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ABS_V模式_开发中的快速控制器样件制作和硬件在环仿真的研究_图文

2009年 ( 第 31卷 )第 4期

汽 车 工 程 A utomo tive Eng inee ring

2009( V o.l 31) N o 4 .

2009074

ABS V 模式 开发中的快速控制器样件 制作和硬件在环仿真的研究
邹红明, 丁能根, 王伟达, 余贵珍, 张
(北京航空航天大学汽车工程系, 北京



100083)

[ 摘要 ]

分析了制动过程的车辆动力学特性, 建立了车辆系统模型和 A BS控制器模型。遵循 V 模式 开发流

程, 在 M atlab /S i u link和 dSPACE 开发环境下实现了汽车 A BS控制系统的快速样件制造和硬 件在环仿真。 m

关键词: ABS V 模式开发; RCP; H ILS ;

R esearch on the RCP and H ILS for ABS V-cycle D evelopm ent
Zou H ong ing D ing N enggen W angW e ida Yu Guizhen & ZhangW ei m , , ,
D epart ent of Au tomobile E ng ineering, B eihang U niversi ty, B e ijing m 100083

[ Ab strac t]

The veh ic le dynam ics characteristics dur ing brak ing are analyzed and the veh icle system m odel ,

and ABS contro ller m ode l are bu il. Fo llow ing the V cycle deve lo p ent process the rap id contro ller prototyp ing t m , and hardw are in the loop si ulation for autom ot iv e ABS contro l system are perform ed under the M atlab /S i ulink - - m m and dSPACE develop ent env ironm en.t m K eyw ord s ABS; V-cycle developm en t RCP; H ILS : ; 建模及离线仿真、 RCP 和 H I S 方法及其实施过程, L

前言
采用 V 模式 开发汽车电子控制系统流程中, 广泛采用 dSPACE 实时硬件系统构建控制器原型, 快速有效验证控制算法。其优点是在无控制器硬件 的条件下即可进行控制算法的开发与优化, 满足软 硬件并行工程要求, 并缩短开发 周期、 降低开发 费 用。采用硬件在环仿真 ( H I S) 技术进行控 制系统 L 软硬件的开发和测试, 可帮助设计者了解系统的动 态特性, 并进 行 极 端 条 件 下 的测 试。此 外, 利 用 H ILS可方便地分析每一个参数独立变化对 系统特 性的影响。 ABS控制器极限工况测试和失效测试的危险性 大, 并且实车道 路测试的费用较昂贵, 而基于 M at lab /S i ulink和 dSPACE 的实时仿真系统提供了 较 m 好的解决方案。基于该平台, 文中提出 ABS控制器 一体化设计方案, 研究 ABS的快速控制原型 ( RCP ) 和 H ILS方法以及它们的实现。主要研究包括 ABS

并利用 所建 立 的 ABS 仿真 及试 验验 证 平台 验 证 ABS控制策略的防抱制动效果和有效性。

1

V 模式 开发流程

基于 dSPACE 软硬件平台的 V 模式 开发流程 主要由 5个环节构成, 如图 1所示。

图 1

V 模式 开发流程

原稿收到日期为 2008年 7月 3日, 修改稿收到日期为 2008年 10月 17日。

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2009年 (第 31卷 )第 4期

( 1) 离线功能设计 根据系统的功能要求, 在 M atlab / S i u link下进行图形化建 模, 建立控制器 模 m 型 ( Controller) 和被控对象模型 ( P lant) , 并进行离线 仿真, 开发符合系统功能要求的控制器和被控对象 模型。这一过程也称为 模型在回路 ( m ode l in th e loop M I ) 。 , L ( 2) 快速控制原型 ( RCP ) 移除离线仿真模型 的被控对象模型, 接 入 dSPACE 提供的 RT I接口模 块, 建 立实 时仿 真模 型; 通过 M atlab 的 RTW ( rea l ti e w orkshop) 生成实时代码并下载到 dSPACE 原型 m 系统中; 接入实际被控对象, 进行 RCP 实验, 以验证 控制系统软硬件方案的可行性。 ( 3) 目标代码生成 采用 dSPACE 的产品代码 生成软件 T argetlink 对 S i u link / Stateflow 模型进 行 m 定点数定标和转换, 自动生成产品代码。这过程中 可针对特定 ECU 进行代码优化。生成代码 的运行 效率不低于手工代码的 10 , 内存占用量不超过手 % 工代码的 10 。 % ( 4) 硬件在环仿真 ( H ILS) 采用真实控制器, 被控对象或者系统运行环境部分采用实际物体, 部 分采用仿真模型来模拟, 进行整个系统的仿真测试。 ( 5) 标定与匹配 dSPACE 的标定系统允许用 户对 ECU 进行所有的标定和测试, 可在最便利的情 况下及最短的时间内对 ECU 进行最后的参数调整。
图 2 4轮车辆制动动力学模型

线的角速度 ( i= f r分别表示前轮和后轮; j = l r分 、 、 别表示左侧和右侧车轮。其它量中的下标 i和 j 含 义与此相同, 不再一一说明 ); m 为车辆质量; F w 为 空气阻力; Iz 为车辆绕 z 轴的转动惯量; 受的纵向力、 侧向力和 垂直载荷; 为前轮转 向角; F xij、 y ij和 F z ij分别为各轮在各车轮坐标系下所 F
ij

为各 轮胎侧 偏

角; a、 分别为车辆质心至前轴和后轴的距离; hg 为 b 车辆质心高度; hw 为空气阻力中心高度; L 为轴距; Cw 为前、 后轮轮距 ( 忽略前后轴轮距的微小差异 ) 。 整车制动动力学微分方程为 m vx - m vy = - (F x f1 + F x fr ) cos (F y f1 + F y fr ) sin - F x r1 - F xr r - F w ( 1) ( 2) m v y + m vx = (F y f1 + F y fr ) cos (F x f1 + F x fr ) sin + F y r1 + F yr r = [ (F x f1 - F x fr ) cos + (F y f1 - F y fr ) sin + ( 3)

2 车辆系统及其 ABS控制模型
2 1 车辆动力学模型 在建立 4轮车辆制动动力学 7 自由度模型时, 采用固结于质心的车辆坐标系, 忽略悬架系统的影 响, 只考虑车辆的纵向、 横向、 横摆运动和 4 个车轮 的旋转运动, 如图 2所示, 并作如下简化 力学性能的影响; ( 2) 忽略轮胎的滚动阻力; ( 3) 忽略路面不平度激励和坡度影响, 且忽略 垂直载荷转移引起的车轮垂直运动; ( 4) 忽略转向系的影响, 并假设两个前轮的转 向角相等; ( 5) 各轮侧偏刚度相等, 忽略垂直载荷变化对 其产生的影响, 轮胎工作在侧偏力线性范围内。 图 2中, vx 、 y 和 分别为车辆纵向速度 (即车 x 速 )、 横向速度和横摆角速度; ij 为各轮绕其回转轴
[ 1]

Iz

Fx r1 - F x rr ] C w /2- b(F y r1 + F y rr ) + a [ (F y f1 + F y fr ) cos - (F x f1 + F x fr ) sin ] 各车轮的侧偏角为
fj

:

( 1) 忽略车轮外倾角和前轮前束对整车及轮胎

= - arctan ( vx

vy + a Cw vy - b ( vx Cw /2) /2)

( 4)

rj

= - arctan

( 5)

式中右侧和左侧车轮分别取 + 和 - 号, 以下各 式中 取法与此同。 ( 6) 各轮的纵向滑移率 sij为 sij = 1- R ij /vij 内的分量, 可表示为

式中 R 为车轮半径; vij 为各轮中心速度在车轮平面

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vfj = ( vx vrj = vx

Cw Cw

/2) cos + ( vy + a ) sin /2 ay h g Cw ay hg Cw

( 7) ( 8)

之间; C 、 T、 、 分别为回油阀相应的系数; P m 为 A K k 主缸压力; P r 轮缸预压力; P w 为轮缸压力; V P 为电 磁阀管路滞后时间;
VP

各轮的法向载荷为 m bg ax h g F w hw F z fj = 2 L L m L m ag ax h g F w hw F z rj = + + 2 L L mL 2 2 车轮动力学模型

为管路传输滞后时间; u 1 和

u 2 分别为电磁阀控制指令信号, u 1 = 1 u 2 = 0时 为 、 ( 9) ( 10) 增压状态, u 1 = 0 u2 = 1时为减压状态, u1 = 0 u2 = 0 、 、 时为保压状态。 2 5 制动器模型 制动器的数学模型可表示为 Fd = 4 dw c ( P w - P r )
2

忽略滚动阻力矩, 各车轮的动力学方程为 Iwi ij = F x ij R - T bij ( 11) 式中 Iw f、 w r分别为前、 I 后轮绕各自回转轴线的转动 惯量; T bij 为各轮制动器制动力矩。 2 3 Dugoff轮胎模型 ABS控制主要是对轮胎力的控制, 轮胎模型是 制动动力学模型中的关键部分, 文中采用 Dugo ff轮 胎模型
[ 2]

( 18) ( 19)

T b = C BF F dR m T b dyn ( s) = 1 1+
b

T b ( s) s

( 20)

式中: F d 为轮缸促动力; dw c为制动器轮缸活塞直径; T b 为制动力矩; C BF为制动效能因数; Rm 为制动器制 动力的等效作用半径; T bdyn为动态输出制动力矩; b 为滞后时间常数; s为拉普拉斯变换因子。 2 6 离线仿真的实现



轮胎纵向力和侧向力为 S Fx = Kx f( ) 1+ S tan Fy = C f( ) 1+ S 胎侧向刚度, 为侧偏角。其中 关, 它与函数 f ( )分别定义为 = 2 f( )= F z ( 1+ S ) (K x S ) + (C tan ) ( 2)
2 2

( 13) ( 14)

功能设计及其离线仿真是整个 ABS V模式 开 发流程的基础环节, 因此在 RCP 和 H ILS之前须 建 立离线仿真模型, 以初步验证 ABS控制算法和控制 对象模型。 2 6 1 ABS控制算法 针对 ABS已提出多种控制算法, 如逻辑门限值 控制、 最优控制、 滑动模态变结构控制、 模糊逻辑控 制、 ID 控制等。但实际应用中仍广泛采用逻辑 门 P 限值控制
[ 1]

式中 S 为纵向滑移率, K x 为轮胎纵向刚度, C 为轮 与摩擦因数 有

( 15) ( 16)
0

。文中以 BOSCH 控制逻辑为基础设计

< 1 1 = 0 ( 1- AS ),
0

了控制算法, 根据轮速计算车轮角加 /减 速度、 参考 滑移率等参数, 并与设定门限值进行比较, 进而发出 控制指令, 控制液压调节单元, 实现压力调节。 2 6 2 车辆系统模型与控制器模型的实现 在 M atlab / Si u link 下建立 ABS 的离线仿真 模 m 型并进行离线仿真, 如图 3 图 4所示。 、 通过离线模型修改控制逻辑、 调整控制参数, 初 步验证模型的正确性, 并为后续 的 RCP 和 H ILS 提

1 其中 F z 为轮胎法向载荷;

为静态

摩擦因数; A 为减小因子。通过改变 不同路面工况下的轮胎模型。

和 A, 可得到

2 4 液压系统模型 为模拟 ABS液压制动系统, 建立液压系统动态 模型如下 d w P dt
[ 1]

。 CA T KV (P m - P w ) ( tT k k VP

= u1 u2

)) ( 17)

CA

K V

(P w - P r ) ( t-

VP

式中: C 为由进油阀阀口形状、 液体流态、 油液性质 等因素决定的流量系数; AT 为进油阀阀口的通流截 面积; K 为液压油的体积弹性模量; V 为增压阀及减 压阀之间的管路加上制动轮 缸的总容积; k 为由进 油阀阀口形状决定的节流阀指数, 其值在 0 5~ 1 0
图 3 A BS离线仿真模型

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2009年 (第 31卷 )第 4期

ABS轮齿信号上升沿或下降沿时刻, 软件上通过编 写 S函数捕捉实时内核的中断发生的当前时刻值来 计算轮速。利用 DS1103BIT _OUT _Gx 数字 I /O 输出 模块的高低电平输出实现电磁阀和电动机的控制。 为验证 RCP 的有效性, 进行了实车道路制动试 验, 轮速 结果 如图 6 所示。试 验的 初始 车速 约 为 55k / h 附着条件为高附着系数路面。从图 6 的试 m , 验结果来看, 上述 M IL 及 RCP 过程验证了所建立的 ABS控制逻辑及车辆模型的正确性。

图 4 离线仿真 曲线

供正确的基础模型。

3 基于 V 模式 的 A BS RCP及 H ILS
3 1 ABS RCP 过程及道路试验 RCP 过程利用 dSPACE 原型系统代替真实控制 器。制作信 号采 集与 功率 驱动 电路, 与 实 车组 成 RCP 闭环控制系统, 如图 5所示。
图 6 RCP实车 道路试验轮速曲线

3 2 ABS H ILS过程和结果分析 代码生成可采 用 dSPACE 的 T argetlink 产品 代 码生成工具。因不具备这一条件, 对所验证的控制 算法进行手工编写代码并下载至 ABS 控制器。为 了验证控制器硬件的工作性能, 采用真实的液压制 动系统组成 ABS H ILS系统, 如图 7所示。
图 5 ABS的 RCP 系统结构图

RCP 过程主要包括以下 3个步骤。 ( 1) 为满足 dSPACE 系统的 I/O 和 A /D 接口对 输入电压范围和输入信号品质的要求, 须对轮速输 入信号进行滤波、 整形处理。同时 ABS电磁阀及电 机需要大电流驱动, 所以必须制作轮速信号处理及 电磁阀驱动电路。 ( 2) 针对具体的轻型乘用车开发对象制作相应 的接口并改装线路, 使实车 ABS电磁阀体及设计的 轮速传感器处理电路满足 dSPACE 原型系统的 I /O 接口要求。 ( 3) 利用 dSPACE 提供的 RT I接 口模 块修 改 ABS控制器模型, 使之与真实车辆组成闭环控制系 统, 进行 ABS的 RCP试验。 上述 RCP 过程的 RT I接口模块主要用 来捕捉 轮速信号并输出电 磁阀及液压泵 电动机的控制 信 号。用 DS1103 MASTER _HW INT _ Ix 中 断模块捕 捉
图 7 A BS的 H ILS系统组成

H I S检验 ABS控制程序在各种路面 (高附、 L 低 附、 对开、 对接路面 )上的控制效果, 标定控制参数和 门限值, 并仿真研究一些极限工况。主要步骤如下。 ( 1) 在离线仿真模型中保留被控对象模型, 增 加 RT I接口模块, 以实现 ABS 控制器、 压力传感 器 与 dSPACE系统通信。 ( 2) 设计 H ILS实验台, 加装制动系统真实硬件 和压力传感器, 将压力传感器和控制器实物通过接

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口线路与 dSPACE 连接。 ( 3) 进行 H ILS实验, 修改车辆模型中轮胎模型 参数或车辆模型结构参数以模拟不同类型车辆, 或 设定不同的路面附着系数模拟各种路面工况。根据 仿真结果修改 ABS控制算法及其参数, 重新生成代 码并下载到 控制器, 达到 完善 ABS 控制 逻辑的 目 的。 因为接入了真实液压制动系统, 所以须采集各 轮轮缸压力来计算制动力矩, 选择 DS1103ADC _Cx 模数转换模块; 由于模型生成的各轮速是数字信号, 须 转 换 成 方 波 信 号 来 触 发 ECU 中 断, 选 择 DS1103SL _DSP _D2F 数字频率转换模块。 图 8 为高附 着系数路面 ( = 0 88) 下的 H ILS 试验结果。

ABS的 H ILS试验结果表明: 建立的门限值控制 逻辑能够有效地防止制动时车轮抱死现象, 滑移率 基本处于 0 10~ 0 25之间的峰值滑移率区域内, 制 动力较大以缩短了制动距离。

4 结论
( 1) 利用 M atlab / S i u link / Stateflow 和 dSPACE m 进行 ABS控制逻辑的开发是可行的, 为 ABS控制器 的开发和匹配提供了一种新型有效的手段, 可缩短 开发周期、 减小开发费用。 ( 2) 实车道路实验 RCP过程表明, 采用 M at la b / S i ulin k /Stateflow 编写控制逻辑的方便性对快速和 m 方便开发 ABS控制逻辑有重要意义。 ( 3) 在实验台上的 H ILS过程表明, 可以方便地 进行不同制动初速和不同路面附着条件下的仿真实 验, 方便了控制算法的验证和控制参数标定。 参考文献
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图 8 高附着路面直线制动轮速及滑移率曲线

( 上接第 370页 ) 原先的控制策略, 从而证明该控制策略进一步提高 了燃油经济性。 参考文献
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