气压ABS硬件在环仿真试验台的研制
梁楚，侯艳丽，刘明辉，李军，IEEE会员，高义民，Mehrdad Ehsani，IEEE院士
摘 要
本文提出了一种低成本，高效率的基于PC的空气ABS硬件在环仿真试验台，可用于商用车的空气ABS开发。 它是在Matlab / Simulink环境中使用实时快速原型制作工具——xPC target开发的。 本文详细介绍了该测试平台的体系结构，硬件和软件。利用该测试台，空气ABS的实时硬件在环仿真测试已经完成。结果说明了开发的试验台的有效性和适用性。
关键词：空气制动，防抱死制动系统（ABS），硬件在环，仿真，试验台
- 引言
硬件在环仿真系统已广泛应用于复杂电子控制系统的开发和测试。特别是对于汽车而言，HILS系统是一种非常重要且高效的工具，可以在先进的制动，转向，悬架和其他系统的开发中节省开发时间和成本。
尽管诸如dSPACE的商业实时仿真系统使用方便且可靠，但对于大多数消费者来说它们非常昂贵。 Mathswork提供的xPc Target是一种工具，可在PC平台上实现实时仿真环境，无需高成本DSP设备。 使用这个实时平台开发气压ABS硬件在环仿真测试台，成本远低于使用dSPACE。实时仿真模型可以在主机PC中运行的Matlab / Simulink中开发。使用实时工作平台，C代码会从模型中生成。C代码被编译并下载到目标PC中，目标PC运行着xPC Target提供的实时内核，并且可以实时进行。xPC target提供输入/输出模型，其职责是与计算机外部交换消息。 [2]实时仿真的结果可以随时在目标PC中观察到，也可以发送到主机PC中的Matlab工作区进行处理。
因此，利用xPC target支持的实时仿真平台开发了气压ABS硬件在环仿真试验台。它可用于完成气压ABS的实时HILS测试以及气压ABS生产的发展。
- 气压ABS硬件在环仿真试验台的结构
HILS系统的硬件如图1所示，其描述如下：
-
xPC Target实时仿真平台
它由主机PC，目标PC（由Advantech公司制造的工业PC），RS232串行电缆组成。 - 多功能DAS卡
台湾研华公司的PCL-818L提供12位A / D转换，D / A转换，数字输入，数字输出和定时器/计数器。DAS卡可以提供实际制动系统和虚拟数值模型之间的联系。在该测试中，使用由xPC Target的输入/输出模型支持的12位A / D转换和数字输出。
- 压力放大电路和电磁阀驱动电路
它们被用于扩大来自压力传感器的微弱信号并驱动电磁阀。
- 压力传感器
测量由制动室压力的压力传感器的是由Entran提供的，型号为EPXSOOOIU。
- 电磁阀
安装Wabco提供的电磁阀以调节制动室中的气压。
- 压缩机
它取代了真实车辆中的空气压缩机，并作为制动系统的动力源。
- 刹车零件
它们是储气罐，制动踏板，制动室，鼓式制动器，连接管。
卡车中使用的电池
它为信号处理电路提供电源。
图1 气压式ABS的HIL模拟试验台的布局
图2显示了气压ABS硬件在环仿真系统的方框示意图，其描述如下：
车辆模型，轮胎模型和ABS控制器模型是在主机PC中的Matlab / simulink中开发的。它可以通过实时工作平台转换为执行代码，并通过串行电缆下载到目标PC。主机PC向目标PC发送命令以实时运行这些代码。踩下制动踏板后，高压空气进入制动室，此时压力突然升高。压力传感器检测压力的变化并产生变化的电信号，该变化的电信号在被信号放大电路放大之后通过数据获取卡的A / D通道发送到目标PC。在布尔计算之后，目标PC通过驱动电路向电磁阀发送压力增加，压力减小或压力保持的命令，以调节制动室中的压力。因此，这些形成闭环控制系统。当测试结束时，主机PC返回结果以进行处理和分析。
图2 试验台方框图
图3 搭建的气压式ABS硬件在环仿真系统 1
- 气压ABS硬件在环仿真系统的软件
气压ABS硬件在环仿真系统的软件如图4所示，其描述如下：
图4 气压式ABS硬件在环仿真系统模型框图
图5 由Simulink开发的制动模型
3.1制动模型
制动模型可以将来自PCL-818L A / D通道的气压信号转换为作用在制动器上的制动扭矩，输出到车轮和轮胎模型。制动模型可以通过以下等式描述。 Simulink开发的制动模型如图5所示。
其中，Mb是制动扭矩，kp是制动效率因数，p是制动压力，pm是克服弹簧力的压力。
3.2车轮和轮胎模型
模型的输入是来自制动模型的制动扭矩，输出是车轮角加速度，滑移率，车速，它们被发送到ABS控制器模型。
3.2.1车辆和轮胎模型
为了模拟制动过程中车辆的基本特征，在实时仿真中开发出如图6所示的单轮模型。它可以表示为：
其中，M为车辆质量，FS为分力，N为垂直力，为车轮转速，R为车轮半径，I为车轮转动惯量，Mb为制动力矩，为制动摩擦力，S为滑动率 ，V是车辆的速度，Vc是车轮的速度。
图6 单轮模型
3.2.2轮胎模型
轮胎模型由两个式子描述，这两个式子定义了轮胎滑移率和可用摩擦系数之间的关系。 等式如下所示：
一个关键的点是最大制动力发生在，此时s等于（最佳轮胎滑移率），s是滑移率。 是S等于100时的摩擦系数，或者车辆是采用锁定车轮进行制动的。
图7 轮胎模型
Simulink开发的车轮和轮胎模型如图8所示
图8由 simulink搭建的车轮和轮胎模型
3.3ABS制动器模型
它由两部分组成。 一种是ABS控制算法，用于判断电磁阀的状态，由车轮角度加速度，滑移率和车速来进行判断，这些数据来自车轮和轮胎模型；另一种是电磁阀控制块将判定状态转换为脉冲信号，然后发送到两个数字PCL-818L输出通道。 ABS控制器的布局如图9所示
图9 ABS制动器的布局
图10 由状态流开发的控制算法
3.3.1ABS控制算法
图10所示的控制算法由三部分组成：高摩擦系数道路控制算法低摩擦系数道路控制算法和道路识别。他们选择基于车轮角加速度的逻辑阈值算法。当车辆的滑移率和速度低于某个值时，控制算法命令电磁阀停止工作。
图11描述了高摩擦系数道路控制算法，该算法可以延长保持压力的时间并缩短增加和减小压力的时间以节省制动能量。
图11 高摩擦道路控制算法
当车辆在具有高摩擦系数的道路上制动时施加制动压力，一旦调用ABS（即超过阈值），当前制动压力应用分为四个阶段
阶段1- 初始应用。输出压力设定为等于输入压力。该阶段持续到车轮角加速度下降车轮最小角加速度a3
阶段2 - 减少压力。输出压力根据释放速率降低，直到车轮角加速度达到正值。
阶段3 - 维持压力。输出压力设定为等于先前的压力，直到角加速度在正角加速度a2下降。
阶段4- 增加压力。输出压力根据增加速率增加，直到车轮角加速度下降到负车轮角加速度a0以下。
当车辆在低摩擦系数道路上制动时的控制算法类似于高摩擦系数，但增加压力和降低压力的斜率低于高摩擦系数。
道路识别可以检测道路的变化。当车辆从高摩擦道路制动到低摩擦道路时，控制算法仍处于高摩擦路面状态。由于制动扭矩远大于低摩擦道路所需的光学制动扭矩，因此角加速度大大下降。控制算法现在进入减压状态，但由于制动系统滞后，制动室内的压力对于低摩擦路面仍然很高，车轮旋转加速度仍然下降。如果车辆在高摩擦系数上制动，降低压力必然导致车轮转动加速度增加，而这种情况则相反，这表明车辆在低摩擦路面上制动，因此控制算法转向低摩擦系数道路控制算法。利用相同的理论，控制算法可以检测车辆在低摩擦到高摩擦的道路制动变化。
ABS控制算法输出的信号为1,2,3,4,5,6,7或8，它们代表电磁阀的八种状态。分别用于高摩擦道路和PMW信号控制的减压，增压。5,6分别是缓慢减压，缓慢增压，用于低摩擦道路和PMW信号控制，3是维持压力，7是减压，8是增压，4是停止。
图12 电磁阀电源线布局
3.3.2电磁阀控制块
图12描述了电磁阀电源线的布局。 C线为零线; 通过A B线上的不同信号组合实现螺线管的动作，如表1所示
其中0是低电平，1是高电平，折线是PWM信号。
图13所示的电磁阀控制块的分配是将ABS控制算法决定的电磁阀状态转换为A B线上的不同信号组合，这两种信号组合由PCL-818L的两个数字输出通道发送。
图13 由Simulink开发的电磁阀控制块
- 检测结果
在不同的驾驶条件下测试了ABS-HIL仿真系统的性能。该车辆分别在高摩擦道路，低摩擦道路，从高到低摩擦道路和从低到高摩擦道路上制动。图14,15,17,19分别显示了车辆和车轮的速度。在这些行驶条件下的滑移率，车轮角加速度和制动扭矩。由于制动扭矩是通过制动压力乘以制动效率因数得到的，因此制动压力和制动力矩的变化趋势和形状是相同的。在实时模拟中，高摩擦系数道路上，为20%，为0.8，为0.6。在低摩擦系数道路上，为20%，为0.35，为0.2。
图14 ABS在高摩擦系数道路上制动时的HIL仿真结果
图15 ABS在低摩擦系数道路上制动时的HIL仿真结果
图16在积雪路面上配备ABS制动的某辆卡车的实际测试结果
图16-18分别表示装载了ABS制动的某辆卡车在雪路和从沥青到雪路的实际测试中，左后轮和车辆的速度，以及左后制动室中的制动压力测试结果。
从测试结果可以得出以下几点结论：
图17 ABS从高到低摩擦系数道路时的HIL仿真结果
图18 装配了ABS的某辆卡车在从沥青到雪路上的实际测试结果
实时模拟测试花费的时间与精确秒表测量的时间完全相同，表明基于xPC目标的所选平台不仅可以实时运行，还可以满足实时需求。
观察所有图的制动转矩，它们可以快速从零变为最大。这表明所选择的传感器压力放大电路，A / D通道和制动模型可以很好地运行并具有高动态稳定性。制动转矩具有增加、减少、保持的状态。经过验证，数字I / O通道，开发的驱动电路，选择的电磁阀也可以很好地运行并且还具有高动态稳定性以调节制
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