汽车ABS 控制器性能测试系统设计

王岩,左付山,羊玢,吴志敏,孙宁

(南京林业大学汽车与交通工程学院,江苏南京210037)

0 引言

汽车防抱死制动系统是汽车主动安全的重要组成部分,目前已经逐渐成为汽车的标配产品。汽车ABS性能的优劣直接影响汽车的行驶安全。现有的国家标准仅是针对应用已开发成熟的ABS整车制动试验[1],而对处于开发阶段的ABS产品并无测试,本文设计的ABS控制器性能测试系统可以对汽车ABS控制单元进行硬件在环测试,分析该系统工作过程和工作方式,发现该系统存在的问题,提出优化的措施,发现故障形成方式,为产品开发提供改进依据,降低试验成本,缩短开发周期。在汽车ABS控制器性能测试系统的开发设计中,采用硬件在环仿真技术,该系统包括车辆仿真、硬件设计和软件设计三个模块。

1 仿真模型的建立

1.1 车辆模型

忽略车身侧倾的影响,将悬挂质量和非悬挂质量合为车辆整车质量,忽略轮胎的滚动阻力、车辆的空气阻力,汽车进行直线行驶,不存在轮胎横向力的作用。考虑车辆纵向运动(x方向)、横向运动(y方向)和横摆运动(绕z轴的转动),设车辆坐标系的原点在整车质心处,可以建立一个的四轮车辆模型。

根据汽车理论知识[2],列出车辆制动时的运动方程,建立数学模型,在Matlab/simulink环境下建立车辆模型,仿真得出曲线符合实际制动情况,模型建立正确。

1.2 轮胎模型

轮胎的力学特性对汽车的操纵稳定性、舒适性、动力性和制动安全性起着极其重要的作用。车辆性能的定量分析与研究及先进的底盘控制系统的设计开发,在很大程度上依赖于车辆动力学模型和轮胎动力学模型的研究[3]。根据本文的研究特性,采用了Magic Formula模型(魔术公式模型)[4]。

Y＝y＋SV

y＝Dsin{Carctan[Bx－E(Bx－arctanBx)]}x＝X＋Sh

式中:D—峰值因子,表述曲线的最大值;B—刚度因子;E—曲线曲率因子,表示曲线最大值附近的形状;C—曲线形状因子,即表示曲线是象征横向力、纵向力还是回正力矩;Sh—曲线的水平方向漂移;SV—曲线的垂直方向漂移。

2 ABS硬件在环系统硬件设计

整个混合仿真系统的硬件部分由5个模块组成:1)仿真计算机系统:用以运行仿真软件,其机箱内中泰研创的USB7322板卡用以采集电磁阀信号及输出阶梯轮速信号;2)接口箱:电磁阀信号调理电路板将电磁阀动作时的电压信号转变为TTL电平信号;3)VF变换盒:VF变换电路板将阶梯轮速信号转变为方波信号;4)ABS信号转接盒:ABS信号转接盒将ABS控制器的接口引到机柜面板;5)ABS控制器:桑塔纳2000Gsi的美国ITT公司MK20—I系[5]。

系统的结构原理图如图1所示。实物连接和关系如图2所示。

图1 ABS混合仿真台硬件结构原理图

图2 ABS混合仿真台硬件连接及图

3 ABS硬件在环系统软件设计

本系统的软件开发选择了NI公司的LabVIEW开发平台。根据系统要求,软件设计包括轮速信号模拟模块、轮速信号输出模块、数据存储模块、数据分析模块等四个部分。软件系统的设计功能包括设定不同的路面条件来进行仿真试验,通过改变车辆数学模型的几何参数实现不同车辆的制动过程仿真,并且在制动过程中,数据采集卡能及时处理压力传感器信号和电磁阀状态信号。系统软件设计流程图如图3所示。

4 HILS ABS试验台的应用

通过仿真得到输入信号,通过Matlab与LabVIEW接口,然后经LabVIEW显示图像,仿真系统的输入端已经成功运行。向ABS控制器发送相应的信号,ABS控制器内电磁阀在一定的工况下有对应的工作状态,通过采集卡得到输出信号,经LabVIEW导出图像,这说明ABS硬件在环系统可行。图4是HILS部分仿真曲线。其中包括电磁阀信号、不同附着系数路面上制动车速与轮速变化曲线和滑移率曲线图。HIL仿真系统的应用过程说明系统开发是成功的。

图3 ABS HILS系统仿真程序流程图

图4 ABS HILS部分仿真曲线

5 结语

制动控制器作为车辆的主动安全核心部件,具有系统硬件和软件复杂,对测试环境和道路条件要求高,开发周期长等特点,通过硬件在环仿真方法,可以提高试验的安全性和可靠性,缩短开发周期,降低成本。随着软件技术和硬件技术的迅速发展,HIL仿真技术成为汽车控制系统开发和应用研究的重要技术,在系统中加入了真实的硬件,减少了纯数字模型仿真的模拟误差,其结果更接近实际情况。

[1]中华人民共和国国家标准:GB－T13594－2003机动车和挂车防抱制动性能和试验方法.2003.

[2]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3]刘波.基于自适应滑膜控制方法的车辆防抱死制动系统的研究.[D].长沙:国防科技大学.2006.

[4]任光胜.用Magic Formula对轮胎特性曲线的拟合与优化[J].重庆大学学报(自然科学版),2001,3.

[5]施云翔.液压ABS仿真试验台的开发[D].北京:清华大学,2004.