朱善同，周 萍，孫躍東

ZHU Shan-tong, ZHOU Ping, SUN Yue-dong

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

隨著汽車的高速發(fā)展以及汽車動力性能的不斷提高，客觀上對汽車制動的安全性能也提出了越來越高的要求。汽車ABS是在傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的基礎上采用電子控制技術，在制動時防車輪抱死的一種機電一體化系統(tǒng)[1]，由于對汽車行駛安全影響很大，因此需要建立一套測控系統(tǒng)來檢測其性能的好壞。

虛擬儀器系統(tǒng)是對傳統(tǒng)儀器的重大突破，是測控系統(tǒng)與計算機結合的產(chǎn)物。使用LabVIEW軟件可以有效的滿足對數(shù)據(jù)采集、處理分析、監(jiān)控和顯示需要，并且使系統(tǒng)具有很好的靈活性和擴展性。通過LabVIEW可以建立一套界面友好、簡單直觀的現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)控、功能強大的測控系統(tǒng)[2]。

1 ABS測控系統(tǒng)

1.1 ABS測控系統(tǒng)的結構組成

本文汽車ABS試驗臺主要用于檢測和開發(fā)ABS的試驗。其系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)主要由上位機、PCI-8320數(shù)據(jù)采集卡、轉速傳感器、磁粉離合器、汽車ABS制動系統(tǒng)、功率放大器、變頻器控制器和F/V變換器等組成。

1.2 ABS測控系統(tǒng)的工作原理

試驗臺采用交流電動機進行驅動運轉，電動機轉速的調整用于實現(xiàn)車速的模擬，車輛的慣量通過安裝的飛輪模擬，控制磁粉離合器傳遞的扭矩實現(xiàn)地面對車輪制動力及車輛部分轉動慣量模擬。

圖1 ABS測控系統(tǒng)結構示意圖

對汽車實際行駛下的車輪進行受力分析則有

通過對試驗臺的設計分析，汽車車輪的運動用試驗臺上的制動盤來模擬，試驗臺所受力矩平衡方程為

在試驗臺上測得的車輪制動力與整車制動力的比例為k,則有

其中J輪為車輪轉動慣量，為車輪的角減速度，M制制為制動器制動力矩， Fb為路面對車輪的制動力，r為車輪滾動半徑， M電為磁粉離合器傳遞力矩，J臺為制動盤轉動慣量， 為汽車旋轉質量換算系數(shù)。

試驗臺中車輪由制動盤模擬，所以車輪的角減速度等于模擬部分角減速度，即有 ＝ '，綜合以上得試驗臺上磁粉離合器傳遞力矩數(shù)學表達式為

本文車速模擬是以下面兩個公式為依據(jù)：

系統(tǒng)在一設定制動的初速度V0以后，輪速通過傳感器傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，計算機通過采集的輪速信號進而計算得到 ，根據(jù)(5)和(6)式計算得出 Vt和Vn，得到實時的模擬車速。

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件結構框圖

2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)選擇美國NI公司的LabVIEW2009作為開發(fā)平臺。LabVIEW是一種用圖表代碼代替編程語言創(chuàng)建應用程序的開發(fā)工具[3]。它采用數(shù)據(jù)流編程方法才描述程序的執(zhí)行，用圖形語言、圖表和連線代替文本的形式編程，與VB、VC等高級語言一樣，是一種帶擴展庫函數(shù)的通用程序開發(fā)系統(tǒng)，可方便地設計出符合用戶需求的應用程序。

根據(jù)設計要求，將系統(tǒng)的軟件分為控制模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和輔助功能四個模塊。模塊化使程序結構清晰，針對不同的測試對象，編程各自的子模塊，每個子模塊可以單獨使用，也可以提供給子程序調用，組成虛擬主控面板。圖3為系統(tǒng)軟件的結構和功能框圖。

圖3 測控系統(tǒng)軟件結構和功能框圖

2.1 系統(tǒng)測量模塊設計

測控系統(tǒng)測量模塊的主要作用是采集到更為精確的車速和輪速信號。其中輪速主要通過輪速傳感器收集到信號獲取，模擬車速則通過對電動機轉速的測量換算后模擬得出。在轉速信號的采集過程中碰到一些信號干擾問題，汽車運行環(huán)境復雜、傳感器為弱電系統(tǒng)、齒圈和傳感器存在振動，都可能產(chǎn)生干擾信號，所以需要通過程序進一步剔異常信號[4]。其程序如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)控制模塊設計

測控系統(tǒng)控制模塊主要實現(xiàn)對電動機的閉環(huán)控制和磁粉離合器的開環(huán)控制。通過采集卡采集試驗過程中的實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機計算分析后，向電動機和磁粉離合器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對電動機和磁粉離合器的控制。

2.2.1 電動機數(shù)字式PID控制設計

為了使測試系統(tǒng)達到一個較好的控制效果，選用PID控制調節(jié)電動機的轉速。PID控制是一種發(fā)展較早的控制策略，其具有算法簡單、適應性廣、魯棒性強、可靠性高和使用方便特點，廣泛應用于工業(yè)控制領域[5]。數(shù)字PID算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[6]。位置式PID算法表達式為：

其中k為采樣序號，k=0，1，2，…；

u(k)為第k次采樣時刻的計算機輸出值；

e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值，e(k)＝r(k)-y(k)；

e(k-1)為第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值。

如果按(1)式確定輸出量的控制算法，需要對e(k)進行累加，運算量大，因此采用增量式PID控制算法。

根據(jù)(1)式，應用遞推原理可得：

式中 u(k)=u(k)-u(k-1), e(k)=e(k)-e(k-1)。

可將式(2)進一步改寫為：

式中A=Kp(1+T/Ti+Td/T), B=Kp(1+2Td/T), C= KpTd/T。

A、B、C都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)有關的數(shù)。

采用增量式PID算法時，計算輸出的控制量u(k)對應的是本次執(zhí)行機構位置的增量，其實際控制量可利用算式u(k)=u(k-1)+u(k)通過軟件來完成。利用LabVIEW軟件在完成程序編輯后，將傳遞函數(shù)進行設置即可對程序進行調試，用鼠標可以方便地拖動參數(shù)Kp、Ki、Kd的滑動按鈕，進而達到調整它們大小的目的，使輸出的階躍響應達到了預期的效果。電動機控制模塊程序如圖5所示。

2.2.2 磁粉離合器的控制設計

根據(jù)試驗臺上推導出的磁粉離合器計算公式，在調試過程中發(fā)現(xiàn)，在對磁粉離合器的控制節(jié)點上采用高7位就可以。而為了能夠很好地控制磁粉離合器，就必須對低位進行控制。通過試驗得到的節(jié)點低位和磁粉離合器控制電壓的數(shù)據(jù)如表1所示。設磁粉離合器電壓為U磁，磁粉離合器控制節(jié)點低位為x,則得兩者關系為U磁＝0.0008x2-0.0008x-2.2861。

用戶自定義的測試參數(shù)，如磁粉離合器的系數(shù)，控制輸入信號通過脈寬調制輸出一定頻率的脈沖，此脈沖經(jīng)放大后推動功率電路，再經(jīng)過電壓變換，輸出一定的電壓值，經(jīng)過整流和穩(wěn)流電路輸出恒定電流，為磁粉離合器提供激磁電流。磁粉離合器控制模塊如圖6所示。

表1 磁粉離合器節(jié)點低位值與控制電壓關系

圖5 電動機控制模塊程序

圖6 磁粉離合器控制程序

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊設計

圖7 數(shù)據(jù)讀取顯示程序圖

在程序執(zhí)行過程中需要對數(shù)據(jù)進行實時的顯示，因此需要通過采用數(shù)組工具和讀寫工具結合編程的方法來實現(xiàn)。其程序如圖7所示，主要讀取的數(shù)據(jù)包括電動機模擬的車速、前后車輪的轉速，而主要顯示的數(shù)據(jù)包括設定的目標車速、設定的路面附著系數(shù)、汽車制動時實時讀取的車速、車輪的轉速。

2.4 測控系統(tǒng)流程設計

測控程序軟件設計流程圖如圖8所示。首先通過調用儀器的驅動程序來連接虛擬儀器測控系統(tǒng)，連接成功后進行系統(tǒng)初始化，設置測試過程中所要求的參數(shù)，即選擇附著系數(shù)值、汽車初始速度值等。當汽車在檢測試驗臺上達到給定速度，指示駕駛員踩制動踏板，測控程序對傳感器傳來的轉速、轉矩對應的頻率信號進行采集，并經(jīng)軟件處理，處理分為兩部分：一是對采集的數(shù)據(jù)進行運算分析，得到下一時刻能量補償量，來控制變頻器的輸出頻率；二是將采集的轉速數(shù)據(jù)經(jīng)過分析和運算，得到車輪轉速，進行記錄存儲。最后顯示計算結果并繪制車輪轉速曲線，送至用戶界面。

圖8 測控程序流程框圖

3 試驗結果及分析

系統(tǒng)程序開發(fā)以后需要對系統(tǒng)進行調試，主要任務是對PID環(huán)節(jié)的參數(shù)整定。最后確定制動程序：Kp＝ 50，Ki＝ 290，Kd＝ 1.70。部分實驗結果如圖9所示。圖9(a)為左右車輪附著系數(shù)0.7，圖9(b)為左右車輪附著系數(shù)0.5，圖9(c)為左右車輪附著系數(shù)0.3，圖9(d)為左右車輪附著系數(shù)分別為0.7、0.5，圖9(e)為左右車輪附著系數(shù)分別為0.7、0.3，圖9(f)為左右車輪附著系數(shù)分別為0.5、0.3。

圖9 試驗結果圖

在理論上，左前輪和右前輪的曲線應該保持一致，從圖中可以看出左前輪和右前輪的輪速曲線并沒有重合，這主要是由于試驗臺的制造誤差引起的。由于電動機輸出轉矩是分別通過前軸的兩個磁粉離合器并經(jīng)聯(lián)軸器輸入給車輪的，所以轉矩并不是在同一根軸上傳遞，這也導致了左右輪速曲線的差異。但是可以看出車速在ABS作用下均勻下降，左右輪速在小于車身速度出不斷波動，車輪在ABS工作區(qū)域內沒有發(fā)生抱死，達到了制動安全的要求。

4 結束語

針對汽車ABS系統(tǒng)安全與可靠性要求，本文基于LabVIEW設計開發(fā)了一套汽車ABS試驗臺及其測控系統(tǒng)，并進行了試驗。本文開發(fā)的測控系統(tǒng)動態(tài)性能滿足系統(tǒng)要求并具有參數(shù)的測試功能和數(shù)據(jù)分析處理功能，實現(xiàn)了測控的自動化，為進一步研究和開發(fā)ABS系統(tǒng)奠定基礎。

[1]李果. 車輛防抱死制動控制理論與應用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[2]劉海泉, 肖世德, 陳翀. 基于LabVIEW的汽車EPS試驗臺測控系統(tǒng)[J].控制工程, 2009, 16(5).

[3]LabVIEW. LabVIEW Measurements Manual[DB]. Austin:National Instruments Corporation, 2000.

[4]Fangjunm,Zhiqiang Gao.An Adaptive Non-Linear Filter Approach to the Vehicle Velocity Estimation for ABS[EB/OL]. http:/www.nsti.gov.cn, 2005-02-16.

[5]趙雙, 孫仁云, 寧凡坤. 汽車ABS控制算法的研究[J]. 機械設計與制造. 2005, (2).

[6]王仲生, 陳東. 智能檢測與控制技術[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2002, 9: 303-305.