（光学工程专业论文）汽车abs高速电磁阀的动态特性研究.pdf

research on the dynamic characteristics of high speed solenoid valve for abs a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by xiao jianguo supervised by prof. deng zhaoxiang major: vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university, chongqing, china may 2011 中文摘要 i 摘 要 汽车防抱死制动系统（abs）作为汽车安全行驶系统中的一个重要组成部分， 其性能的好坏直接关系到人们的生命安全问题。随着 abs 在汽车上的广泛应用， 从事有关 abs 研究工作的人员也日益增多， 但目前对于 abs 的研究工作大多都集 中在 ecu 的控制策略开发及 abs 的匹配试验方面，而对系统的执行元件压力 调节器的研究则相对较少。abs 高速电磁阀作为系统的关键执行部件，其动态性 能的好坏直接影响着 abs 的制动性能。所以无论是 abs 系统的开发，还是 ecu 的设计，对电磁阀的结构特点、参数及动态响应特性的研究都是必不可少的。 首先， 本文在全面了解国内外高速电磁阀研究的基础上， 深入分析了气压 abs 高速电磁阀的工作原理和内部结构，建立了气压 abs 高速电磁阀的数学模型，基 于 matlab/simulink 实现了阀芯位移、气室压力等参数的动态仿真，并对仿真模型 进行了验证。 其次，本文应用硬件在环仿真技术设计开发了单轮气压 abs 硬件在环仿真试 验台，将实际的气压 abs 硬件嵌入到试验台中，通过搭建单轮硬件在环仿真试验 台，检验所选的实时仿真系统能否满足实时性的要求，所选用的压力传感器、所 开发的电磁阀驱动电路能否满足实验要求，所建的制动器模型、车辆模型能否满 足精度和实时性的要求等，为控制策略的硬件在环仿真、各种电磁阀的性能测试 和气压 abs 系统的动态特性研究提供了充分的试验条件。 同时，本文还应用单轮气压 abs 硬件在环仿真试验台，对高速电磁阀的静、 动态特性进行了试验研究，确定了输入信号的最优控制频率及有效占空比范围， 并对不同频率和占空比控制下的系统压力响应特性进行了试验研究，分析总结了 控制信号占空比和频率的改变对电磁阀动态响应特性的影响，最后对电磁阀在动 作切换过程中的系统压力滞后特性进行了试验研究，得到了电磁阀各状态切换过 程中的系统响应特性，为控制算法的研究和系统调节频率的选择提供了理论依据。 最后论文综合气压 abs 高速电磁阀的理论与试验研究结果，分析总结了电磁 阀的延迟特性以及影响电磁阀动态性能的因素，并在此基础上提出气压 abs 高速 电磁阀的设计原则，最后针对以上分析提出提高电磁阀响应特性的措施，为进行 电磁阀的设计和改善电磁阀的性能提供了理论依据。 关键词关键词：气压 abs 高速电磁阀，动态特性，硬件在环仿真试验台，试验研究 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract antilock braking system (abs) is an important component for vehicle safety driving system and has significant impact on peoples life directly. along with the abs used widely in the automobile, more and more people are engaged in studying it. but most researchers only pay attention to the development of the control strategy and abs application, seldom to the research on the performance of actuators. as the key component of abs system, the high speed solenoid valve influences the performance of abs remarkably. so it is essential to focus the research on the structure parameter and dynamic response characteristic of the solenoid valve during the design of ecu and abs development process. first of all, based on the research of high speed solenoid valve in china and abroad, this paper researches deeply on the working principles and basic configurations of the pneumatic abs solenoid valve. in the next, the mathematic model of the valve is built up and the simulation is realized in matlab/simulink software. at last, the dynamic parameter simulation results of the displacement of valve core and braking chamber pressure is carried out in the model and the valve model is validated by experimental data. in addition, this paper applies the hils to develop a single wheel abs hils test bench, and embed the actual hardware of the pneumatic abs to the test bench. through building the single wheel test bench, it can be known whether the dspace real time system, the pressure sensor, the solenoid valve drive circuit and the software satisfy the requirements, which provided the sufficient experiment platform for the research of control strategy, performance test of the solenoid valve and study on the dynamic characteristics of braking pressure in pneumatic abs. meanwhile, this paper applies the test bench for pneumatic abs solenoid valve to test the static and dynamic characteristics of the high speed solenoid valve, and identifies the optimal frequency and effective duty cycle operating region of the control signal. the research is done on the system response under different frequency and duty cycle control, and summarizes the effects of the changing control signal on the solenoid valves dynamic response. at last, the paper researches the delay characteristics during the process of the work condition switching, which provide the theory gist for researching the control strategy and choosing the system regulating frequency. 重庆大学硕士学位论文 iv finally, based on the theoretical and experimental research on the pneumatic abs high speed solenoid valve, the paper summarizes the delay characteristics and factors effecting the dynamic performance of the solenoid valve. principles for designing the solenoid valve and measures for improving the valve dynamic response is present in the ending of the paper, which provide the theory gist for designing and improving the pneumatic abs solenoid valve. keywords: abs solenoid valve, dynamic characteristics, hils test bench, experiment research 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题背景和研究意义课题背景和研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状分析国内外研究现状分析 . 1 1.2.1 汽车 abs 的国内外研究现状 . 1 1.2.2 高速电磁阀的国内外研究现状 . 2 1.2.3 汽车 abs 高速电磁阀的国内外研究现状 . 3 1.3 论文研究内容论文研究内容 . 4 2 气压气压 abs 高速电磁阀的建模与性能仿真研究高速电磁阀的建模与性能仿真研究 . 7 2.1 引言引言 . 7 2.2 气压气压 abs 高速电磁阀的结构及工作原理高速电磁阀的结构及工作原理 . 7 2.3 系统对电磁阀的性能要求及电磁阀动态特性的简化系统对电磁阀的性能要求及电磁阀动态特性的简化 . 10 2.3.1 性能要求 . 10 2.3.2 气压 abs 电磁阀动态特性的简化 . 11 2.4 气压气压 abs 高速电磁阀的数学模型高速电磁阀的数学模型 . 11 2.4.1 电路系统分析 . 12 2.4.2 磁路系统分析 . 13 2.4.3 机械系统分析 . 14 2.4.4 气路系统分析 . 17 2.5 气压气压 abs 高速电磁阀仿真模型的建立高速电磁阀仿真模型的建立 . 20 2.5.1 获取仿真模型中所用参数 . 20 2.5.2 动态仿真模型的建立 . 20 2.6 气压气压 abs 高速电磁阀的动态仿真及结果分析高速电磁阀的动态仿真及结果分析 . 23 2.6.1 电磁开关阀动态响应特性的仿真结果 . 23 2.6.2 先导气室的仿真结果 . 25 2.6.3 制动气室的压力仿真分析 . 26 2.7 本章小结本章小结 . 27 3 气压气压 abs 硬件在环仿真试验台架设计硬件在环仿真试验台架设计 . 29 3.1 引言引言 . 29 3.2 试验台架设计目标与试验原理试验台架设计目标与试验原理 . 29 重庆大学硕士学位论文 vi 3.2.1 试验台架的设计目标 . 29 3.2.2 台架的试验原理 . 31 3.3 试验台架的总体方案及台架设计试验台架的总体方案及台架设计 . 31 3.3.1 试验台的总体方案 . 31 3.3.2 软件系统设计 . 32 3.3.3 接口系统设计 . 34 3.3.4 硬件系统设计 . 35 3.3.5 软硬件联合调试 . 38 3.3.6 试验台全景照片 . 38 3.4 本章小结本章小结 . 39 4 气压气压 abs 高速电磁阀的试验研究高速电磁阀的试验研究 . 41 4.1 引言引言 . 41 4.2 气压气压 abs 高速电磁阀的基本性能试验高速电磁阀的基本性能试验 . 41 4.2.1 试验台气压系统的气密性检测 . 41 4.2.2 气压 abs 高速电磁阀的气密性检测 . 41 4.2.3 气压 abs 高速电磁阀静态特性试验 . 42 4.2.4 气压 abs 高速电磁阀可靠性试验 . 43 4.3 气压气压 abs 高速电磁阀的动态特性试验高速电磁阀的动态特性试验 . 44 4.3.1 气压 abs 高速电磁阀的 pfm 特性试验 . 44 4.3.2 气压 abs 高速电磁阀的 pwm 特性试验 . 46 4.3.3 气压 abs 高速电磁阀开关动作系统压力滞后特性测试 . 52 4.4 本章小结本章小结 . 56 5 气压气压 abs 电磁阀设计的关键问题探讨电磁阀设计的关键问题探讨 . 57 5.1 引言引言 . 57 5.2 气压气压 abs 电磁阀设计的关键问题研究电磁阀设计的关键问题研究 . 57 5.2.1 气压 abs 电磁阀的延迟特性分析 . 57 5.2.2 参数选择对气压 abs 电磁阀开关响应特性的影响 . 58 5.2.3 气压 abs 高速电磁阀的设计原则 . 62 5.3 气压气压 abs 电磁阀响应特性提高的措施电磁阀响应特性提高的措施 . 62 5.3.1 改进结构参数，缩短阀芯运动时间 . 62 5.3.2 优化线圈结构参数和功率驱动电路，减小电流延时 . 63 5.3.3 合理选择材料，降低材料磁滞和涡流延时 . 63 5.3.4 优化气路结构，减小压力延时 . 64 5.4 本章小结本章小结 . 64 目 录 vii 6 结论与展望结论与展望 . 65 6.1 结论结论 . 65 6.2 展望展望 . 66 致致 谢谢 . 67 参考文献参考文献 . 69 附附 录录 . 73 作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文. 73 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题背景和研究意义 随着世界汽车工业的迅速发展，汽车的行驶安全性也越来越受人们的重视。 汽车防抱死制动系统（abs）作为汽车安全行驶系统中的一个重要组成部分，其 性能的好坏直接关系到人们的生命安全问题，它是在传统制动系统的基础上采用 电子控制技术，在制动时防止车轮抱死的一种机电一体化系统。abs 在汽车制动 过程中可根据滑移率和车轮加速度来识别车轮的运动状态，并据此作出相应的压 力调节动作，使滑移率尽可能的控制在理想范围内，防止车轮抱死；同时又可以 避免后轮侧滑和前轮丧失转向能力，提高汽车紧急制动时的稳定性和方向可控性。 目前，abs 已成为汽车制动系统的基本装备1-3。但在国内对于此项技术的研究则 起步较晚，能够进行市场化生产的产品也较少，相关核心技术还不是很成熟。随 着社会的发展，人们对车辆行驶安全性的要求也越来越高，abs 的普遍使用是一 个大的趋势，因此对于 abs 的研究具有较强的学术意义和社会经济价值。 控制策略和执行机构是研究 abs 的两个关键问题。 中国目前对 abs 制动系统 的研究，大多都集中在 ecu 的控制策略开发及 abs 的匹配试验方面，而对 abs 系统的核心执行元件压力调节器的研究则相对较少4。电磁阀作为 abs 系统的 主要执行元件，其动态特性的好坏直接影响着 abs 系统的工作性能，如果电磁阀 对于 ecu 发出的控制指令执行的不彻底或跟不上节奏，将会导致 abs 系统的控 制精度不高，达不到预期的控制效果5。所以无论是 abs 系统的开发，还是 ecu 的设计，对电磁阀的结构特点、参数及动态响应特性的研究都是必不可少的。 目前国产 abs 高速电磁还处于简单的仿制阶段，缺乏细致的理论研究工作， 而且传统大多数的理论研究都是通过开关延迟时间和阀芯运动时间等一些指标来 描述电磁阀的响应特性，动态特性的物理意义描述的不够明确，缺乏直接指导性。 因此本课题拟将通过理论建模和试验的方式对气压 abs 高速电磁阀的动态特性进 行深入细致的分析， 所建立的动态仿真模型和试验结论无论是对 abs 系统的开发、 控制逻辑的设计还是对电磁阀的结构参数及动态响应特性的研究都具有一定的指 导意义。同时，本课题为设计、改进阀的结构参数和正确评价阀的动态特性也提 供了相应的理论依据，具有一定的学术意义6。 1.2 国内外研究现状分析 1.2.1 汽车 abs 的国内外研究现状 国外的 abs 从上世纪 80 年代开始得到广泛的应用，到目前已是一种较成熟 重庆大学硕士学位论文 2 的技术7，因此近 5 年来国外对 abs 的研究较少，研究方向也各不相同8-10。 由于我国已加入世界贸易组织，国内的企业所面临的挑战也日益严峻，因此 自主研究和开发abs的产品技术是十分必要的。 我国对abs的研究起步相对较晚， 从上个世纪七十年代开始，国内的科研院所和相关企业才相继开始进行 abs 的研 究工作，在软、硬件方面与国外都有一定的差距。目前国内有 30 多家从事 abs 研发和生产的企业，但一般企业的规模和市场配套量都比较小，主要是受到技术 不成熟因素的限制，因此大多数企业都是和国外著名的 abs 公司合作生产，能够 实现完全自主开发 abs 的国内公司主要有：重庆聚能汽车技术有限责任公司和东 风电子科技股份有限公司，并且都已形成了一定的生产规模11。 国内的许多科研院所为突破相关技术上的壁垒，也都在积极地做自主研发， 已经取得了一些进展和突破，比较有代表性的有：以郭孔辉院士为代表的吉林大 学汽车动态模拟国家重点实验室承担的前机械工业部工业技术发展基金项目“防 抱死制动系统的动态仿真和设计方法”，在控制算法及相关液压特性的研究方面取 得了一定的理论成果和研究经验；以宋健、王会义为代表的清华大学汽车安全与 节能国家重点实验室在液压 abs 控制理论、电子控制单元、液压控制单元、开发 装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果12。 1.2.2 高速电磁阀的国内外研究现状 进入二十世纪八十年代以来，由于人们对高频响应、抗污染能力强、成本低 廉的电液控制系统的需求日益增加，特别是由于汽车工业的蓬勃发展，包括汽车 发动机电控燃油喷射、车身悬架控制、车轮防抱制动装置、以及离合器自动操纵 等在内的众多新技术，都是采用高速电磁开关阀这一数字式控制元件作为电子计 算机与被控对象间的联系桥梁，从而使得人们能够直接利用电子计算机来完成对 被控对象的控制任务。正因为如此，近二十多年来对高速电磁开关阀的理论与应 用研究也就越来越受到人们的重视，并首先在少数工业发达国家得到了优先开展 13。 目前国内外对于高速电磁阀的研究主要侧重于两个方面：电磁阀结构和功率 驱动方案的优化设计。通过从电磁学、机械学、流体动力学等方面综合研究电磁 阀的动态特性，建立电磁阀工作过程的非线性计算模型，并进行仿真计算，从而 为电磁阀快速响应特性的确定、电磁阀结构参数的设定与改进提供理论依据，是 进行电磁阀结构优化设计常用的方法。文献14从电磁阀的数学模型入手，用实验 仿真的方法，分析了高速电磁阀的开关机理，提出了高速电磁阀的设计准则。另 外，文献15定量地研究了电磁铁直径、线圈匝数等对电磁铁快速性能的影响，并 提出相应的解决办法。 文献16采用有限元对一螺管式电磁铁的动态特性进行了仿 真分析，并通过试验验证了模型的准确性。上海交通大学的施光林博士建立了高 1 绪 论 3 速电磁开关阀的性能预测模型和基于拟神经网络的优化方法研究，对高速电磁开 关阀的研究具有很大的指导意义17。 由于驱动模块的形式不仅对输入能量的大小有影响，而且还会影响输入能量 的变化速率，直接关系到电磁阀能否满足快速响应等性能的要求。国外各公司、 研究所及高校都投入了大量的人力、物力，已研制开发出许多各具特色的驱动模 块18-21。现已比较成熟的驱动模块可分为以下三种：调压式、增压式和电容式驱 动模块。 1.2.3 汽车 abs 高速电磁阀的国内外研究现状 汽车 abs 液压调节器的国内外研究现状 随着国际上 abs 市场竞争的日益激烈， abs 的生产厂家也都纷纷把研究的重 点放在 abs 部件的的优化设计研究和成本降低上22-23。加州大学的宋等人对一个 两通的电磁阀进行了磁场和动态的仿真分析， 并设计了相关的仿真软件， 用于 abs 液压执行机构的优化研究24。德国的 itt 公司在所开发的 abs 实时模拟系统中， 除了建立精确的车辆系统动力学模型外，还提出了描述液压系统动态特性的多阶 微分方程和仿真模型，以提高仿真精度25。为了尽量的地缩短产品开发的周期， 避免进行过多的试制品试验，国外的一些公司也率先采取了多种软件联合仿真的 方式来进行制动系统的设计和电磁阀模型特性的研究。韩国 mando 公司通过 amesim建立的液压模型和maxwell建立的电磁场模型来进行液压制动系统分 析， 然后与matlab建立的控制逻辑进行了联合仿真26。 德尔福公司采用carsim、 matlab/simulink和amesim软件联合仿真的方法进行了防抱制动性能和液压制 动压力估计的研究。在这种方法中，carsim 作为车辆模型；matlab/simulink 用 于控制逻辑建模并管理全部仿真；amesim 用于液压调节器建模27，极大地提高 了开发效率。 近些年来，随着对 abs 控制策略研究的不断深入，同时由于压力调节器的响 应快慢也严重影响着防抱死制动系统的压力响应和制动效果，因此国内的一些学 者也把研究重点纷纷转向了对 abs 液压特性及电磁阀动作响应的理论分析和测试 方面。吉林大学的郭孔辉院士等通过试验分析了 abs 的压力响应特性，根据压力 的时间历程曲线拟合得到了轮缸的增压、减压特性模型，并分析了压力状态切换 过程中的滞后特性28。清华大学的宋健、王会义等结合硬件在环仿真技术研制了 液压 abs 电磁阀性能测试试验台， 并在此基础上测试了空载和加载状况下的 abs 电磁阀的动作响应时间29；与此同时，该课题组的相关人员采用有限元的方法对 电磁阀的电磁场特性进行了细致的分析，通过仿真计算验证了结构设计和材料选 择的合理性，并且为结构参数和材料的优化提供了方法和手段30。北京航空航天 大学的丁能根等建立了包括压力调节器和制动轮缸在内的整个 abs 系统的压力响 重庆大学硕士学位论文 4 应特性，并在此基础上提出了轮缸压力精细调节的实现方法31。由中国汽车工程 研究院有限公司起草制定的汽车行业标准汽车防抱死系统液压电磁调节器性能 要求和台架试验方法为液压 abs 电磁阀的出厂检测及性能评价提供了有力的依 据32。 汽车气制动 abs 高速电磁阀的国内外研究现状 目前，国产气压 abs 电磁阀还处于简单的仿制阶段，缺乏细致的理论研究。 主要的研究工作大都是对市场上现有的成品进行相关的试验特性测试。浙江大学 的谢建蔚等研制了客车气压 abs 电磁阀的测试系统，并在此基础上对电磁阀进行 了完整的响应测试，并基于测试结果给出了综合评价电磁阀动态特性的参数指标 33。北京理工的何玮等通过压力阶跃响应试验、频率特性试验和 pwm 调压试验 对气压 abs 系统的制动压力进行了动态特性的分析，将系统的频域特性等效成了 一个二阶欠阻尼模型34。清华大学的傅直全等通过试验的方式对气压 abs 系统的 流量特性进行了研究，并在此基础上讨论了电磁阀结构参数和动作频率对系统流 量特性的影响35。 威伯科汽车控制系统(中国)有限公司上海分公司的罗文发等基于 对本公司的产品试验数据和德国的相关技术规范分析，对气压防抱死制动系统电 磁阀的性能评价方法进行了总结，并提出了其评价指标，推动了未来气压电磁阀 技术标准的制定36。 1.3 论文研究内容 目前汽车 abs 已经广泛应用于汽车上，但是一般都采用国外的 abs。高速电 磁阀作为 abs 的执行机构，对系统的性能有着重要影响。深入研究和分析高速电 磁阀的动态性能，对汽车 abs 的自主开发起到了重要的作用。本文以商用车 abs 系统中某典型的气压高速电磁阀为研究对象，采用理论分析和试验研究相结合的 方法，对气压 abs 高速电磁阀的动态特性进行了研究。主要研究内容包括： 根据气压 abs 高速电磁阀的结构原理及控制过程，将电磁阀的动态特性 进行简化，建立气压 abs 高速电磁阀的动态仿真模型，实现阀芯位移、气室压力 等参数的动态仿真，并对模型进行验证。 应用硬件在环仿真技术研制单轮气压 abs 硬件在环仿真试验台，为控制 策略的硬件在环仿真、各种电磁阀的性能测试和气压 abs 系统的动态特性试验研 究提供充分的试验条件。 应用单轮气压 abs 硬件在环仿真试验台，对高速电磁阀的静、动态特性 进行试验研究，确定输入信号的最优控制频率及有效占空比范围，并结合试验结 果分析控制信号占空比和频率的改变对电磁阀动态响应特性的影响，最后对电磁 阀在动作切换过程中系统压力的滞后特性进行试验研究，为控制算法的研究和系 1 绪 论 5 统调节频率的选择提供依据。 基于前文对气压 abs 高速电磁阀的理论与试验研究，分析总结电磁阀的 延迟特性以及影响电磁阀动态性能的因素，并在此基础上提出气压 abs 高速电磁 阀的设计原则，最后针对以上分析提出提高电磁阀响应特性的措施，为进行电磁 阀的设计和改善电磁阀的性能提供理论依据。 重庆大学硕士学位论文 6 2 气压 abs 高速电磁阀的建模与性能仿真研究 7 2 气压 abs 高速电磁阀的建模与性能仿真研究 2.1 引言 气压 abs 高速电磁阀是一种借助于电磁铁所产生的吸力， 使得阀芯快速吸合、 关闭，从而实现气流在阀口处交替通、断功能的电气控制元件。电磁阀作为汽车 防抱死制动系统的核心执行元件，其动态特性对系统性能的影响至关重要，决定 着高性能控制系统能否实现的问题。 本章首先介绍了气压 abs 高速电磁阀的结构及主要的设计性能要求，将电磁 阀的动态特性研究内容进行了简化，然后应用模块划分原理，将高速电磁阀系统 划分为电、磁、机、气四个子系统，分别对阀的各个子系统进行了建模分析研究， 在 matlab/