基于PXI和cRIO的ESP硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的構(gòu)建

在ESP研發(fā)過(guò)程中，需要大量實(shí)車(chē)試驗(yàn)。該試驗(yàn)有兩大困難：一是試驗(yàn)具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性，二是試驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地要求很苛刻。所以，開(kāi)發(fā)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)就成為一種迫切需求。 該仿真平臺(tái)對(duì)加速ESP控制器的算法開(kāi)發(fā)有重大作用。本文采用了NI公司的PXI作為下位機(jī)來(lái)搭建系統(tǒng)。

　　項(xiàng)目背景

　　本方案通過(guò)深入調(diào)研，主要考慮性能、價(jià)格、易實(shí)現(xiàn)性等方面之后，最終選擇了NI的PXI和cRIO方案來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)搭建。主要調(diào)研了XPC方式、PXI系統(tǒng)、dSpace系統(tǒng)。XPC方式費(fèi)用較低，但是使用不夠方便，dSpace系統(tǒng)價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PXI系統(tǒng)，然而兩者性能差別不是很大。

　　系統(tǒng)構(gòu)架

　　ESP硬件在環(huán)仿真平臺(tái)從硬件上看由上位機(jī)、下位機(jī)、控制器、執(zhí)行器、傳感器等五部分組成。

　　上位機(jī)用于監(jiān)控仿真過(guò)程，分析和保存仿真結(jié)果。下位機(jī)運(yùn)行車(chē)輛模型，目前采用的是15自由度整車(chē)模型，能很好地模擬整車(chē)在制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、高速轉(zhuǎn)向以及聯(lián)合工況下的響應(yīng)?？刂破鬟\(yùn)行控制算法，對(duì)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相關(guān)控制。執(zhí)行器為液壓控制單元、制動(dòng)管路以及制動(dòng)器。傳感器為壓力傳感器，獲取各個(gè)輪缸以及主缸的壓力值，并將壓力信號(hào)傳給控制器和下位機(jī)，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　圖1中，上位機(jī)、下位機(jī)和控制器三者通過(guò)網(wǎng)線連接，上位機(jī)對(duì)仿真過(guò)程的監(jiān)控通過(guò)共享變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　用PXI運(yùn)行整車(chē)模型，模擬車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，提供給控制器相關(guān)的信號(hào)。實(shí)車(chē)試驗(yàn)時(shí)，控制器所獲取的信號(hào)有制動(dòng)信號(hào)、主缸壓力信號(hào)、四個(gè)輪速信號(hào)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)以及橫向加速度信號(hào)和橫擺角速度信號(hào)。另外，控制器還需要通過(guò)CAN和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩。PXI要能完成上述功能，并且需要采集壓力傳感器信號(hào)，從而計(jì)算車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　PXI通過(guò)M系列數(shù)據(jù)采集卡PXI-6229的模擬量輸入功能來(lái)采集主缸和各個(gè)輪缸的壓力信號(hào)，用PXI-6229的數(shù)字量輸入功能采集制動(dòng)信號(hào)。采用PXI-6722的模擬量輸出功能輸出電壓來(lái)表示方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、橫向加速度、橫擺角速度。同時(shí)PXI-6722輸出4個(gè)模擬電壓，通過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)來(lái)模擬四個(gè)輪速信號(hào)。另外，實(shí)車(chē)上的CAN通信通過(guò)PXI-8461和NI9853來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　控制器方面，用cRIO做快速原型時(shí)，通過(guò)NI-9205來(lái)采集模擬電壓，得到各個(gè)傳感器的值。通過(guò)NI-9403的輸入功能來(lái)獲取制動(dòng)信號(hào)和輪速信號(hào)，通過(guò)NI-9403的數(shù)字量輸出功能來(lái)控制電機(jī)和電磁閥的動(dòng)作。

　　在執(zhí)行器方面，液壓控制單元采用Bosch(博世)的ESP 8.0的液壓控制單元。制動(dòng)系統(tǒng)采用金杯客車(chē)的制動(dòng)管路和制動(dòng)器。仿真平臺(tái)搭建在金杯客車(chē)上，我們對(duì)金杯客車(chē)的制動(dòng)管路進(jìn)行了改造，安裝了壓力傳感器和HCU(整車(chē)控制器)。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件上，通過(guò)共享變量來(lái)控制仿真試驗(yàn)的開(kāi)始和結(jié)束，用全局變量記錄下位機(jī)中的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機(jī)。這三部分程序都采用狀態(tài)機(jī)方式，方便軟件進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)?？偟能浖Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 系統(tǒng)軟件框圖