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作者：黃鶴 合肥工業(yè)大學
應(yīng)用領(lǐng)域：控制與仿真
挑戰(zhàn)：研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點在于通過大量測試實驗掌握執(zhí)行元件的工作性能，在模擬環(huán)境下有效地進行參數(shù)仿真、軟件仿真，減少實際路面測試帶來的困難，并開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的混合仿真平臺，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的的實際操縱動作對EHB快速原型的控制器進行功能驗證和逼真的產(chǎn)品性能演示。
應(yīng)用方案：利用LabVIEW構(gòu)建輪缸壓力測控系統(tǒng)，在大量測試試驗的基礎(chǔ)上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統(tǒng)的高速開關(guān)電磁閥，滿足對輪缸壓力控制的要求；通過NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數(shù)據(jù)采集卡完成硬件在環(huán)實驗中方向盤、電子油門、制動踏板、輪缸壓力等數(shù)據(jù)采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，滿足嚴格的實時性需要；在Veristand軟件平臺上，聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實時車輛模型，大大縮短了混合仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期和應(yīng)用程序開發(fā)成本。
使用的產(chǎn)品：
LabVIEW Professional Developmet System for Windows 2009,SP1
LabVIEW FPGA Module 2009,SP1
LabVIEW Real-Time Module 2009,SP1
NI Veristand 2009
LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit 2009
NI PXI-1042Q 8-Slot 3U機箱
NI PXI-8196 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400 實時控制器
NI PXI-7851R 可編程FPGA芯片
NI PXI-8464/2 CAN 總線接口卡
NI PXI-6289M高精度多功能M系列數(shù)據(jù)采集(DAQ)板卡
介紹:
在過去的二十年里，電子設(shè)備在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，今天的汽車已經(jīng)進入了電子技術(shù)的時代。隨著人們對汽車制動性能的要求越來越高，線控制動系統(tǒng)（brake-by-wire）應(yīng)運而生，電子液壓制動EHB可以借鑒ESP系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗，對原有的液壓系統(tǒng)不做大的改變，由電子系統(tǒng)提供柔性控制，液壓系統(tǒng)提供動力，是機電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到了廣泛的關(guān)注。作為開放的線控控制系統(tǒng)，配備了傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)中沒有的輪缸壓力傳感器，可以實現(xiàn)精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿足四通道獨立控制的要求，因此提升了ABS、ASR、ESP的工作性能。為了加速包括硬件和軟件在內(nèi)的控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，一些成熟的仿真測試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統(tǒng)的新型特點，結(jié)合先進的車輛動力學仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一系列產(chǎn)品的幫助下通過硬件在環(huán)試驗進行深入的控制研究，減小了時間和經(jīng)費的的開銷，為今后的產(chǎn)品實現(xiàn)提供堅實的研究基礎(chǔ)。
正文：
1、 基于 LabVIEW 的輪缸壓力測試系統(tǒng)
受高速開關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運動時間的影響，實際的閥芯響應(yīng)不能完全跟隨脈寬信號的變化，脈沖調(diào)制周期和占空比對其影響很大。因此需要搭建如左圖所示的測試平臺，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調(diào)節(jié)范圍選擇合適的載波頻率。
數(shù)據(jù)采集卡的輸出電壓為 5V 電壓，通過驅(qū)動電路放大為 12V 的 PWM 信號控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號通過放大電路轉(zhuǎn)換為 0～5 電壓信號供數(shù)據(jù)采集卡采集。右圖為載波頻率為 100HZ 下的增壓特性曲線，當占空比小于 15 或大于 89 時由于電磁閥的死區(qū)和飽和效應(yīng)電磁閥無動作。LabVIEW 幫助我們在短時間內(nèi)搭建這樣的測試系統(tǒng)，確定 PWM 信號合適的載波頻率。
2、 駕駛員混合仿真實驗平臺總體構(gòu)造
硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示，在原博世 ESP8.0 HCU 基礎(chǔ)上增加高壓蓄能器、高壓泵電機等元件，改造成 EHB 液壓控制單元�；旌戏抡嫫脚_存在兩個回路。一個是信號的回路，PXI-8464 接受轉(zhuǎn)角傳感器的 CAN 總線信號，PXI-6289 采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個輪缸壓力傳感器信號和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號。上述信號傳送給 PXI-8196 中實時運行的車輛模型。實時模型給出的控制信息通過 DMA 方式傳送給 PXI-7851R，根據(jù)自定義的 I/O 接口控制 HCU 單元中的電磁閥、泵電機，完成閉環(huán)。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀察顯示器中車輛的三維動畫通過駕駛員操縱單元中的方向盤和油門、剎車踏板控制車輛。NI 公司的一系列硬件產(chǎn)品為搭建這樣一個混合仿真實驗提供了強有力的保證。
基于 LabVIEW 和 VeriStand 開放式的開發(fā)環(huán)境的軟件架構(gòu)如上圖所示。LabVIEW 作為客戶端調(diào)用DYNAanimation 車輛三維動畫顯示軟件的 ActiveX 控件實現(xiàn)顯示功能。通過 VeriStand VI 中 Workspace VI 實現(xiàn)Workspace與 LabVIEW 的數(shù)據(jù)交換。VeriStand 兼容用戶自定義的 FPGA I/O 接口，利用 FPGA 靈活高效的特點在無需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。
3、車輛實時模型的建立
3.1、Tesis DYNAware的車輛模型
NI VeriStand 支持第三方軟件 DYNAware 生成的模型文件。DYNAware 是 Tesis 公司開發(fā)的一款全面高效的車輛動力學仿真軟件，從電腦上的汽車概念設(shè)計，到汽車動力學控制器與硬件結(jié)合的硬件在環(huán)試驗環(huán)境，都可以通過其達到很好的效果，仿真結(jié)果可以通過 DYNAanimation 軟件在顯示器上實時顯示。在德國幾乎所有的汽車制造商都在使用 DYNAware 的產(chǎn)品，世界范圍內(nèi)也非常流行，基于不同的需求為生產(chǎn)廠家和零部件供應(yīng)商提供了適當?shù)姆抡孳浖Ｍㄟ^在圖形化界面中設(shè)置參數(shù)，簡潔直觀地完成建模。建模對象包括整車尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動機、傳動系、空氣動力學等模型，可以建立多達幾十個自由度的車輛動力學模型，很好地反應(yīng)車輛在各種工況條件下的動力學特性。
3.2、EHB 控制器模型
EHB 控制器模型首先接受車輛模型傳來的縱向加速度和輪速，估計參考車速。同時接受方向盤轉(zhuǎn)角，橫擺角速度、側(cè)向加速度，利用估計的參考車速估計質(zhì)心側(cè)偏角。汽車穩(wěn)定行駛時，目標制動力矩與制動踏板位移成比例關(guān)系。汽車失穩(wěn)時，EHB 系統(tǒng)主要的控制對象是汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。其中橫擺角速度控制模塊采用 PD 控制方法，控制實際橫擺角與理想二自由度橫擺角之間的偏差，輸出為目標制動力矩。質(zhì)心側(cè)偏角控制采用門限值控制方法，根據(jù)超出門限的程度施加制動力矩。根據(jù)車輛運動狀態(tài)協(xié)調(diào)上述三種模式下的輸出量得到目標制動力矩。調(diào)用制動力矩—輪缸壓力模塊，計算出目標輪缸壓力，再轉(zhuǎn)入開關(guān)電磁閥數(shù)字 PID 控制模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據(jù)高壓蓄能器設(shè)定壓力及 HCU 的工作狀態(tài)輸出泵電機的占空比，控制框圖如下圖所示：
EHB 控制器模型
EHB 控制器模型在 Simulink/Stateflow 環(huán)境下建模，與上述 DYNAware 中模型實現(xiàn)無縫集成。模型采用固定步長常微分方程求解器，通過 Real-Time Workshop 轉(zhuǎn)化為 VeriStand 支持的 dll動態(tài)鏈接庫文件。
4、配置 VeriStand
在 System Explorer Window 中導(dǎo)入模型文件，對 Primary Control Loop 的實時仿真速度進行調(diào)整，設(shè)置周期為 100μsec，則 Model Execution Loop 的周期為 1ms，滿足車輛實時仿真的需要。通過分配處理器資源，Veristand 能充分發(fā)揮雙核處理器的并行處理性能，提高實時運行速度。橫擺角速度是判斷汽車失穩(wěn)的重要標志，當理想橫擺角速度與實際橫擺角速度之差超過上下門限值時，通過報警設(shè)置以報警音的方式提示駕駛員。
VeriStand 的配置
通過菜單界面完成對 NI-CAN、NI-DAQ 的通道設(shè)置，大大減小了程序的開發(fā)工作量，提高了開發(fā)效率。在Stimulus Profile Editor 中設(shè)置 Logging file，可以對橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、輪缸壓力等進行保存。TDMS文件格式讀取快速，作為一種測試測量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式，非常適合車輛狀態(tài)參數(shù)的保存。
VeriStand 與 DYNAanimation 的連接
上面的循環(huán)通過 Workspace VI 啟動 VeriStand，獲取通道數(shù)據(jù)包括 Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循環(huán)利用 ActiveX 控件將動畫和顯示數(shù)據(jù)傳送給 DYNAanimation。
通過 ActiveX 方法控制 DYNAanimation
DYNAanimation 將實時仿真結(jié)果在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中直接現(xiàn)實出來。其中，Animation Data 數(shù)組中每十二個元素代表一個運動物體（如車身、輪胎）相對于大地坐標系的位置參數(shù)。Display Data 用于界面的數(shù)據(jù)顯示，比如車速表、轉(zhuǎn)速表等。
FPGA I/O 示意圖
液壓控制單元在改裝博世 ESP 的基礎(chǔ)上得到，四個輪缸各由兩個高速開關(guān)閥控制，一個控制從高壓蓄能器增壓，一個控制向低壓蓄能器減壓，需 8 路 PWM 信號。2 路 PWM 輸出負責對泵電機的控制。VeriStand 中默認的 PXI-7851R 的通道資源擁有 8 路 PWM 輸出，而這里需要 10 路 PWM 輸出。通過自定義 FPGA VI，修改VeriStand 配置文件夾中 7851R 的 fpgaconfig 文件，新增 2 路數(shù)字輸入輸出接口為 PWM 輸出，滿足應(yīng)用的需要�？梢娀� VeriStand 的自定義 FPGA I/O 功能使混合仿真平臺具有靈活方便的擴展性能。
5、仿真平臺的功能演示
5.1、駕駛員在環(huán)麋鹿測試
在 DYNAanimation 環(huán)境下建立三維圖像文件，包括道路、標識線、車身模型、輪胎、路障等，進行駕駛員在環(huán)的“麋鹿”測試。在車速為 80km/h 時對比打開穩(wěn)定性控制與關(guān)閉穩(wěn)定性控制車輛的操縱響應(yīng)。在實時仿真結(jié)束，保存錄像并進行對比。在打開穩(wěn)定性控制時，駕駛員可以平穩(wěn)地實現(xiàn)車輛的變線，車輛的運動軌跡符合駕駛員的預(yù)期，如左下圖所示。當關(guān)閉穩(wěn)定性控制時，車輛失控跑出跑道�；� VeriStand 構(gòu)建的駕駛員在環(huán)測試平臺可以實現(xiàn)逼真的產(chǎn)品演示。
5.2、利用激勵進行正弦延遲測試
正弦延遲測試是美國國家高速安全局（NHTSA）規(guī)定的 126 號法規(guī)，用于檢測車輛的側(cè)向穩(wěn)定性能。不同于麋鹿測試，現(xiàn)實實驗中需要通過轉(zhuǎn)向機器人完成。VeriStand 的配置實時激勵功能很好地幫助我們完成該項測試。試驗在干燥、平直附著系數(shù)為 0.9 的道路上進行，方向盤轉(zhuǎn)角進行后半周期帶有延遲的正弦輸入，頻率為 0.7HZ，第二次波峰出現(xiàn)后有 400ms 的延遲。方向盤轉(zhuǎn)角及實驗流程如下圖，其中 A 為 80km/h 下車輛側(cè)向加速度達到 0.3g時方向盤的轉(zhuǎn)角。
通過實時激勵功能里的正弦函數(shù)、延時函數(shù)編制激勵文件，通過記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線。VeriStand 大大降低了編程的復(fù)雜性，減少測試系統(tǒng)的開發(fā)時間。
6、總結(jié)
利用 VeriStand我們在短時間內(nèi)搭建起一個功能豐富的混合仿真平臺，使我們有更多的精力投入到控制策略的研究上來；VeriStand Engine將實時測試系統(tǒng)的任務(wù)和功能在內(nèi)部進行實施與優(yōu)化，幫助實時測試系統(tǒng)以更快的速度運行，大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)和維護成本；基于 FPGA的自定義 I/O設(shè)置提高了系統(tǒng)硬件的可擴展性，通過 FPGA虛擬傳感器可擴展為基于單片機控制器的硬件在環(huán)測試平臺；總之，NI公司一系列軟件和硬件產(chǎn)品幫助我們靈活、高效、直觀地實現(xiàn) EHB混合仿真測試平臺，為產(chǎn)品的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。
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