基于PWM控制的ESP高速开关阀动力学特性研究与仿真

基于PWM控制的ESP高速开关阀动力学特性研究与仿真王冬良;陈南;刘远伟【摘要】汽车ESP中采用的高速开关阀是二位二通电磁阀,通过电磁阀的开启或关闭来实现车轮轮缸的增压、保压和减压.在(10～100)Hz低频范围内,高速开关阀虽实现了平均开度控制,但阀还是会出现时开时闭的状态,且电磁阀在状态切换中存在压力响应滞后现象.为了提高液压系统的控制精度,提出了脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制高速开关电磁阀的仿真模型,研究分析了调制频率在高频情况下,通过改变PWM下的占空比,实现高速开关阀压力精确控制的效果,达到ESP 制动压力响应快且平稳.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P87-90)【关键词】PWM控制;ESP;高速开关电磁阀;仿真【作者】王冬良;陈南;刘远伟【作者单位】三江学院机械工程学院,江苏南京 210012;东南大学机械工程学院,江苏南京 211189;三江学院机械工程学院,江苏南京 210012【正文语种】中文【中图分类】TH16;U46摘.：汽车ESP中采用的高速开关阀是二位二通电磁阀，通过电磁阀的开启或关闭来实现车轮轮缸的增压、保压和减压。

在（10～100）Hz低频范围内，高速开关阀虽实现了平均开度控制，但阀还是会出现时开时闭的状态，且电磁阀在状态切换中存在压力响应滞后现象。

为了提高液压系统的控制精度，提出了脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制高速开关电磁阀的仿真模型，研究分析了调制频率在高频情况下，通过改变PWM下的占空比，实现高速开关阀压力精确控制的效果，达到ESP制动压力响应快且平稳。

汽车电子稳定性程序（Electronic Stability Program，ESP）是改善汽车行驶稳定性的一种主动安全系统[1]。

ESP系统是制动防抱死系统（Anti-lock Braking System，ABS）和 ABS/驱动防滑控制系统（Acceleration Slip Regulation，ASR）两大系统组合系统的进一步发展，可以快速、主动地对汽车各个车轮进行制动。

ESP功能包含ABS，ASR和直接横摆力矩控制系统（Direct Yaw Control，DYC），其中ABS和ASR主要是针对制动和驱动状态下的车轮打滑进行控制，将车轮滑移率始终控制在理想的范围内；DYC则是针对横摆力矩控制，当车辆发生甩尾或者转向不足时，针对车辆理想轨迹和实际状态之间的差异进行控制[2]。

装备ESP的车辆，其制动力、驱动力和侧向力可按最佳的控制策略进行控制，使实际的汽车行驶性能接近设定的汽车行驶性能。

ESP系统由传感器、控制器和执行器三大类别的部件总成组成。

传感器主要包括车轮速度传感器、组合传感器（横摆角速度传感器、侧向加速度传感器）、压力传感器、方向盘转角传感器、制动踏板开关等。

执行器包括真空助力器、制动总泵、液压控制单元总成（简称HCU，Hydraulic Control Unit）、制动分泵、液压油管、制动器总成等。

ESP控制器是集成在HCU内部，部分车辆是通过线束引出分开安装。

以上部件构成了完整的汽车ESP系统。

ESP控制器总成主要由电机、液压阀体、电磁阀和集成电子控制单元（ECU）组成。

其中电子控制单元为系统的核心，实现对系统输入输出的管理和控制系统的构建，如图1所示。

ESP液压控制单元（简称HCU，Hydraulic Control Unit）是执行器的核心部件，由电机、柱塞泵、阀块、阀芯和电磁线圈组成，通过阀块内部管路对单个制动通道压力进行控制，阀块内液压控制系统[3]，如图2所示。

图中：HZ—制动主缸；MC—制动管路；HSV—高压开关阀；USV—转换阀；sRP—回液泵；M—回液泵电机；EV—进液阀；AV—出液阀 RVR—单向阀；LR—后左；RF—前右；LF—前左；RR—后右。

ESP液压控制单元中有12个电磁阀，其中包含4个进液阀EV、4个出液阀AV、2个转换阀USV和2个高压开关阀HSV，HSV阀和EV阀的差别在于HSV阀能在制动液压力差大于0.1MPa时也能工作。

ESP中采用的二位二通的电磁阀是高速开关阀，通过电磁阀的开或关来实现车轮轮缸的增压、保压和减压，此种电磁阀在状态切换中存在压力响应滞后现象[1]。

在逆变电路中应用较为广泛的PWM控制技术则是通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需波形，具有易于控制、没有响应滞后、控制范围宽等特点。

因此，为了提高ESP液压系统的控制精度，达到精确控制轮缸压力的要求，提出了运用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制高速开关电磁阀。

ESP可根据控制策略对各个车轮进行制动，如车辆在不足转向时对弯道内测后轮或过多转向时对弯道外侧前轮进行制动。

此外，ESP可利用发动机干预来保证车辆稳定性。

当系统进入ESP工作状态后，有增压、保压和减压三种模式。

当ESP增压时，进液阀LR EV和出液阀LR AV断电，转换阀USV、高压开关阀HSV和泵电机M通电，制动液在泵作用下经HSV、回液泵sRP、高压阻尼器、进液阀LR EV 后进入后左车轮制动轮缸；当压力增加到超过阈值时，ESP系统进入保压模式；当ESP进入减压时，HSV、USV、LR EV和LR AV都通电，M断电，制动液流入低压蓄能器，蓄能器容积变大，存储制动液，为下一工作循环储备油源；当压力下降到超过阈值时，ESP进入增压模式，系统进入下一个循环，周而复始，直到系统退出ESP模式。

根据ESP液压控制单元原理图，利用AEMSim仿真软件构建ESP液压系统模型，汽车ESP液压系统AMESim模型，如图3所示。

文献[4-6]对高速开关电磁阀的脉冲宽度调制PWM控制有了一定的研究，其调制频率集中在（10～100）Hz范围内，高速开关阀的动态响应时间为2ms左右，阀芯动作过程，如图4所示。

通过调节占空比，可以控制高速开关电磁阀在一个调制周期T内的平均开度，控制制动轮缸压力。

在（10～100）Hz低频范围内，虽实现了高速开关电磁阀的平均开度控制，但阀还是会时开时闭的状态，会导致阀出现开闭时撞击噪声、制动压力非线性增长等现象。

因此，为进一步提高ESP系统的控制精度，要求高速开关阀阀芯在某一开度位置上，实现压力增长速度线性化。

ESP系统中的高压开关阀、转换阀、进液阀和出液阀都是高速开关阀，该阀是机、电、液、磁的强耦合系统[1，7]，以进液阀为例，其结构，如图5所示。

高速电磁阀线圈不通电时，在回位弹簧作用下，推杆使阀芯打开，阀处于常开状态，进油口A（连接制动主缸）与出油口B（连接制动轮缸）相通；当线圈通电时（图5所示状态），推杆在电磁力作用下使阀芯下移，阀处于关闭位置，切断了进油口A与出油口B之间的压力传递。

高速开关阀的阀芯运动受到液动力、电磁力和弹簧力等约束，运动学方程为：式中：mf—阀芯质量；xf—阀芯位移；FX—电磁阀电磁力；FP—液动力；FS—回位弹簧弹力；FB—制动液粘性阻尼力。

根据动能定理，得出阀芯所受轴向液动力为：式中：vi、vk—阀进油口处、阀开启时阀芯通流处流速；pi、pk、po—阀进油口处、阀开启时阀芯通流处、阀出油口处压力；Ak—阀开启时阀芯通流处通道面积；α—阀座半锥角，图5中所示为90°。

高速开关阀阀口流量为：式中：Cq—阀口流量系统；ρ—制动液密度；△p—阀口两侧压力差，△p=po-pi；λc—制动液流动雷诺数；χ—阀口边缘湿周长度；η—制动液动力黏度。

式（3）考虑了流量系统的非恒定性，当△p较小时，流量Q基本与△p成正比，由于ESP液压控制单元中的高速开关电磁阀阀座孔径较小（约为0.7mm），所以λc低，约为100；制动液平均密度约为850kg/m3；平均动力黏度η约为42.5mm2/s。

因此，式（3）可以简化为：式（4）可得：式中：Ai—进油口面积。

有伯努利方程可推导出通流处压力：在阀芯背面有背压，当阀芯处于稳定状态时背压等于出口压力。

所以，稳态时液动力为：式中：A2—阀座锥角大端面积。

将式（3）～式（7）代入式（2），得：由式可知液动力是高速开关阀开启时阀芯通流处通道面积的二阶方程，进油口孔径以及阀座锥角对其有较大的影响权重。

此外，阀口两侧的压力差对液动力也有一定的影响。

根据上述结果、结论，建立了汽车ESP-HCU 1/4 AMESim模型[8-9]，如图6所示。

根据图6所示ESP-HCU模型，使高压开关阀（阀1）闭合、转换阀（阀2）打开、电机工作，进液阀（阀3）采用4000Hz的高频进行PWM控制，对轮缸的压力进行仿真。

4kHz下，不同占空比下高速开关阀阀芯位移曲线，如图7所示。

由仿真结果可见，20%的占空比时，阀全开；80%的占空比时，阀全关；这两种占空比下，电磁阀实现了传统二位二通高速开关电磁阀开/关效果。

当占空比为60%时，电磁阀线圈通电时间达10m后，阀芯处于闭合与接近闭合的状态，不是阀悬浮中间位置，不利用控制。

当占空比在40%时，阀芯位移能在PWM控制下处于开或者关以外的状态，即中间悬浮状态。

对40%附近的占空比进行细微化后，得出了PWM控制下阀芯开度曲线，如图8所示。

由图8阀芯开度曲线可见，当占空比在（30～50）%区间时，能够保证阀芯在开度（20～90）%之间，实现了一定的占空比控制能使阀芯悬浮在某一位置，达到了与比例阀相似的线性响应特征。

通过对低频、高频PWM控制下高速电磁阀动态响应性能的研究，提出了在高频PWM控制下，高速阀阀芯可以悬浮在某一开度，实现与比例阀相似的线性特性，使得ESP系统制动压力增长过程更精确平稳。

陈.，（1953-），男，重庆人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：车辆振动与噪声控制、车辆系统动力学及其控制【相关文献】［1］李永，宋健.车辆稳定控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2012（12）.（Li Yong，Song Jian.Vehicle Stability Control Technology［M］.Beijing：ChinaMachinePress，2012（12）.）［2］孟爱红，王治中，宋健.汽车ESP液压控制单元关键部件建模与系统仿真［J］.农业机械学报，2013（2）：1-5.（Meng Ai-hong，Wang Zhi-zhong，Song Jian.Critical component modeling and system simulation of hydraulic control unit of automotive electronic stability program［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013（2）：1-5.）［3］Wang J，Yin C，Zhang J.The development of test bench for vehicle handling and stability［J］. Drive System Technique，2004（6）：14-16.［4］祁雪乐，宋健，王会义.基于AMESim的汽车ESP液压控制系统建模与分析［J］.机床与液压，2005（8）：115-116+122.（Qi Xue-le，Song Jian，Wang Hui-yi.Modeling and analysis of vehicle ESP hydraulic control device using AMESim［J］.MachineTool&Hydraulics，2005（8）：115-116+122.）［5］何谦.基于高速开关阀的液压同步控制系统设计与研究［D］.长沙：湖南师范大学，2008.（He Qian.Design and research of hydraulic synchronous control system basedonhighspeedon-offvalve［D］.Changsha：Hunan Normal University，2008.）［6］Tu H C，Rannow M B，Wang M.Modeling and validation of a high speed rotary PWM on/off valve［C］//Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Conference2009.Hollywood，CA，USA，2009：629-636.［7］王伟玮，宋健，李亮.高速开关阀在高频PWM控制下的比例功能［J］.清华大学学报：自然科学版，2011（5）：715-719.（Wang Wei-wei，Song Jian，Li Liang.High speed on-off solenoid valve with proportional control based on high frequencyPWMcontrol［J］.Journal of Tsinghua University：Natural Science Edition，2011，51（5）：715-719.）［8］余卓平，余萌里，熊璐.基于AMESim的汽车电子稳定系统轮缸压力精确控制研究［J］.汽车技术，2013（2）：19-22+59.（YuZhuo-ping，YuMeng-li，XiongLu.Modeling and controlling of vehicle ESP wheel cylinder pressure based on AMESim［J］.Automobile Technology，2013（2）：19-22+59.）［9］孔祥东，张晋，李腾.高速开关电磁阀力控系统线性增压控制研究［J］.机械工程学报，2014（11）：192-199.（Kong Xiang-dong，Zhang Jin，Li Teng.Research on liner pressure control of force control of high-speed switch solenoid valve［J］.qChinese Journal of Mechanical Engineering，2014（11）:192-199.）。