构建基于PXI电子液压制动系统EHB驾驶员在回路混合仿真实验平台 仿真, 驾驶员, 关键点, 开发

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实验台外观

行业：
工业控制/ 设备/ 系统
产品：
NI VeriStand, PXI-6289, LabVIEW, PXI-8196 RT, FPGA模块, LabVIEW Real-Time Module, PXI-1042Q, PXI-7851R, PXI-8464/2, PID控制工具包
挑战：
研发EHB控制器的关键点在于通过大量测试实验掌握执行元件的工作性能，在模拟环境下有效地进行参数仿真、软件仿真，减少实际路面测试带来的困难，并开发基于虚拟现实技术的混合仿真平台，在不同虚拟环境下由驾驶员产生的实际操纵动作对EHB快速原型的控制器进行功能验证和逼真的产品性能演示。
解决方案：
利用LabVIEW构建轮缸压力测控系统，在大量测试试验的基础上选择合适的PWM载波频率和占空比控制EHB系统的高速开关电磁阀，满足对轮缸压力控制的要求;通过NI PXI-8464 CAN总线接口卡以及NI PXI-6289数据采集卡完成硬件在环实验中方向盘、电子油门、制动踏板、轮缸压力等数据采集和通讯;由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，满足严格的实时性需要;在Veristand软件平台上，联合在DYNAware软件中生成的实时车辆模型，大大缩短了混合仿真系统的开发周期和应用程序开发成本。
"利用LabVIEW和PXI，我们成功开发了混合仿真平台，并缩短了开发周期和应用程序开发成本。"
在过去的二十年里，电子设备在汽车工业得到广泛应用，今天的汽车已经进入了电子技术的时代。随着人们对汽车制动性能的要求越来越高，线控制动系统(brake-by-wire)应运而生，电子液压制动EHB可以借鉴ESP系统的成熟经验，对原有的液压系统不做大的改变，由电子系统提供柔性控制，液压系统提供动力，是机电液一体化的高新技术产品，受到了广泛的关注。作为开放的线控控制系统，配备了传统ESP系统中没有的轮缸压力传感器，可以实现精确的压力控制，在高压蓄能器的作用下满足四通道独立控制的要求，因此提升了ABS、ASR、ESP的工作性能。为了加速包括硬件和软件在内的控制系统的开发设计，一些成熟的仿真测试、快速原型方法和工具是必不可少的。围绕EHB液压系统的新型特点，结合先进的车辆动力学仿真软件DYNAware，在NI公司提供的一系列产品的帮助下通过硬件在环 (HIL)测试进行深入的控制研究，减小了时间和经费的的开销，为今后的产品实现提供坚实的研究基础。
1 基于LabVIEW的轮缸压力测试系统
受高速开关阀电磁铁的响应能力及阀芯运动时间的影响，实际的阀芯响应不能完全跟随脉宽信号的变化，脉冲调制周期和占空比对其影响很大。因此需要搭建如图1所示的测试平台，在不同的载波频率下得到不同的增减压力曲线。综合考虑控制的快速性和有效的占空比调节范围选择合适的载波频率。
数据采集 (DAQ)的输出电压为 5V电压，通过驱动电路放大为12V的PWM信号控制电磁阀。液压控制单元里的轮缸压力传感器信号通过放大电路转换为0～5电压信号供数据采集卡采集。图 2为载波频率为100HZ下的增压特性曲线，当占空比小于15或大于89时由于电磁阀的死区和饱和效应电磁阀无动作。LabVIEW帮助我们在短时间内搭建这样的测试系统，确定PWM信号合适的载波频率。

图1 系统组成

图2 增压特性曲线

2 驾驶员混合仿真实验平台总体构造
硬件结构如图3所示，在原博世ESP8.0 HCU基础上增加高压蓄能器、高压泵电机等元件，改造成EHB液压控制单元。混合仿真平台存在两个回路。一个是信号的回路，NI PXI-8464接受转角传感器的CAN总线信号，NI PXI-6289采集踏板行程传感器、改造的液压控制单元中四个轮缸压力传感器信号和高压蓄能器中的压力传感器信号。上述信号传送给PXI-8196中实时运行的车辆模型。实时模型给出的控制信息通过DMA方式传送给NI PXI-7851R，根据自定义的I/O接口控制HCU单元中的电磁阀、泵电机，完成闭环。另一路是驾驶员的回路，即驾驶员观察显示器中车辆的三维动画通过驾驶员操纵单元中的方向盘和油门、刹车踏板控制车辆。NI公司的一系列硬件产品为搭建这样一个混合仿真实验提供了强有力的保证。

图3混合仿真平台组成——硬件(左)和软件架构(右)

基于LabVIEW和NI VeriStand开放式的开发环境的软件架构如上图所示。LabVIEW作为客户端调用DYNAanimation车辆三维动画显示软件的ActiveX控件实现显示功能。通过VeriStand VI中Workspace VI实现Workspace与LabVIEW的数据交换。VeriStand兼容用户自定义的FPGA I/O接口，利用FPGA灵活高效的特点在无需改变硬件配置的情况下完成控制器的快速原型。
3 车辆实时模型的建立
3.1 Tesis DYNAware的车辆模型
NI VeriStand支持第三方软件DYNAware生成的模型文件。DYNAware是Tesis公司开发的一款全面高效的车辆动力学仿真软件，从电脑上的汽车概念设计，到汽车动力学控制器与硬件结合的硬件在环试验环境，都可以通过其达到很好的效果，仿真结果可以通过DYNAanimation软件在显示器上实时显示。在德国几乎所有的汽车制造商都在使用DYNAware的产品，世界范围内也非常流行，基于不同的需求为生产厂家和零部件供应商提供了适当的仿真软件包。通过在图形化界面中设置参数，简洁直观地完成建模。建模对象包括整车尺寸、轮胎、前后轴、悬架、发动机、传动系、空气动力学等模型，可以建立多达几十个自由度的车辆动力学模型，很好地反应车辆在各种工况条件下的动力学特性。
3.2 EHB控制器模型
EHB控制器模型首先接受车辆模型传来的纵向加速度和轮速，估计参考车速。同时接受方向盘转角，横摆角速度、侧向加速度，利用估计的参考车速估计质心侧偏角。汽车稳定行驶时，目标制动力矩与制动踏板位移成比例关系。汽车失稳时，EHB系统主要的控制对象是汽车的横摆角速度和质心侧偏角。其中横摆角速度控制模块采用PD控制方法，控制实际横摆角与理想二自由度横摆角之间的偏差，输出为目标制动力矩。质心侧偏角控制采用门限值控制方法，根据超出门限的程度施加制动力矩。根据车辆运动状态协调上述三种模式下的输出量得到目标制动力矩。调用制动力矩—轮缸压力模块，计算出目标轮缸压力，再转入开关电磁阀数字 PID控制模块，输出电磁阀的占空比。此外，根据高压蓄能器设定压力及HCU的工作状态输出泵电机的占空比，控制框图如图6所示：

图6 EHB控制器模型

EHB控制器模型在Simulink/Stateflow环境下建模，与上述DYNAware中模型实现无缝集成。模型采用固定步长常微分方程求解器，通过Real-Time Workshop转化为VeriStand支持的dll动态链接库文件。
4 配置VeriStand
在System Explorer Window中导入模型文件，对Primary Control Loop的实时仿真速度进行调整，设置周期为100μsec，则Model Execution Loop的周期为1ms，满足车辆实时仿真的需要。通过分配处理器资源，Veristand能充分发挥双核处理器的并行处理性能，提高实时运行速度。横摆角速度是判断汽车失稳的重要标志，当理想横摆角速度与实际横摆角速度之差超过上下门限值时，通过报警设置以报警音的方式提示驾驶员。

图7 VeriStand的配置

通过菜单界面完成对NI-CAN、NI-DAQ的通道设置，大大减小了程序的开发工作量，提高了开发效率。在Stimulus Profile Editor中设置Logging file，可以对横摆角速度、质心侧偏角、轮缸压力等进行保存。TDMS文件格式读取快速，作为一种测试测量领域的通用数据文件格式，非常适合车辆状态参数的保存。

图8 VeriStand与DYNAanimation的连接

上面的循环通过Workspace VI启动VeriStand，获取通道数据包括Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循环利用ActiveX控件将动画和显示数据传送给DYNAanimation。

图9 通过ActiveX方法控制DYNAanimation

DYNAanimation将实时仿真结果在虚拟现实的环境中直接现实出来。其中，Animation Data数组中每十二个元素代表一个运动物体(如车身、轮胎)相对于大地坐标系的位置参数。Display Data用于界面的数据显示，比如车速表、转速表等。

图10 FPGA I/O示意图

液压控制单元在改装博世ESP的基础上得到，四个轮缸各由两个高速开关阀控制，一个控制从高压蓄能器增压，一个控制向低压蓄能器减压，需8路PWM 信号。2路PWM输出负责对泵电机的控制。VeriStand中默认的PXI-7851R的通道资源拥有8路PWM输出，而这里需要10路PWM输出。通过自定义FPGA VI，修改VeriStand配置文件夹中7851R的fpgaconfig文件，新增2路数字输入输出接口为PWM输出，满足应用的需要。可见基于 VeriStand的自定义FPGA I/O功能使混合仿真平台具有灵活方便的扩展性能。
5 仿真平台的功能演示
5.1 驾驶员在环麋鹿测试
在DYNAanimation环境下建立三维图像文件，包括道路、标识线、车身模型、轮胎、路障等，进行驾驶员在环的“麋鹿”测试。在车速为 80km/h时对比打开稳定性控制与关闭稳定性控制车辆的操纵响应。在实时仿真结束，保存录像并进行对比。如图11所示，在打开稳定性控制时，驾驶员可以平稳地实现车辆的变线，车辆的运动轨迹符合驾驶员的预期，当关闭稳定性控制时，车辆失控跑出跑道。基于VeriStand构建的驾驶员在环测试平台可以实现逼真的产品演示。

图11 开启、关闭稳定性控制

5.2 利用激励进行正弦延迟测试
正弦延迟测试是美国国家高速安全局(NHTSA)规定的126号法规，用于检测车辆的侧向稳定性能。不同于麋鹿测试，现实实验中需要通过转向机器人完成。VeriStand的配置实时激励功能很好地帮助我们完成该项测试。试验在干燥、平直附着系数为0.9的道路上进行，方向盘转角进行后半周期带有延迟的正弦输入，频率为0.7HZ，第二次波峰出现后有400ms的延迟。方向盘转角及实验流程如图12，其中A为80km/h下车辆侧向加速度达到 0.3g时方向盘的转角。
通过实时激励功能里的正弦函数、延时函数编制激励文件，通过记录功能保存横摆角速度的变化曲线。VeriStand大大降低了编程的复杂性，减少测试系统的开发时间。
6 总结
利用VeriStand我们在短时间内搭建起一个功能丰富的混合仿真平台，使我们有更多的精力投入到控制策略的研究上来;VeriStand Engine将实时测试系统的任务和功能在内部进行实施与优化，帮助实时测试系统以更快的速度运行，大大降低了应用程序开发和维护成本;基于FPGA的自定义I/O设置提高了系统硬件的可扩展性，通过FPGA虚拟传感器可扩展为基于单片机控制器的硬件在环测试平台;总之，NI公司一系列软件和硬件产品帮助我们灵活、高效、直观地实现EHB混合仿真测试平台，为产品的研制奠定了坚实的基础。