氣 壓 ABS 硬 件 在 環 試 驗 臺 設 計

胥 軍， 李文博， 董 健， 翟家駒

(武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070)

0 引 言

在載重卡車、工程車、乘用客車等商用車中，氣壓制動系統得到了廣泛地應用。氣壓制動系統主要由制動踏板、氣壓傳動回路、執行機構和控制單元等組成，其核心部件為氣壓ABS控制器[1-2]。傳統的ABS控制器開發過程需要進行大量的實車與道路試驗，成本高昂。本文選擇德國dSPACE公司基于Matlab/Simulink實時環境的開發與測試平臺[3-5]，搭建氣壓ABS硬件在環試驗臺，以車輛數學模型代替實車，ABS控制器輸出控制信號到車輛模型，接收車輛模型反饋的模擬傳感信號，并將傳感信號以圖形曲線的形式直觀顯示在上位機界面中，完成ABS控制器的仿真測試與性能驗證。應用結果表明，該試驗臺可替代ABS控制器開發初期的實車和道路試驗[6-7]，加快產品樣機的開發進程。

1 試驗臺總體設計

客車氣壓制動系統以壓縮空氣為制動源，其結構如圖1所示。

1-空壓機,2-空氣干燥器,3-駐車儲氣罐,4-四回路保護閥,5-前橋儲氣罐,6-后橋儲氣罐,7-雙槍制動閥,8-繼動閥,9-快放閥,10-手控閥,11-氣壓ABS閥,12-制動氣室,13-制動力傳感器,14-前制動壓力采集模塊,15-前自動調壓閥控制模塊,16-后自動調壓閥控制模塊,17-后制動壓力采集模塊,18-通信總線

圖1 客車氣壓制動系統結構

在車輛制動過程中，氣壓ABS制動的工作過程可劃分為以下3個階段:

第1階段氣體經過空壓機壓縮達到一定的壓力值后由排氣閥排出，經空氣干燥器干燥后進入儲氣罐中，儲氣罐中空氣的壓力值逐漸上升，直至達到設定壓力值上限，空壓機停止工作，儲氣罐內氣體氣壓值不再增加。

第2階段駕駛員踩動制動踏板促動雙腔制動閥，儲氣罐內的壓縮氣體分別經繼動閥和快放閥進入前輪和后輪的左右制動氣室。制動氣室將氣體的壓力能轉化為推桿的機械能，推動推桿、制動臂等制動力執行機構產生制動力矩作用于車輪，開始制動。

第3階段制動結束后，松開制動踏板閥，前輪和后輪左右制動氣室內的壓縮空氣分別經繼動閥和快放閥排入大氣，車輛解除制動，恢復正常行駛。

以某車型客車為目標車型，基于dSPACE軟硬件平臺，搭建氣制動ABS硬件在環試驗平臺，平臺結構如圖2所示。

試驗過程中，測得的氣室壓力信號,氣制動ABS的控制端加載在dSPACE控制終端，利用采集到的壓力數據，結合實際車型參數并導入Matlab/Simulink的車輛數學模型，可實現不同制動工況下的整車行駛狀態模擬；同時，基于Matlab/Simulink建立的控制器模型，壓力信號輸入車輛動力學模型運算單元中的制動模塊進行實時運算，實時反饋的制動氣室壓力信號變化使輪速發生變化，從而模擬整個制動過程。

圖2 硬件在環試驗臺結構

試驗臺所測得的制動回路壓力數據，不僅可單獨顯示在壓力顯示器上，還可通過CAN總線連接處理終端。在處理終端可對壓力數據進行導出、處理與綜合分析，包括制動氣室壓力的變化趨勢、波動特性等。

2 硬件設計

氣制動ABS硬件在環試驗平臺主要由客車氣壓制動系統、dSPACE實時仿真系統、工控機、傳感器和模擬駕駛臺組成。試驗臺的傳感與模型信號配置如表1所示。

表1 傳感與模型信號配置

試驗臺采用的dSPACE實時仿真系統由DSl103、DS2202、DS221l、IPG等模塊化硬件組成，控制信號由并行接口輸出，傳感信號由BNC同軸屏蔽電纜接入。dSPACE機箱與IPG機箱通過CAN通信口互聯，與制動臺架之間通過CAN協議通信。經過編譯的車輛模型可直接通過計算機下載到實時仿真系統中，進行控制策略驗證、試驗數據記錄與參數優化。

3 軟件設計

軟件設計采用基于Matlab和dSPACE/ControlDesk的軟件開發環境。利用Simulink模塊搭建仿真模型，氣壓ABS系統程序用dSPACE/DS1103來完成控制。

3.1 車輛動力學模型的建立

車輛動力學模型運算單元是一個具有8自由度的整車動力學模型[8-10]，是仿真運算的核心部分，能較真實地模擬車輛在不同工況下制動、驅動的響應。整車動力學模型如圖3所示。

圖3 整車動力學模型

8個自由度分別包括：車輛的縱向位移、側向位移、繞Z軸的擺動、繞X軸的側傾運動及4個車輪的轉動。仿真運算中還加入了制動器模型、路面模型、懸架模型、輪胎模型等[11-15]，綜合完成了對整車運動的仿真。經過與實車實驗數據對比，8自由度的整車動力學模型能很好地反映車輛在線性及非線性范圍內的動力學特征，能夠滿足氣壓ABS硬件在環仿真的需求。

3.2 控制模型的建立

ABS控制器的控制策略采用邏輯門限值控制，以角加減速度、滑移率S為門限，其控制過程根據路面分以下3種。

(1) 高附著系數路面的制動控制過程。圖4為車輛行駛在高附著系數路面時的制動控制過程，其中:vf表示車輛實際速度;vref表示車輛參考速度;vR表示車輪速度;S1表示高附著系數路面條件下的理想滑移率。

圖4 高附著系數路面的制動控制過程

在制動初始階段，需對滑移率進行比較，若SS1，確保附著系數與滑移率曲線處于峰值附近。隨后進行減壓，角減速逐漸減小，當角減速度在門限值-a之上時，進入保壓階段。此時，車輪速度仍在上升，角減速度由-a到+a，甚至超過+a。為適應附著系數的增加，設定正AK為第二加速度門限。當角加速度超過+AK，則制動壓力增大，直到角加速度位于-a～+a之間。制動壓力不斷增大或保持不變，直到角減速度在-a之下，此時，制動過程結束。

(2) 低附著系數路面的制動控制過程。圖5所示為車輛行駛在高附著系數路面時的制動控制過程，其中S2表示高附著系數路面條件下的理想滑移率。低附著系數路面與高附著系數路面的制動時的不同之處在于制動進入第3階段后，在保壓階段給定時間里內，車輪速度恢復得慢，無法達到+a門限。系統采用較小的減壓梯度，直到角減速度超過+a，進入保壓階段。之后與制動控制過程一致。

圖5 低附著系數路面的制動控制過程

(3) 高附著系數路面到低附著系數路面的制動控制過程。當路面條件突然轉換時，制動壓力仍為高附著系數路面制動時的高壓，由于附著系數較小，滑移率可能會超過S1、S2門限值。若超過S2，則表明車輪工作在不穩定狀態，此時應減壓，直至角減速度高于+a。之后與制動控制過程一致。

3.3 dSPACE軟件工作流程

實時軟件RTI是Matlab/Simulink仿真軟件與dSPACE硬件之間的連接工具。通過ControlDesk可以實現對試驗過程的綜合管理，實現變量與參數的可視化、試驗數據的自動存儲、報表輸出等。

在硬件環試驗測試過程中，將ABS控制策略加載到整車模型中，設置初始車速，然后由dSPACE輸出控制信號控制ABS閥，通過氣室頂桿作用于壓力傳感器，并將傳感器反饋信號輸入控制模型中，以檢驗車速的實時變化情況，仿真流程如圖6所示。

圖6 仿真試驗流程

4 功能驗證

基于本硬件在環試驗臺，與車輛模型進行實時通信，初始化配置后開始仿真驗證。以低附低附著系數路面的防抱死控制過程為例，ABS控制作用下的輪速仿真曲線如圖7所示，圖中紅色和藍色曲線為兩后輪輪速的實車試驗數據，綠色和黑色曲線為兩后輪輪速的仿真數據。由仿真結果可見，車輪未發生抱死的危險工況，車輪速度較好地跟蹤了車速的變化，并且車輪減速度控制在較理想范圍內，未出現大幅度的波動。從前后車輪速度的變化響應可見，盡管車輛在制動時前后輪胎所受的垂直載荷發生轉移，dSPACE/DS1103也能夠完全實現系統的獨立控制。

圖7 低附ABS起作用時輪速仿真結果

5 結 語

利用氣壓ABS硬件在環試驗臺，實現了氣壓ABS系統控制策略的在線驗證，獲得了各種制動工況下的控制參數。通過仿真驗證，豐富了邏輯門限值方法的控制范圍，可適應車輛在不同制動工況的制動控制要求，達到氣壓ABS精確控制的目標。應用結果表明，本文所設計的氣壓ABS硬件在環試驗臺仿真結果準確可靠，能大幅縮短ABS控制器樣機開發周期、節省開發成本。

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