陸 藝，徐博文，吳佳偉，趙 靜

(1.中國計量學院 計量測試工程學院，杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，杭州 310018)

?

基于邏輯門限值的客車ABS硬件在環(huán)測試研究

陸 藝1，徐博文1，吳佳偉1，趙 靜2

(1.中國計量學院 計量測試工程學院，杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，杭州 310018)

針對ABS控制器開發(fā)過程中純數值仿真過于理想化，實車試驗成本高、周期長等缺點，設計并搭建了客車ABS硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)；系統(tǒng)由xPC目標實時仿真環(huán)境、氣制動系統(tǒng)及整車動力學模型組成；氣制動系統(tǒng)按照真實客車制動系統(tǒng)并配合力傳感器搭建；整車動力學模型由輪胎模型、七自由度車輛模型、制動器模型等組成，并利用Simulink建模；在ABS控制策略中引入邏輯門限值控制，在客車ABS硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)上測試了客車在高附著系數、低附著系數及對接路面上的制動情況；試驗表明：邏輯門限值控制能很好地將車輪滑移率控制在最佳滑移率附近，具有較好的控制精度及魯棒性。

邏輯門限值；硬件在環(huán)；制動防抱死

0 引言

ABS(anti-lock brake system)能使車輪在制動過程中始終處于非抱死狀態(tài)，避免制動過程中前輪抱死造成喪失轉向能力以及后輪抱死導致的車輛側滑甩尾，已成為評價汽車制動安全性的重要指標。目前國內外針對客車ABS控制方法的研究主要停留在純數值仿真，鮮有硬件在環(huán)仿真的研究數據；針對汽車硬件在環(huán)的研究主要集中在偏航穩(wěn)定性、汽車穩(wěn)定性等方面，針對客車ABS制動系統(tǒng)研究仍比較匱乏，對實際客車ABS的研究開發(fā)缺少借鑒價值[1-4]。由此設計了一種邏輯門限值控制方法對客車制動過程進行仿真測試。基于國家標準GB7258-2012《機動車運行安全技術條件》[5]、GB12676-1999《汽車制動系結構、性能、和試驗方法》[6]，設計氣制動回路，利用Matlab/xPC搭建客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，對客車ABS直線制動進行了仿真測試。

1 客車ABS制動硬件在環(huán)測試系統(tǒng)設計

根據客車ABS制動要求搭建客車ABS系統(tǒng)硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，其包括xPC目標實時環(huán)境、氣制動系統(tǒng)和整車動力學模型三部分，其系統(tǒng)原理如圖1所示。其中xPC目標實時環(huán)境采用了“雙機”模式，即宿主機和目標機[7]。宿主機上安裝有Simulink用來整車動力學模型，目標機用于執(zhí)行生成的模型代碼，宿主機和目標機通過TCP/IP連接通訊。目標機上安裝有數據采集卡和運動控制卡。數據采集卡采用研華PCI-1711，A/D分辨率為12位，采樣速率為1 kHz。運動控制卡能控制伺服電機實現快速、慢速等多種運動方式，來模擬駕駛員踩踏板制動的過程。氣制動系統(tǒng)按照真實客車制動系統(tǒng)搭建，并在每個制動氣室上安裝力傳感器，結構如圖2所示。在ABS調節(jié)器的進氣口和出氣口，分別有進氣閥、出氣閥兩個高速電磁閥，根據開閉狀態(tài)不同可實現增壓、保壓、減壓3種不同的工作狀態(tài)。高速電磁閥采用TLE6228芯片驅動[8]。

圖1 客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)示意圖

圖2 氣制動系統(tǒng)硬件組成1—氣源，2—空氣干燥器，3—四回路閥，4、5、6—儲氣罐，7—制動總閥，8—前橋繼動閥，9、11—膜片制動氣室，13—后橋繼動閥，14—手制動閥，15—差動繼動閥，16、18—后橋彈簧制動缸，20—伺服電機，21—快速氣缸， 10、12、17、19、22—力傳感器，23、24、25、26—ABS調節(jié)器

整車動力學模型由輪胎模型、七自由度車輛模型、輔助計算模型等組成，結構如圖1中虛線框內部分所示。輪胎模型選用GIM輪胎模型。該模型將車輪與地面的接觸面分為粘著域(0～ε)和滑動域(ε～l)兩部分。粘著域中的附著力由輪胎表面的切線彈性力決定；滑動域中的附著力由滑動摩擦應力決定，由此整個輪胎接地面的縱向附著力表達式為：

(1)

(2)

其中：Fx為各個車輪的縱向力(N)，Fy為各個車輪的側向力(N)，Cs為車輪縱向剛度(N/m3)，Ca為車輪橫向剛度(N/m3)，ss為車輪縱向滑移率，sa為車輪橫向滑移率，ssc為車輪縱向臨界滑移率，sac為車輪橫向臨界滑移率，μx為輪胎縱向附著系數，μy為輪胎橫向附著系數，ln為輪胎接地線長度的無量綱值定義為ln=ε /l。

七自由度車輛模型包括車身的縱向、側向、橫擺自由度以及4個車輪的旋轉自由度，其在縱向、橫向、橫擺自由度上的平衡計算公式如下：

(3)

(4)

(5)

其中：Iz為汽車繞相對坐標軸z軸的轉動慣量(kg/m2)，u為車輛縱向車速(m/s)，v為車輛橫向車速(m/s)，γ為車輛橫擺角速度(rad/s)，Mz為橫擺力矩(N·m)，M為整車質量(kg)。

制動器模型選取了領從蹄式鼓式制動器，其是氣制動系統(tǒng)硬件和仿真模型的連接部分，表現為制動氣室輸出力和制動器輸出力矩的關系，數學公式為：

(6)

其中：η為制動器效率系數，κ制動器效能因素，F為制動氣室輸出力(N)，R為輪胎半徑(m)。

利用Simulink建立整車動力學仿真模型，如圖3所示。

圖3 整車動力學Simulink仿真程序圖

2 不同路面邏輯門限值控制算法分析

邏輯門限值控制采用車輪角加速度為主要門限，車輪滑移率為輔助門限。每個ABS控制循環(huán)中包括增壓、減壓、保壓、階梯增壓和階梯減壓5種狀態(tài)。下面介紹在不同路面上的控制方法。

在高附著系數路面上時，當車輛緊急制動，制動系統(tǒng)壓力迅速增加，輪速快速下降，當加速度a下降至加速度下門限值-b時，判斷車輪滑移率s與滑移率上門限值s2的關系，若s>s2，則進入減壓狀態(tài)，否則繼續(xù)保持增壓狀態(tài)。由于減壓，車輪角加速度開始回升，當減速度大于-b門限值時，進入保壓狀態(tài)。此時，由于制動系統(tǒng)的慣性和制動氣室所保持的壓力，車輪減速度會繼續(xù)回升。此時可設第二加速度上門限值+bk，當車輪角加速度超過上門限值+b時，比較車輪滑移率s與滑移率下門限值s1，若s

在低附著路面上，開始制動時，制動系統(tǒng)壓力迅速增加，輪速快速下降，當加速度a下降至加速度下門限值-b，且車輪滑移率s>s2時，進入階梯減壓狀態(tài)。由于減壓，車輪角加速度開始回升，當角加速度高于+b門限值時，判斷車輪滑移率s的大小，若s

對接路面即路面系數由高附著系數躍變到低附著系數的路面。要實現對接路面的ABS的控制，其重點在于在制動過程中快速地識別出路面附著系數的躍變并迅速將控制算法從高附著系數路面控制算法切換到低附著系數路面控制算法。而高低附著系數路面的識別，關鍵在于在給定的保壓時間內，車輪加速度能不能超過閾值+b，若超過，則認為是高附著系數路面，否則識別為低附著系數路面。

圖4 控制方法流程圖

3 硬件在環(huán)仿真測試結果及分析

利用客車ABS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)對客車直線制動進行仿真測試，測試時保持制動系統(tǒng)管路壓力在0.7 MPa，高附著系數路面的滾動附著系數為0.84，滑動附著系數為0.75，低附著系數路面的滾動附著系數為0.3，滑動附著系數為0.22。仿真試驗的ABS客車參數如表1，邏輯門限控制參數如表2。

根據GB7258-2012對客車制動效能的規(guī)定，對客車制動的制動距離、制動減速度等進行測試，制動減速度計算公式為：

(7)

其中：MFDD為充分發(fā)出的平均減速度；v0為試驗車輛制動初速度；vb為0.8 v0；ve為0.1 v0；sb為試驗車速從v0到vb之間行駛的距離；se為試驗車速從v0到ve之間行駛的距離.

表1 ABS客車仿真參數

引入附著系數利用率ε作為評判一個制動防抱死系統(tǒng)是否滿足安全要求的指標，它的定義為防抱死裝置工作時的最大制動因數(ZAL)與附著系數(KM)之比，即:

(8)

表2 邏輯門限控制參數

式中，KM即為仿真模型中設置的路面附著系數；ZAL的計算方法為讓車輛以不低于55 km/h的初速度開始制動，測定車速從45 km/h降低到15 km/h所需的時間，取測試3次的平均值tm，計算最大制動因數ZAL

(9)

若制動防抱死系統(tǒng)滿足ε>0.75，則應認為它是滿足安全要求的。ε應在附著系數小于或等于0.3和大于或等于0.8的路面上測取。

3.1 高附著系數路面測試結果及分析

測試從緊急踩下制動踏板開始，直至ABS停止工作，客車制動停車為止。圖5為測試結果。從圖中可以看出，車輛在1.2 s時開始制動，在3.9 s時制動停止。制動開始后后輪的滑移率增加先于前輪，這是由于后輪制動力矩大于前輪制動力矩。在ABS的作用下，4個車輪都沒有發(fā)生抱死現象，滑移率維持在高附著系數路面的最佳滑移率0.2附近。車輛制動距離為30.29 m，無跑偏現象發(fā)生。根據式(7)計算可得MFDD為8.39 m/s2，根據式(8)可得附著系數利用率ε為98.97%，遠遠大于75%的要求。ABS控制策略效果較好。

圖5 高附著系數路面測試結果

3.2 低附著系數路面測試結果及分析

低附著系數路面制動測試結果見圖6。車輛在低附著系數路面上的制動時間比高附著 系數路面更長。1.2 s時開始制動，7.5 s時制動結束，歷時6.3 s。制動開始后，車輪滑移率快速上升至0.15左右，然后維持在低附著系數路面的最佳滑移率0.1附近。相比高附著系數路面，低附著系數路面的滑移率曲線振蕩頻率更高。因為路面附著系數低，車輪與路面的作用力減小，很小的制動力即能改變車輪輪速。測試制動距離為45.30 m，制動過程中無車輪抱死、跑偏現象發(fā)生。根據式(7)計算可得MFDD為2.53 m/s2，根據式(8)可得附著系數利用率ε為96.17%，完全滿足安全要求。ABS控制策略制動效果良好。

圖6 低附著系數路面測試結果

3.3 對接路面測試結果及分析

對接路面試驗進行了從高附著到低附著路面的試驗。在3.5 s時由高附著路面進入低附著路面，試驗結果如圖7所示。從圖中可以看出，整個制動過程歷時5.4 s，從制動開始到3.5 s車輛在高附著系數路面上，車輛減速度較大，車速降低較快，滑移率振蕩較??；在3.5 s時，路面系數突然由高變低，此時由于制動力矩調整的滯后，車輪滑移率迅速由0.2左右攀升至0.8左右。為避免車輪抱死，根據邏輯門限值控制策略迅速調節(jié)各個車輪的制動力矩來適應不同的路面附著系數，經過約0.2 s的調整，迅速將滑移率控制在0.1左右。整個過程中各車輪沒有發(fā)生抱死，進入低附著系數路面后滑移率曲線振蕩幅度較大。制動距離為36.49 m，無跑偏現象，根據式(7)計算可得MFDD為7.04 m/s2。從整個制動過程來看，車輛對路面附著系數突變響應迅速，ABS控制策略制動效果較好。

圖7 對接路面測試結果

3.4 與無ABS客車制動效能測試結果對比及分析

為了測試制動效能，在同樣的路面附著系數和制動初速度條件下對無ABS客車的制動距離和充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)進行了試驗，其試驗結果與有ABS客車對比如下：

表3 無ABS客車與有ABS客車制動效能對比

從表3中可以發(fā)現，在高附著、對接路面上有ABS客車在制動距離和MFDD上的表現都優(yōu)于無ABS客車，說明有ABS客車的制動效能更好。相反地，在低附著系數路面上，有ABS客車的卻比無ABS客車差，這是由于當車輪與地面之間的附著力較小時更容易發(fā)生車輪抱死現象，從而導致喪失轉向能力、側滑甩尾等現象發(fā)生，有ABS客車為了杜絕上述現象的發(fā)生而犧牲了制動效能?？傮w而言，邏輯門限值控制方法在緊急制動中對提高客車被動安全性具有明顯作用，客車ABS制動硬件在環(huán)測試系統(tǒng)對ABS控制方法研究開發(fā)具有重要意義。

4 結論

本文根據ABS制動要求設計了邏輯門限值控制控制方法，并在搭建的客車ABS制動硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)上進行了制動測試。由于不同的路面條件對邏輯門限值的要求也不盡相同，由此設計了3種不同的、分別適合高附著系數路面、低附著系數路面及對接路面的控制方法，并進行了硬件在環(huán)測試。試驗結果表明，邏輯門限值控制能很好地控制車輪滑移率，防止車輪抱死造成的種種危險狀況，并在一定程度上減小制動距離，具有良好的控制精度及魯棒性。由此可見，邏輯門限值控制方法對于客車ABS制動是可行的，試驗結果對于ABS控制策略的研究具有重大意義。

[1] 蔣 強，羅 宏. 基于xPC的氣壓ABS調節(jié)器動態(tài)參數測控系統(tǒng)開發(fā)[J]. 計算機測量與控制，2012，20(7)：1787-1789.

[2]李幼德, 劉 巍, 李 靜, 等. 汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真[J]. 吉林大學學報(工學版), 2007, 37(4): 737-740.

[3]Gawthrop P J, Virden D W, Neild SA, et al. Emulator-based control for actuator-based hardware-in-the-loop testing [J]. Control Engineering Practice, 2008, 16(12)：897-908.

[4]Guvenc B A, Karaman S. Robust Yaw Stability Controller Design and Hardware-in-the-Loop Testing for a Road Vehicle[J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions, 2009, 58(2): 555-571.

[5]GB7258-2012《機動車運行安全技術條件》[S]. 中國國家標準化管理委員會，2012.

[6]GB12676-1999《汽車制動系結構、性能和試驗方法》[S]. 中國國家標準化管理委員會，1999.

[7]楊 滌，李立濤，楊 旭，等. 系統(tǒng)實時仿真開發(fā)環(huán)境與應用[M]. 北京：清華大學出版社，2002:249-252.

[8]蔡源春, 周云山, 張飛鐵，等. 基于硬件在環(huán)仿真技術的無級變速器試驗系統(tǒng)研究[J]. 儀器儀表學報, 2009， 30(5)：960～966.

[9]楊武雙，鐘 勇. 基于綜合控制策略的ABS仿真研究[J]. 福建工程學院學報，2008，6(1)：38-42.

Research on Hardware-In-the-Loop Test of Bus ABS Based on Logic Threshold

Lu Yi1, Xu Bowen1, Wu Jiawei1, Zhao Jing2

(1. College of Metrology & Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China 2. Hangzhou Wolei Intelligent Technology Co.,Ltd., Hangzhou 310018, China)

In the development process of ABS controller, the pure numerical simulation is too ideal, the cost of real vehicle test is high and the cycle is long, so the bus ABS hardware-in-the-loop simulation test system is designed and built. The system is composed of xPC target real-time simulation environment, air brake system and vehicle dynamics model. The air brake system is built according to the real bus brake system. In addition, there are four force sensors. The vehicle dynamics model is composed of tire model, seven degrees of freedom vehicle model, arrester model and so on. And the simulation model was built by using Simulink. In the ABS control strategy, the logic threshold control is introduced. The brake tests at high adhesion coefficient road, low adhesion coefficient road and joint road were done on Bus ABS hardware-in-the-loop simulation test system. The results show that the logic threshold control can control the wheel slip ratio near optimal slip ratio. It has good control accuracy and robustness.

logic threshold; hardware-in-the-loop; ABS

2016-03-24；

2016-04-25。

國家質檢總局公益性行業(yè)科研專項項目(201310284)；浙江省科技計劃項目(2014C31105)。

陸 藝(1979-)，男，江蘇揚州人，副教授，碩士研究生導師，主要從事精密測試方向的研究。

徐博文(1990-)，男，浙江寧波人，碩士研究生，主要從事精密測試方向的研究。

1671-4598(2016)09-0050-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.014

U461.6

A