電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

李媛 楊曉東 曾京銳

【摘 要】ESP能夠糾正汽車在運(yùn)行時(shí)發(fā)生的一些不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎過度、不足或者路面濕滑發(fā)生打滑時(shí)進(jìn)行車輪的制動(dòng)或者改變噴油閥的出油量，使行車得到穩(wěn)定。本文基于Labview實(shí)訓(xùn)臺(tái)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)數(shù)據(jù)的檢測(cè)、分析、存儲(chǔ)，并在實(shí)訓(xùn)臺(tái)架環(huán)境下模擬ESP調(diào)節(jié)控制過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ESP系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) ——Labview；可視化編程；實(shí)訓(xùn)臺(tái)

前言

電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP）其實(shí)是ABS（防抱死系統(tǒng)）和ASR（驅(qū)動(dòng)輪防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)）功能上的延伸，可以說是當(dāng)前汽車防滑裝置的最高形式。ESP一般由轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器、側(cè)滑傳感器、橫向加速度傳感器等組成。當(dāng)車身發(fā)生側(cè)滑或者打滑時(shí)，ESP則會(huì)自動(dòng)向一個(gè)或多個(gè)車輪施加制動(dòng)力，消除其不穩(wěn)定的現(xiàn)象。Labview采用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。本文基于Labview軟件，基于ADAM4520轉(zhuǎn)換隔離器、ADAM4017數(shù)據(jù)采集模塊、ADAM4068和ADAM4024控制輸出模塊等硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)Labview對(duì)ESP實(shí)訓(xùn)臺(tái)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)臺(tái)數(shù)據(jù)的檢測(cè)、分析、存儲(chǔ)，并在實(shí)訓(xùn)臺(tái)架環(huán)境下模擬ESP的調(diào)節(jié)控制過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ESP系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行檢測(cè)。

1.ESP分析

1.1 ESP工作原理

ESP通過傳感器（轉(zhuǎn)向傳感器、車輪傳感器等）等數(shù)據(jù)的采集之后由微控制器進(jìn)行分析控制，后由執(zhí)行器（輪胎剎車系統(tǒng)）進(jìn)行相應(yīng)的輪胎制動(dòng)或者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)通過方向盤傳感器、橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，然后由微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，分析，根據(jù)不同的控制策略選擇控制方法，如圖1所示[1]。當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向過度時(shí)，改變轉(zhuǎn)向外側(cè)輪制動(dòng)力；當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足時(shí)，增加內(nèi)側(cè)輪制動(dòng)力。當(dāng)路面濕滑或者下雪天時(shí)，會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，那么也將對(duì)進(jìn)行車輪的制動(dòng)，ESP對(duì)汽車的穩(wěn)定性控制如圖2所示。

1.2 二自由度模型

認(rèn)為汽車前進(jìn)的速度u不變；

認(rèn)為汽車只作地面的平行運(yùn)動(dòng)；

此外，忽略空氣作用，環(huán)境問題，忽略左右車輪垂直載荷的變化以及輪胎回正力矩的作用，即在輪胎側(cè)偏剛度一定的情況下，側(cè)向力與其相應(yīng)的側(cè)偏角成線性關(guān)系，此時(shí)車輛可進(jìn)一步簡化成線性二自由度車輛模型。[1]

上兩公式中， 是車的質(zhì)量，單位為公斤， ，分別是前后端的剛度、單位N /度；δ是前輪轉(zhuǎn)角，單位是度；是前后車軸與汽車的質(zhì)心的距離，單位是米，汽車沿著X軸的前進(jìn)速度，它的單位是米/秒；關(guān)于Z軸的汽車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其單位是kg*m^2；是橫向速度，單位是m / s；是車輛偏移率，單位是度/ s；是側(cè)滑角，單位為度；

通過上述公式，可以計(jì)算得出以下結(jié)論：

通過以上5個(gè)公式，運(yùn)用Labview軟件建立二自由度的汽車模型。

1.3 狀態(tài)估計(jì)模型

建立一個(gè)狀態(tài)估計(jì)模型來確定公式穩(wěn)定系數(shù)K，然后我們使用它來確定轉(zhuǎn)向時(shí)車輛的狀態(tài)。這種狀態(tài)可能不足轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向正常，轉(zhuǎn)向過度三種情況。得出前后輪轉(zhuǎn)角公式[2][3]：

汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判定方式：

（1）當(dāng)K>0，汽車處于轉(zhuǎn)向過度的狀態(tài)。

（2）當(dāng)K<0，汽車處于轉(zhuǎn)向不足的狀態(tài)。

（3）當(dāng)K=0，汽車行駛狀態(tài)正常。

2. 實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Labview綜述

Labview軟件是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司研制。Labview是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的關(guān)鍵，是開發(fā)測(cè)量或者控制系統(tǒng)的選擇。Labview的開發(fā)快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需要的所有工具，可幫助工程師與科學(xué)家解決問題以及提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。

2.2 實(shí)訓(xùn)臺(tái)系統(tǒng)硬件組成

設(shè)計(jì)的ESP實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟件系統(tǒng)所基于的硬件布局如圖3所示。由ADAM4017（1）、（2）采集左前、右前、左后、右后輪轉(zhuǎn)速傳感器，左前輪壓力傳感器等和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、側(cè)方向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等的數(shù)據(jù)，通過ADAM4520轉(zhuǎn)換傳遞到電腦中的Labview軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷出是否連接正常，是否存在故障。之后再通過ADAM4520將處理完成的數(shù)據(jù)傳遞給ADAM4024或者ADAM4068，之后，對(duì)輪胎的電磁閥進(jìn)行控制，或者改變發(fā)動(dòng)機(jī)副節(jié)氣門電機(jī)電流大小或噴油器電磁線圈。軟件的整體流程圖4所示，從初始化到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)處理分析，到控制策略選擇，在對(duì)車輪或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，直至恢復(fù)正常，得到修正，最終結(jié)束。

2.3實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟件用戶交互界面設(shè)計(jì)

ESP前面板設(shè)計(jì)了各輪的車速，制動(dòng)力等的曲線圖，轉(zhuǎn)向角度數(shù)顯示圖，發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)表格和ADAM4017 （1）、4017（2）的數(shù)據(jù)采集表格。如圖5、6所示

2.4 實(shí)訓(xùn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

首先，建立一個(gè)數(shù)據(jù)采集的整體平臺(tái)。電腦連接數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線連接ADAM4520， ADAM4520與ADAM4017、ADAM4024、ADAM4068相連。建立一個(gè)程序框圖，將各個(gè)接口通過程序依次對(duì)它們進(jìn)行排列，賦予它們各自的地址，當(dāng)想要使用ADAM4017（1）或者（2）時(shí)，可直接進(jìn)行選擇。用Labview設(shè)計(jì)COM框圖，用來檢驗(yàn)整個(gè)平臺(tái)是否能夠?qū)?，與電腦連接正確。

其次，創(chuàng)建一個(gè)條件結(jié)構(gòu)。在條件結(jié)構(gòu)中，設(shè)立兩個(gè)條件層次，一是無錯(cuò)誤，二是有錯(cuò)誤。在此條件結(jié)構(gòu)下，再建立一個(gè)條件結(jié)構(gòu)。在無錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)里，新建的條件結(jié)構(gòu)構(gòu)建“初始化”“開始”“停止”三個(gè)層。在錯(cuò)誤的框圖下，與“停止”按鈕相連。如果一開始發(fā)生錯(cuò)誤，那么直接不會(huì)運(yùn)行程序。在“開始”的框圖下，建立一個(gè)事件結(jié)構(gòu)。事件結(jié)構(gòu)由“stop”“初始化”“開始測(cè)試”“保存數(shù)據(jù)”等幾個(gè)層組成。當(dāng)在前面板按下“開始測(cè)試”時(shí)，事件結(jié)構(gòu)“開始測(cè)試”的程序框圖下有公式的判斷，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，求出汽車的狀態(tài)；事件結(jié)構(gòu)“保存參數(shù)”，數(shù)據(jù)通過4017寫入，當(dāng)按下前面板的保存數(shù)據(jù)時(shí)，那么導(dǎo)入的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在前面的表格框中。在公式其他條件不變的情況下，當(dāng)發(fā)生變化突然的增大時(shí)，Labview中通過公式節(jié)點(diǎn)對(duì)復(fù)雜公式進(jìn)行編寫，之后進(jìn)行計(jì)算，判斷出其問題，將在前面板中顯示。同時(shí)，將其哪個(gè)輪子偏移的多少角度也能在前面板中顯示。

導(dǎo)入的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，會(huì)帶入進(jìn)相應(yīng)的公式對(duì)K進(jìn)行判斷，那么前面板會(huì)根據(jù)計(jì)算結(jié)果引起顯示燈、制動(dòng)力、動(dòng)力波形圖的改變。

3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)所傳遞數(shù)據(jù)車輪轉(zhuǎn)速較大時(shí)，并發(fā)生側(cè)移現(xiàn)象時(shí)，前面板所顯示偏移和超速燈將呈現(xiàn)“1”亮起，說明了轉(zhuǎn)向過度；當(dāng)發(fā)生側(cè)移現(xiàn)象，前面板的偏移燈亮起，而超速燈并沒有亮起，則說明了在轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向不足。當(dāng)數(shù)據(jù)一切正常時(shí)，前面板的顯示燈不會(huì)變化。當(dāng)轉(zhuǎn)向過度情況發(fā)生時(shí)，制動(dòng)波形圖中制動(dòng)力呈曲線上升態(tài)勢(shì)，而動(dòng)力波形圖中動(dòng)力呈曲線下降趨勢(shì)，參數(shù)4068-2的表格中節(jié)氣門進(jìn)氣量逐漸減少，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量逐漸減少，這樣可以使轉(zhuǎn)向過度的情況得以化解。當(dāng)轉(zhuǎn)向不足的情況發(fā)生時(shí)，之動(dòng)波形圖中制動(dòng)力在一定范圍內(nèi)保持不變，而動(dòng)力波形圖中曲線呈上升趨勢(shì)，參數(shù)4068-2表格中節(jié)氣門進(jìn)氣量和噴油嘴噴油量呈上升趨勢(shì)使汽車動(dòng)力得以增加來解決轉(zhuǎn)向不足的情況。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)車輪狀態(tài)出現(xiàn)不同于駕駛員想要行駛的原路線時(shí)，ESP 系統(tǒng)會(huì)判斷其狀態(tài)，進(jìn)行修正。當(dāng)左前輪過度轉(zhuǎn)向時(shí)，ESP會(huì)減小左前輪的制動(dòng)力，進(jìn)氣量和噴油嘴的噴油量都會(huì)相應(yīng)上升，減小動(dòng)力，從而可以修正左前輪，并且其余車輪不發(fā)生改變。

5.未來的展望

本文基于Labview軟件和研華公司數(shù)據(jù)采集、控制模塊實(shí)現(xiàn)了ESP試驗(yàn)臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)。軟件通過對(duì)車輛模擬數(shù)據(jù)的采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，判斷車輛所處的穩(wěn)定狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的控制策略，在車輛處于不同穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛制動(dòng)及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，很好實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件應(yīng)有的功能?；谒O(shè)計(jì)的軟件，可良好實(shí)現(xiàn)對(duì)所開發(fā)的ESP系統(tǒng)的檢測(cè)，為ESP系統(tǒng)的批量生產(chǎn)提供了良好測(cè)試平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 安麗華.汽車電子穩(wěn)定性程序（ESP）控制方法及聯(lián)合仿真研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2010年.

[2] FU Yanrong， WANG Guoye and GUAN Zhiwei： Simulation Study on ESP Integrated Control Unit for the Automobile. MD&ME.; Forum Vol. 43-2（2014） ， p.35-40 .

[3] YU Fan and LIN Yi ，in： Vehicle System Dynamics， edited by China Machine， Beijng，NY（2005），in Press.