胥 軍， 李文博， 董 健， 翟家駒

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

0 引 言

在載重卡車、工程車、乘用客車等商用車中，氣壓制動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛地應(yīng)用。氣壓制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)踏板、氣壓傳動(dòng)回路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制單元等組成，其核心部件為氣壓ABS控制器[1-2]。傳統(tǒng)的ABS控制器開發(fā)過程需要進(jìn)行大量的實(shí)車與道路試驗(yàn)，成本高昂。本文選擇德國dSPACE公司基于Matlab/Simulink實(shí)時(shí)環(huán)境的開發(fā)與測試平臺[3-5]，搭建氣壓ABS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺，以車輛數(shù)學(xué)模型代替實(shí)車，ABS控制器輸出控制信號到車輛模型，接收車輛模型反饋的模擬傳感信號，并將傳感信號以圖形曲線的形式直觀顯示在上位機(jī)界面中，完成ABS控制器的仿真測試與性能驗(yàn)證。應(yīng)用結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺可替代ABS控制器開發(fā)初期的實(shí)車和道路試驗(yàn)[6-7]，加快產(chǎn)品樣機(jī)的開發(fā)進(jìn)程。

1 試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)

客車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為制動(dòng)源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-空壓機(jī),2-空氣干燥器,3-駐車儲氣罐,4-四回路保護(hù)閥,5-前橋儲氣罐,6-后橋儲氣罐,7-雙槍制動(dòng)閥,8-繼動(dòng)閥,9-快放閥,10-手控閥,11-氣壓ABS閥,12-制動(dòng)氣室,13-制動(dòng)力傳感器,14-前制動(dòng)壓力采集模塊,15-前自動(dòng)調(diào)壓閥控制模塊,16-后自動(dòng)調(diào)壓閥控制模塊,17-后制動(dòng)壓力采集模塊,18-通信總線

圖1 客車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在車輛制動(dòng)過程中，氣壓ABS制動(dòng)的工作過程可劃分為以下3個(gè)階段:

第1階段氣體經(jīng)過空壓機(jī)壓縮達(dá)到一定的壓力值后由排氣閥排出，經(jīng)空氣干燥器干燥后進(jìn)入儲氣罐中，儲氣罐中空氣的壓力值逐漸上升，直至達(dá)到設(shè)定壓力值上限，空壓機(jī)停止工作，儲氣罐內(nèi)氣體氣壓值不再增加。

第2階段駕駛員踩動(dòng)制動(dòng)踏板促動(dòng)雙腔制動(dòng)閥，儲氣罐內(nèi)的壓縮氣體分別經(jīng)繼動(dòng)閥和快放閥進(jìn)入前輪和后輪的左右制動(dòng)氣室。制動(dòng)氣室將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為推桿的機(jī)械能，推動(dòng)推桿、制動(dòng)臂等制動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生制動(dòng)力矩作用于車輪，開始制動(dòng)。

第3階段制動(dòng)結(jié)束后，松開制動(dòng)踏板閥，前輪和后輪左右制動(dòng)氣室內(nèi)的壓縮空氣分別經(jīng)繼動(dòng)閥和快放閥排入大氣，車輛解除制動(dòng)，恢復(fù)正常行駛。

以某車型客車為目標(biāo)車型，基于dSPACE軟硬件平臺，搭建氣制動(dòng)ABS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺，平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

試驗(yàn)過程中，測得的氣室壓力信號,氣制動(dòng)ABS的控制端加載在dSPACE控制終端，利用采集到的壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際車型參數(shù)并導(dǎo)入Matlab/Simulink的車輛數(shù)學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)不同制動(dòng)工況下的整車行駛狀態(tài)模擬；同時(shí)，基于Matlab/Simulink建立的控制器模型，壓力信號輸入車輛動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)算單元中的制動(dòng)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，實(shí)時(shí)反饋的制動(dòng)氣室壓力信號變化使輪速發(fā)生變化，從而模擬整個(gè)制動(dòng)過程。

圖2 硬件在環(huán)試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺所測得的制動(dòng)回路壓力數(shù)據(jù)，不僅可單獨(dú)顯示在壓力顯示器上，還可通過CAN總線連接處理終端。在處理終端可對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出、處理與綜合分析，包括制動(dòng)氣室壓力的變化趨勢、波動(dòng)特性等。

2 硬件設(shè)計(jì)

氣制動(dòng)ABS硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺主要由客車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)、dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、工控機(jī)、傳感器和模擬駕駛臺組成。試驗(yàn)臺的傳感與模型信號配置如表1所示。

表1 傳感與模型信號配置

試驗(yàn)臺采用的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)由DSl103、DS2202、DS221l、IPG等模塊化硬件組成，控制信號由并行接口輸出，傳感信號由BNC同軸屏蔽電纜接入。dSPACE機(jī)箱與IPG機(jī)箱通過CAN通信口互聯(lián)，與制動(dòng)臺架之間通過CAN協(xié)議通信。經(jīng)過編譯的車輛模型可直接通過計(jì)算機(jī)下載到實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，進(jìn)行控制策略驗(yàn)證、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與參數(shù)優(yōu)化。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用基于Matlab和dSPACE/ControlDesk的軟件開發(fā)環(huán)境。利用Simulink模塊搭建仿真模型，氣壓ABS系統(tǒng)程序用dSPACE/DS1103來完成控制。

3.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型的建立

車輛動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)算單元是一個(gè)具有8自由度的整車動(dòng)力學(xué)模型[8-10]，是仿真運(yùn)算的核心部分，能較真實(shí)地模擬車輛在不同工況下制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)。整車動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 整車動(dòng)力學(xué)模型

8個(gè)自由度分別包括：車輛的縱向位移、側(cè)向位移、繞Z軸的擺動(dòng)、繞X軸的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)及4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。仿真運(yùn)算中還加入了制動(dòng)器模型、路面模型、懸架模型、輪胎模型等[11-15]，綜合完成了對整車運(yùn)動(dòng)的仿真。經(jīng)過與實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，8自由度的整車動(dòng)力學(xué)模型能很好地反映車輛在線性及非線性范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)特征，能夠滿足氣壓ABS硬件在環(huán)仿真的需求。

3.2 控制模型的建立

ABS控制器的控制策略采用邏輯門限值控制，以角加減速度、滑移率S為門限，其控制過程根據(jù)路面分以下3種。

(1) 高附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制過程。圖4為車輛行駛在高附著系數(shù)路面時(shí)的制動(dòng)控制過程，其中:vf表示車輛實(shí)際速度;vref表示車輛參考速度;vR表示車輪速度;S1表示高附著系數(shù)路面條件下的理想滑移率。

圖4 高附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制過程

在制動(dòng)初始階段，需對滑移率進(jìn)行比較，若SS1，確保附著系數(shù)與滑移率曲線處于峰值附近。隨后進(jìn)行減壓，角減速逐漸減小，當(dāng)角減速度在門限值-a之上時(shí)，進(jìn)入保壓階段。此時(shí)，車輪速度仍在上升，角減速度由-a到+a，甚至超過+a。為適應(yīng)附著系數(shù)的增加，設(shè)定正AK為第二加速度門限。當(dāng)角加速度超過+AK，則制動(dòng)壓力增大，直到角加速度位于-a～+a之間。制動(dòng)壓力不斷增大或保持不變，直到角減速度在-a之下，此時(shí)，制動(dòng)過程結(jié)束。

(2) 低附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制過程。圖5所示為車輛行駛在高附著系數(shù)路面時(shí)的制動(dòng)控制過程，其中S2表示高附著系數(shù)路面條件下的理想滑移率。低附著系數(shù)路面與高附著系數(shù)路面的制動(dòng)時(shí)的不同之處在于制動(dòng)進(jìn)入第3階段后，在保壓階段給定時(shí)間里內(nèi)，車輪速度恢復(fù)得慢，無法達(dá)到+a門限。系統(tǒng)采用較小的減壓梯度，直到角減速度超過+a，進(jìn)入保壓階段。之后與制動(dòng)控制過程一致。

圖5 低附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制過程

(3) 高附著系數(shù)路面到低附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制過程。當(dāng)路面條件突然轉(zhuǎn)換時(shí)，制動(dòng)壓力仍為高附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)的高壓，由于附著系數(shù)較小，滑移率可能會超過S1、S2門限值。若超過S2，則表明車輪工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)減壓，直至角減速度高于+a。之后與制動(dòng)控制過程一致。

3.3 dSPACE軟件工作流程

實(shí)時(shí)軟件RTI是Matlab/Simulink仿真軟件與dSPACE硬件之間的連接工具。通過ControlDesk可以實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程的綜合管理，實(shí)現(xiàn)變量與參數(shù)的可視化、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲、報(bào)表輸出等。

在硬件環(huán)試驗(yàn)測試過程中，將ABS控制策略加載到整車模型中，設(shè)置初始車速，然后由dSPACE輸出控制信號控制ABS閥，通過氣室頂桿作用于壓力傳感器，并將傳感器反饋信號輸入控制模型中，以檢驗(yàn)車速的實(shí)時(shí)變化情況，仿真流程如圖6所示。

圖6 仿真試驗(yàn)流程

4 功能驗(yàn)證

基于本硬件在環(huán)試驗(yàn)臺，與車輛模型進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，初始化配置后開始仿真驗(yàn)證。以低附低附著系數(shù)路面的防抱死控制過程為例，ABS控制作用下的輪速仿真曲線如圖7所示，圖中紅色和藍(lán)色曲線為兩后輪輪速的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綠色和黑色曲線為兩后輪輪速的仿真數(shù)據(jù)。由仿真結(jié)果可見，車輪未發(fā)生抱死的危險(xiǎn)工況，車輪速度較好地跟蹤了車速的變化，并且車輪減速度控制在較理想范圍內(nèi)，未出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。從前后車輪速度的變化響應(yīng)可見，盡管車輛在制動(dòng)時(shí)前后輪胎所受的垂直載荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，dSPACE/DS1103也能夠完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的獨(dú)立控制。

圖7 低附ABS起作用時(shí)輪速仿真結(jié)果

5 結(jié) 語

利用氣壓ABS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)了氣壓ABS系統(tǒng)控制策略的在線驗(yàn)證，獲得了各種制動(dòng)工況下的控制參數(shù)。通過仿真驗(yàn)證，豐富了邏輯門限值方法的控制范圍，可適應(yīng)車輛在不同制動(dòng)工況的制動(dòng)控制要求，達(dá)到氣壓ABS精確控制的目標(biāo)。應(yīng)用結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的氣壓ABS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能大幅縮短ABS控制器樣機(jī)開發(fā)周期、節(jié)省開發(fā)成本。

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