基于Labcar的ABS控制器HIL测试＊

孙陈迪 过学迅 裴晓飞 齐志权

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1） 武汉 430070）

（北京理工大学机械与车辆学院2） 北京 100081）

0 引 言

现代汽车电子控制系统（ECU）的开发中广泛采用了“V 模式”流程［1］.该流程主要分为5个环节：离线功能设计、快速控制原型（RCP）、目标代码生成、硬件在环（HIL）、标定与匹配.其中，HIL测试是“V 模式”开发流程中验证ECU 核心功能的重要环节［2-4］.目前市场上主流的硬件在环仿真系统包括dspace，ETASLabcar，Matlab xPC和Labview RT 等.相较而言，在ETAS Labcar的仿真工控机（RTPC）中运行Linux实时操作系统，基于Ethernet网络的分布式架构，通过对板卡的灵活配置可满足不同被测系统的需求［5-6］.由于Labcar的轮速板卡ES1337 可以模拟各种类型的轮速信号，特别适合用于ABS／ESP 系统的硬件在环测试［7］.汽车防抱死制动系统（ABS）作为一种成熟电控产品，已经在各类汽车上得到广泛应用.目前ABS ECU 一般采用逻辑门限值算法，根据车轮加减速度和参考滑移率作为门限值进行增压，减压和保压调节，使得车轮滑移率在最优值附近波动［8］.因此，ABS ECU 的性能与车辆动力学模型、轮胎模型、道路环境以及制动系统等因素密切相关［9-10］.

本文主要针对基于逻辑门限值的ABS控制器进行硬件在环测试.首先建立了HIL 的测试体系，介绍了Labcar的软硬件平台.在VDYM 人-车-路模型的基础上，完善了HIL 测试所需的ABS仿真模型.最后联立液压制动台架，对ABS ECU 进行了高／低附着路面下性能验证.通过HIL测试，可以方便的对控制算法和模型参数进行及时的修改以达到最佳控制效果.

1 ABS硬件在环体系

基于Labcar软硬件平台建立的ABS硬件在环仿真系统如图1所示，包括Labcar PC，RTPC、硬件板卡、ABS ECU 和液压制动系统5个部分.

系统工作流程如下：在Labcar PC的IP软件中新建项目文件，并对硬件板卡进行配置.待添加ABS仿真模型后，连接模型中的输入输出模块与板卡，经过编译通过Ethernet网下载到RTPC中.RTPC不仅通过相关板卡接收来自液压制动系统的轮缸压力信号，并且将模型实时计算得到的轮速信息，通过相关板卡输送给ABS ECU .而ABS ECU 则通过电磁阀和电机的动作指令调节轮缸的制动压力.在HIL 测试中，实验人员可利用EE 软件全程监控和数据记录，并对模型参数进行修改.

图1 硬件在环测试系统

2 VDYM 模型剪裁

在ABS HIL 测试中，仿真模型的精度直接决定了测试结果的有效性.如果模型过于简单，则无法反映车辆动力学的真实特性；模型过于复杂则会影响其计算速度，仿真结果也较难收敛.VDYM 模型是ETAS公司专为博世ABS／ESP控制器所开发的Matlab／Simulink 模型，能较好的满足仿真实时性和精确性的要求.根据ABS HIL测试体系的要求，对该模型进行适当剪裁.

2.1 驾驶员模型

在驾驶员模型中，可以依据驾驶员的意愿进行转向、离合、换挡、加速、制动及设定巡航车速等一系列操作.在对车辆的横向控制中，主要是通过改变方向盘的转向角度来实现的；而纵向控制中，需要设定驾驶员的期望车速.在VDYM 模型中，上述两个参数分别用DriverStimSteeringWheel-Angle和U＿TargetSpeedStim 来表征，并且均可在用户界面EE中以图形化的方式直接修改具体数值.在ABS试验中，可将方向盘转角设置为0，即车辆保持直线行驶；而目标车速则可根据ABS制动时的初始车速进行设置，本试验中设为110 km／h.

2.2 道路模型

道路模型需要尽可能真实的还原车辆行驶环境.在VDYM 模型中，不仅可以选择道路的类型，如直道、环形道路、双移线道路等，还能方便的设置路面附着系数.通过修改变量my＿LF，my＿LR，my＿RF和my＿RR 的数值，能够独立的表征各个车轮所处的路面附着系数，因此可以灵活的将路面类型配置成高／低附着，对开／对接等多种形式.在本试验中，需要通过StimLane将路径类型设定为直道；而对于高附着路面和低附着路面，附着系数分别设为0.7和0.3.

2.3 车辆模型

VDYM 的车辆模型由发动机模型、动力传动模型、制动模型以及车辆动力学模型四部分组成.由于本试验主要考虑的是制动工况，并且采用了真实的液压制动系统，因此这里重点针对车辆动力学模型进行剪裁.首先断开车辆动力学模型与制动模型之间的连接，通过Input＿LF，Input＿RF，Input＿LR，Input＿RR 直接将采集到的4 路轮缸压力大小，换算成制动力矩输入到车辆动力学模型中.同样，模型计算得到的4路轮速数值Veh＿v＿Wheel＿LF，Veh＿v＿Wheel＿RF，Veh＿v＿Wheel＿LR，Veh＿v＿Wheel＿RR，通过轮速模拟板卡ES1337输送给ABS ECU，从而将ABS ECU、VDYM 模型与液压制动系统构成闭环控制系统.

3 ABS液压制动台架

在实际应用中，通过纯数值仿真方法设计出的控制器在系统实时控制中可能得不到期望的控制效果，这是因为在纯数值仿真中忽略了实际系统的某些特性或参数.同样对于汽车制动系统，由于存在强非线性和滞后性，很难准确的建立起系统的数学模型，仅仅把数学模型作为实际对象的近似表示，拟合的结果往往不能满足实际要求.因此，这里采用ABS控制器和制动系统实物来替代VDYM 中的部分虚拟模型，从而构建HIL 测试所需的闭环控制系统.

在ABS逻辑门限值方法中，有三个重要的组成部分，即路面识别模块、参考车速估计模块和门限值（车轮减速度／滑移率）标定模块.基于HIL控制架构，可以非常方便的对每个算法模块或其组合进行验证，见图2.

图2 ABS控制器开发流程

为了加快ABS控制器的开发进度，开始时直接使用VDYM 模型中的车轮滑移率，从而专注于对滑移率门限值的标定.待不同路面条件下的逻辑门限值确定后，再将Labcar的轮速模拟板卡提供的四路轮速引入，将所估计的参考车速与车辆模型提供的车速进行对比验证.在此基础上加入路面识别环节，并用模型中所设置的路面类型对其算法进行修正.这样从最小闭环控制起，通过对各个模块的算法累加，即能最终完成ABS控制器的开发.由于路面模型无法模拟路面的垂向颠簸度，因此与实际ABS控制器相比，唯一不同的是无法设计车辆过沟／过坎工况的算法补偿.

图3给出了ABS液压制动台架.压力调节器采用大陆MK60 HCU，并将12个电磁阀和电机的控制线引出与ABS控制器的驱动电路相连.制动轮缸采用迈腾原车的前后盘式制动器，并在轮缸入口加装了压力传感器，将测得的压力信号反馈到RTPC 的仿真模型中.与传统ABS 液压制动台架稍有不同的是，这里取消了电子真空助力器，而是直接使用电机泵油来主动建压.一旦通过EE的GUI界面使能ABS控制开关，立即将主缸压力建立至12MPa（足以使车轮抱死），然后通过控制8个轮缸电磁阀的通断来调节轮缸压力，从而避免车轮抱死.

图3 ABS液压制动台架

4 实验分析

基于上述HIL 测试平台，就可以方便地对ABS ECU 完成各种性能考核，对于不同路面条件（高／低附着、对开／对接），不同初始车速（低速／高速），不同载荷（空载／满载），离合器接合／分离下的ABS测试，只需要在EE 界面修改VDYM 模型中相关参数即可.为了对纯软件仿真与硬件在环仿真结果进行比较，将左前轮与右后轮接入硬件在环系统，右前轮与左后轮处于纯软件仿真模式.这里给出两组ABS典型路面下的HIL测试结果.

4.1 高附着路面

将路面附着系数设置为0.7，初始制动车速设定为110km／h.图4反映了ABS制动过程中速度、滑移率以及轮缸压力的变化情况.

图4 高附着路面测试结果

图4a）左前轮和右后轮的轮速波动相对偏大，同时单次ABS循环的周期较长.图4b）也反映出虽然4个车轮滑移率的均值相当，但右前轮和左后轮的滑移率被控制在0.1～0.2之间，而左前轮和右后轮的滑移率的变化范围为0.05～0.4.这是由于实际液压制动系统的响应滞后引起的，从图9c）代表的轮缸压力曲线也能体现.左前轮和右后轮的初始建压时间约有0.5s的延迟，同时增减压的速率也相对较慢，从而导致ABS制动中的控制循环次数较少.

4.2 低附着路面

将路面附着系数设置为0.3，初始制动车速设定为110km／h.ABS制动下的速度、滑移率和压力曲线见图5.

由图5可知，在低附着路面上由于液压制动系统导致的相关结论仍然适用，并且减压速率更慢.同时相对于高附着路面，ABS 的调控次数显著增多（左前轮多6次；右后轮多4次），制动时间显著延长（多5.9s）.如图5a），b）所示，轮速波动及滑移率变化范围更加明显，而图5c）表明，轮缸压力的调节范围由高附着的6～10MPa降至1～3 MPa，与实际ABS制动特性相符合.

图5 低附着路面测试结果

5 结束语

1）由实验结果可知，HIL测试与纯数值仿真相比，由于接入了真实的液压制动系统，ABS 控制器的逻辑参数更具有实际意义.

2）与实车测试相比，基于Labcar的硬件在环测试能够方便地进行各种工况下的ABS测试，同时可以根据测试结果反复标定逻辑门限值，为快速开发ABS控制器提供了一种有效的手段.

3）下一步可结合Labcar的故障注入功能，着重完善ABS控制器的故障诊断逻辑，为其产品化打下基础.

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