基于氣動式加載系統的主動橫向穩(wěn)定器實驗臺架系統設計

賈兆功 董文博

摘要：為深入研究主動橫向穩(wěn)定器系統抗側傾性能，細致掌握轉向條件下主動橫向穩(wěn)定器系統的作用規(guī)律，本文設計了基于Simulink/Desktop Real-Time實時系統，采用氣動式加載系統的主動橫向穩(wěn)定器實驗臺架系統，為主動橫向穩(wěn)定器系統硬件在環(huán)試驗提供條件。本文介紹了實驗臺架系統的組成其工作原理，并對實驗臺架進行實時性與加載能力測試，結果表明所設計的實驗臺架可滿足試驗需求。

Abstract： In order to study the anti-roll performance of the active lateral stabilizer system in detail and to master the working rules of the active lateral stabilizer system under steering conditions， a active lateral stabilizer experimental bench system with pneumatic loading subsystem is designed based on Simulink/Desktop Real-Time， which provides conditions for hardware-in-the-loop testing of active lateral stabilizer system. This paper introduces the composition of the experimental bench system and its working principle， and tests the real-time performance and loading capacity of the experimental bench. The results show that the designed experimental bench can meet the test requirements. The calculation results show that the strength of experimental bench can fully meet the test requirements.

關鍵詞：主動橫向穩(wěn)定器;實驗臺架;氣動式加載系統

Key words： active lateral stabilizer;experimental bench;pneumatic loading system

0 ?引言

為對主動橫向穩(wěn)定器進行深入研究，分析動態(tài)環(huán)境下主動橫向穩(wěn)定器的抗側傾性能，主動橫向穩(wěn)定器實驗臺尤為重要。陳祥林[1]提出液壓式主動橫向穩(wěn)定器的模糊控制算法，自行設計了基于DSP的主動橫向穩(wěn)定器實時仿真控制平臺，并利用該控制平臺進行了硬件在環(huán)仿真實驗。A.Sorniotti等人[2]搭建了一種基于液壓加載的電機式主動橫向穩(wěn)定器系統實驗臺架，并對所設計的電機式主動橫向穩(wěn)定器進行性能實驗。張衛(wèi)霞[3]設計了基于液壓加載系統的主動橫向穩(wěn)定器實驗臺，并在此基礎上開發(fā)了基于Labview的顯示界面、實驗操作界面以及具有數據采集功能的操作軟件。陳山[4]設計了以液壓系統加載的液壓式主動橫向穩(wěn)定器實驗臺架，該實驗臺架基于dSPACE平臺，可實現較好的實時性能。上述實驗臺架皆以液壓系統進行加載，可實現較大的加載載荷及快速響應，但需要液壓工作站及復雜液壓管路等配合，系統過于龐雜，基于此本文提出利用電動氣泵進行加載的主動橫向穩(wěn)定器氣動式實驗臺，在實現有效加載的基礎上簡化加載系統。

1 ?實驗臺架系統概述

該實驗臺架系統為以單個電機式主動橫向穩(wěn)定器為研究對象的單通道橫向穩(wěn)定器平臺，采用氣動加載。實驗臺架模擬車輛轉向行駛時車輛左右兩側垂向載荷重新分配對主動橫向穩(wěn)定器擺臂產生的垂向激勵，并以此對主動橫向穩(wěn)定器進行加載。

1.1 主動橫向穩(wěn)定器實驗臺架系統組成

電機式主動橫向穩(wěn)定器實驗臺架系統包括加載子系統、實驗臺及基于Simulink/Desktop Realtime實時系統三部分。加載子系統包括電動氣泵、儲氣筒、換向閥、氣動活塞缸及加載子系統控制器等。實驗臺包括主動橫向穩(wěn)定器、主動橫向穩(wěn)定器控制器、試驗平臺鋼架結構及拉壓力傳感器等?；赟imulink/Desktop Real-Time的實時仿真系統包括安裝有2018版Matlab的筆記本電腦、基于Matlab/Simulink的整車動力學模型、Kvaser Leaf Light V2及其驅動程序等。

1.2 實驗臺架系統工作原理

在Simulink軟件環(huán)境運行的整車動力學模型，在輸入轉向盤轉角信號或前輪轉角信號后，可獲得該工況下車輛運行狀態(tài)，并將車輛的運行狀態(tài)如側向加速度、側傾角、車速等狀態(tài)量通過Kvaser設備以CAN報文的形式發(fā)送給主動橫向穩(wěn)定器控制器、加載子系統控制器。通過解析接收到的CAN報文，加載子系統控制器發(fā)送電動氣泵控制信號及組合閥開關信號，電動氣泵開始工作，向氣缸加載，以模擬主動橫向穩(wěn)定器擺臂端載荷變化;主動橫向穩(wěn)定器控制器根據獲得的車輛狀態(tài)信息，通過相關算法獲得當前車輛狀態(tài)下的期望反側傾力矩，并控制主動橫向穩(wěn)定器輸出反側傾力矩。其中該反側傾力矩由加載子系統控制器讀取拉壓力傳感器測得的拉壓力信號后，通過相關算法獲得。利用CAN通訊將該反側傾力矩值發(fā)送到整車模型中，使車身姿態(tài)得到調整，形成閉環(huán)實時仿真。

2 ?實驗臺架系統設計

2.1 加載子系統設計

加載子系統的主要功能為根據實時仿真系統內車輛運行狀態(tài)對主動橫向穩(wěn)定器進行加載。本文選用的電動氣泵內部集成有換向閥，該換向閥有兩個接口，分別與組合閥與儲氣筒相連。加載開始前，氣泵首先為儲氣筒加壓，預先存儲高壓氣體;加載過程中，儲氣筒內高壓氣體與氣泵產生的高壓氣體皆通過組合閥流入氣缸，以提高加載速度。加載子系統組合電磁閥采用車用級6通道組合電磁閥，其中4個通道分別與兩個氣缸上的四個氣路接口相連;一個通道與電動氣泵相連;一個通道與儲氣筒相連;此外該組合電磁閥其還內置壓力傳感器，可對氣缸及儲氣筒內壓力進行檢測。氣缸作為加載執(zhí)行單元，具有雙進出氣口，可從氣缸活塞兩側交替供氣，實現氣缸活塞快速伸縮。加載子系統控制器主控芯片采用恩智浦公司的32位MPC5634芯片，控制加載子系統加載與卸載以及與主動橫向穩(wěn)定器控制器和實時仿真系統進行實時通訊。

2.2 實時仿真系統設計

實驗臺架系統基于Simulink/Desktop Real-Time，該系統以Simulink軟件搭建仿真環(huán)境，采用Desktop Real-Time所提供的實時核心，可在Windows操作系統下實現實時仿真，并通過相關硬件板卡將仿真數據輸出。本文利用Kvaser Leaf Light V2設備將仿真數據以CAN報文形式發(fā)送至臺架系統其他模塊，實現實時通訊[8-9]?；贒esktop Real-Time的實時仿真系統分為正常模式、外部模式、加速模式，因在正常模式下其對Simulink模型解算器無要求，可適應變步長解算器，以及正常模式下的實時仿真對模型的相關設置相對較少，可在保證實時仿真精度的同時簡化仿真流程，本文實時仿真系統采用正常模式，正常模式下的實時仿真采樣率可達到1kHz。實時仿真系統采用9自由度的車輛動力學模型，可對一些車輛典型轉向工況進行仿真[10-11]。

2.3 實驗臺設計

實驗臺架為單通道主動橫向穩(wěn)定器實驗臺，包括電機式主動橫向穩(wěn)定器及其控制器、實驗平臺鋼架結構及相關固定件、拉壓力傳感器等。

主動橫向穩(wěn)定器被襯套固定在實驗平臺鋼架上，襯套安裝在內嵌有拉壓力傳感器的固定支座。拉壓力傳感器的主要功能為實時測量主動橫向穩(wěn)定器在實驗過程中輸出的反側傾力矩。加載時，氣缸通過主動橫向穩(wěn)定器擺臂對主動橫向穩(wěn)定器施加載荷，當主動橫向穩(wěn)定器輸出反側傾力矩時會對位于襯套內的拉壓力傳感器施加作用力，利用該作用力可對主動橫向穩(wěn)定器輸出的反側傾力矩進行估算。

為便于實驗臺相關部件安裝，在設計實驗平臺鋼架結構基礎上，設計了相關固定件，實驗臺模型總如圖1所示，其實物總成圖如圖2所示。

3 ?實驗臺架系統測試

將運行有整車動力學Simulink模型的筆記本電腦與主動橫向穩(wěn)定器控制器、加載子系統控制器利用Kvaser Leaf Light V2連接，選擇轉向盤角階躍輸入工況作為測試環(huán)境。測試過程中，將轉向盤角階躍信號等效為前輪角階躍信號輸入整車模型，經整車模型運算后將車輛狀態(tài)信號發(fā)送至兩個電控單元，然后電控單元將收到的信號再發(fā)送回整車模型中，以模擬硬件在環(huán)實驗過程模型與電控單元的數據交流。對經電控單元發(fā)送回的車輛狀態(tài)信號接收值與模型原有仿真值進行比較，以測試系統實時性及數據誤差狀況。

測試所用車輛狀態(tài)信號為整車模型的側傾角。前輪角階躍輸入信號如圖3所示，車身側傾角整車Simulink模型仿真值、經電控單元接收后發(fā)送到模型的狀態(tài)信號接收值如圖4所示。

由圖4可知，在前輪角階躍輸入信號激勵下，整車Simulink模型可快速對車輛狀態(tài)進行模擬，實時計算出當前車輛側傾角變化。由于信號激勵為階躍輸入，側傾角仿真值在1s～2s內出現震蕩，之后逐漸趨于穩(wěn)定，其達到穩(wěn)態(tài)的時間與輸入信號有滯后，但在允許范圍之內。將仿真值通過CAN通訊發(fā)送到電控單元，解析CAN報文得到圖4所示電控單元接收值。由圖4可看出，仿真值與接收值比較接近，但不完全重合。在1s～2s內，由于車身狀態(tài)快速變化，仿真數據量增大，仿真計算值未能全部發(fā)送給電控單元，因此接收值曲線呈現階梯狀。為體現仿真數據值經CAN通訊傳輸后變化，將圖4中仿真值與接收值同一時刻的數據做差，如圖5所示。

由圖5可知，數據差異在1s～2s內最為明顯。在1s～2s內數據差異最大為0.006342，此時誤差為34.6%，因該差異值為孤立值，不排除此數據出錯可能。1s～2s內誤差平均值為9.74%，2s之后，誤差有波動，但逐漸減小，因此該實時系統數據誤差滿足實驗需要。

對實驗臺進行加載測試，實驗臺最大加載可達到2kN，加載效果滿足試驗要求。

4 ?結束語

本文所設計的基于Simulink/Desktop Real-Time實時仿真系統的主動橫向穩(wěn)定器氣動式實驗臺架系統可實現對低速小轉角車輛狀態(tài)的模擬，為主動橫向穩(wěn)定器系統硬件在環(huán)試驗提供了硬件基礎。本文根據主動橫向穩(wěn)定器系統對實驗臺架的功能需求對實驗臺架進行測試，其加載性能與實時性可滿足實驗需要。實驗臺架仍需通過硬件在環(huán)試驗驗證實驗臺架綜合性能，因此硬件在環(huán)試驗研究將為接下來的研究方向。

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作者簡介：賈兆功（1993-），男，碩士研究生，主要從事汽車動態(tài)仿真與控制研究。