基于LabVIEW的氣壓防抱死制動系統模擬

□ 李曼莉 □ 郭旭紅

1.蘇州大學機電工程學院 江蘇蘇州 215006

2.昆山第二中等專業學校 江蘇昆山 215300

1 研究背景

目前對汽車氣壓防抱死制動系統（ABS）進行模擬的軟件有 Carsim、Adams/Car、AMEsim、LabVIEW 等。LabVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言，其開發環境具有眾多優點，從流程圖式編程、數據探針調試，到豐富的函數功能、數值分析、信號處理和設備驅動等，都令人稱道。筆者應用LabVIEW軟件對氣壓ABS進行模擬。

目前氣壓ABS主要采用邏輯門限值控制方法，這一方法判斷邏輯簡單，實時響應性好。筆者編制的模擬程序采用以加、減速度作為主控門限，以滑移率作為第二門限的控制方法［1-4］。采用加、減速度和滑移率的門限值進行綜合控制，具有較高的自適應控制能力，能保證在各種行駛狀態和不同路面情況下實現防抱死制動。

2 運算模塊設計

2.1 數據采集結構

運算模塊是整個氣壓ABS的核心部分，系統所有控制功能的實現均依賴于運算模塊的運算結果與運算速度。筆者在LabVIEW軟件中開發用戶程序，進而實現運算模塊的全部功能。數據采集結構如圖1所示。

數據采集卡上的模數轉換器將外部模擬量信號轉換為數字量信號后，數字量信號存儲在數據采集卡上的緩沖區中。通過中斷或DMA方式，將數字量信號傳送到計算機內存中，DMA方式是將數據導入或導出計算機內存的最快方式。用戶在LabVIEW編程環境中通過符號化編程語言，基于生產廠商提供的數據采集卡驅動程序，方便快速地進行編程，實現對數據的采集、處理及分析功能。

▲圖1 數據采集結構圖

2.2 系統前面板

系統前面板是用戶操作和信息顯示的面板，要求界面友好、直觀，且便于操作。前面板可以直觀顯示防抱死制動過程中氣路、電路及各主要電磁閥的工作情況，車速、輪速和頻率的變化，加、減速度和滑移率門限值的調節，以及相關功能按鈕等，如圖2所示。

2.3 輪速信號采集與計算

轉速信號的采集實質是對輪速傳感器產生的連續方波進行測量與計算，求得信號的頻率，進而得到車輪轉動的角速度和線速度［5-6］。

▲圖2 系統前面板

通過波形模擬器模擬輪速信號，并通過數據采集程序記錄輪速信號一個周期內通過的時基脈沖數量，即可求得車輪的角速度 ω=2π/（ZTG），進而得到車輪的線速度vR=ωR。

求得車輪的線速度后，可以根據輪速數據的變化進行相應分析計算，包括車輪加、減速度和滑移率等，從而為后續處理提供依據。

2.4 車輪加、減速度計算

車輪的加、減速度就是單位時間內輪速的變化量，即：

式中：ωk和ωk-1分別為當前采樣時刻和上一采樣時刻的車輪角速度。

2.5 滑移率計算和參考車速確定

滑移率s是邏輯門限控制的重要參數，表達式為：

式中：v為車身運動速度。

車輪線速度可以通過車輪轉速傳感器獲得，但是車身運動速度的測量就比較困難。筆者在所采集的輪速數據的基礎上，通過一定算法得到參考車速vRef來近似表征實際車速［7-8］。

如果汽車處于減速度運動或防抱死制動壓力調節期間，當車輪減速度達到減速度門限值時，以四個車輪中的最高速度作為參照速度vr，再將前一循環中的汽車速度 vRef1與該參照速度 vr進行比較，若 vr＜vRef1，則vRef1=vr-|a|t；若 vr=vRef1，則 vRef1=vr。

如果汽車處于加速度運動，當車輪加速度達到加速度門限值時，以四個車輪中的最低速度作為參照速度vr，再將前一循環中的汽車速度vRef1與該參照速度vr進行比較，若 vr＞vRef1，則 vRef1=vr+at；若 vr=vRef1，則 vRef1=vr［9］。

2.6 控制邏輯

獲得加、減速度和滑移率之后，就可以和預置門限進行比較，根據不同的工作狀態確定下一步的輸出［10］。

具體控制邏輯如圖3所示。

▲圖3 系統控制邏輯

3 程序編制

筆者所設計的氣壓ABS控制程序框圖如圖4所示。

3.1 程序結構

控制程序采用模塊化設計，具體包括如下模塊［11］。

（1）車輛參數輸入模塊。

（2）初始化模塊，包括制動初始速度設定和各門限值設定等。

（3）運算模塊，包括滑移率、附著因數及車輪車身運動速度計算。

（4）ABS控制模塊。采用子虛擬儀器形式，并對接口板進行標準化設計，便于算法升級。

3.2 模擬過程描述

系統通過GFG-8216A函數信號產生器模擬方波信號，以進行輪速信號的模擬。輪速信號是防抱死制動控制程序的模擬信號，數據采集卡采集這一信號并傳送至中央處理器。函數信號產生器如圖5所示。

氣壓ABS統一采用高附著因數路面，即平坦、干燥、表面粗燥的瀝青路面，附著因數約為0.7，制動初速度為90 km/h。

控制程序開始前，需要先輸入車型參數，包括輪速傳感器齒數、輪胎有效半徑等，然后對制動初始速度、滑移率門限值，以及加、減速度門限值進行設定。程序開始后，系統通過采集卡對模擬器進行輪速信號采集，再按程序所制訂的算法對車輪輪速進行計算，并計算出車輪滑移率和角速度。系統根據車輪滑移率和角速度的計算結果，求得單個車輪的速度變化情況，同時，根據車輪滑移率和角速度的變化情況，選定ABS算法，進行防抱死制動控制，直到車輪速度為0，模擬結束。

▲圖4 系統控制程序框圖

▲圖5 函數信號產生器

4 模擬結果分析

模擬初始參數包括模擬對象的物理數據、程序設定的門限值等，見表1。

表1 模擬初始參數

制動程序主界面包括車速輪速變化顯示部分、系統初始參數設置部分和工作路線動作部分。汽車緊急制動時，踩下制動踏板，制動氣室壓力急劇升高，車速減慢，輪速也驟然減慢。當ABS控制單元根據所收集的信號判斷汽車有抱死趨勢時，向壓力調節器發出控制信號，減小制動氣室的制動氣壓力，解除車輪抱死的趨勢，這時輪速又加快。ABS通過使趨于抱死的車輪的滑移率控制在10%～30%，使被控車輪獲得盡可能大的縱向附著力和較大的橫向附著力，從而使汽車具有良好的制動性能和制動時的方向穩定性，提高汽車的安全性。

在運行控制程序前，先設定好控制程序的各初始參數。然后運行程序，根據制動踏板的信號，輪速傳感器返回至前面板上的方波信號越來越少，一直到車輪將要抱死時，氣壓ABS進行防抱死處理，使制動氣室氣壓減小而不能抱死，這樣方波信號又逐漸增多。下一次循環又將抱死時，采用同樣的方法，通過反復循環使車輪處于似抱死非抱死的狀態，使滑移率始終處于穩定區域。

5 結論

通過模擬氣壓ABS可知，控制程序中輪速信號的采集技術決定了加、減速度及滑移率等計算的準確性。同時，通過修改系統各項參數，可以方便考察各參數對動態響應特性的影響。

通過模擬，得到以下幾點啟示：①信號采集技術的精確與否將影響氣壓ABS控制過程的實施；②控制邏輯的準確、合理與否將影響防抱死制動工作過程的有效性；③車輪加、減速度及滑移率門限值等重要參數的設定對氣壓ABS工作影響較大。

［1］侯光鈺.車輛防抱死制動系統的控制技術研究［D］.南京：東南大學，2005.

［2］冷雪，李文娟，王旭東，等.汽車防抱死制動系統三種控制算法制動性能比較［J］.自動化技術與應用，2009，28（2）：74-77，89.

［3］唐國元，賓鴻贊.ABS的模糊滑模變結構控制方法及仿真研究［J］.中國機械工程，2007，18（13）：1629-1632.

［4］宋健，陳在峰.制動器耗散功率最大為目標的ABS控制方法［J］.清華大學學報（自然科學版），1997，37（12）：95-98.

［5］周求湛，錢志鴻，劉萍萍，等.虛擬儀器與LabVIEW 7 Express程序設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［6］劉君華，賈惠芹，丁暉，等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2001.

［7］楊欣.基于LabVIEW的汽車防抱死系統設計與仿真［D］.保定：華北電力大學（河北），2005.

［8］侯貽棟.汽車防抱死制動系統動態模擬仿真研究［D］.西安：長安大學，2002.

［9］黃銀娣，閔永軍，萬茂松.新型汽車電控系統及其檢修［M］.北京：中國林業出版社，2001.

［10］孫習武.車輛防抱制動系統的仿真研究［D］.合肥：合肥工業大學，2006.

［11］徐小東，韓穎.工程機械產品模塊化設計的研究［J］.機械制造，2016，54（11）：34-37.