基于Labcar的ABS控制器HIL測(cè)試＊

孫陳迪 過(guò)學(xué)迅 裴曉飛 齊志權(quán)

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 武漢 430070）

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院2） 北京 100081）

0 引 言

現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)（ECU）的開發(fā)中廣泛采用了“V 模式”流程［1］.該流程主要分為5個(gè)環(huán)節(jié)：離線功能設(shè)計(jì)、快速控制原型（RCP）、目標(biāo)代碼生成、硬件在環(huán)（HIL）、標(biāo)定與匹配.其中，HIL測(cè)試是“V 模式”開發(fā)流程中驗(yàn)證ECU 核心功能的重要環(huán)節(jié)［2-4］.目前市場(chǎng)上主流的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)包括dspace，ETASLabcar，Matlab xPC和Labview RT 等.相較而言，在ETAS Labcar的仿真工控機(jī)（RTPC）中運(yùn)行Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu)，通過(guò)對(duì)板卡的靈活配置可滿足不同被測(cè)系統(tǒng)的需求［5-6］.由于Labcar的輪速板卡ES1337 可以模擬各種類型的輪速信號(hào)，特別適合用于ABS／ESP 系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試［7］.汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）作為一種成熟電控產(chǎn)品，已經(jīng)在各類汽車上得到廣泛應(yīng)用.目前ABS ECU 一般采用邏輯門限值算法，根據(jù)車輪加減速度和參考滑移率作為門限值進(jìn)行增壓，減壓和保壓調(diào)節(jié)，使得車輪滑移率在最優(yōu)值附近波動(dòng)［8］.因此，ABS ECU 的性能與車輛動(dòng)力學(xué)模型、輪胎模型、道路環(huán)境以及制動(dòng)系統(tǒng)等因素密切相關(guān)［9-10］.

本文主要針對(duì)基于邏輯門限值的ABS控制器進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試.首先建立了HIL 的測(cè)試體系，介紹了Labcar的軟硬件平臺(tái).在VDYM 人-車-路模型的基礎(chǔ)上，完善了HIL 測(cè)試所需的ABS仿真模型.最后聯(lián)立液壓制動(dòng)臺(tái)架，對(duì)ABS ECU 進(jìn)行了高／低附著路面下性能驗(yàn)證.通過(guò)HIL測(cè)試，可以方便的對(duì)控制算法和模型參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的修改以達(dá)到最佳控制效果.

1 ABS硬件在環(huán)體系

基于Labcar軟硬件平臺(tái)建立的ABS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)如圖1所示，包括Labcar PC，RTPC、硬件板卡、ABS ECU 和液壓制動(dòng)系統(tǒng)5個(gè)部分.

系統(tǒng)工作流程如下：在Labcar PC的IP軟件中新建項(xiàng)目文件，并對(duì)硬件板卡進(jìn)行配置.待添加ABS仿真模型后，連接模型中的輸入輸出模塊與板卡，經(jīng)過(guò)編譯通過(guò)Ethernet網(wǎng)下載到RTPC中.RTPC不僅通過(guò)相關(guān)板卡接收來(lái)自液壓制動(dòng)系統(tǒng)的輪缸壓力信號(hào)，并且將模型實(shí)時(shí)計(jì)算得到的輪速信息，通過(guò)相關(guān)板卡輸送給ABS ECU .而ABS ECU 則通過(guò)電磁閥和電機(jī)的動(dòng)作指令調(diào)節(jié)輪缸的制動(dòng)壓力.在HIL 測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)人員可利用EE 軟件全程監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修改.

圖1 硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

2 VDYM 模型剪裁

在ABS HIL 測(cè)試中，仿真模型的精度直接決定了測(cè)試結(jié)果的有效性.如果模型過(guò)于簡(jiǎn)單，則無(wú)法反映車輛動(dòng)力學(xué)的真實(shí)特性；模型過(guò)于復(fù)雜則會(huì)影響其計(jì)算速度，仿真結(jié)果也較難收斂.VDYM 模型是ETAS公司專為博世ABS／ESP控制器所開發(fā)的Matlab／Simulink 模型，能較好的滿足仿真實(shí)時(shí)性和精確性的要求.根據(jù)ABS HIL測(cè)試體系的要求，對(duì)該模型進(jìn)行適當(dāng)剪裁.

2.1 駕駛員模型

在駕駛員模型中，可以依據(jù)駕駛員的意愿進(jìn)行轉(zhuǎn)向、離合、換擋、加速、制動(dòng)及設(shè)定巡航車速等一系列操作.在對(duì)車輛的橫向控制中，主要是通過(guò)改變方向盤的轉(zhuǎn)向角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而縱向控制中，需要設(shè)定駕駛員的期望車速.在VDYM 模型中，上述兩個(gè)參數(shù)分別用DriverStimSteeringWheel-Angle和U＿TargetSpeedStim 來(lái)表征，并且均可在用戶界面EE中以圖形化的方式直接修改具體數(shù)值.在ABS試驗(yàn)中，可將方向盤轉(zhuǎn)角設(shè)置為0，即車輛保持直線行駛；而目標(biāo)車速則可根據(jù)ABS制動(dòng)時(shí)的初始車速進(jìn)行設(shè)置，本試驗(yàn)中設(shè)為110 km／h.

2.2 道路模型

道路模型需要盡可能真實(shí)的還原車輛行駛環(huán)境.在VDYM 模型中，不僅可以選擇道路的類型，如直道、環(huán)形道路、雙移線道路等，還能方便的設(shè)置路面附著系數(shù).通過(guò)修改變量my＿LF，my＿LR，my＿RF和my＿RR 的數(shù)值，能夠獨(dú)立的表征各個(gè)車輪所處的路面附著系數(shù)，因此可以靈活的將路面類型配置成高／低附著，對(duì)開／對(duì)接等多種形式.在本試驗(yàn)中，需要通過(guò)StimLane將路徑類型設(shè)定為直道；而對(duì)于高附著路面和低附著路面，附著系數(shù)分別設(shè)為0.7和0.3.

2.3 車輛模型

VDYM 的車輛模型由發(fā)動(dòng)機(jī)模型、動(dòng)力傳動(dòng)模型、制動(dòng)模型以及車輛動(dòng)力學(xué)模型四部分組成.由于本試驗(yàn)主要考慮的是制動(dòng)工況，并且采用了真實(shí)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，因此這里重點(diǎn)針對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行剪裁.首先斷開車輛動(dòng)力學(xué)模型與制動(dòng)模型之間的連接，通過(guò)Input＿LF，Input＿RF，Input＿LR，Input＿RR 直接將采集到的4 路輪缸壓力大小，換算成制動(dòng)力矩輸入到車輛動(dòng)力學(xué)模型中.同樣，模型計(jì)算得到的4路輪速數(shù)值Veh＿v＿Wheel＿LF，Veh＿v＿Wheel＿RF，Veh＿v＿Wheel＿LR，Veh＿v＿Wheel＿RR，通過(guò)輪速模擬板卡ES1337輸送給ABS ECU，從而將ABS ECU、VDYM 模型與液壓制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng).

3 ABS液壓制動(dòng)臺(tái)架

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)純數(shù)值仿真方法設(shè)計(jì)出的控制器在系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制中可能得不到期望的控制效果，這是因?yàn)樵诩償?shù)值仿真中忽略了實(shí)際系統(tǒng)的某些特性或參數(shù).同樣對(duì)于汽車制動(dòng)系統(tǒng)，由于存在強(qiáng)非線性和滯后性，很難準(zhǔn)確的建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，僅僅把數(shù)學(xué)模型作為實(shí)際對(duì)象的近似表示，擬合的結(jié)果往往不能滿足實(shí)際要求.因此，這里采用ABS控制器和制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物來(lái)替代VDYM 中的部分虛擬模型，從而構(gòu)建HIL 測(cè)試所需的閉環(huán)控制系統(tǒng).

在ABS邏輯門限值方法中，有三個(gè)重要的組成部分，即路面識(shí)別模塊、參考車速估計(jì)模塊和門限值（車輪減速度／滑移率）標(biāo)定模塊.基于HIL控制架構(gòu)，可以非常方便的對(duì)每個(gè)算法模塊或其組合進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)圖2.

圖2 ABS控制器開發(fā)流程

為了加快ABS控制器的開發(fā)進(jìn)度，開始時(shí)直接使用VDYM 模型中的車輪滑移率，從而專注于對(duì)滑移率門限值的標(biāo)定.待不同路面條件下的邏輯門限值確定后，再將Labcar的輪速模擬板卡提供的四路輪速引入，將所估計(jì)的參考車速與車輛模型提供的車速進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.在此基礎(chǔ)上加入路面識(shí)別環(huán)節(jié)，并用模型中所設(shè)置的路面類型對(duì)其算法進(jìn)行修正.這樣從最小閉環(huán)控制起，通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊的算法累加，即能最終完成ABS控制器的開發(fā).由于路面模型無(wú)法模擬路面的垂向顛簸度，因此與實(shí)際ABS控制器相比，唯一不同的是無(wú)法設(shè)計(jì)車輛過(guò)溝／過(guò)坎工況的算法補(bǔ)償.

圖3給出了ABS液壓制動(dòng)臺(tái)架.壓力調(diào)節(jié)器采用大陸MK60 HCU，并將12個(gè)電磁閥和電機(jī)的控制線引出與ABS控制器的驅(qū)動(dòng)電路相連.制動(dòng)輪缸采用邁騰原車的前后盤式制動(dòng)器，并在輪缸入口加裝了壓力傳感器，將測(cè)得的壓力信號(hào)反饋到RTPC 的仿真模型中.與傳統(tǒng)ABS 液壓制動(dòng)臺(tái)架稍有不同的是，這里取消了電子真空助力器，而是直接使用電機(jī)泵油來(lái)主動(dòng)建壓.一旦通過(guò)EE的GUI界面使能ABS控制開關(guān)，立即將主缸壓力建立至12MPa（足以使車輪抱死），然后通過(guò)控制8個(gè)輪缸電磁閥的通斷來(lái)調(diào)節(jié)輪缸壓力，從而避免車輪抱死.

圖3 ABS液壓制動(dòng)臺(tái)架

4 實(shí)驗(yàn)分析

基于上述HIL 測(cè)試平臺(tái)，就可以方便地對(duì)ABS ECU 完成各種性能考核，對(duì)于不同路面條件（高／低附著、對(duì)開／對(duì)接），不同初始車速（低速／高速），不同載荷（空載／滿載），離合器接合／分離下的ABS測(cè)試，只需要在EE 界面修改VDYM 模型中相關(guān)參數(shù)即可.為了對(duì)純軟件仿真與硬件在環(huán)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，將左前輪與右后輪接入硬件在環(huán)系統(tǒng)，右前輪與左后輪處于純軟件仿真模式.這里給出兩組ABS典型路面下的HIL測(cè)試結(jié)果.

4.1 高附著路面

將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.7，初始制動(dòng)車速設(shè)定為110km／h.圖4反映了ABS制動(dòng)過(guò)程中速度、滑移率以及輪缸壓力的變化情況.

圖4 高附著路面測(cè)試結(jié)果

圖4a）左前輪和右后輪的輪速波動(dòng)相對(duì)偏大，同時(shí)單次ABS循環(huán)的周期較長(zhǎng).圖4b）也反映出雖然4個(gè)車輪滑移率的均值相當(dāng)，但右前輪和左后輪的滑移率被控制在0.1～0.2之間，而左前輪和右后輪的滑移率的變化范圍為0.05～0.4.這是由于實(shí)際液壓制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)滯后引起的，從圖9c）代表的輪缸壓力曲線也能體現(xiàn).左前輪和右后輪的初始建壓時(shí)間約有0.5s的延遲，同時(shí)增減壓的速率也相對(duì)較慢，從而導(dǎo)致ABS制動(dòng)中的控制循環(huán)次數(shù)較少.

4.2 低附著路面

將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.3，初始制動(dòng)車速設(shè)定為110km／h.ABS制動(dòng)下的速度、滑移率和壓力曲線見(jiàn)圖5.

由圖5可知，在低附著路面上由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)導(dǎo)致的相關(guān)結(jié)論仍然適用，并且減壓速率更慢.同時(shí)相對(duì)于高附著路面，ABS 的調(diào)控次數(shù)顯著增多（左前輪多6次；右后輪多4次），制動(dòng)時(shí)間顯著延長(zhǎng)（多5.9s）.如圖5a），b）所示，輪速波動(dòng)及滑移率變化范圍更加明顯，而圖5c）表明，輪缸壓力的調(diào)節(jié)范圍由高附著的6～10MPa降至1～3 MPa，與實(shí)際ABS制動(dòng)特性相符合.

圖5 低附著路面測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

1）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，HIL測(cè)試與純數(shù)值仿真相比，由于接入了真實(shí)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，ABS 控制器的邏輯參數(shù)更具有實(shí)際意義.

2）與實(shí)車測(cè)試相比，基于Labcar的硬件在環(huán)測(cè)試能夠方便地進(jìn)行各種工況下的ABS測(cè)試，同時(shí)可以根據(jù)測(cè)試結(jié)果反復(fù)標(biāo)定邏輯門限值，為快速開發(fā)ABS控制器提供了一種有效的手段.

3）下一步可結(jié)合Labcar的故障注入功能，著重完善ABS控制器的故障診斷邏輯，為其產(chǎn)品化打下基礎(chǔ).

［1］張 為，王偉達(dá)，車堅(jiān)志，等.基于V 模式的機(jī)電復(fù)合傳動(dòng)能量管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（10）：1-7，13.

［2］SCHUETTE H，WAELTERMANN P.Hard-warein-the-loop testing of vehicle dynamics contr-ollers-A Technical Survey［C］.SAE Paper，2005-01-1660，2005.

［3］CHUL S.Evaluation of motor characteris-tics for hybrid electric vehicles using the hardware-in-theloop concept［J］.IEEE Transactions on Vehicu-lar Technology，2005，54（3）：817-824.

［4］MARTIN A，EMAMI M A.Dynamic load emulation in hardware-in-the-loop simulation of robot manipulator［C］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（7）：2980-2987.

［5］鄭朝武.基于LabCar的ISG 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略仿真與測(cè)試［D］.杭州：浙江大學(xué)，2011.

［6］李淑英.基于LabCar2AT 的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)開發(fā)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009.

［7］張?jiān)魄澹苄￡?yáng)，陳 偉，等.基于車輪減速度及滑移率的ABS聯(lián)合仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（8）：2171-2176.

［8］王偉達(dá)，丁能根，張 為，等.ABS邏輯門限值自調(diào)整控制方法研究與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（22）：90-95，104.

［9］陳 炯，王會(huì)義，宋 健.基于滑移率和減速度的ABS模糊控制仿真研究［J］.汽車工程，2006，28（2）：148-151，180.

［10］張 為，丁能根，余貴珍，等.汽車ABS電子控制單元綜合性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（9）：37-40.