基于氣動(dòng)式加載系統(tǒng)的主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈兆功 董文博

摘要：為深入研究主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)抗側(cè)傾性能，細(xì)致掌握轉(zhuǎn)向條件下主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)的作用規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了基于Simulink/Desktop Real-Time實(shí)時(shí)系統(tǒng)，采用氣動(dòng)式加載系統(tǒng)的主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，為主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)提供條件。本文介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)的組成其工作原理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行實(shí)時(shí)性與加載能力測(cè)試，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可滿足試驗(yàn)需求。

Abstract： In order to study the anti-roll performance of the active lateral stabilizer system in detail and to master the working rules of the active lateral stabilizer system under steering conditions， a active lateral stabilizer experimental bench system with pneumatic loading subsystem is designed based on Simulink/Desktop Real-Time， which provides conditions for hardware-in-the-loop testing of active lateral stabilizer system. This paper introduces the composition of the experimental bench system and its working principle， and tests the real-time performance and loading capacity of the experimental bench. The results show that the designed experimental bench can meet the test requirements. The calculation results show that the strength of experimental bench can fully meet the test requirements.

關(guān)鍵詞：主動(dòng)橫向穩(wěn)定器;實(shí)驗(yàn)臺(tái)架;氣動(dòng)式加載系統(tǒng)

Key words： active lateral stabilizer;experimental bench;pneumatic loading system

0 ?引言

為對(duì)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器進(jìn)行深入研究，分析動(dòng)態(tài)環(huán)境下主動(dòng)橫向穩(wěn)定器的抗側(cè)傾性能，主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)尤為重要。陳祥林[1]提出液壓式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器的模糊控制算法，自行設(shè)計(jì)了基于DSP的主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)時(shí)仿真控制平臺(tái)，并利用該控制平臺(tái)進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。A.Sorniotti等人[2]搭建了一種基于液壓加載的電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)。張衛(wèi)霞[3]設(shè)計(jì)了基于液壓加載系統(tǒng)的主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了基于Labview的顯示界面、實(shí)驗(yàn)操作界面以及具有數(shù)據(jù)采集功能的操作軟件。陳山[4]設(shè)計(jì)了以液壓系統(tǒng)加載的液壓式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架基于dSPACE平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)較好的實(shí)時(shí)性能。上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架皆以液壓系統(tǒng)進(jìn)行加載，可實(shí)現(xiàn)較大的加載載荷及快速響應(yīng)，但需要液壓工作站及復(fù)雜液壓管路等配合，系統(tǒng)過(guò)于龐雜，基于此本文提出利用電動(dòng)氣泵進(jìn)行加載的主動(dòng)橫向穩(wěn)定器氣動(dòng)式實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)有效加載的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化加載系統(tǒng)。

1 ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)概述

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)為以單個(gè)電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器為研究對(duì)象的單通道橫向穩(wěn)定器平臺(tái)，采用氣動(dòng)加載。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架模擬車輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)車輛左右兩側(cè)垂向載荷重新分配對(duì)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器擺臂產(chǎn)生的垂向激勵(lì)，并以此對(duì)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器進(jìn)行加載。

1.1 主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)組成

電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)包括加載子系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)及基于Simulink/Desktop Realtime實(shí)時(shí)系統(tǒng)三部分。加載子系統(tǒng)包括電動(dòng)氣泵、儲(chǔ)氣筒、換向閥、氣動(dòng)活塞缸及加載子系統(tǒng)控制器等。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括主動(dòng)橫向穩(wěn)定器、主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制器、試驗(yàn)平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)及拉壓力傳感器等。基于Simulink/Desktop Real-Time的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)包括安裝有2018版Matlab的筆記本電腦、基于Matlab/Simulink的整車動(dòng)力學(xué)模型、Kvaser Leaf Light V2及其驅(qū)動(dòng)程序等。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)工作原理

在Simulink軟件環(huán)境運(yùn)行的整車動(dòng)力學(xué)模型，在輸入轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)或前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)后，可獲得該工況下車輛運(yùn)行狀態(tài)，并將車輛的運(yùn)行狀態(tài)如側(cè)向加速度、側(cè)傾角、車速等狀態(tài)量通過(guò)Kvaser設(shè)備以CAN報(bào)文的形式發(fā)送給主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制器、加載子系統(tǒng)控制器。通過(guò)解析接收到的CAN報(bào)文，加載子系統(tǒng)控制器發(fā)送電動(dòng)氣泵控制信號(hào)及組合閥開(kāi)關(guān)信號(hào)，電動(dòng)氣泵開(kāi)始工作，向氣缸加載，以模擬主動(dòng)橫向穩(wěn)定器擺臂端載荷變化;主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制器根據(jù)獲得的車輛狀態(tài)信息，通過(guò)相關(guān)算法獲得當(dāng)前車輛狀態(tài)下的期望反側(cè)傾力矩，并控制主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出反側(cè)傾力矩。其中該反側(cè)傾力矩由加載子系統(tǒng)控制器讀取拉壓力傳感器測(cè)得的拉壓力信號(hào)后，通過(guò)相關(guān)算法獲得。利用CAN通訊將該反側(cè)傾力矩值發(fā)送到整車模型中，使車身姿態(tài)得到調(diào)整，形成閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真。

2 ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 加載子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加載子系統(tǒng)的主要功能為根據(jù)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)內(nèi)車輛運(yùn)行狀態(tài)對(duì)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器進(jìn)行加載。本文選用的電動(dòng)氣泵內(nèi)部集成有換向閥，該換向閥有兩個(gè)接口，分別與組合閥與儲(chǔ)氣筒相連。加載開(kāi)始前，氣泵首先為儲(chǔ)氣筒加壓，預(yù)先存儲(chǔ)高壓氣體;加載過(guò)程中，儲(chǔ)氣筒內(nèi)高壓氣體與氣泵產(chǎn)生的高壓氣體皆通過(guò)組合閥流入氣缸，以提高加載速度。加載子系統(tǒng)組合電磁閥采用車用級(jí)6通道組合電磁閥，其中4個(gè)通道分別與兩個(gè)氣缸上的四個(gè)氣路接口相連;一個(gè)通道與電動(dòng)氣泵相連;一個(gè)通道與儲(chǔ)氣筒相連;此外該組合電磁閥其還內(nèi)置壓力傳感器，可對(duì)氣缸及儲(chǔ)氣筒內(nèi)壓力進(jìn)行檢測(cè)。氣缸作為加載執(zhí)行單元，具有雙進(jìn)出氣口，可從氣缸活塞兩側(cè)交替供氣，實(shí)現(xiàn)氣缸活塞快速伸縮。加載子系統(tǒng)控制器主控芯片采用恩智浦公司的32位MPC5634芯片，控制加載子系統(tǒng)加載與卸載以及與主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制器和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

2.2 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)基于Simulink/Desktop Real-Time，該系統(tǒng)以Simulink軟件搭建仿真環(huán)境，采用Desktop Real-Time所提供的實(shí)時(shí)核心，可在Windows操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，并通過(guò)相關(guān)硬件板卡將仿真數(shù)據(jù)輸出。本文利用Kvaser Leaf Light V2設(shè)備將仿真數(shù)據(jù)以CAN報(bào)文形式發(fā)送至臺(tái)架系統(tǒng)其他模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊[8-9]?；贒esktop Real-Time的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)分為正常模式、外部模式、加速模式，因在正常模式下其對(duì)Simulink模型解算器無(wú)要求，可適應(yīng)變步長(zhǎng)解算器，以及正常模式下的實(shí)時(shí)仿真對(duì)模型的相關(guān)設(shè)置相對(duì)較少，可在保證實(shí)時(shí)仿真精度的同時(shí)簡(jiǎn)化仿真流程，本文實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用正常模式，正常模式下的實(shí)時(shí)仿真采樣率可達(dá)到1kHz。實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)采用9自由度的車輛動(dòng)力學(xué)模型，可對(duì)一些車輛典型轉(zhuǎn)向工況進(jìn)行仿真[10-11]。

2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)架為單通道主動(dòng)橫向穩(wěn)定器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，包括電機(jī)式主動(dòng)橫向穩(wěn)定器及其控制器、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)及相關(guān)固定件、拉壓力傳感器等。

主動(dòng)橫向穩(wěn)定器被襯套固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鋼架上，襯套安裝在內(nèi)嵌有拉壓力傳感器的固定支座。拉壓力傳感器的主要功能為實(shí)時(shí)測(cè)量主動(dòng)橫向穩(wěn)定器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中輸出的反側(cè)傾力矩。加載時(shí)，氣缸通過(guò)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器擺臂對(duì)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器施加載荷，當(dāng)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出反側(cè)傾力矩時(shí)會(huì)對(duì)位于襯套內(nèi)的拉壓力傳感器施加作用力，利用該作用力可對(duì)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器輸出的反側(cè)傾力矩進(jìn)行估算。

為便于實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)部件安裝，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相關(guān)固定件，實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型總?cè)鐖D1所示，其實(shí)物總成圖如圖2所示。

3 ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)測(cè)試

將運(yùn)行有整車動(dòng)力學(xué)Simulink模型的筆記本電腦與主動(dòng)橫向穩(wěn)定器控制器、加載子系統(tǒng)控制器利用Kvaser Leaf Light V2連接，選擇轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入工況作為測(cè)試環(huán)境。測(cè)試過(guò)程中，將轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍信號(hào)等效為前輪角階躍信號(hào)輸入整車模型，經(jīng)整車模型運(yùn)算后將車輛狀態(tài)信號(hào)發(fā)送至兩個(gè)電控單元，然后電控單元將收到的信號(hào)再發(fā)送回整車模型中，以模擬硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)過(guò)程模型與電控單元的數(shù)據(jù)交流。對(duì)經(jīng)電控單元發(fā)送回的車輛狀態(tài)信號(hào)接收值與模型原有仿真值進(jìn)行比較，以測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)誤差狀況。

測(cè)試所用車輛狀態(tài)信號(hào)為整車模型的側(cè)傾角。前輪角階躍輸入信號(hào)如圖3所示，車身側(cè)傾角整車Simulink模型仿真值、經(jīng)電控單元接收后發(fā)送到模型的狀態(tài)信號(hào)接收值如圖4所示。

由圖4可知，在前輪角階躍輸入信號(hào)激勵(lì)下，整車Simulink模型可快速對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行模擬，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前車輛側(cè)傾角變化。由于信號(hào)激勵(lì)為階躍輸入，側(cè)傾角仿真值在1s～2s內(nèi)出現(xiàn)震蕩，之后逐漸趨于穩(wěn)定，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間與輸入信號(hào)有滯后，但在允許范圍之內(nèi)。將仿真值通過(guò)CAN通訊發(fā)送到電控單元，解析CAN報(bào)文得到圖4所示電控單元接收值。由圖4可看出，仿真值與接收值比較接近，但不完全重合。在1s～2s內(nèi)，由于車身狀態(tài)快速變化，仿真數(shù)據(jù)量增大，仿真計(jì)算值未能全部發(fā)送給電控單元，因此接收值曲線呈現(xiàn)階梯狀。為體現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)值經(jīng)CAN通訊傳輸后變化，將圖4中仿真值與接收值同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)做差，如圖5所示。

由圖5可知，數(shù)據(jù)差異在1s～2s內(nèi)最為明顯。在1s～2s內(nèi)數(shù)據(jù)差異最大為0.006342，此時(shí)誤差為34.6%，因該差異值為孤立值，不排除此數(shù)據(jù)出錯(cuò)可能。1s～2s內(nèi)誤差平均值為9.74%，2s之后，誤差有波動(dòng)，但逐漸減小，因此該實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤差滿足實(shí)驗(yàn)需要。

對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行加載測(cè)試，實(shí)驗(yàn)臺(tái)最大加載可達(dá)到2kN，加載效果滿足試驗(yàn)要求。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于Simulink/Desktop Real-Time實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的主動(dòng)橫向穩(wěn)定器氣動(dòng)式實(shí)驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)低速小轉(zhuǎn)角車輛狀態(tài)的模擬，為主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)提供了硬件基礎(chǔ)。本文根據(jù)主動(dòng)橫向穩(wěn)定器系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的功能需求對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，其加載性能與實(shí)時(shí)性可滿足實(shí)驗(yàn)需要。實(shí)驗(yàn)臺(tái)架仍需通過(guò)硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)架綜合性能，因此硬件在環(huán)試驗(yàn)研究將為接下來(lái)的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳祥林.基于DSP硬件在環(huán)的汽車主動(dòng)橫向穩(wěn)定控制系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[2]Sorniotti A.Electro-Mechanical active roll control：A new solution for active suspensions[C].//SAE Technical Paper，2006.

[3]張衛(wèi)霞.汽車自動(dòng)穩(wěn)定桿控制系統(tǒng)及測(cè)試平臺(tái)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[4]陳山，皮大偉，孔振興，史洋洋.基于dSPACE的液壓式主動(dòng)穩(wěn)定桿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（6）：533-538.

[5]孔振興，皮大偉，王洪亮，等.汽車電動(dòng)式主動(dòng)穩(wěn)定桿系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2017，34（1）：152-156.

[6]陳山.液壓式主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2017.

[7]趙福民.液壓馬達(dá)式汽車主動(dòng)穩(wěn)定桿系統(tǒng)建模、控制與實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[8]王邵龍，谷原野，劉德利等.基于Kvaser Leaf Light v2的車載控制單元Bootloader測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車電器，2018，5：48-50.

[9]趙米鵲，蘇燁，祁增祿.基于CANLib的商用車數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)[J].汽車食用技術(shù)，2017，15：104-106.

[10]郭存涵，蘇小平，繆小冬.模糊分?jǐn)?shù)階滑?？刂频闹鲃?dòng)橫向穩(wěn)定桿算法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2019，38（7）：1019-1023.

[11]周兵，呂旭寧，范璐，等.主動(dòng)懸架與主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿的集成控制[J].中國(guó)機(jī)械工程，2014，25（14）：1978-1983.

作者簡(jiǎn)介：賈兆功（1993-），男，碩士研究生，主要從事汽車動(dòng)態(tài)仿真與控制研究。