氣壓ABS的硬件在環(huán)仿真與測(cè)試*

孫 俊 陳可際 裴曉飛 過學(xué)迅 孫陳迪

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2) 武漢 430070)

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氣壓ABS的硬件在環(huán)仿真與測(cè)試*

孫 俊1,2)陳可際1,2)裴曉飛1,2)過學(xué)迅1,2)孫陳迪1,2)

(現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2)武漢 430070)

為獲得接近實(shí)車環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果，搭建了基于Labcar的氣壓ABS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng).在Labcar PC中搭建了車輛制動(dòng)模型，將其編譯后下載到Labcar仿真工控機(jī)中運(yùn)行.開發(fā)了嵌入式ABS控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣壓ABS執(zhí)行器的實(shí)時(shí)控制.利用Labcar的輪速發(fā)生板卡模擬輪速信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過該板卡可模擬常見的輪速故障.在所搭建的硬件在環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行了ABS高附、低附路面的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該硬件在環(huán)系統(tǒng)能夠滿足ABS控制器的仿真測(cè)試需求.

車輛工程；氣壓ABS；動(dòng)力學(xué)模型；輪速信號(hào)模擬；硬件在環(huán)

0 引 言

硬件在環(huán)仿真技術(shù)(hardware in the loop，HIL)是一種用于測(cè)試ECU的功能、系統(tǒng)集成與通信的方法[1].由于在試驗(yàn)系統(tǒng)中嵌入了難于用模型表示的實(shí)物，有效提高了仿真測(cè)試的準(zhǔn)確度[2-3].

國(guó)外有關(guān)ABS HIL仿真技術(shù)已比較成熟[4-8].國(guó)內(nèi)對(duì)制動(dòng)防抱死的研究主要集中在液壓制動(dòng)系統(tǒng)方面，有關(guān)氣壓ABS HIL的研究相對(duì)較少.文獻(xiàn)[9]側(cè)重介紹了基于Labcar的氣壓ABS HIL仿真平臺(tái)的搭建，同時(shí)利用該平臺(tái)對(duì)以滑移率為目標(biāo)參數(shù)的控制算法進(jìn)行了仿真；郭芹鳳[10]對(duì)制動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型、ABS的控制算法和ECU的軟硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，文獻(xiàn)[3]對(duì)ABS系統(tǒng)的制動(dòng)效能和制動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，但這兩篇文獻(xiàn)都是將氣源、制動(dòng)踏板及制動(dòng)輪缸以數(shù)學(xué)模型的形式接入到HIL仿真系統(tǒng)，很難準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況；黃有林、任國(guó)新雖然都做了ABS HIL仿真，但其控制算法也是通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)的，并未燒錄到實(shí)際控制器當(dāng)中.

針對(duì)上述情況，搭建了更加接近實(shí)車環(huán)境的氣壓ABS HIL仿真系統(tǒng)，并對(duì)ABS嵌入式控制器進(jìn)行HIL測(cè)試.

1 ABS HIL的總體架構(gòu)

基于Labcar軟硬件平臺(tái)建立的HIL仿真結(jié)構(gòu)見圖1.主要特點(diǎn)是：車輛制動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型和車輛輪胎模型集中在仿真工控機(jī)(real time PC, RTPC)中，較難用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的氣源、制動(dòng)踏板和制動(dòng)氣室等通過氣壓制動(dòng)臺(tái)架接入到HIL系統(tǒng)，控制算法運(yùn)行在實(shí)際的控制器上.

圖1 HIL測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其工作原理是在Labcar PC軟件環(huán)境中建立車輛Simulink仿真模型，編譯并下載到RTPC.制動(dòng)開始后，氣源給制動(dòng)氣室充氣，RTPC通過模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡獲取制動(dòng)氣室的壓力信號(hào)，并將模型實(shí)時(shí)計(jì)算得到的輪速信號(hào)，通過輪速板卡傳送到ABS控制器，控制器根據(jù)輪速的變化輸出電磁閥的控制指令，調(diào)節(jié)氣室的制動(dòng)壓力.同時(shí)可以利用Labcar PC對(duì)測(cè)試過程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便參數(shù)的匹配.如此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的ABS測(cè)試系統(tǒng).

1.1 氣壓制動(dòng)臺(tái)架

文中的氣壓制動(dòng)臺(tái)架基于某型城市客車的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)搭建，見圖2.相對(duì)于模型仿真，試驗(yàn)臺(tái)架可以提供更接近實(shí)車的環(huán)境.

圖2 氣壓制動(dòng)臺(tái)架

空氣壓縮機(jī)作為該制動(dòng)系統(tǒng)的氣源，可以提供制動(dòng)過程所需的氣壓；儲(chǔ)氣罐一方面存儲(chǔ)來自氣源的高壓氣體，另一方面調(diào)整氣流，減小氣壓的波動(dòng)，使輸出的氣壓穩(wěn)定；制動(dòng)閥連接著制動(dòng)踏板，控制氣壓回路的開和關(guān).踩下制動(dòng)踏板，高壓氣體經(jīng)干燥器干燥后經(jīng)過制動(dòng)閥到達(dá)ABS電磁閥，通過控制電磁閥的開閉實(shí)現(xiàn)氣室的增壓、保壓和減壓；壓力傳感器實(shí)時(shí)采集氣室的壓力，并返回到模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡.

1.2 氣壓ABS控制邏輯

低附著路面、緊急制動(dòng)時(shí)，車輪易發(fā)生抱死現(xiàn)象.車輪被抱死后，車輛失去側(cè)向穩(wěn)定性，出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾等危險(xiǎn)狀況.ABS通過控制制動(dòng)壓力，將車輪的滑移率保持在最佳滑移率附近，提高車輛穩(wěn)定性.氣壓ABS的控制策略見圖3.

圖3 氣壓ABS控制邏輯

1.3 控制電路板

ABS的控制器是ABS的核心，采用模塊化的思想設(shè)計(jì)該控制器的硬件電路.主要包括MCU最小系統(tǒng)板、制動(dòng)信號(hào)采集模塊、輪速信號(hào)采集模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、CAN模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及其他外圍電路.

在電路板上有與MCU最小系統(tǒng)板插針對(duì)應(yīng)的針孔，可直接插拔最小系統(tǒng)板，方便更換；制動(dòng)信號(hào)是一個(gè)開關(guān)量，開關(guān)量為1時(shí)代表制動(dòng)開始，通過該模塊對(duì)制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行防抖整形處理，并送入MCU的外部中斷端口；利用Labcar的輪速發(fā)生板卡模擬磁電式輪速傳感器信號(hào)，由于該信號(hào)是正弦波信號(hào)，需輪速采集模塊其進(jìn)行濾波、整形處理成方波，才可接入MCU的頻率捕捉模塊；電磁閥驅(qū)動(dòng)電路接收MCU發(fā)出的壓力調(diào)節(jié)指令，控制電磁閥進(jìn)行開關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)增壓、保壓和減壓；實(shí)際應(yīng)用中，CAN模塊可以實(shí)現(xiàn)ABS控制器與整車CAN網(wǎng)絡(luò)上其他ECU之間的通信.另外，該控制器集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，故也可用于液壓ABS的開發(fā).

2 車輛ABS仿真模型

在搭建Simulink仿真模型之前，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.文中采用了七自由度車輛動(dòng)力學(xué)模型，其中根據(jù)車輛的單軌模型有：

(1)

(2)

(3)

式中：m為車輛質(zhì)量，kg；Iz為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；δ為前輪轉(zhuǎn)角；Cw為車輛輪距，m；vx為車輛縱向速度，m/s；vy為車輛側(cè)向速度，m/s；Φ為車輛橫擺角，rad；a，b分別為車輛質(zhì)心到前后軸距離，m；Fijk為各個(gè)方向上的輪胎力，N.

動(dòng)力學(xué)模型中的輪胎力由魔術(shù)輪胎公式給出，魔術(shù)輪胎公式的一般表示式為

Y(x)=Dsin{Carctan[Bx-

(4)

式中：Y(x)為輪胎縱向力或側(cè)向力，N；x為輪胎縱向滑移率或側(cè)偏角；B，C，D，E為模型參數(shù).

車輛的縱向滑移率s定義為

(5)

式中：r為車輪半徑，m；ω為車輪角速度，rad/s；v為車輪平面上的輪心速度，m/s.對(duì)前輪有：

(6)

對(duì)后輪有

(7)

在制動(dòng)過程中伴隨著軸荷轉(zhuǎn)移，使得車輪垂向載荷被表達(dá)為

(8)

式中：hg為車輛質(zhì)心高度，m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；L為前后軸距，L=a+b，m.

另外，單個(gè)車輪的動(dòng)力學(xué)方程為

(9)

式中：Iw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Fx為輪胎縱向力，N；Tb為制動(dòng)力矩，N·m.

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型搭建的Simulink模型見圖4.Labcar的A/D板卡采集到的氣室壓力信號(hào)，經(jīng)左側(cè)4個(gè)接口輸入車輛模型；右側(cè)4個(gè)端口輸出模型實(shí)時(shí)計(jì)算得到的輪速信號(hào)，通過輪速板卡將輪速信號(hào)輸入到ECU.

圖4 車輛Simulink模型

3 Labcar功能及作用

ETAS LABCARHIL系統(tǒng)通過模擬整車環(huán)境和信號(hào)交互環(huán)境，能夠?yàn)镋CU控制功能測(cè)試提供理想的整車環(huán)境，并通過測(cè)試保證ECU軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量.

3.1 ES1337輪速發(fā)生板卡

輪速傳感器為ABS ECU提供實(shí)時(shí)的輪速信號(hào)，是ABS系統(tǒng)中核心的傳感器，邏輯門限值控制算法中的滑移率和車輪減速度都是根據(jù)輪速計(jì)算得到，故輪速傳感器采集到的信號(hào)對(duì)ABS ECU的控制效果有很大的影響.輪速采集模塊將磁電式輪速傳感器輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成同頻率的方波信號(hào)，MCU再對(duì)該方波信號(hào)進(jìn)行采集.信號(hào)頻率可表示為

(10)

式中：f為正弦信號(hào)頻率；z為齒圈齒數(shù)；n為輪速.

利用ES1337硬件板卡對(duì)輪速信號(hào)進(jìn)行模擬，代替真實(shí)的傳感器信號(hào)，構(gòu)建HIL仿真的閉環(huán)控制，同時(shí)對(duì)輪速信號(hào)的故障進(jìn)行分析.文中對(duì)汽車上常用的磁電式輪速傳感器的信號(hào)和故障進(jìn)行模擬.

ES1337共有4個(gè)信號(hào)發(fā)生器，可同時(shí)提供4路輪速信號(hào).主要指標(biāo)為輸出電壓范圍-10～+10 V，10 bit(20 mV)分辨率，每個(gè)通道都有±60 V過高電壓保護(hù)，且配有斷路繼電器.該板卡輸出輪速信號(hào)有2種控制模式：頻率模式和輪速模式.前1種模式，模型端口輸出的是對(duì)應(yīng)的正弦信號(hào)頻率；后1種模式，模型端口輸出的是經(jīng)轉(zhuǎn)化后的輪速值.考慮到實(shí)際傳感器的信號(hào)源為輪速，故后1種控制模式更接近實(shí)車環(huán)境.只須對(duì)ES1337輪速板卡進(jìn)行參數(shù)配置，即可實(shí)現(xiàn)不同輪速的模擬，缺齒和間隙過大等故障的模擬.

3.2 輪速及故障模擬試驗(yàn)

在Labcar上位機(jī)環(huán)境下搭建輪速和故障模擬軟件平臺(tái)，配合ES1337輪速板卡實(shí)現(xiàn)輪速和故障的模擬.圖5是用示波器顯示的ES1337板卡輸出的無故障輪速信號(hào)，以及經(jīng)輪速采集模塊轉(zhuǎn)化后的方波信號(hào).

圖5 無故障輪速信號(hào)模擬

圖5中輪速是60 km/h，車輪半徑0.32 m，齒圈齒數(shù)48，對(duì)應(yīng)的正弦信號(hào)頻率為398 Hz.示波器測(cè)得轉(zhuǎn)化后的方波信號(hào)頻率為397 Hz，與計(jì)算得到的頻率基本一致.

圖6模擬的是磁電式輪速傳感器缺齒故障，該圖的車速、車輪半徑和齒圈齒數(shù)與圖5中相同，設(shè)置缺齒個(gè)數(shù)為1個(gè)，可以看出模擬的缺齒故障與真實(shí)的傳感器缺齒故障相同，缺齒時(shí)傳感器輸出電壓為0 V，持續(xù)時(shí)間為1個(gè)正弦波周期.

圖6 缺齒故障模擬

4 ABS HIL試驗(yàn)

在Simulink模型中設(shè)置整車和道路參數(shù)，對(duì)高附著、低附著等典型路面進(jìn)行HIL仿真試驗(yàn).

4.1 高附著路面

高附著路面附著系數(shù)設(shè)置為0.7，起始制動(dòng)車速為60 km/h，輪速和氣室制動(dòng)壓力曲線見圖7.

圖7 高附著路面仿真結(jié)果

在高附著路面制動(dòng)時(shí)，ABS制動(dòng)循環(huán)的次數(shù)較少，平均制動(dòng)減速度為6.1 m/s2.制動(dòng)過程中氣室壓力在0.26～0.5 MPa范圍了波動(dòng)，氣室平均壓力值在0.42 MPa左右.

4.2 低附著路面

低附著路面附著系數(shù)為0.25，起始制動(dòng)車速為60 km/h，仿真結(jié)果見圖8.

圖8 低附著路面仿真結(jié)果

低附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)，車輪對(duì)制動(dòng)壓力更敏感，很容易形成制動(dòng)循環(huán)，因此低附著路面制動(dòng)時(shí)ABS制動(dòng)循環(huán)的次數(shù)更多.由于制動(dòng)壓力較低(平均值0.3 MPa)，平均減速度小(2.9 m/s2)，低附著路面ABS制動(dòng)過程明顯更長(zhǎng).實(shí)際電磁閥由于響應(yīng)特性不同，對(duì)ABS氣室壓力的調(diào)節(jié)效果有差異.由圖7b)和圖8b)可知，右前輪的電磁閥響應(yīng)滯后于左后輪電磁閥，造成右前輪的氣室壓力調(diào)節(jié)頻繁且壓力波動(dòng)偏大，但均值較理想.此外，由于左后輪和右前輪分別由不同的儲(chǔ)氣罐供氣，儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力的不同對(duì)氣壓的調(diào)節(jié)效果也存在一定的影響.高附、低附路面的HIL測(cè)試結(jié)果表明，制動(dòng)過程中的輪速和壓力值與實(shí)際ABS制動(dòng)效果接近.

5 結(jié) 論

1) 由于接入了真實(shí)的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)和嵌入式ABS控制器，相較純軟件仿真，HIL仿真更有實(shí)際意義，利用該Labcar HIL仿真平臺(tái)可以方便的對(duì)邏輯門限值等參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)試，提高測(cè)試效率，降低參數(shù)匹配成本.

2) 輪速發(fā)生板卡可方便的實(shí)現(xiàn)輪速信號(hào)和信號(hào)故障的模擬，可用于非實(shí)車環(huán)境下對(duì)ABS ECU故障診斷算法的開發(fā).

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Hardware-in-the-loop Simulation and Test for Pneumatic ABS

SUN Jun1,2)CHEN Keji1,2)PEI Xiaofei1,2)GUO Xuexun1,2)SUN Chendi1,2)

(KeyLaboratoryofAdvancedTechnologyofAutomotiveParts,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

In order to obtain the test results under the condition close to real vehicle, the pneumatic ABS hardware-in-the-loop (HIL) system based on Labcar is built. A vehicle braking dynamic model is built on Labcar PC software platform. After complied, the model is downloaded to Labcar Real Time PC (RTPC). Then the embedded ABS ECU is developed, which realizes the adjustment of ABS actuator. The wheel-speed signal and signal faults are simulated through board card in Labcar. At last, the HIL experiment on high-adhesion and low-adhesion road is carried out. The test results show that the system satisfies the requirements of the HIL tests towards pneumatic ABS ECU.

vehicle engineering; pneumatic ABS; dynamic model; wheel speed signal simulation; hardware-in-the-loop

2016-08-29

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51505354)

U461.3 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.017

孫俊(1991- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠噭?dòng)力學(xué)及控制