構(gòu)建基于PXI電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)EHB駕駛員在回路混合

實(shí)驗(yàn)臺(tái)外觀(guān)

行業(yè)：

工業(yè)控制/ 設(shè)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(guān)鍵點(diǎn)在于通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)掌握?qǐng)?zhí)行元件的工作性能，在模擬環(huán)境下有效地進(jìn)行參數(shù)仿真、軟件仿真，減少實(shí)際路面測(cè)試帶來(lái)的困難，并開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合仿真平臺(tái)，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的實(shí)際操縱動(dòng)作對(duì)EHB快速原型的控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證和逼真的產(chǎn)品性能演示。

解決方案：

利用LabVIEW構(gòu)建輪缸壓力測(cè)控系統(tǒng)，在大量測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(kāi)關(guān)電磁閥，滿(mǎn)足對(duì)輪缸壓力控制的要求;通過(guò)NI PXI-8464 CAN總線(xiàn)接口卡以及NI PXI-6289數(shù)據(jù)采集卡完成硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中方向盤(pán)、電子油門(mén)、制動(dòng)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(mǎn)足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需要;在Veristand軟件平臺(tái)上，聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實(shí)時(shí)車(chē)輛模型，大大縮短了混合仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)成本。

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

在過(guò)去的二十年里，電子設(shè)備在汽車(chē)工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，今天的汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入了電子技術(shù)的時(shí)代。隨著人們對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高，線(xiàn)控制動(dòng)系統(tǒng)(brake-by-wire)應(yīng)運(yùn)而生，電子液壓制動(dòng)EHB可以借鑒ESP系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(dòng)力，是機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到了廣泛的關(guān)注。作為開(kāi)放的線(xiàn)控控制系統(tǒng)，配備了傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)中沒(méi)有的輪缸壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿(mǎn)足四通道獨(dú)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，一些成熟的仿真測(cè)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(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一系列產(chǎn)品的幫助下通過(guò)硬件在環(huán) (HIL)測(cè)試進(jìn)行深入的控制研究，減小了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的的開(kāi)銷(xiāo)，為今后的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。

1 基于LabVIEW的輪缸壓力測(cè)試系統(tǒng)

受高速開(kāi)關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際的閥芯響應(yīng)不能完全跟隨脈寬信號(hào)的變化，脈沖調(diào)制周期和占空比對(duì)其影響很大。因此需要搭建如圖1所示的測(cè)試平臺(tái)，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線(xiàn)。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(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大為12V的PWM信號(hào)控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號(hào)通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為0～5電壓信號(hào)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(xiàn)，當(dāng)占空比小于15或大于89時(shí)由于電磁閥的死區(qū)和飽和效應(yīng)電磁閥無(wú)動(dòng)作。LabVIEW幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建這樣的測(cè)試系統(tǒng)，確定PWM信號(hào)合適的載波頻率。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 增壓特性曲線(xiàn)

2 駕駛員混合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)造

硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，在原博世ESP8.0 HCU基礎(chǔ)上增加高壓蓄能器、高壓泵電機(jī)等元件，改造成EHB液壓控制單元。混合仿真平臺(tái)存在兩個(gè)回路。一個(gè)是信號(hào)的回路，NI PXI-8464接受轉(zhuǎn)角傳感器的CAN總線(xiàn)信號(hào)，NI PXI-6289采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個(gè)輪缸壓力傳感器信號(hào)和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號(hào)。上述信號(hào)傳送給PXI-8196中實(shí)時(shí)運(yùn)行的車(chē)輛模型。實(shí)時(shí)模型給出的控制信息通過(guò)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(jī)，完成閉環(huán)。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀(guān)察顯示器中車(chē)輛的三維動(dòng)畫(huà)通過(guò)駕駛員操縱單元中的方向盤(pán)和油門(mén)、剎車(chē)踏板控制車(chē)輛。NI公司的一系列硬件產(chǎn)品為搭建這樣一個(gè)混合仿真實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的保證。

圖3混合仿真平臺(tái)組成——硬件(左)和軟件架構(gòu)(右)

基于LabVIEW和NI VeriStand開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件架構(gòu)如上圖所示。LabVIEW作為客戶(hù)端調(diào)用DYNAanimation車(chē)輛三維動(dòng)畫(huà)顯示軟件的ActiveX控件實(shí)現(xiàn)顯示功能。通過(guò)VeriStand VI中Workspace VI實(shí)現(xiàn)Workspace與LabVIEW的數(shù)據(jù)交換。VeriStand兼容用戶(hù)自定義的FPGA I/O接口，利用FPGA靈活高效的特點(diǎn)在無(wú)需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。

3 車(chē)輛實(shí)時(shí)模型的建立

3.1 Tesis DYNAware的車(chē)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(kāi)發(fā)的一款全面高效的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，從電腦上的汽車(chē)概念設(shè)計(jì)，到汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制器與硬件結(jié)合的硬件在環(huán)試驗(yàn)環(huán)境，都可以通過(guò)其達(dá)到很好的效果，仿真結(jié)果可以通過(guò)DYNAanimation軟件在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。在德國(guó)幾乎所有的汽車(chē)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(chǎng)家和零部件供應(yīng)商提供了適當(dāng)?shù)姆抡孳浖?。通過(guò)在圖形化界面中設(shè)置參數(shù)，簡(jiǎn)潔直觀(guān)地完成建模。建模對(duì)象包括整車(chē)尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)等模型，可以建立多達(dá)幾十個(gè)自由度的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，很好地反應(yīng)車(chē)輛在各種工況條件下的動(dòng)力學(xué)特性。