商用车EBS系统桥控模块建模和特性研究

张佳琛



商用车EBS系统桥控模块建模和特性研究

张佳琛

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

商用车EBS系统是目前商用车安全领域中最具开创性的制动安全技术。在EBS系统中，通常由桥控模块控制后轴两侧制动气室压力，文章从桥控模块的结构和工作原理入手，建立桥控模块的AMESim模型，通过离线仿真与试验台试验的数据对比，对模型的正确性进行验证并且对桥控模块的工作特性进行分析。

EBS系统；桥控模块；AMESim模型；特性分析

前言

EBS是电子控制制动系统（Electronically controlled Braking System）的英文缩写[1]，在1996年，美国WABCO公司在奔驰的“ACTROS”商用车型上首次装配EBS系统，自此性能出色的EBS系统迅速开始在北美和欧洲商用车市场普及。至今EBS系统已经发展了20多年，核心技术主要由WABCO和KNORR两家商用车零部件公司掌握。如今，EBS系统已经广泛应用于各类型客车、货车、半挂牵引车、全挂牵引车以及其它一些中大型特种运输车辆上。EBS 系统与传统气压制动系统相比，主要是在保留气控回路基础上采用线控技术，将驾驶员制动意图和车辆状况的信息进行计算，并对阀件发送电信号，从而对制动压力进行控制，大大改善传统气压制动系统的制动特性，并为商用车制动安全融入了更多新的功能[2]。

国外WABCO和KNORR两家公司是该产品的主要供应商，掌握成熟和先进的EBS系统技术，国外其他厂商或高校也对EBS系统零部件及控制算法有较为深入的研究。而在国内，商用车整车及零部件制造商对于EBS系统的研究尚处于起步阶段，目前仍然未出现国产的EBS产品投入实车应用，不过已经有众多制动系统零部件公司在EBS系统方面展开技术研究，预计未来几年将有国产EBS产品的问世。

在EBS系统中，后桥制动气室压力由桥控模块控制，本文从对桥控模块的结构和工作原理入手，建立桥控模块的AMESim模型，通过离线仿真与试验台试验的数据对比，对模型进行验证以及对桥控模块的工作特性进行分析。

1 桥控模块的结构及工作原理

1.1 桥控模块的结构

在EBS系统中，桥控模块控制后轴的左右制动气室压力，它集成有独立的控制单元。某型号桥控模块的外观示意图如图1所示，桥控模块的结构简图如图2所示。

图1 桥控模块外观示意图

a：进气电磁阀线圈；b：进气电磁阀回位弹簧；c：进气电磁阀铁芯； ：进气阀气压阀芯；e：气压传感器；f， g：活动块；h：排气阀气压阀芯；i：排气电磁阀线圈；j：排气电磁阀回位弹簧；k：排气电磁阀铁芯； 1，2：进气口；5，6：出气口，进入制动气室； 3：排气口，通向大气；4：备压气体入口

桥控模块有两个独立的通道，每个通道由进气电磁阀、排气电磁阀、两个气压阀芯、气压传感器以及活动块组成。两个通道共用一个安装有消音器的排气口以及连接到备压阀的备压气体入口。进气电磁阀和排气电磁阀是高速开关电磁阀，由回位弹簧、铜线圈、铁质阀芯及轭铁构成。桥控模块采用双回路设计，电控控制优先，冗余的气动控制回路作为电控故障时备用。

1.2 桥控模块的工作原理

桥控模块采用了双回路控制设计，将后轴两侧的制动气室的控制通路分开，可以实现对两侧车轮制动力的单独调节[3]。两个通道在功能上与气压ABS电磁阀基本相同，桥控模块的控制单元控制进、排气电磁阀的电流通断或者给以合适的脉宽调制电流就可以实现对后轴制动气室的增压、保压、减压、步进增压、步进减压等控制。

桥控模块中集成有控制单元，该控制单元采集后轮轮速传感器、摩擦衬片磨损传感器以及桥控模块内气压传感器的模拟信号，进行信号处理和误差检测，可以通过CAN协议与EBS的中央控制单元（ECU）进行通讯，发送后轴制动系相关信息并接收ECU发来的控制命令，通过控制桥控模块的电磁阀动作，调节后轴的制动气室压力。

当桥控模块的电控系统出现故障时，备压阀运输高压气体从桥控模块的备压气体入口进入，推动活动块运动改变气体通道，此时桥控模块只相当于两个通路，制动气室压力由制动信号传输器的后桥输出口开度控制，减压时高压气体从备压阀的排气口排出，备压阀保证了电控系统故障时的车辆具备常规气压制动能力，但后轴丧失ABS防抱死功能以及无法对两侧制动压力单独调节，须尽快进行电控系统的故障检测与修复。

从结构上可以看出，桥控模块的进气电磁阀是常闭型，排气电磁阀是常开型。当电控部分正常运作时，桥控模块上的 ECU 会根据控制逻辑向电磁阀发出电信号，通过控制电磁阀的通电与失电控制制动气室的压力。桥控模块的工作循环中电磁阀的控制状态如表1所示。

表1 桥控模块工作状态

常规增压过程：桥控模块的的进气电磁阀和排气电磁阀都通电，因为电磁力的作用，电磁铁芯将会克服弹簧阻力向另一侧移动，原本常闭的进气电磁阀打开，高压气体可以进入，原本常开的排气电磁阀关闭，关闭了制动气室与桥控模块排气口的通路。输入口至输出口形成了一条通道，储气筒中的高压气体经桥控模块后进入左右轮的制动气室，制动气室压力增加。

保压过程：对进气电磁阀停止通电，对排气电磁阀保持通电，由于进气电磁阀断电后，电磁力消失，在回位弹簧力的作用下，电磁铁芯恢复到初始位置，气压阀芯重新回到阀座上，进气电磁阀关闭。另外排气电磁阀保持通电时使到排气口的通道关闭，制动气室压力不会增压或减少，这就是保压过程。

常规减压过程：进气电磁阀和排气电磁阀都断电，进气电磁阀保持关闭，排气电磁阀保持打开，此时，制动气室的高压气体会经由排气口进入大气，制动气室压力降低。

步进增压过程：当需要对车轮进行防抱死控制时，桥控模块承担了ABS电磁阀的对制动气室压力的步进调节功能，桥控模块控制单元接收中央控制单元的控制信号以及后轴气压传感器的信号，根据控制逻辑对进气电磁阀发出一定频率与占空比的脉宽电流，对排气电磁阀保持通电，控制进气电磁阀交替打开和关闭，桥控模块处于增压和保压的状态交替中，制动气室压力步进增加，精准控制车轮制动压力，防止发生抱死。

步进减压过程：当需要对车轮进行防抱死控制时，也需要步进减小制动气室压力。桥控模块控制单元根据控制逻辑对进气电磁阀保持失电状态，对排气电磁阀发出一定频率与占空比的脉宽电流，控制排气电磁阀交替打开和关闭，桥控模块处于保压和减压的状态交替中，制动气室交替地进行减压与保压，可以较精准的控制制动气室压力，防止减压过小影响制动性能的最大化。

2 桥控模块建模

根据以上所述的桥控模块的结构与工作原理，运用AMESim系统建模软件搭建桥控模块的AMESim模型。根据结构在AMESim的元件库中选择合适的元件，根据其工作原理对元件进行组合连接，在子模型模式中为所选元件分别搭配合适的数学模型[4]，搭建的桥控模块AMESim模型如图3所示。其中，这里未对桥控模块的备用气动通道进行建模，重点对桥控模块电控的气体通道进行建模，下面研究桥控模块的电子控制模式下的静动态特性。

图3 桥控模块AMESim模型

表2 桥控模块部分参数

建立桥控模块AMESim模型后，进入参数设置模式，修改各元件的子模型对应参数，桥控模块的部分主要参数如表2所示，参数的数值主要由实际测量所得，对部分无法获取的参数根据经验预估。参数设置完成后，经过编译就可以进入仿真模式，设置仿真时间和仿真步长之后就可以进行仿真。

3 模型验证与仿真分析

3.1 静态特性分析

对桥控模块静态特性的研究可以得到桥控模块的最大压力值、最小压力值、升压速率、降压速率等性能参数，以及高压状态下的密封性能指标，只有在静态特性良好的前提下，才能更好地控制桥控模块工作在系统要求的工作状态[5]。

在离线仿真时，仿真步长设置为0.001s，仿真时间为10s，气源压力设为800kPa，温度设为293.15K，制动气室容积设为1L，大气压力设为101.325kPa，桥控模块与制动气室之间连接管长度设为1m，管径设为10mm。

AMESim仿真结果与试验结果对比如图4所示。仿真中升压速率、降压速率比试验中略快一点，达到的最大压强也略高一些，这与仿真中忽略掉一些微小影响参数有关，但整体而言，桥控模块的静态压力响应、释放特性试验结果与AMESim模型的仿真结果拟合度很高，所建立的桥控模块模型准确。压力上升到最高值的75%需要0.2s，压力释放时达到最大值的15%需要0.25s，响应速度较快，满足工作要求。

图4 桥控模块静态特性曲线

3.2 动态特性分析

桥控模块的动态特性是指桥控模块对输出气体压力随控制指令的动态变化而改变的关系。在桥控模块进行阶梯增压、阶梯减压时，桥控模块输出压力非线性变化[6]。

在进行动态特性仿真试验时，设置仿真时间为4s，其余与静态特性参数一致。因为桥控模块的电磁阀为高速开关式电磁阀，工作只有开关两种状态，通过对桥控模块输入脉冲调制电流，调节控制信号的频率和占空比就可以实现对桥控模块的阶梯增压和阶梯减压两种状态调节。设置桥控模块的控制信号参数为：小步长增压时间与小步长减压时间为40ms，小步长保压时间为60ms，即阶梯增压时，对进气电磁阀输入频率为10Hz，占空比为40%的脉宽调制电流，排气电磁阀保持通电；阶梯减压时，对排气电磁阀输入频率为10Hz，占空比为60%的脉宽调制电流，进气电磁阀保持断电。

AMESim仿真结果与试验结果对比如图5所示。从图中可以看出，试验结果与仿真结果拟和程度较高，基本可以验证模型的准确性。在阶梯增压初期，压差大，所以增压速率快，在阶梯增压的后几个周期，由于制动气室与高压储气罐压差小，增压速率降低。同理，阶梯减压时，减压速率也随着压差减小，释放速率降低。右图中还可以看出，试验中阶梯增压与阶梯减压和仿真曲线相比，都有大约50ms的延迟，这与模型搭建时忽略部分因素有关。

图5 桥控模块的动态特性曲线

4 结论

本文以商用车EBS系统中的桥控模块为研究对象，利用AMESim系统建模软件搭建了桥控模块的AMESim模型，在此模型的基础上对桥控模块的静态特性、动态特性进行了仿真与分析，并根据试验得到的数据进行对比，验证了所建桥控模块模型的准确性，通过分析得到了桥控模块各种工作状态下的理论工作参数，为桥控模块的设计与动、静态特性的测试方法提供了思路，同时能够缩短桥控模块的开发周期以及节省科研成本。

[1] 步广奇.电子控制制动系统的应用技术[J].电子技术与软件工程, 2014(01):244.

[2] Electronically Controlled Brake System in the city bus: System and functional description(1st Edition)[EB/OL]. [2003-7-1], www.wab -co-auto.com.

[3] 韩正铁.商用车电控制动系统迟滞特性及补偿控制策略研究[D].吉林大学,2014.

[4] 付永领,祁晓野. LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真参考手册[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

[5] 徐烽.气压ABS调节器建模与调节特性试验研究[J].西南汽车信息,2016 (4):20-25

[6] 樊秋实,何乐,夏群生.EBS轴模块压力闭环控制[J].客车技术与研究,2014,36(02):47-50.

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

B

1671-7988(2019)05-112-04

U463.5

张佳琛，武汉理工大学，硕士研究生，汽车动力学及控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.034