商用車EBS系統橋控模塊建模和特性研究

張佳琛

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商用車EBS系統橋控模塊建模和特性研究

張佳琛

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

商用車EBS系統是目前商用車安全領域中最具開創性的制動安全技術。在EBS系統中，通常由橋控模塊控制后軸兩側制動氣室壓力，文章從橋控模塊的結構和工作原理入手，建立橋控模塊的AMESim模型，通過離線仿真與試驗臺試驗的數據對比，對模型的正確性進行驗證并且對橋控模塊的工作特性進行分析。

EBS系統；橋控模塊；AMESim模型；特性分析

前言

EBS是電子控制制動系統（Electronically controlled Braking System）的英文縮寫[1]，在1996年，美國WABCO公司在奔馳的“ACTROS”商用車型上首次裝配EBS系統，自此性能出色的EBS系統迅速開始在北美和歐洲商用車市場普及。至今EBS系統已經發展了20多年，核心技術主要由WABCO和KNORR兩家商用車零部件公司掌握。如今，EBS系統已經廣泛應用于各類型客車、貨車、半掛牽引車、全掛牽引車以及其它一些中大型特種運輸車輛上。EBS 系統與傳統氣壓制動系統相比，主要是在保留氣控回路基礎上采用線控技術，將駕駛員制動意圖和車輛狀況的信息進行計算，并對閥件發送電信號，從而對制動壓力進行控制，大大改善傳統氣壓制動系統的制動特性，并為商用車制動安全融入了更多新的功能[2]。

國外WABCO和KNORR兩家公司是該產品的主要供應商，掌握成熟和先進的EBS系統技術，國外其他廠商或高校也對EBS系統零部件及控制算法有較為深入的研究。而在國內，商用車整車及零部件制造商對于EBS系統的研究尚處于起步階段，目前仍然未出現國產的EBS產品投入實車應用，不過已經有眾多制動系統零部件公司在EBS系統方面展開技術研究，預計未來幾年將有國產EBS產品的問世。

在EBS系統中，后橋制動氣室壓力由橋控模塊控制，本文從對橋控模塊的結構和工作原理入手，建立橋控模塊的AMESim模型，通過離線仿真與試驗臺試驗的數據對比，對模型進行驗證以及對橋控模塊的工作特性進行分析。

1 橋控模塊的結構及工作原理

1.1 橋控模塊的結構

在EBS系統中，橋控模塊控制后軸的左右制動氣室壓力，它集成有獨立的控制單元。某型號橋控模塊的外觀示意圖如圖1所示，橋控模塊的結構簡圖如圖2所示。

圖1 橋控模塊外觀示意圖

a：進氣電磁閥線圈；b：進氣電磁閥回位彈簧；c：進氣電磁閥鐵芯； ：進氣閥氣壓閥芯；e：氣壓傳感器；f， g：活動塊；h：排氣閥氣壓閥芯；i：排氣電磁閥線圈；j：排氣電磁閥回位彈簧；k：排氣電磁閥鐵芯； 1，2：進氣口；5，6：出氣口，進入制動氣室； 3：排氣口，通向大氣；4：備壓氣體入口

橋控模塊有兩個獨立的通道，每個通道由進氣電磁閥、排氣電磁閥、兩個氣壓閥芯、氣壓傳感器以及活動塊組成。兩個通道共用一個安裝有消音器的排氣口以及連接到備壓閥的備壓氣體入口。進氣電磁閥和排氣電磁閥是高速開關電磁閥，由回位彈簧、銅線圈、鐵質閥芯及軛鐵構成。橋控模塊采用雙回路設計，電控控制優先，冗余的氣動控制回路作為電控故障時備用。

1.2 橋控模塊的工作原理

橋控模塊采用了雙回路控制設計，將后軸兩側的制動氣室的控制通路分開，可以實現對兩側車輪制動力的單獨調節[3]。兩個通道在功能上與氣壓ABS電磁閥基本相同，橋控模塊的控制單元控制進、排氣電磁閥的電流通斷或者給以合適的脈寬調制電流就可以實現對后軸制動氣室的增壓、保壓、減壓、步進增壓、步進減壓等控制。

橋控模塊中集成有控制單元，該控制單元采集后輪輪速傳感器、摩擦襯片磨損傳感器以及橋控模塊內氣壓傳感器的模擬信號，進行信號處理和誤差檢測，可以通過CAN協議與EBS的中央控制單元（ECU）進行通訊，發送后軸制動系相關信息并接收ECU發來的控制命令，通過控制橋控模塊的電磁閥動作，調節后軸的制動氣室壓力。

當橋控模塊的電控系統出現故障時，備壓閥運輸高壓氣體從橋控模塊的備壓氣體入口進入，推動活動塊運動改變氣體通道，此時橋控模塊只相當于兩個通路，制動氣室壓力由制動信號傳輸器的后橋輸出口開度控制，減壓時高壓氣體從備壓閥的排氣口排出，備壓閥保證了電控系統故障時的車輛具備常規氣壓制動能力，但后軸喪失ABS防抱死功能以及無法對兩側制動壓力單獨調節，須盡快進行電控系統的故障檢測與修復。

從結構上可以看出，橋控模塊的進氣電磁閥是常閉型，排氣電磁閥是常開型。當電控部分正常運作時，橋控模塊上的 ECU 會根據控制邏輯向電磁閥發出電信號，通過控制電磁閥的通電與失電控制制動氣室的壓力。橋控模塊的工作循環中電磁閥的控制狀態如表1所示。

表1 橋控模塊工作狀態

常規增壓過程：橋控模塊的的進氣電磁閥和排氣電磁閥都通電，因為電磁力的作用，電磁鐵芯將會克服彈簧阻力向另一側移動，原本常閉的進氣電磁閥打開，高壓氣體可以進入，原本常開的排氣電磁閥關閉，關閉了制動氣室與橋控模塊排氣口的通路。輸入口至輸出口形成了一條通道，儲氣筒中的高壓氣體經橋控模塊后進入左右輪的制動氣室，制動氣室壓力增加。

保壓過程：對進氣電磁閥停止通電，對排氣電磁閥保持通電，由于進氣電磁閥斷電后，電磁力消失，在回位彈簧力的作用下，電磁鐵芯恢復到初始位置，氣壓閥芯重新回到閥座上，進氣電磁閥關閉。另外排氣電磁閥保持通電時使到排氣口的通道關閉，制動氣室壓力不會增壓或減少，這就是保壓過程。

常規減壓過程：進氣電磁閥和排氣電磁閥都斷電，進氣電磁閥保持關閉，排氣電磁閥保持打開，此時，制動氣室的高壓氣體會經由排氣口進入大氣，制動氣室壓力降低。

步進增壓過程：當需要對車輪進行防抱死控制時，橋控模塊承擔了ABS電磁閥的對制動氣室壓力的步進調節功能，橋控模塊控制單元接收中央控制單元的控制信號以及后軸氣壓傳感器的信號，根據控制邏輯對進氣電磁閥發出一定頻率與占空比的脈寬電流，對排氣電磁閥保持通電，控制進氣電磁閥交替打開和關閉，橋控模塊處于增壓和保壓的狀態交替中，制動氣室壓力步進增加，精準控制車輪制動壓力，防止發生抱死。

步進減壓過程：當需要對車輪進行防抱死控制時，也需要步進減小制動氣室壓力。橋控模塊控制單元根據控制邏輯對進氣電磁閥保持失電狀態，對排氣電磁閥發出一定頻率與占空比的脈寬電流，控制排氣電磁閥交替打開和關閉，橋控模塊處于保壓和減壓的狀態交替中，制動氣室交替地進行減壓與保壓，可以較精準的控制制動氣室壓力，防止減壓過小影響制動性能的最大化。

2 橋控模塊建模

根據以上所述的橋控模塊的結構與工作原理，運用AMESim系統建模軟件搭建橋控模塊的AMESim模型。根據結構在AMESim的元件庫中選擇合適的元件，根據其工作原理對元件進行組合連接，在子模型模式中為所選元件分別搭配合適的數學模型[4]，搭建的橋控模塊AMESim模型如圖3所示。其中，這里未對橋控模塊的備用氣動通道進行建模，重點對橋控模塊電控的氣體通道進行建模，下面研究橋控模塊的電子控制模式下的靜動態特性。

圖3 橋控模塊AMESim模型

表2 橋控模塊部分參數

建立橋控模塊AMESim模型后，進入參數設置模式，修改各元件的子模型對應參數，橋控模塊的部分主要參數如表2所示，參數的數值主要由實際測量所得，對部分無法獲取的參數根據經驗預估。參數設置完成后，經過編譯就可以進入仿真模式，設置仿真時間和仿真步長之后就可以進行仿真。

3 模型驗證與仿真分析

3.1 靜態特性分析

對橋控模塊靜態特性的研究可以得到橋控模塊的最大壓力值、最小壓力值、升壓速率、降壓速率等性能參數，以及高壓狀態下的密封性能指標，只有在靜態特性良好的前提下，才能更好地控制橋控模塊工作在系統要求的工作狀態[5]。

在離線仿真時，仿真步長設置為0.001s，仿真時間為10s，氣源壓力設為800kPa，溫度設為293.15K，制動氣室容積設為1L，大氣壓力設為101.325kPa，橋控模塊與制動氣室之間連接管長度設為1m，管徑設為10mm。

AMESim仿真結果與試驗結果對比如圖4所示。仿真中升壓速率、降壓速率比試驗中略快一點，達到的最大壓強也略高一些，這與仿真中忽略掉一些微小影響參數有關，但整體而言，橋控模塊的靜態壓力響應、釋放特性試驗結果與AMESim模型的仿真結果擬合度很高，所建立的橋控模塊模型準確。壓力上升到最高值的75%需要0.2s，壓力釋放時達到最大值的15%需要0.25s，響應速度較快，滿足工作要求。

圖4 橋控模塊靜態特性曲線

3.2 動態特性分析

橋控模塊的動態特性是指橋控模塊對輸出氣體壓力隨控制指令的動態變化而改變的關系。在橋控模塊進行階梯增壓、階梯減壓時，橋控模塊輸出壓力非線性變化[6]。

在進行動態特性仿真試驗時，設置仿真時間為4s，其余與靜態特性參數一致。因為橋控模塊的電磁閥為高速開關式電磁閥，工作只有開關兩種狀態，通過對橋控模塊輸入脈沖調制電流，調節控制信號的頻率和占空比就可以實現對橋控模塊的階梯增壓和階梯減壓兩種狀態調節。設置橋控模塊的控制信號參數為：小步長增壓時間與小步長減壓時間為40ms，小步長保壓時間為60ms，即階梯增壓時，對進氣電磁閥輸入頻率為10Hz，占空比為40%的脈寬調制電流，排氣電磁閥保持通電；階梯減壓時，對排氣電磁閥輸入頻率為10Hz，占空比為60%的脈寬調制電流，進氣電磁閥保持斷電。

AMESim仿真結果與試驗結果對比如圖5所示。從圖中可以看出，試驗結果與仿真結果擬和程度較高，基本可以驗證模型的準確性。在階梯增壓初期，壓差大，所以增壓速率快，在階梯增壓的后幾個周期，由于制動氣室與高壓儲氣罐壓差小，增壓速率降低。同理，階梯減壓時，減壓速率也隨著壓差減小，釋放速率降低。右圖中還可以看出，試驗中階梯增壓與階梯減壓和仿真曲線相比，都有大約50ms的延遲，這與模型搭建時忽略部分因素有關。

圖5 橋控模塊的動態特性曲線

4 結論

本文以商用車EBS系統中的橋控模塊為研究對象，利用AMESim系統建模軟件搭建了橋控模塊的AMESim模型，在此模型的基礎上對橋控模塊的靜態特性、動態特性進行了仿真與分析，并根據試驗得到的數據進行對比，驗證了所建橋控模塊模型的準確性，通過分析得到了橋控模塊各種工作狀態下的理論工作參數，為橋控模塊的設計與動、靜態特性的測試方法提供了思路，同時能夠縮短橋控模塊的開發周期以及節省科研成本。

[1] 步廣奇.電子控制制動系統的應用技術[J].電子技術與軟件工程, 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] 韓正鐵.商用車電控制動系統遲滯特性及補償控制策略研究[D].吉林大學,2014.

[4] 付永領,祁曉野. LMS Imagine. Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊[M].北京:北京航空航天大學出版社, 2011.

[5] 徐烽.氣壓ABS調節器建模與調節特性試驗研究[J].西南汽車信息,2016 (4):20-25

[6] 樊秋實,何樂,夏群生.EBS軸模塊壓力閉環控制[J].客車技術與研究,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

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1671-7988(2019)05-112-04

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張佳琛，武漢理工大學，碩士研究生，汽車動力學及控制。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.034