基于dSPACE的液压式主动稳定杆实验平台设计

陈 山，皮大伟，孔振兴，史洋洋

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)



基于dSPACE的液压式主动稳定杆实验平台设计

陈 山，皮大伟，孔振兴，史洋洋

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

为研究液压式主动稳定杆对汽车在高速转向时侧倾稳定性的影响，设计并实现了液压式主动稳定杆硬件在环(hardware-in-the-loop，HIL)仿真实验平台。以单/双轴通用稳定杆实验台架为基础，使用MC9S12DG128单片机为核心设计控制器，利用dSPACE实时仿真系统运行整车动力学模型，研究典型转向工况和不同类型路面激励情况下的液压式主动稳定杆对车辆侧倾稳定性的改善情况。实验结果表明，该实验平台能够很好地模拟实验环境，为主动稳定杆系统的开发提供了有力的支持。

车辆工程；液压式主动稳定杆；侧倾稳定性；dSPACE；HIL仿真实验平台

稳定杆是汽车悬架的重要组成部分，由弹簧钢制成，两端横向连接在两侧悬架上，主体部分通过衬套与车身连接。汽车发生侧倾时，左右悬架变形不同，稳定杆发生扭转变形，此时利用自身的扭转反力，稳定杆通过衬套对车身产生反侧倾力矩抑制车身侧倾[1]。传统被动稳定杆因面世早、成本低而得以大规模的应用，但其扭转刚度固定，不能根据汽车具体行驶状况调整悬架侧倾刚度，在高速转向时汽车容易产生较大侧倾，使驾驶员产生疲劳感和不安全感，容易发生侧翻事故[2]。相比被动稳定杆，主动稳定杆(active roll control system，ARC)在其基础上添加了作动器及相应控制装置，使稳定杆的刚度可调，能够实时调节反侧倾力矩的大小，有效减小车身侧倾角，防止汽车侧翻[3-5]。目前，国外研究机构通过对主动稳定杆的不断研究，取得了较大进展。例如：SORNIOTTI等[6]设计了一种ARC系统实验台架，分别以液压缸油压和推杆位移为控制目标进行研究，得到2种控制思路的实验结果对比；CIMBA等[7]通过一系列实验，研究了不同的液压阀、油管长度等对稳定杆性能的影响。中国一些高校也对ARC系统进行了相应研究，并取得了一定的成果[8-9]，如合肥工业大学的研究团队设计了液压式主动稳定杆实验平台，通过AMEsim仿真与台架实验结果进行相互印证[10]。

根据作动器的不同，主动稳定杆可分为液压式主动稳定杆和电机式主动稳定杆。本文以液压式主动稳定杆为研究对象，设计了液压式主动稳定杆硬件在环仿真实验平台。该平台由ECU及dSPACE实时仿真系统、液压系统、主动稳定杆、传感器、上位机等组成，可用于研究单轴或双轴(前、后轴)主动稳定杆在汽车高速转向、不同路面激励和典型转向工况行驶环境下对车辆侧倾稳定性的改善情况。

1 实验平台概况

为便于深入研究，将该实验平台设计为单/双轴稳定杆构架，既可以单轴液压式主动稳定杆为研究对象，也可深入研究，对反侧倾力矩进行前、后轴动态分配，研究双轴主动稳定杆对汽车侧倾稳定性的影响。实验平台的设计充分考虑了路面(如平坦公路和崎岖山路)不平度对汽车侧倾稳定性的影响，设计一种路面激励发生系统，模拟路面对悬架的垂向激励，研究主动稳

定杆在不同路面类型下对汽车侧倾稳定性的改善情况。

液压式主动稳定杆HIL实验平台具有以下功能：1)模拟不同转向工况及路面类型；2)验证控制算法，对控制算法进行优化处理；3)检验控制系统设计是否符合要求，电路设计是否合理。该实验平台主要参数如表1所示。

表1 实验平台主要设计参数

1.1 ARC基本原理

图1 液压式主动稳定杆物理模型Fig.1 Physical model of hydraulic active stabilizer bar

图1是液压式主动稳定杆物理模型，作动器(液压缸)推杆与稳定杆伸出臂铰接，对稳定杆的输出力矩为MActuator，稳定杆受该力矩的影响发生扭转变形并通过衬套对车身产生反侧倾力矩MARC。作动器输出力矩MActuator和反侧倾力矩MARC的换算关系见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Fbar为作动器对伸出臂的作用力；MARC为反侧倾力矩；MActuator为作动器输出力矩；m为稳定杆长度；b为伸出臂长度。

式(3)为作动器输出力矩MActuator与控制目标(推杆位移xt)的关系式，控制器通过控制作动器推杆位移，调节反侧倾力矩的大小；k1，k2为目标位移与输出力矩之间的比例常数，分别为0.002 5 N-1和0.002 7 N-1。

1.2 实验平台组成

液压式主动稳定杆硬件在环仿真实验平台结构原理图如图2所示。该平台包含3个子系统：

1) 单/双轴通用实验台架 包括前、后轴液压式主动稳定杆，路面激励发生系统，液压系统，传感器和钢架结构；

2) dSPACE实时仿真系统 运行车辆动力学模型，生成车辆状态信号(侧倾角、横向加速度等)，输出到控制ECU中；

3) 控制系统 该系统由ECU、驱动板、CAN总线及相应电路组成，根据车辆行驶状况控制作动器输出反侧倾力矩，抑制车辆侧倾。

图2 实验平台结构原理图Fig.2 Experimental platform structure schematic

1.3 实验平台运行原理

dSPACE内部运行车辆动力学模型，以方向盘转角信号和拉压力传感器信号为模型的输入信号。通过相关算法将拉压力传感器信号转换成作用在车辆模型上的反侧倾力矩，计算出该力矩在汽车高速转向的行驶状态下对车身侧倾的影响，并生成相应车辆行驶状态信息(车速、方向盘转角、侧倾角、横向加速度)，通过CAN总线输入到ECU中。

ECU以上述车辆行驶状态信息为输入，通过这些信息判断汽车行驶状态。位移传感器测量作动器推杆位移并反馈到ECU中，ECU以推杆位移为目标，依据控制策略向电磁开关阀发出控制信号，利用电磁开关阀实现对作动器动作的控制，从而实现对反侧倾力矩的实时调节。在系统运行的过程中，ECU通过油压传感器实时监测液压油的油压，利用比例溢流阀将其维持在8 MPa。

路面不平度对车辆侧倾稳定性有很大的影响[11-12]。为了能在实验平台上将其体现出来，路面激励发生系统直接作用于稳定杆作动器上，使作动器跟随路面激励产生振动，模拟路面对悬架的垂向激励，便于研究不同路面情况下主动稳定杆对车辆侧倾稳定性的改善情况。

2 子系统主要架构及特点

2.1 单/双轴ARC通用实验台架设计

单/双轴ARC通用实验台架由液压式主动稳定杆、路面激励发生系统、液压系统、传感器和钢架结构组成。液压式主动稳定杆由传统被动稳定杆和作动器(液压缸)组成。液压系统(如图3所示)包括液压泵站、控制阀、管道等，主要功能是为主动稳定杆提供液压动力并根据ECU控制指令调整作动器的动作。

拉压力传感器是实时测量稳定杆输出反侧倾力矩的关键部件。稳定杆通过衬套固定在拉压力传感器的受力面，当稳定杆产生反侧倾力矩时会对该传感器施加作用力，dSPACE通过分析该作用力估算出稳定杆输出的反侧倾力矩。位移传感器用于测量液压缸推杆位移，该物理量是ECU的控制目标。

路面激励发生系统由激励发生器(液压缸)和工控机组成，激励发生器与稳定杆作动器呈纵向排列，激励发生器推杆与作动器末端铰接，工控机根据设置的路面不平度控制激励发生器，推动稳定杆作动器发生振动，以模拟路面对悬架的垂向激励，两者的安装关系如图4所示。

图3 液压系统Fig.3 Hydraulic system

图4 ARC安装位置图Fig.4 ARC installation location

图5 实验台架液压原理简图Fig.5 Hydraulic principle diagram of experimental bench

图5为ARC实验台架液压原理简图(包含前轴主动稳定杆和对应激励发生器)。液压油经柱塞泵从油箱内泵出后，流过比例溢流阀8将油压维持在8 MPa。液压缸2为稳定杆作动器，其推杆与稳定杆伸出臂铰接，末端与路面激励发生器(液压缸1)推杆铰接。路面激励发生器受三位四通阀3的控制，推(拉)动作动器以模拟路面对悬架的垂向激励。电磁开关阀4，5，6，7控制液压缸2的动作，当阀4和阀5打开、阀6和阀7关闭时，液压缸推杆向外运动，推动稳定杆伸出臂输出正向反侧倾力矩；当阀4和阀5关闭、阀6和阀7打开时，推杆向内拉动伸出臂，稳定杆输出逆向反侧倾力矩。

2.2 dSPACE实时仿真系统

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink 的控制系统开发与测试平台，可实现与HIL实验平台的无缝连接，具有组合性强、快速性好、可靠性高、实时性好、灵活性高等优点[13]。本系统使用的dSPACE以DS1401板卡为核心，运行14自由度(纵向、侧向、横摆、侧倾、俯仰、车身的垂向运动、4个车轮的垂向与旋转运动)车辆动力学模型[14]，模型主要参数源于文献[15]。

2.3 控制系统

控制系统(见图6)是主动稳定杆的核心组成，包括ECU、电磁阀驱动板、CAN总线及相应附属电路。ECU使用MC9S12DG128单片机作为控制单元，该单片机是飞思卡尔公司推出的16位汽车级单片机，资源丰富，功能强大[16-17]，能够满足液压式主动稳定杆控制系统的需求。针对电磁开关阀开关频率高、瞬间电流大的特点，使用场效应管IRF540为电磁阀的驱动器。ECU与dSPACE通过CAN总线实现数据的传递[18]，位速率为250 KB/s。

图6 控制系统结构图Fig.6 Structure diagram of control system

3 实验结果与分析

3.1 条件设置

图7 DLC转向工况前轮转角Fig.7 DLC steering wheel angle

为研究ARC系统在汽车高速避险、高速超车[19]等情况下对汽车侧倾稳定性的影响，选择双移线转向(DLC)工况进行单轴HIL仿真实验[20]，DLC转向工况前轮转角如图7所示。设置车辆初速度为80 km/h，路面附着系数为0.8。ECU控制器采用分层控制原理，上层控制器使用“PID+前馈”控制算法用于计算反侧倾力矩，下层控制器采用BangBang控制算法，控制作动器输出该力矩[21]。

3.2 实验结果与分析

DLC转向工况实验结果见图8，侧倾角对比见图9。

图8 DLC转向工况实验结果Fig.8 Experimental results of DLC steering condition

图9 侧倾角对比Fig.9 Comparison of roll angle

由图8可知，在DLC转向工况下，主动稳定杆作动器推杆实际位移与目标位移差值较小，控制目标的跟随性较好；车身侧倾角最大值为1.2°，侧倾角速度最大值为6.4°/s。由图9可知，在被动稳定杆的情况下，车身侧倾角明显偏离目标值，最大差值为3.2°。由2种情况下相对比可知，主动稳定杆的性能明显优于传统被动稳定杆。实验结果表明，主动稳定杆可以有效地提高车辆的侧倾稳定性，减小车身侧倾角。该实验台架能够满足主动稳定杆的实验要求。

4 结 语

本文设计的液压式主动稳定杆HIL实验平台集成了控制器、实验台架、车辆模型等模块，单/双轴通用实验台架的设计实现了实验平台功能的多样化，利于深入研究。路面激励发生器的设计能够模拟路面对悬架的垂向激励，更贴近实际地反映液压式主动稳定杆在复杂路况下对汽车侧倾稳定性的改善。实验结果证明了该实验平台能够很好地模拟实验环境，验证控制算法，缩短研发周期，可为ARC系统的开发提供有力支持。

限于现有技术的不足和成本因素，该实验平台上的液压式主动稳定杆用的液压阀数量较多、体积较大，不能直接安装在实车上进行实验。下一步将针对现有设计的不足展开液压式主动稳定杆系统专用集成阀块的研究，将系统使用的液压阀集成在一个液压阀块上，减小系统空间的占用，为上车实验做准备。

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Design of hydraulic active stabilizer bar test platform based on dSPACE

CHEN Shan， PI Dawei， KONG Zhenxing， SHI Yangyang

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing，Jiangsu 210094, China)

For the study of the influence of hydraulic active stabilizer bar to vehicle lateral stability under high speed steering maneuver, the hydraulic active stabilizer bar HIL test platform is implemented. The HIL test platform is designed with single/double axles universal test bench to experiment on single or double axles active stabilizer bar, using MC9S12DG128 microcontroller as the core controller and running vehicle dynamics model in the dSPACE. This HIL platform is used to study the effect of the hydraulic active stabilizer bar on the vehicle roll stability under different types of the road and typical steering maneuvers. The experiment results illustrate that the hydraulic active stabilizer bar HIL test platform can simulate the experiment environment and provide a powerful support for the development of active stabilizer bar system.

vehicle engineering；hydraulic active stabilizer bar；roll stability；dSPACE；HIL test platform

1008-1542(2016)06-0533-07

10.7535/hbkd.2016yx06002

2016-08-15；

2016-09-30；责任编辑：张士莹

国家自然科学基金(51205204，51205209)；江苏省六大人才高峰资助项目(2014-JXQC-003)；中央高校基本科研业务费专项资金(30915118832)

陈 山(1989—)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要从事汽车电子、主动安全技术方面的研究。

皮大伟副教授，博士。E-mail:pidawei@mail.njust.edu.cn

U463.4

A

陈 山，皮大伟，孔振兴，等.基于dSPACE的液压式主动稳定杆实验平台设计[J].河北科技大学学报,2016,37(6):533-539. CHEN Shan，PI Dawei，KONG Zhenxing，et al.Design of hydraulic active stabilizer bar test platform based on dSPACE[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(6):533-539.