基于邏輯門限值的客車ABS硬件在環(huán)測試研究

陸 藝，徐博文，吳佳偉，趙 靜

(1.中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，杭州 310018)

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基于邏輯門限值的客車ABS硬件在環(huán)測試研究

陸 藝1，徐博文1，吳佳偉1，趙 靜2

(1.中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，杭州 310018)

針對ABS控制器開發(fā)過程中純數(shù)值仿真過于理想化，實(shí)車試驗(yàn)成本高、周期長等缺點(diǎn)，設(shè)計并搭建了客車ABS硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)；系統(tǒng)由xPC目標(biāo)實(shí)時仿真環(huán)境、氣制動系統(tǒng)及整車動力學(xué)模型組成；氣制動系統(tǒng)按照真實(shí)客車制動系統(tǒng)并配合力傳感器搭建；整車動力學(xué)模型由輪胎模型、七自由度車輛模型、制動器模型等組成，并利用Simulink建模；在ABS控制策略中引入邏輯門限值控制，在客車ABS硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)上測試了客車在高附著系數(shù)、低附著系數(shù)及對接路面上的制動情況；試驗(yàn)表明：邏輯門限值控制能很好地將車輪滑移率控制在最佳滑移率附近，具有較好的控制精度及魯棒性。

邏輯門限值；硬件在環(huán)；制動防抱死

0 引言

ABS(anti-lock brake system)能使車輪在制動過程中始終處于非抱死狀態(tài)，避免制動過程中前輪抱死造成喪失轉(zhuǎn)向能力以及后輪抱死導(dǎo)致的車輛側(cè)滑甩尾，已成為評價汽車制動安全性的重要指標(biāo)。目前國內(nèi)外針對客車ABS控制方法的研究主要停留在純數(shù)值仿真，鮮有硬件在環(huán)仿真的研究數(shù)據(jù)；針對汽車硬件在環(huán)的研究主要集中在偏航穩(wěn)定性、汽車穩(wěn)定性等方面，針對客車ABS制動系統(tǒng)研究仍比較匱乏，對實(shí)際客車ABS的研究開發(fā)缺少借鑒價值[1-4]。由此設(shè)計了一種邏輯門限值控制方法對客車制動過程進(jìn)行仿真測試?；趪覙?biāo)準(zhǔn)GB7258-2012《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[5]、GB12676-1999《汽車制動系結(jié)構(gòu)、性能、和試驗(yàn)方法》[6]，設(shè)計氣制動回路，利用Matlab/xPC搭建客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，對客車ABS直線制動進(jìn)行了仿真測試。

1 客車ABS制動硬件在環(huán)測試系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)客車ABS制動要求搭建客車ABS系統(tǒng)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，其包括xPC目標(biāo)實(shí)時環(huán)境、氣制動系統(tǒng)和整車動力學(xué)模型三部分，其系統(tǒng)原理如圖1所示。其中xPC目標(biāo)實(shí)時環(huán)境采用了“雙機(jī)”模式，即宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)[7]。宿主機(jī)上安裝有Simulink用來整車動力學(xué)模型，目標(biāo)機(jī)用于執(zhí)行生成的模型代碼，宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)通過TCP/IP連接通訊。目標(biāo)機(jī)上安裝有數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動控制卡。數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI-1711，A/D分辨率為12位，采樣速率為1 kHz。運(yùn)動控制卡能控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速、慢速等多種運(yùn)動方式，來模擬駕駛員踩踏板制動的過程。氣制動系統(tǒng)按照真實(shí)客車制動系統(tǒng)搭建，并在每個制動氣室上安裝力傳感器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在ABS調(diào)節(jié)器的進(jìn)氣口和出氣口，分別有進(jìn)氣閥、出氣閥兩個高速電磁閥，根據(jù)開閉狀態(tài)不同可實(shí)現(xiàn)增壓、保壓、減壓3種不同的工作狀態(tài)。高速電磁閥采用TLE6228芯片驅(qū)動[8]。

圖1 客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)示意圖

圖2 氣制動系統(tǒng)硬件組成1—?dú)庠矗?—空氣干燥器，3—四回路閥，4、5、6—儲氣罐，7—制動總閥，8—前橋繼動閥，9、11—膜片制動氣室，13—后橋繼動閥，14—手制動閥，15—差動繼動閥，16、18—后橋彈簧制動缸，20—伺服電機(jī)，21—快速氣缸， 10、12、17、19、22—力傳感器，23、24、25、26—ABS調(diào)節(jié)器

整車動力學(xué)模型由輪胎模型、七自由度車輛模型、輔助計算模型等組成，結(jié)構(gòu)如圖1中虛線框內(nèi)部分所示。輪胎模型選用GIM輪胎模型。該模型將車輪與地面的接觸面分為粘著域(0～ε)和滑動域(ε～l)兩部分。粘著域中的附著力由輪胎表面的切線彈性力決定；滑動域中的附著力由滑動摩擦應(yīng)力決定，由此整個輪胎接地面的縱向附著力表達(dá)式為：

(1)

(2)

其中：Fx為各個車輪的縱向力(N)，F(xiàn)y為各個車輪的側(cè)向力(N)，Cs為車輪縱向剛度(N/m3)，Ca為車輪橫向剛度(N/m3)，ss為車輪縱向滑移率，sa為車輪橫向滑移率，ssc為車輪縱向臨界滑移率，sac為車輪橫向臨界滑移率，μx為輪胎縱向附著系數(shù)，μy為輪胎橫向附著系數(shù)，ln為輪胎接地線長度的無量綱值定義為ln=ε /l。

七自由度車輛模型包括車身的縱向、側(cè)向、橫擺自由度以及4個車輪的旋轉(zhuǎn)自由度，其在縱向、橫向、橫擺自由度上的平衡計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

其中：Iz為汽車?yán)@相對坐標(biāo)軸z軸的轉(zhuǎn)動慣量(kg/m2)，u為車輛縱向車速(m/s)，v為車輛橫向車速(m/s)，γ為車輛橫擺角速度(rad/s)，Mz為橫擺力矩(N·m)，M為整車質(zhì)量(kg)。

制動器模型選取了領(lǐng)從蹄式鼓式制動器，其是氣制動系統(tǒng)硬件和仿真模型的連接部分，表現(xiàn)為制動氣室輸出力和制動器輸出力矩的關(guān)系，數(shù)學(xué)公式為：

(6)

其中：η為制動器效率系數(shù)，κ制動器效能因素，F(xiàn)為制動氣室輸出力(N)，R為輪胎半徑(m)。

利用Simulink建立整車動力學(xué)仿真模型，如圖3所示。

圖3 整車動力學(xué)Simulink仿真程序圖

2 不同路面邏輯門限值控制算法分析

邏輯門限值控制采用車輪角加速度為主要門限，車輪滑移率為輔助門限。每個ABS控制循環(huán)中包括增壓、減壓、保壓、階梯增壓和階梯減壓5種狀態(tài)。下面介紹在不同路面上的控制方法。

在高附著系數(shù)路面上時，當(dāng)車輛緊急制動，制動系統(tǒng)壓力迅速增加，輪速快速下降，當(dāng)加速度a下降至加速度下門限值-b時，判斷車輪滑移率s與滑移率上門限值s2的關(guān)系，若s>s2，則進(jìn)入減壓狀態(tài)，否則繼續(xù)保持增壓狀態(tài)。由于減壓，車輪角加速度開始回升，當(dāng)減速度大于-b門限值時，進(jìn)入保壓狀態(tài)。此時，由于制動系統(tǒng)的慣性和制動氣室所保持的壓力，車輪減速度會繼續(xù)回升。此時可設(shè)第二加速度上門限值+bk，當(dāng)車輪角加速度超過上門限值+b時，比較車輪滑移率s與滑移率下門限值s1，若s

在低附著路面上，開始制動時，制動系統(tǒng)壓力迅速增加，輪速快速下降，當(dāng)加速度a下降至加速度下門限值-b，且車輪滑移率s>s2時，進(jìn)入階梯減壓狀態(tài)。由于減壓，車輪角加速度開始回升，當(dāng)角加速度高于+b門限值時，判斷車輪滑移率s的大小，若s

對接路面即路面系數(shù)由高附著系數(shù)躍變到低附著系數(shù)的路面。要實(shí)現(xiàn)對接路面的ABS的控制，其重點(diǎn)在于在制動過程中快速地識別出路面附著系數(shù)的躍變并迅速將控制算法從高附著系數(shù)路面控制算法切換到低附著系數(shù)路面控制算法。而高低附著系數(shù)路面的識別，關(guān)鍵在于在給定的保壓時間內(nèi)，車輪加速度能不能超過閾值+b，若超過，則認(rèn)為是高附著系數(shù)路面，否則識別為低附著系數(shù)路面。

圖4 控制方法流程圖

3 硬件在環(huán)仿真測試結(jié)果及分析

利用客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)對客車直線制動進(jìn)行仿真測試，測試時保持制動系統(tǒng)管路壓力在0.7 MPa，高附著系數(shù)路面的滾動附著系數(shù)為0.84，滑動附著系數(shù)為0.75，低附著系數(shù)路面的滾動附著系數(shù)為0.3，滑動附著系數(shù)為0.22。仿真試驗(yàn)的ABS客車參數(shù)如表1，邏輯門限控制參數(shù)如表2。

根據(jù)GB7258-2012對客車制動效能的規(guī)定，對客車制動的制動距離、制動減速度等進(jìn)行測試，制動減速度計算公式為：

(7)

其中：MFDD為充分發(fā)出的平均減速度；v0為試驗(yàn)車輛制動初速度；vb為0.8 v0；ve為0.1 v0；sb為試驗(yàn)車速從v0到vb之間行駛的距離；se為試驗(yàn)車速從v0到ve之間行駛的距離.

表1 ABS客車仿真參數(shù)

引入附著系數(shù)利用率ε作為評判一個制動防抱死系統(tǒng)是否滿足安全要求的指標(biāo)，它的定義為防抱死裝置工作時的最大制動因數(shù)(ZAL)與附著系數(shù)(KM)之比，即:

(8)

表2 邏輯門限控制參數(shù)

式中，KM即為仿真模型中設(shè)置的路面附著系數(shù)；ZAL的計算方法為讓車輛以不低于55 km/h的初速度開始制動，測定車速從45 km/h降低到15 km/h所需的時間，取測試3次的平均值tm，計算最大制動因數(shù)ZAL

(9)

若制動防抱死系統(tǒng)滿足ε>0.75，則應(yīng)認(rèn)為它是滿足安全要求的。ε應(yīng)在附著系數(shù)小于或等于0.3和大于或等于0.8的路面上測取。

3.1 高附著系數(shù)路面測試結(jié)果及分析

測試從緊急踩下制動踏板開始，直至ABS停止工作，客車制動停車為止。圖5為測試結(jié)果。從圖中可以看出，車輛在1.2 s時開始制動，在3.9 s時制動停止。制動開始后后輪的滑移率增加先于前輪，這是由于后輪制動力矩大于前輪制動力矩。在ABS的作用下，4個車輪都沒有發(fā)生抱死現(xiàn)象，滑移率維持在高附著系數(shù)路面的最佳滑移率0.2附近。車輛制動距離為30.29 m，無跑偏現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)式(7)計算可得MFDD為8.39 m/s2，根據(jù)式(8)可得附著系數(shù)利用率ε為98.97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于75%的要求。ABS控制策略效果較好。

圖5 高附著系數(shù)路面測試結(jié)果

3.2 低附著系數(shù)路面測試結(jié)果及分析

低附著系數(shù)路面制動測試結(jié)果見圖6。車輛在低附著系數(shù)路面上的制動時間比高附著 系數(shù)路面更長。1.2 s時開始制動，7.5 s時制動結(jié)束，歷時6.3 s。制動開始后，車輪滑移率快速上升至0.15左右，然后維持在低附著系數(shù)路面的最佳滑移率0.1附近。相比高附著系數(shù)路面，低附著系數(shù)路面的滑移率曲線振蕩頻率更高。因?yàn)槁访娓街禂?shù)低，車輪與路面的作用力減小，很小的制動力即能改變車輪輪速。測試制動距離為45.30 m，制動過程中無車輪抱死、跑偏現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)式(7)計算可得MFDD為2.53 m/s2，根據(jù)式(8)可得附著系數(shù)利用率ε為96.17%，完全滿足安全要求。ABS控制策略制動效果良好。

圖6 低附著系數(shù)路面測試結(jié)果

3.3 對接路面測試結(jié)果及分析

對接路面試驗(yàn)進(jìn)行了從高附著到低附著路面的試驗(yàn)。在3.5 s時由高附著路面進(jìn)入低附著路面，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，整個制動過程歷時5.4 s，從制動開始到3.5 s車輛在高附著系數(shù)路面上，車輛減速度較大，車速降低較快，滑移率振蕩較??；在3.5 s時，路面系數(shù)突然由高變低，此時由于制動力矩調(diào)整的滯后，車輪滑移率迅速由0.2左右攀升至0.8左右。為避免車輪抱死，根據(jù)邏輯門限值控制策略迅速調(diào)節(jié)各個車輪的制動力矩來適應(yīng)不同的路面附著系數(shù)，經(jīng)過約0.2 s的調(diào)整，迅速將滑移率控制在0.1左右。整個過程中各車輪沒有發(fā)生抱死，進(jìn)入低附著系數(shù)路面后滑移率曲線振蕩幅度較大。制動距離為36.49 m，無跑偏現(xiàn)象，根據(jù)式(7)計算可得MFDD為7.04 m/s2。從整個制動過程來看，車輛對路面附著系數(shù)突變響應(yīng)迅速，ABS控制策略制動效果較好。

圖7 對接路面測試結(jié)果

3.4 與無ABS客車制動效能測試結(jié)果對比及分析

為了測試制動效能，在同樣的路面附著系數(shù)和制動初速度條件下對無ABS客車的制動距離和充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)進(jìn)行了試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果與有ABS客車對比如下：

表3 無ABS客車與有ABS客車制動效能對比

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在高附著、對接路面上有ABS客車在制動距離和MFDD上的表現(xiàn)都優(yōu)于無ABS客車，說明有ABS客車的制動效能更好。相反地，在低附著系數(shù)路面上，有ABS客車的卻比無ABS客車差，這是由于當(dāng)車輪與地面之間的附著力較小時更容易發(fā)生車輪抱死現(xiàn)象，從而導(dǎo)致喪失轉(zhuǎn)向能力、側(cè)滑甩尾等現(xiàn)象發(fā)生，有ABS客車為了杜絕上述現(xiàn)象的發(fā)生而犧牲了制動效能?？傮w而言，邏輯門限值控制方法在緊急制動中對提高客車被動安全性具有明顯作用，客車ABS制動硬件在環(huán)測試系統(tǒng)對ABS控制方法研究開發(fā)具有重要意義。

4 結(jié)論

本文根據(jù)ABS制動要求設(shè)計了邏輯門限值控制控制方法，并在搭建的客車ABS制動硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)上進(jìn)行了制動測試。由于不同的路面條件對邏輯門限值的要求也不盡相同，由此設(shè)計了3種不同的、分別適合高附著系數(shù)路面、低附著系數(shù)路面及對接路面的控制方法，并進(jìn)行了硬件在環(huán)測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，邏輯門限值控制能很好地控制車輪滑移率，防止車輪抱死造成的種種危險狀況，并在一定程度上減小制動距離，具有良好的控制精度及魯棒性。由此可見，邏輯門限值控制方法對于客車ABS制動是可行的，試驗(yàn)結(jié)果對于ABS控制策略的研究具有重大意義。

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Research on Hardware-In-the-Loop Test of Bus ABS Based on Logic Threshold

Lu Yi1, Xu Bowen1, Wu Jiawei1, Zhao Jing2

(1. College of Metrology & Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China 2. Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co.,Ltd., Hangzhou 310018, China)

In the development process of ABS controller, the pure numerical simulation is too ideal, the cost of real vehicle test is high and the cycle is long, so the bus ABS hardware-in-the-loop simulation test system is designed and built. The system is composed of xPC target real-time simulation environment, air brake system and vehicle dynamics model. The air brake system is built according to the real bus brake system. In addition, there are four force sensors. The vehicle dynamics model is composed of tire model, seven degrees of freedom vehicle model, arrester model and so on. And the simulation model was built by using Simulink. In the ABS control strategy, the logic threshold control is introduced. The brake tests at high adhesion coefficient road, low adhesion coefficient road and joint road were done on Bus ABS hardware-in-the-loop simulation test system. The results show that the logic threshold control can control the wheel slip ratio near optimal slip ratio. It has good control accuracy and robustness.

logic threshold; hardware-in-the-loop; ABS

2016-03-24；

2016-04-25。

國家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201310284)；浙江省科技計劃項(xiàng)目(2014C31105)。

陸 藝(1979-)，男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事精密測試方向的研究。

徐博文(1990-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事精密測試方向的研究。

1671-4598(2016)09-0050-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.014

U461.6

A