周洲+張立成+郝茹茹

摘 要： 在利用滾筒反力式制動(dòng)性能檢測(cè)臺(tái)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，由于粘砂滾筒附著系數(shù)較高，汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)，輪胎與滾筒之間會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，容易發(fā)生剝胎現(xiàn)象。因此，合理采集汽車(chē)制動(dòng)性能相關(guān)參數(shù)的同時(shí)，及時(shí)關(guān)停制動(dòng)性能檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以保證被檢車(chē)輛的安全，成為汽車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的汽車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)中各種控制方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，提出了一種基于DMA的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方法，提高了控制的實(shí)時(shí)性和靈活性，在采集到汽車(chē)制動(dòng)性能相關(guān)參數(shù)的同時(shí)，最大限度地保護(hù)了車(chē)輛安全。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略穩(wěn)定有效，檢測(cè)精度高，具有較高的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 制動(dòng)性能檢測(cè)； 粘砂滾筒； DMA； 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

中圖分類號(hào)： TN06?34； TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0152?03

Control method of drive motor in automotive brake tester based on DMA

ZHOU Zhou， ZHANG Li?cheng， HAO Ru?ru

（College of Information Engineering， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract： During the process of automotive brake performance test using the roller opposite force automobile brake tester， huge friction force is generated between the tire and the roller due to the high friction coefficient of sticking sand roller， which is prone to tire peeling. Thus， In order to ensure the vehicle safety， the drive motor of the tester is stopped timely as soon as a reasonable acquisition of braking performance parameters is achieved， which has become one of the key technologies of automotive brake performance test. The advantages and disadvantages of various control methods adopted in existing automotive braking performance test are compared. A real?time control method of drive motor in automotive braking performance tester based on DMA （direct memory access） is presented to improve the real?time characteristic and robustness of the control system， as well as protect the vehicle in the acquisition of brake performance parameters. The test results show that the proposed control method is stable and reliable， and has high detection precision and good application value.

Keywords： brake performance test； sticking sand roller； DMA； drive motor

0 引 言

汽車(chē)制動(dòng)性能的好壞直接關(guān)系到駕乘人員及車(chē)輛的安全，重大交通事故的發(fā)生往往與車(chē)輛的制動(dòng)性能不合格緊密聯(lián)系在一起，因此，在國(guó)家的相關(guān)法規(guī)和國(guó)標(biāo)中都把制動(dòng)性能檢測(cè)作為機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)的重要內(nèi)容之一[1?2]。

目前，滾筒反力式制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)是機(jī)動(dòng)車(chē)安全技術(shù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)廣泛使用的專門(mén)用于檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能的檢測(cè)設(shè)備，能夠?qū)ζ?chē)的制動(dòng)率、不平衡率、阻滯率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。該設(shè)備的粘砂滾筒一般具有較高的附著系數(shù)，可以用來(lái)模擬實(shí)際路面[3]。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，滾筒反力式制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)粘砂滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用摩擦力帶動(dòng)被檢車(chē)輛的輪胎以相同的速度反向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)被檢車(chē)輛的輪胎在粘砂滾筒上進(jìn)行制動(dòng)并出現(xiàn)滑移時(shí)，高附著系數(shù)的粘砂滾筒和輪胎之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力。如果在檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)采集到汽車(chē)制動(dòng)性能相關(guān)的參數(shù)后而沒(méi)有及時(shí)關(guān)停制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的話，有可能會(huì)造成被檢車(chē)輛輪胎的損傷，發(fā)生“剝胎”現(xiàn)象。根據(jù)《GB21861?2008機(jī)動(dòng)車(chē)安全技術(shù)檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法》的規(guī)定，在汽車(chē)制動(dòng)性能檢測(cè)過(guò)程中，必須測(cè)得左右輪制動(dòng)力最大差值。因此，制動(dòng)電機(jī)的最佳關(guān)停時(shí)機(jī)應(yīng)該是在檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得同軸左右輪最大制動(dòng)力或者同軸左右輪任一車(chē)輪發(fā)生抱死滑移時(shí)，這樣才能有效地保護(hù)被檢車(chē)輛的輪胎安全。

1 現(xiàn)有控制方法研究

目前，國(guó)內(nèi)的汽車(chē)安全性能檢測(cè)系統(tǒng)中常用的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制方法主要有以下幾種：

（1） 軟件控制方式。軟件控制方式又分為兩種：一種是通過(guò)軟件判斷制動(dòng)力大小來(lái)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)的方式，例如：如果檢測(cè)到的制動(dòng)力大于一定值，如輪荷的60%，軟件便發(fā)出關(guān)停驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制命令。該方式無(wú)法保證能夠測(cè)得最大制動(dòng)力，而且，如果機(jī)動(dòng)車(chē)的制動(dòng)性能不符合國(guó)標(biāo)要求，制動(dòng)力始終小于輪荷的60%，在制動(dòng)踏板力逐步增大直至輪胎抱死時(shí)，制動(dòng)臺(tái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)仍然不會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種情形下，高附著系數(shù)的粘砂滾筒對(duì)輪胎的損害極大，存在較大的安全隱患。另外一種方式是通過(guò)多線程方式進(jìn)行控制，即：主線程實(shí)時(shí)采集制動(dòng)力數(shù)據(jù)，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)第三滾筒的線速度，通過(guò)判斷第三滾筒的線速度來(lái)控制制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)。由于Windows操作系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，同一操作過(guò)程獲得的時(shí)間片間隔不確定，經(jīng)歷同樣的時(shí)間，采集到的數(shù)據(jù)量可能不一致，容易發(fā)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)早停轉(zhuǎn)，而檢測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有采集到足夠多的數(shù)據(jù)。由于兩個(gè)線程分得的時(shí)間片也可能不均勻[4]，而且對(duì)于以VB為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的檢測(cè)程序，多線程函數(shù)中需要避開(kāi)VB Runtime，采用基于COM技術(shù)實(shí)現(xiàn)API的調(diào)用，不穩(wěn)定因素比較多[5]。若采用定時(shí)器方式，由于Windows系統(tǒng)本身不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，再加上多任務(wù)運(yùn)行，實(shí)時(shí)性更差，WM_TIMER消息的優(yōu)先級(jí)也比較低，所以定時(shí)器并不能完全保證處理時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性[6]。

（2） 硬件控制方式。硬件控制方式是利用除信號(hào)采集電路和上位機(jī)控制系統(tǒng)以外的獨(dú)立的第三方硬件控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)第三滾筒信號(hào)的采集，計(jì)算出被檢車(chē)輛輪胎的線速度，再通過(guò)換算粘砂滾筒的線速度得出被檢車(chē)輛的車(chē)身速度，以此計(jì)算出被檢車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中的滑移率，控制系統(tǒng)通過(guò)判斷滑移率是否符合一定的要求來(lái)控制制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)。該控制方式相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，可以對(duì)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的關(guān)停控制，可靠性高。該控制方式的不足之處是需要另行設(shè)計(jì)控制電路，并且一旦該硬件控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會(huì)影響整個(gè)制動(dòng)性能檢測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3） 基于門(mén)限控制的滑移率實(shí)時(shí)控制方式[7]。該方式也是利用對(duì)滑移率的實(shí)時(shí)控制方法，通過(guò)對(duì)濾波后制動(dòng)力檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)分析，綜合應(yīng)用門(mén)限法思想，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止時(shí)間的精確控制。該方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需額外增加硬件電路，缺點(diǎn)是制動(dòng)力檢測(cè)波形比較復(fù)雜，如引車(chē)員早踩、晚踩等情形，有可能出現(xiàn)無(wú)法捕捉到最大制動(dòng)力的可能，會(huì)影響整個(gè)制動(dòng)性能檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

2 基于DMA的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

方法研究

2.1 DMA傳輸模式的優(yōu)點(diǎn)

DMA（Direct Memory Access）模式下的數(shù)據(jù)采集是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式，DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，而是直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。利用DMA直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而不通過(guò)CPU進(jìn)行控制，是一種快速傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制[8?9]。在這種模式下，數(shù)據(jù)傳遞可以從適配卡到內(nèi)存、從內(nèi)存到適配卡或從一段內(nèi)存到另一段內(nèi)存，既不需要額外設(shè)計(jì)電路，也不存在上面描述的軟件控制方式存在的諸多不足。DMA控制器有以下三種方式與CPU分時(shí)使用內(nèi)存：

（1） 停止CPU訪問(wèn)內(nèi)存：當(dāng)外設(shè)要求傳送數(shù)據(jù)時(shí)，由DMA控制器發(fā)送一個(gè)信號(hào)給CPU，停止CPU訪問(wèn)內(nèi)存，同時(shí)獲得總線控制權(quán)。當(dāng)DMA控制器獲得總線控制權(quán)后，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器通知CPU可以使用內(nèi)存，并把總線控制權(quán)交還給CPU。

（2） 周期挪用：當(dāng)I/O設(shè)備沒(méi)有 DMA請(qǐng)求時(shí)，CPU按程序要求訪問(wèn)內(nèi)存，一旦 I/O設(shè)備有DMA請(qǐng)求，則I/O設(shè)備挪用一個(gè)或幾個(gè)周期。

（3） DMA與CPU交替訪問(wèn)內(nèi)存：一個(gè)CPU周期可分為2個(gè)周期，一個(gè)專供DMA控制器訪問(wèn)內(nèi)存，另一個(gè)專供CPU訪問(wèn)內(nèi)存，不需要總線使用權(quán)的申請(qǐng)、建立和歸還過(guò)程。

2.2 滑移率及其在汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制中的作用

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有控制方法的研究可以看出，純粹的軟件控制方式數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、可靠性和安全性較低。在硬件控制方式和基于門(mén)限控制的滑移率實(shí)時(shí)控制方式中，都利用汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的滑移率大小作為控制制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)停的依據(jù)，此依據(jù)符合相關(guān)國(guó)標(biāo)的要求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性好、可靠性高，是目前大部分控制方法的理論依據(jù)。

滑移率是指在車(chē)輪運(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例，假設(shè)用δ表示，則：

[δ=Vt-VaVt×100%] （1）

式中：[Vt]表示汽車(chē)的車(chē)身速度；[Va]表示汽車(chē)車(chē)輪的線速度[10]。在實(shí)際應(yīng)用中，車(chē)身速度用制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)的粘砂滾筒的線速度代替，車(chē)輪線速度則通過(guò)計(jì)算制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)第三滾筒的線速度測(cè)得。

2.3 基于DMA的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略

利用DMA模式下數(shù)據(jù)交換存取速度快、不占用CPU時(shí)間、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，結(jié)合滑移率在汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制中的重要作用，提出一種新的基于DMA的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略，流程圖如圖1所示。

圖1 基于DMA的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制流程圖

具體流程如下：

（1） 啟動(dòng)電機(jī)，為了避免電機(jī)啟動(dòng)瞬間帶來(lái)的電磁干擾，數(shù)據(jù)采集時(shí)間延時(shí)1 s。

（2） 參數(shù)設(shè)置，包括電壓增益、DMA觸發(fā)方式、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣通道等。

（3） 為DMA分配緩存，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型和采樣點(diǎn)數(shù)分配緩存大小。

（4） 啟動(dòng)DMA，DMA啟動(dòng)后，DMA控制器按照步驟（2）設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行高速采樣，采樣過(guò)程直到接收到采樣結(jié)束命令為止。如果在收到采樣結(jié)束命令前，采樣緩沖區(qū)已滿，軟件會(huì)將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)及時(shí)搬移，保證采樣數(shù)據(jù)的完整性。

（5） 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的同時(shí)，主線程開(kāi)始采集汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)左右第三滾筒脈沖信號(hào)，根據(jù)采樣信號(hào)算出第三滾筒的線速度，即被檢車(chē)輛輪胎的線速度。

（6） 由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速和汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)粘砂滾筒的直徑是固定值，因此可以得出被檢車(chē)輛的車(chē)身速度，結(jié)合步驟（5）中得出的被檢車(chē)輛輪胎的線速度，利用公式（1）就可以算出被檢車(chē)輛的實(shí)時(shí)滑移率。

（7） 根據(jù)設(shè)定好的判定條件，當(dāng)滑移率達(dá)到一定值時(shí)，關(guān)停汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并停止采集數(shù)據(jù)。否則，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，直到滑移率達(dá)到判定條件為止。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在不控制電機(jī)關(guān)停的情況下，駕駛員連續(xù)多次進(jìn)行制動(dòng)?松開(kāi)?制動(dòng)?松開(kāi)的操作，得到如圖2所示測(cè)量波形。由圖2可以看出，在汽車(chē)輪胎隨制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)粘砂滾筒正常轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)第三滾筒的線速度基本保持恒定，而滑移率接近0，此時(shí)制動(dòng)力為0。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)第三滾筒的線速度急劇下降，而滑移率急速增大，同時(shí)制動(dòng)力在不斷增大，當(dāng)滑移率達(dá)到80%左右的時(shí)候，制動(dòng)力達(dá)到最大值。通過(guò)以上測(cè)試，設(shè)置當(dāng)滑移率達(dá)到80%的時(shí)候關(guān)停電機(jī)，得到測(cè)試波形如圖3所示。

圖2 連續(xù)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)波形圖

圖3 基于滑移率判斷的制動(dòng)波形圖

由圖3可以看出，在滑移率達(dá)到80%時(shí)關(guān)停電機(jī)，即可以采集到最大制動(dòng)力，又可以及時(shí)的關(guān)停電機(jī)，有效地保護(hù)被檢車(chē)輛的安全。

4 結(jié) 論

本文提出的基于DMA的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略與現(xiàn)有的控制方法相比，不需要額外設(shè)計(jì)控制電路，在保證數(shù)據(jù)采集的完整性的同時(shí)，又提高了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的實(shí)時(shí)行和可靠性。在實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用中，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確，在保證檢測(cè)數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的同時(shí)，又能夠很好地保護(hù)被檢車(chē)輛的安全，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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圖3 基于滑移率判斷的制動(dòng)波形圖

由圖3可以看出，在滑移率達(dá)到80%時(shí)關(guān)停電機(jī)，即可以采集到最大制動(dòng)力，又可以及時(shí)的關(guān)停電機(jī)，有效地保護(hù)被檢車(chē)輛的安全。

4 結(jié) 論

本文提出的基于DMA的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略與現(xiàn)有的控制方法相比，不需要額外設(shè)計(jì)控制電路，在保證數(shù)據(jù)采集的完整性的同時(shí)，又提高了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的實(shí)時(shí)行和可靠性。在實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用中，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確，在保證檢測(cè)數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的同時(shí)，又能夠很好地保護(hù)被檢車(chē)輛的安全，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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[8] 李可，李運(yùn)祥，宋世民，等.基于DMA模式和多線程技術(shù)的振動(dòng)信號(hào)高速采集系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù)，2008，27（6）：12?14.

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[10] 郝茹茹.汽車(chē)ABS整車(chē)臺(tái)架檢測(cè)方法與試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

圖3 基于滑移率判斷的制動(dòng)波形圖

由圖3可以看出，在滑移率達(dá)到80%時(shí)關(guān)停電機(jī)，即可以采集到最大制動(dòng)力，又可以及時(shí)的關(guān)停電機(jī)，有效地保護(hù)被檢車(chē)輛的安全。

4 結(jié) 論

本文提出的基于DMA的汽車(chē)制動(dòng)檢測(cè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略與現(xiàn)有的控制方法相比，不需要額外設(shè)計(jì)控制電路，在保證數(shù)據(jù)采集的完整性的同時(shí)，又提高了對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的實(shí)時(shí)行和可靠性。在實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用中，該方法運(yùn)行穩(wěn)定、控制精確，在保證檢測(cè)數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性的同時(shí)，又能夠很好地保護(hù)被檢車(chē)輛的安全，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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