性仿真*

初 亮1,赵 迪1,李文惠2

(1.吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022; 2.吉林东光奥威汽车制动系统有限公司,长春 130012)

采用AMESim和ANSYS Maxwell建立了电 液制动系统中高速开关电磁阀的模型,对其动态特性进行仿真,并通过台架试验进行验证。结果表明,所建模型能很好地反映电磁阀的动态特性。

电-液制动;电磁阀;动态特性

前言

电液制动系统(electro-hydraulic braking systems,EHB)取消了真空助力器,以液压泵和高压蓄能器为高压源,通过对电磁阀的控制来实现对车辆的制动[1]。EHB系统在制动过程中,主缸与轮缸可实现完全解耦,能在进行防抱死控制、稳定性控制、制动能量回收液压协调控制等制动系统压力控制时提供很好的制动踏板感觉[2]。EHB系统的压力控制完全通过控制高速开关电磁阀来完成,因此建立一套较为准确的EHB系统电磁阀模型是开发EHB系统的基础。

目前,国内已有对ABS(制动防抱死系统)和ESC(电子稳定系统)电磁阀的建模方法和动态特性的研究[3-6]。ABS液压调节单元中的常开阀和常闭阀通常均不具有比例调节能力;在ESC系统中,只有两个常开阀具有比例调节能力[4]。但在EHB系统中,所有的常开阀和常闭阀均具有比例调节能力[1]。EHB系统中的带有比例调节功能的常开阀结构和工作原理与ESC系统中的常开阀类似,文献[5]中已对其进行了详细的分析和讨论,因此本文中主要针对EHB系统中带有比例调节功能的常闭电磁阀的建模和动态特性进行研究。

为此,提出基于多学科复杂系统仿真软件AMESim和电磁场有限元分析软件ANSYS Maxwell的EHB系统电磁阀建模方法。同时,通过实际拆解测绘一款EHB系统的电磁阀,对其结构进行分析,并建立EHB系统电磁阀模型。最后,利用建立的模型进行了EHB系统电磁阀的动态特性分析并进行相应的台架试验,从而验证了模型的可行性和有效性。

1 EHB电磁阀的结构与工作原理

EHB常闭阀的结构如图1所示。常闭电磁阀的线圈由铜丝绕制而成,并由轭铁和线圈端盖包裹,套在阀体上。阀体和动铁均由软磁合金材料制成,矫顽力很小,容易磁化和退磁。阀芯由无磁性的不锈钢制成,与动铁铆接在一起,动铁外部包裹了一个光滑耐磨的套管,用于减小摩擦阻力。同时,动铁上还开有2个使制动液在动铁上下来回流动的通孔。由图1可知,动铁和阀芯受电磁力、弹簧力、摩擦力、液压力和阻尼力的影响。由于动铁外部包裹了减摩用的套管,且动铁上开有用于减少阻尼力的孔,所以阻尼力和摩擦力在数量级上要比电磁力、弹簧力和液压力小得多,故忽略这两个力对阀芯运动的影响[3]。

图1 EHB电磁阀结构示意图

不通电时,动铁与阀芯在弹簧力的作用下将进液口封住,此时的液压力不足以克服弹簧力,电磁阀处于关闭状态。通电后,产生的电磁力与弹簧力方向相反,动铁与阀芯在电磁力和液压力的共同作用下克服弹簧力向上运动,同时拉动阀芯向上升,此时电磁阀处于开启状态。阀芯的运动过程可用方程来表示:

式中:m为阀芯质量;x为阀芯升程;v为阀芯运动速度;t为时间;Fm为电磁力;Fh为液压力;Fs为弹簧力。

根据麦克斯韦应力法[7],电磁力为

式中:φ为工作气隙的磁通;μ0为真空导磁率;A为工作气隙的极面积;B为工作气隙处的磁感应强度[8],即

式中:N为线圈匝数;i为线圈电流;δ为气隙长度,即

式中x0为初始工作气隙。

将式(3)和式(4)代入式(2)可得

由式(5)可知,电磁力是阀芯升程和线圈电流的函数。

由于电磁阀线圈是一个感性负载,所以在计算时必须考虑其电流的瞬态响应特性。通过测量可知,电磁阀线圈的电容与其电阻和电感相比可以忽略不计。为方便分析,将电磁阀线圈视为一个等效RL串联电路。电磁阀线圈通电后,电磁阀的动铁将在电磁力的作用下运动,线圈的电感也会随着动铁位置的变化而变化,因此线圈内的电流和线圈两端电压的关系为

式中:Rs为电源内阻;Rc为线圈的直流电阻;L(i,x)为线圈的电感;U为线圈两端电压。

2 磁场的有限元分析

图2 电磁阀的有限元模型

由于阀芯和阀体的结构较为复杂,且动铁在阀体内部运动,电磁阀线圈的电感也会随着电流变化而变化,所以电磁力和线圈电感很难通过直接的计算得到。本文中通过有限元分析来获得这两组数据[5]。

根据电磁阀的结构图,可以在ANSYS Maxwell中建立电磁阀的有限元模型,如图2所示,模型中忽略了弹簧、阀芯和线圈骨架。磁场计算中,须设定各部件的材料,其中线圈的材料为铜,轭铁和线圈端盖的材料为冷轧钢,阀体、阀座和动铁的材料为一种软磁合金材料[4],其B-H特性曲线如图3所示。

图3 软磁合金的B-H曲线

为分析不同电流和阀芯升程下的电磁力和线圈电感,通过ANSYS Maxwell参数扫描功能生成参数扫描表,其中阀芯升程范围为0～0.6mm,电流激励范围为0～1 050A。

电磁阀线圈电感和电磁力的有限元计算结果如图4和图5所示。

图4 电感计算结果

3 电磁阀仿真模型

根据电磁阀的结构和工作原理,可在AMESim中建立电磁阀仿真模型,如图6所示。

电磁阀的驱动电源为一占空比可调的PWM电压源,其内阻用一个等效电阻替代。电磁阀的线圈用一个等效的RL串联电路模拟,其中的电阻为电磁阀线圈的直流电阻,阻值通过测量得到。线圈的等效电感则用一个可变电感表示,其电感值通过查表获得。模型中的电源与电磁阀线圈之间还并联了一只二极管,用以抑制高速开关时电磁阀线圈产生的反向电压。

电磁阀的机械部分主要采用AMESim中Hydraulic Component Design库的元件来搭建。线圈产生的电磁力通过查表获得。电磁阀进液口的压力源为一个恒压源,用于等效替代出口压力恒定的液压泵站。电磁阀的出液口连接了一个制动器,制动器模型采用实测的制动器p-V特性(压力-体积特性)数据进行等效替代,相关的研究显示这种等效替代可较精确地表示制动器的特性[9]。

图5 电磁力计算结果

图6 电磁阀的仿真模型

4 模型试验验证

通过试验对电磁阀模型的电气响应特性和液压响应特性进行验证。试验台架上的电磁阀用意法半导体生产的L9352B电磁阀驱动芯片来驱动。该芯片的输入信号为一频率是2kHz的PWM信号,其占空比与最终稳态电流有固定的比例关系,在99%的占空比下,芯片可达到的最大驱动电流为2.5A。

4.1 电气响应特性验证

通过数字电桥的测量,电磁阀线圈的内阻为3.96Ω。将有限元计算的电感和测量得到的电磁阀内阻输入模型,设置一个占空比为99%的阶跃驱动信号,通过仿真获得电磁阀线圈的电流响应曲线。仿真与试验结果的对比如图7所示。

图7 电流仿真与试验结果对比

4.2 液压响应特性验证

为验证电磁阀的液压响应特性,在试验台架上进行了轮缸的阶跃增压试验。试验中,恒定压力源用液压调节单元的蓄能器替代,蓄能器的压力始终维持在10MPa,驱动信号的占空比为99%。电磁阀密封部分的等效结构如图8所示。进液口直径Ds= 0.4mm,密封球面直径Db=1.4mm,阀座夹角 θ= 60°。

图8 电磁阀密封结构示意图

试验与仿真结果的对比如图9所示。由图看出,仿真与试验结果很接近,说明模型的精度较高。

图9 压力变化仿真与试验结果对比

5 动态特性研究

EHB高速开关阀有两个非常重要的特性——比例溢流特性和比例流量特性。比例溢流特性,即电磁阀两端的稳态压差与施加在电磁阀上的输入电流的关系;而比例流量特性,即电磁阀的流量与施加在电磁阀上的输入电流的关系。

通过对电磁阀线圈施加不同占空比的PWM驱动信号,可获得如图10所示的压力响应曲线。3组曲线按照最终稳态压力从大到小排列,对应的占空比分别为36%,34%和32%。在压力响应曲线中,压力上升的阶段可以体现出电磁阀的比例流量特性,而最终的压力稳定阶段则可以体现出电磁阀的比例溢流特性。

图10 不同占空比驱动信号下轮缸压力的变化

在电磁阀的线圈上施加不同占空比的驱动信号,可使电磁阀线圈的电流发生变化,根据图5可知,电流的变化会引起电磁力的变化。由于阀芯主要受电磁力、液压力和弹簧力的作用,电磁力的变化会使阀芯受力平衡时的液压力发生变化,从而引起压差的变化,而改变电磁阀的比例溢流特性。

通过模型可以获得EHB电磁阀的阀芯升程与时间的关系曲线,如图11所示。对于传统的低速开关电磁阀,当电磁阀开启后,其阀芯始终位于完全开启位置。根据图11可看出,与传统的开关电磁阀不同,EHB系统中高速开关电磁阀的阀芯在电磁阀开启时,并不是总处于完全开启位置,而是在一定范围内波动。这种波动使电磁阀的开度处于一个中间位置,从而使电磁阀具有比例流量特性。

图11 驱动信号占空比为34%时的阀芯升程

6 结论

通过分析EHB系统中高速开关电磁阀的工作原理,提出了一种EHB高速开关电磁阀的建模方法,并进行了验证。经过验证,该方法可以有效地反映出EHB高速开关电磁阀的电气特性和液压特性。

以该模型为基础,结合试验分析了EHB高速开关电磁阀的比例流量特性和比例溢流特性的成因。通过对模型进行仿真分析,观测到试验当中无法观测的阀芯升程等变量,并以此推断出产生比例流量特性和比例溢流特性的原因。

通过分析可知,EHB高速开关电磁阀之所以具有比例溢流特性,是因为电磁力的变化会引起阀芯受力平衡时液压力的变化,从而引起压差的变化。而对于电磁阀所具有的比例流量特性,通过分析可知其产生原因是阀芯在电磁阀开启时会在某一中间位置附近快速上下跳动,从而使阀口的开度保持在某一中间位置,从而使流量维持在某一中间位置附近。

[1] 韩龙.乘用车EHB液压特性建模及车辆稳定性控制算法研究[D].长春:吉林大学,2008.

[2] 张继红.纯电动汽车电液制动系统再生制动控制策略研究[D].长春:吉林大学,2011.

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[9] YANG Ijin,LEE Woogab,HWANG Inyong.A model-based design analysis of hydraulic braking system[C].SAE Paper 2003-01-0253.

Modeling and Dynamic Characteristics Simulation for Fast-switching Solenoid Valves in Electro-hydraulic Braking Systems

Chu Liang1,Zhao Di1&Li Wenhui2
1.Jilin University,State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Changchun 130022; 2.Jilin Dongguang Aowei Automotive Brake System Co.,Ltd.,Changchun 130012

By using software AMESim and ANSYS Maxwell,a model for the fast-switching solenoid valves of electro-hydraulic braking system is set up,with which a simulation on its dynamic characteristics and a corresponding verification bench test are conducted.The results show that the model built can well reflect the dynamic characteristics of solenoid valves.

EHB;solenoid valve;dynamic characteristics

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.010

*国家863计划项目(2012AA110903)资助。

原稿收到日期为2015年3月16日,修改稿收到日期为2016年2月2日。

初亮,教授,博士生导师,E-mail:chuliang@jlu.edu.cn。