李 媛 楊曉東 曾京銳 張穎雯 /上海工程技術大學汽車工程學院

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電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)實訓臺軟件設計

李 媛 楊曉東 曾京銳 張穎雯 /上海工程技術大學汽車工程學院

【摘 要】ESP能夠糾正汽車在運行時發(fā)生的一些不穩(wěn)定的現(xiàn)象。當出現(xiàn)轉彎過度、不足或者路面濕滑發(fā)生打滑時進行車輪的制動或者改變噴油閥的出油量，使行車得到穩(wěn)定。本文基于Labview實訓臺的軟件進行設計，所設計的軟件，可實現(xiàn)實訓臺數(shù)據(jù)的檢測、分析、存儲，并在實訓臺架環(huán)境下模擬ESP調節(jié)控制過程，從而實現(xiàn)對ESP系統(tǒng)的可靠性進行檢測。

【關鍵詞】電子穩(wěn)定控制系統(tǒng) ——Labview；可視化編程；實訓臺

前言

電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESP)其實是ABS（防抱死系統(tǒng)）和ASR（驅動輪防滑轉系統(tǒng)）功能上的延伸，可以說是當前汽車防滑裝置的最高形式。ESP一般由轉向傳感器、車輪傳感器、側滑傳感器、橫向加速度傳感器等組成。當車身發(fā)生側滑或者打滑時，ESP則會自動向一個或多個車輪施加制動力，消除其不穩(wěn)定的現(xiàn)象。Labview采用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。本文基于Labview軟件，基于ADAM4520轉換隔離器、ADAM4017數(shù)據(jù)采集模塊、ADAM4068和ADAM4024控制輸出模塊等硬件實現(xiàn)對Labview對ESP實訓臺系統(tǒng)的軟件設計，所設計的軟件，可實現(xiàn)實訓臺數(shù)據(jù)的檢測、分析、存儲，并在實訓臺架環(huán)境下模擬ESP的調節(jié)控制過程，從而實現(xiàn)對ESP系統(tǒng)的可靠性進行檢測。

1.ESP分析

1.1ESP工作原理

ESP通過傳感器（轉向傳感器、車輪傳感器等）等數(shù)據(jù)的采集之后由微控制器進行分析控制，后由執(zhí)行器（輪胎剎車系統(tǒng)）進行相應的輪胎制動或者對發(fā)動機進行控制。

該系統(tǒng)通過方向盤傳感器、橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等實現(xiàn)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集，然后由微控制器進行數(shù)據(jù)的處理,分析，根據(jù)不同的控制策略選擇控制方法，如圖1所示[1]。當出現(xiàn)轉向過度時，改變轉向外側輪制動力；當出現(xiàn)轉向不足時，增加內側輪制動力。當路面濕滑或者下雪天時，會發(fā)生打滑現(xiàn)象，那么也將對進行車輪的制動，ESP對汽車的穩(wěn)定性控制如圖2所示。

圖1　ESP實訓臺功能框架

圖2　ESP汽車穩(wěn)定性控制流程

1.2二自由度模型

認為汽車前進的速度u不變；

認為汽車只作地面的平行運動；

此外，忽略空氣作用，環(huán)境問題，忽略左右車輪垂直載荷的變化以及輪胎回正力矩的作用，即在輪胎側偏剛度一定的情況下，側向力與其相應的側偏角成線性關系，此時車輛可進一步簡化成線性二自由度車輛模型。[1]

上兩公式中，m 是車的質量,單位為公斤,k1，k2分別是前后端的剛度、單位N/度;δ是前輪轉角,單位是度;a， b是前后車軸與汽車的質心的距離,單位是米,ux汽車沿著X軸的前進速度,它的單位是米/秒;Iz關于Z軸的汽車轉動慣量,其單位是kg*m^2;ux是橫向速度,單位是m/s;rω是車輛偏移率,單位是度/s;β是側滑角,單位為度;

通過上述公式，可以計算得出以下結論：

通過以上5個公式，運用Labview軟件建立二自由度的汽車模型。

1.3狀態(tài)估計模型

建立一個狀態(tài)估計模型來確定公式穩(wěn)定系數(shù)K，然后我們使用它來確定轉向時車輛的狀態(tài)。這種狀態(tài)可能不足轉向,轉向正常,轉向過度三種情況。得出前后輪轉角公式[2][3]：

穩(wěn)定系數(shù)K的公式如下所示：

汽車運動狀態(tài)判定方式：

（1）當K>0,汽車處于轉向過度的狀態(tài)。

（2）當K<0,汽車處于轉向不足的狀態(tài)。

（3）當K=0,汽車行駛狀態(tài)正常。

2.實訓臺軟件設計

2.1Labview綜述

Labview軟件是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器公司研制。Labview是NI設計平臺的關鍵，是開發(fā)測量或者控制系統(tǒng)的選擇。Labview的開發(fā)快速構建各種應用所需要的所有工具，可幫助工程師與科學家解決問題以及提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。

2.2實訓臺系統(tǒng)硬件組成

設計的ESP實訓臺軟件系統(tǒng)所基于的硬件布局如圖3所示。由ADAM4017（1）、（2）采集左前、右前、左后、右后輪轉速傳感器，左前輪壓力傳感器等和方向盤轉角傳感器、側方向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等的數(shù)據(jù)，通過ADAM4520轉換傳遞到電腦中的Labview軟件中進行數(shù)據(jù)處理，判斷出是否連接正常，是否存在故障。之后再通過ADAM4520將處理完成的數(shù)據(jù)傳遞給ADAM4024或者ADAM4068，之后，對輪胎的電磁閥進行控制，或者改變發(fā)動機副節(jié)氣門電機電流大小或噴油器電磁線圈。軟件的整體流程圖4所示，從初始化到數(shù)據(jù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理分析，到控制策略選擇，在對車輪或發(fā)動機進行控制，直至恢復正常，得到修正，最終結束。

圖3　ESP實訓臺硬件布局

圖4　ESP實訓臺軟件流程圖

2.3實訓臺軟件用戶交互界面設計

ESP前面板設計了各輪的車速，制動力等的曲線圖，轉向角度數(shù)顯示圖，發(fā)動機各參數(shù)表格和ADAM4017 （1）、4017（2）的數(shù)據(jù)采集表格。如圖5、6所示

2.4實訓臺軟件設計

首先，建立一個數(shù)據(jù)采集的整體平臺。電腦連接數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線連接ADAM4520,ADAM4520與ADAM4017、ADAM4024、ADAM4068相連。建立一個程序框圖，將各個接口通過程序依次對它們進行排列，賦予它們各自的地址，當想要使用ADAM4017 （1）或者（2）時，可直接進行選擇。用Labview設計COM框圖，用來檢驗整個平臺是否能夠導通，與電腦連接正確。

其次，創(chuàng)建一個條件結構。在條件結構中，設立兩個條件層次，一是無錯誤，二是有錯誤。在此條件結構下，再建立一個條件結構。在無錯誤的結構里，新建的條件結構構建“初始化”“開始”“停止”三個層。在錯誤的框圖下，與“停止”按鈕相連。如果一開始發(fā)生錯誤，那么直接不會運行程序。在“開始”的框圖下，建立一個事件結構。事件結構由“stop”“初始化”“開始測試”“保存數(shù)據(jù)”等幾個層組成。當在前面板按下“開始測試”時，事件結構“開始測試”的程序框圖下有公式的判斷，進行相關的計算，求出汽車的狀態(tài)；事件結構“保存參數(shù)”，數(shù)據(jù)通過4017寫入，當按下前面板的保存數(shù)據(jù)時，那么導入的數(shù)據(jù)將存儲在前面的表格框中。在公式其他條件不變的情況下，當發(fā)生變化突然的增大時，Labview中通過公式節(jié)點對復雜公式進行編寫，之后進行計算，判斷出其問題，將在前面板中顯示。同時，將其哪個輪子偏移的多少角度也能在前面板中顯示。

圖5　實訓臺軟件用戶交互界面1

圖6　實訓臺軟件用戶交互界面2

導入的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，會帶入進相應的公式對K進行判斷，那么前面板會根據(jù)計算結果引起顯示燈、制動力、動力波形圖的改變。

3.實驗現(xiàn)象

實驗所傳遞數(shù)據(jù)車輪轉速較大時，并發(fā)生側移現(xiàn)象時，前面板所顯示偏移和超速燈將呈現(xiàn)“1”亮起，說明了轉向過度；當發(fā)生側移現(xiàn)象，前面板的偏移燈亮起，而超速燈并沒有亮起，則說明了在轉彎時轉向不足。當數(shù)據(jù)一切正常時，前面板的顯示燈不會變化。當轉向過度情況發(fā)生時，制動波形圖中制動力呈曲線上升態(tài)勢，而動力波形圖中動力呈曲線下降趨勢，參數(shù)4068-2的表格中節(jié)氣門進氣量逐漸減少，發(fā)動機噴油量逐漸減少，這樣可以使轉向過度的情況得以化解。當轉向不足的情況發(fā)生時，之動波形圖中制動力在一定范圍內保持不變，而動力波形圖中曲線呈上升趨勢，參數(shù)4068-2表格中節(jié)氣門進氣量和噴油嘴噴油量呈上升趨勢使汽車動力得以增加來解決轉向不足的情況。

4.實驗結論

當車輪狀態(tài)出現(xiàn)不同于駕駛員想要行駛的原路線時，ESP 系統(tǒng)會判斷其狀態(tài)，進行修正。當左前輪過度轉向時，ESP會減小左前輪的制動力，進氣量和噴油嘴的噴油量都會相應上升，減小動力，從而可以修正左前輪，并且其余車輪不發(fā)生改變。

5.未來的展望

本文基于Labview軟件和研華公司數(shù)據(jù)采集、控制模塊實現(xiàn)了ESP試驗臺的軟件設計。軟件通過對車輛模擬數(shù)據(jù)的采集，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，判斷車輛所處的穩(wěn)定狀態(tài)，并根據(jù)設計的控制策略，在車輛處于不同穩(wěn)定狀態(tài)時模擬實現(xiàn)對車輛制動及發(fā)動機輸出轉矩的控制，很好實現(xiàn)的實驗臺軟件應有的功能?；谒O計的軟件，可良好實現(xiàn)對所開發(fā)的ESP系統(tǒng)的檢測，為ESP系統(tǒng)的批量生產(chǎn)提供了良好測試平臺。

參考文獻：

[1] 安麗華.汽車電子穩(wěn)定性程序（ESP）控制方法及聯(lián)合仿真研究[D].南京理工大學碩士學位論文.2010年.

[2] FU Yanrong,WANG Guoye and GUAN Zhiwei: Simulation Study on ESP Integrated Control Unit for the Automobile.MD&ME.Forum Vol.43-2(2014) ,p.35-40.

[3] YU Fan and LIN Yi ,in: Vehicle System Dynamics,edited by China Machine,Beijng,NY(2005),in Press.

注：大學生創(chuàng)新項目資助，項目編號: cs1506002。

指導老師：羅素云。