構建基于PXI電子液壓制動系統(tǒng)EHB駕駛員在回路混合

實驗臺外觀

行業(yè)：

工業(yè)控制/ 設備/ 系統(tǒng)

產(chǎn)品：

NI VeriStand, PXI-6289, LabVIEW, PXI-8196 RT, FPGA模塊, LabVIEW Real-Time Module, PXI-1042Q, PXI-7851R, PXI-8464/2, PID控制工具包

挑戰(zhàn)：

研發(fā)EHB控制器的關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)實技術的混合仿真平臺，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的實際操縱動作對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。

解決方案：

利用LabVIEW構建輪缸壓力測控系統(tǒng)，在大量測試試驗的基礎上選擇合適的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)周期和應用程序開發(fā)成本。

利用LabVIEW和PXI，我們成功開發(fā)了混合仿真平臺，并縮短了開發(fā)周期和應用程序開發(fā)成本。

在過去的二十年里，電子設備在汽車工業(yè)得到廣泛應用，今天的汽車已經(jīng)進入了電子技術的時代。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產(chǎn)品，受到了廣泛的關注。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) (HIL)測試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。

1 基于LabVIEW的輪缸壓力測試系統(tǒng)

受高速開關閥電磁鐵的響應能力及閥芯運動時間的影響，實際的閥芯響應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。因此需要搭建如圖1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 (DAQ)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。圖 2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。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 增壓特性曲線

2 駕駛員混合仿真實驗平臺總體構造

硬件結(jié)構如圖3所示，在原博世ESP8.0 HCU基礎上增加高壓蓄能器、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，NI PXI-8464接受轉(zhuǎn)角傳感器的CAN總線信號，NI 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NI 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。

圖3混合仿真平臺組成——硬件(左)和軟件架構(右)

基于LabVIEW和NI VeriStand開放式的開發(fā)環(huán)境的軟件架構如上圖所示。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)廠家和零部件供應商提供了適當?shù)姆抡孳浖?。通過在圖形化界面中設置參數(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，很好地反應車輛在各種工況條件下的動力學特性。