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基于Labcar的ABS控制器HIL測(cè)試*

2014-11-28 08:14孫陳迪過(guò)學(xué)迅裴曉飛齊志權(quán)
關(guān)鍵詞:輪速板卡限值

孫陳迪 過(guò)學(xué)迅 裴曉飛 齊志權(quán)

(武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070)

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院2) 北京 100081)

0 引 言

現(xiàn)代汽車(chē)電子控制系統(tǒng)(ECU)的開(kāi)發(fā)中廣泛采用了“V 模式”流程[1].該流程主要分為5個(gè)環(huán)節(jié):離線功能設(shè)計(jì)、快速控制原型(RCP)、目標(biāo)代碼生成、硬件在環(huán)(HIL)、標(biāo)定與匹配.其中,HIL測(cè)試是“V 模式”開(kāi)發(fā)流程中驗(yàn)證ECU 核心功能的重要環(huán)節(jié)[2-4].目前市場(chǎng)上主流的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)包括dspace,ETASLabcar,Matlab xPC和Labview RT 等.相較而言,在ETAS Labcar的仿真工控機(jī)(RTPC)中運(yùn)行Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu),通過(guò)對(duì)板卡的靈活配置可滿足不同被測(cè)系統(tǒng)的需求[5-6].由于Labcar的輪速板卡ES1337 可以模擬各種類(lèi)型的輪速信號(hào),特別適合用于ABS/ESP 系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試[7].汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)作為一種成熟電控產(chǎn)品,已經(jīng)在各類(lèi)汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用.目前ABS ECU 一般采用邏輯門(mén)限值算法,根據(jù)車(chē)輪加減速度和參考滑移率作為門(mén)限值進(jìn)行增壓,減壓和保壓調(diào)節(jié),使得車(chē)輪滑移率在最優(yōu)值附近波動(dòng)[8].因此,ABS ECU 的性能與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型、輪胎模型、道路環(huán)境以及制動(dòng)系統(tǒng)等因素密切相關(guān)[9-10].

本文主要針對(duì)基于邏輯門(mén)限值的ABS控制器進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試.首先建立了HIL 的測(cè)試體系,介紹了Labcar的軟硬件平臺(tái).在VDYM 人-車(chē)-路模型的基礎(chǔ)上,完善了HIL 測(cè)試所需的ABS仿真模型.最后聯(lián)立液壓制動(dòng)臺(tái)架,對(duì)ABS ECU 進(jìn)行了高/低附著路面下性能驗(yàn)證.通過(guò)HIL測(cè)試,可以方便的對(duì)控制算法和模型參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的修改以達(dá)到最佳控制效果.

1 ABS硬件在環(huán)體系

基于Labcar軟硬件平臺(tái)建立的ABS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)如圖1所示,包括Labcar PC,RTPC、硬件板卡、ABS ECU 和液壓制動(dòng)系統(tǒng)5個(gè)部分.

系統(tǒng)工作流程如下:在Labcar PC的IP軟件中新建項(xiàng)目文件,并對(duì)硬件板卡進(jìn)行配置.待添加ABS仿真模型后,連接模型中的輸入輸出模塊與板卡,經(jīng)過(guò)編譯通過(guò)Ethernet網(wǎng)下載到RTPC中.RTPC不僅通過(guò)相關(guān)板卡接收來(lái)自液壓制動(dòng)系統(tǒng)的輪缸壓力信號(hào),并且將模型實(shí)時(shí)計(jì)算得到的輪速信息,通過(guò)相關(guān)板卡輸送給ABS ECU .而ABS ECU 則通過(guò)電磁閥和電機(jī)的動(dòng)作指令調(diào)節(jié)輪缸的制動(dòng)壓力.在HIL 測(cè)試中,實(shí)驗(yàn)人員可利用EE 軟件全程監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄,并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修改.

圖1 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

2 VDYM 模型剪裁

在ABS HIL 測(cè)試中,仿真模型的精度直接決定了測(cè)試結(jié)果的有效性.如果模型過(guò)于簡(jiǎn)單,則無(wú)法反映車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的真實(shí)特性;模型過(guò)于復(fù)雜則會(huì)影響其計(jì)算速度,仿真結(jié)果也較難收斂.VDYM 模型是ETAS公司專(zhuān)為博世ABS/ESP控制器所開(kāi)發(fā)的Matlab/Simulink 模型,能較好的滿足仿真實(shí)時(shí)性和精確性的要求.根據(jù)ABS HIL測(cè)試體系的要求,對(duì)該模型進(jìn)行適當(dāng)剪裁.

2.1 駕駛員模型

在駕駛員模型中,可以依據(jù)駕駛員的意愿進(jìn)行轉(zhuǎn)向、離合、換擋、加速、制動(dòng)及設(shè)定巡航車(chē)速等一系列操作.在對(duì)車(chē)輛的橫向控制中,主要是通過(guò)改變方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的;而縱向控制中,需要設(shè)定駕駛員的期望車(chē)速.在VDYM 模型中,上述兩個(gè)參數(shù)分別用DriverStimSteeringWheel-Angle和U_TargetSpeedStim 來(lái)表征,并且均可在用戶界面EE中以圖形化的方式直接修改具體數(shù)值.在ABS試驗(yàn)中,可將方向盤(pán)轉(zhuǎn)角設(shè)置為0,即車(chē)輛保持直線行駛;而目標(biāo)車(chē)速則可根據(jù)ABS制動(dòng)時(shí)的初始車(chē)速進(jìn)行設(shè)置,本試驗(yàn)中設(shè)為110 km/h.

2.2 道路模型

道路模型需要盡可能真實(shí)的還原車(chē)輛行駛環(huán)境.在VDYM 模型中,不僅可以選擇道路的類(lèi)型,如直道、環(huán)形道路、雙移線道路等,還能方便的設(shè)置路面附著系數(shù).通過(guò)修改變量my_LF,my_LR,my_RF和my_RR 的數(shù)值,能夠獨(dú)立的表征各個(gè)車(chē)輪所處的路面附著系數(shù),因此可以靈活的將路面類(lèi)型配置成高/低附著,對(duì)開(kāi)/對(duì)接等多種形式.在本試驗(yàn)中,需要通過(guò)StimLane將路徑類(lèi)型設(shè)定為直道;而對(duì)于高附著路面和低附著路面,附著系數(shù)分別設(shè)為0.7和0.3.

2.3 車(chē)輛模型

VDYM 的車(chē)輛模型由發(fā)動(dòng)機(jī)模型、動(dòng)力傳動(dòng)模型、制動(dòng)模型以及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型四部分組成.由于本試驗(yàn)主要考慮的是制動(dòng)工況,并且采用了真實(shí)的液壓制動(dòng)系統(tǒng),因此這里重點(diǎn)針對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行剪裁.首先斷開(kāi)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型與制動(dòng)模型之間的連接,通過(guò)Input_LF,Input_RF,Input_LR,Input_RR 直接將采集到的4 路輪缸壓力大小,換算成制動(dòng)力矩輸入到車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型中.同樣,模型計(jì)算得到的4路輪速數(shù)值Veh_v_Wheel_LF,Veh_v_Wheel_RF,Veh_v_Wheel_LR,Veh_v_Wheel_RR,通過(guò)輪速模擬板卡ES1337輸送給ABS ECU,從而將ABS ECU、VDYM 模型與液壓制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng).

3 ABS液壓制動(dòng)臺(tái)架

在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)純數(shù)值仿真方法設(shè)計(jì)出的控制器在系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制中可能得不到期望的控制效果,這是因?yàn)樵诩償?shù)值仿真中忽略了實(shí)際系統(tǒng)的某些特性或參數(shù).同樣對(duì)于汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng),由于存在強(qiáng)非線性和滯后性,很難準(zhǔn)確的建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,僅僅把數(shù)學(xué)模型作為實(shí)際對(duì)象的近似表示,擬合的結(jié)果往往不能滿足實(shí)際要求.因此,這里采用ABS控制器和制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物來(lái)替代VDYM 中的部分虛擬模型,從而構(gòu)建HIL 測(cè)試所需的閉環(huán)控制系統(tǒng).

在ABS邏輯門(mén)限值方法中,有三個(gè)重要的組成部分,即路面識(shí)別模塊、參考車(chē)速估計(jì)模塊和門(mén)限值(車(chē)輪減速度/滑移率)標(biāo)定模塊.基于HIL控制架構(gòu),可以非常方便的對(duì)每個(gè)算法模塊或其組合進(jìn)行驗(yàn)證,見(jiàn)圖2.

圖2 ABS控制器開(kāi)發(fā)流程

為了加快ABS控制器的開(kāi)發(fā)進(jìn)度,開(kāi)始時(shí)直接使用VDYM 模型中的車(chē)輪滑移率,從而專(zhuān)注于對(duì)滑移率門(mén)限值的標(biāo)定.待不同路面條件下的邏輯門(mén)限值確定后,再將Labcar的輪速模擬板卡提供的四路輪速引入,將所估計(jì)的參考車(chē)速與車(chē)輛模型提供的車(chē)速進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上加入路面識(shí)別環(huán)節(jié),并用模型中所設(shè)置的路面類(lèi)型對(duì)其算法進(jìn)行修正.這樣從最小閉環(huán)控制起,通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊的算法累加,即能最終完成ABS控制器的開(kāi)發(fā).由于路面模型無(wú)法模擬路面的垂向顛簸度,因此與實(shí)際ABS控制器相比,唯一不同的是無(wú)法設(shè)計(jì)車(chē)輛過(guò)溝/過(guò)坎工況的算法補(bǔ)償.

圖3給出了ABS液壓制動(dòng)臺(tái)架.壓力調(diào)節(jié)器采用大陸MK60 HCU,并將12個(gè)電磁閥和電機(jī)的控制線引出與ABS控制器的驅(qū)動(dòng)電路相連.制動(dòng)輪缸采用邁騰原車(chē)的前后盤(pán)式制動(dòng)器,并在輪缸入口加裝了壓力傳感器,將測(cè)得的壓力信號(hào)反饋到RTPC 的仿真模型中.與傳統(tǒng)ABS 液壓制動(dòng)臺(tái)架稍有不同的是,這里取消了電子真空助力器,而是直接使用電機(jī)泵油來(lái)主動(dòng)建壓.一旦通過(guò)EE的GUI界面使能ABS控制開(kāi)關(guān),立即將主缸壓力建立至12MPa(足以使車(chē)輪抱死),然后通過(guò)控制8個(gè)輪缸電磁閥的通斷來(lái)調(diào)節(jié)輪缸壓力,從而避免車(chē)輪抱死.

圖3 ABS液壓制動(dòng)臺(tái)架

4 實(shí)驗(yàn)分析

基于上述HIL 測(cè)試平臺(tái),就可以方便地對(duì)ABS ECU 完成各種性能考核,對(duì)于不同路面條件(高/低附著、對(duì)開(kāi)/對(duì)接),不同初始車(chē)速(低速/高速),不同載荷(空載/滿載),離合器接合/分離下的ABS測(cè)試,只需要在EE 界面修改VDYM 模型中相關(guān)參數(shù)即可.為了對(duì)純軟件仿真與硬件在環(huán)仿真結(jié)果進(jìn)行比較,將左前輪與右后輪接入硬件在環(huán)系統(tǒng),右前輪與左后輪處于純軟件仿真模式.這里給出兩組ABS典型路面下的HIL測(cè)試結(jié)果.

4.1 高附著路面

將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.7,初始制動(dòng)車(chē)速設(shè)定為110km/h.圖4反映了ABS制動(dòng)過(guò)程中速度、滑移率以及輪缸壓力的變化情況.

圖4 高附著路面測(cè)試結(jié)果

圖4a)左前輪和右后輪的輪速波動(dòng)相對(duì)偏大,同時(shí)單次ABS循環(huán)的周期較長(zhǎng).圖4b)也反映出雖然4個(gè)車(chē)輪滑移率的均值相當(dāng),但右前輪和左后輪的滑移率被控制在0.1~0.2之間,而左前輪和右后輪的滑移率的變化范圍為0.05~0.4.這是由于實(shí)際液壓制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)滯后引起的,從圖9c)代表的輪缸壓力曲線也能體現(xiàn).左前輪和右后輪的初始建壓時(shí)間約有0.5s的延遲,同時(shí)增減壓的速率也相對(duì)較慢,從而導(dǎo)致ABS制動(dòng)中的控制循環(huán)次數(shù)較少.

4.2 低附著路面

將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.3,初始制動(dòng)車(chē)速設(shè)定為110km/h.ABS制動(dòng)下的速度、滑移率和壓力曲線見(jiàn)圖5.

由圖5可知,在低附著路面上由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)致的相關(guān)結(jié)論仍然適用,并且減壓速率更慢.同時(shí)相對(duì)于高附著路面,ABS 的調(diào)控次數(shù)顯著增多(左前輪多6次;右后輪多4次),制動(dòng)時(shí)間顯著延長(zhǎng)(多5.9s).如圖5a),b)所示,輪速波動(dòng)及滑移率變化范圍更加明顯,而圖5c)表明,輪缸壓力的調(diào)節(jié)范圍由高附著的6~10MPa降至1~3 MPa,與實(shí)際ABS制動(dòng)特性相符合.

圖5 低附著路面測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

1)由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,HIL測(cè)試與純數(shù)值仿真相比,由于接入了真實(shí)的液壓制動(dòng)系統(tǒng),ABS 控制器的邏輯參數(shù)更具有實(shí)際意義.

2)與實(shí)車(chē)測(cè)試相比,基于Labcar的硬件在環(huán)測(cè)試能夠方便地進(jìn)行各種工況下的ABS測(cè)試,同時(shí)可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果反復(fù)標(biāo)定邏輯門(mén)限值,為快速開(kāi)發(fā)ABS控制器提供了一種有效的手段.

3)下一步可結(jié)合Labcar的故障注入功能,著重完善ABS控制器的故障診斷邏輯,為其產(chǎn)品化打下基礎(chǔ).

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