鄭玲玲， 段春光， 尹 海

(吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130061)

0 引 言

進入21世紀以來，汽車行業(yè)取得了蓬勃發(fā)展，在發(fā)展的過程中，汽車制動的安全性受到本行業(yè)廣泛關注，在各種安全技術手段中，防抱死制動系統(tǒng)(Anit-lock braking system, ABS)是繼使用安全帶之后在汽車安全性方面的重要技術成就之一[1]。ABS的控制方式是將輪速傳感器做為前端輸入，測量各個輪子在運動中的狀態(tài)，根據(jù)測量結(jié)果判斷生成對應的控制命令，車輪輪速對于ABS控制系統(tǒng)是重要的輸入指標[2]。因此在實驗室中對車輛的ABS控制進行測試，就需要有準確的輪速傳感器信號作為輸入源，常規(guī)做法常采用4個高速旋轉(zhuǎn)的目標齒輪及輪速傳感器搭建的平臺產(chǎn)生的車輪速度信號作為輸入，此方法危險性較大，對于教學實驗不適宜[3-4]。本文自主研發(fā)一套ABS輪速傳感器信號模擬系統(tǒng)，利用本系統(tǒng)可以實現(xiàn)一種安全性強、效果較好的車輪速度信號模擬，并利用此信號開展ABS仿真驗證。ABS仿真控制技術作為汽車電控系統(tǒng)仿真與試驗測試技術課程的重要實驗內(nèi)容之一，對于培養(yǎng)車輛工程專業(yè)學生在汽車安全方面具有重要的意義[5-8]。

1 ABS輪速傳感器原理分析

根據(jù)原理分析，輪速傳感器可以分為兩種方式：被動式和主動式。被動式也可稱之為磁電式傳感器，其示意圖如圖1所示。將傳感器按照一定的空氣間隙安裝在目標輪的凹凸齒面上，在目標輪轉(zhuǎn)動時，凹凸齒面與傳感器之間的距離隨之不斷變化，線圈中的感應電勢會隨著目標輪的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相應變化，從而產(chǎn)生交流電信號[9]。

圖1 被動式傳感器的工作原理圖

如圖1所示，如果線圈在某均恒的磁場中運動時，穿過線圈的磁通量為φ，則該線圈內(nèi)的感應電動勢ε與線圈上的磁通量的關系為：

(1)

式中：ε為感應電動勢;φ為穿過線圈的磁通量;N為線圈匝數(shù)。

對于被動式傳感器，目標輪的轉(zhuǎn)動速度越高，傳感器輸出信號的頻率和電勢值就越高，對輸出信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)采集，可以將得到的數(shù)字信號進行分析，根據(jù)其頻率變化得到目標的轉(zhuǎn)動速度值，實現(xiàn)對輪速的測量。

主動式傳感器根據(jù)感應原理的不同，可以分為磁阻式傳感器和霍爾傳感器，它們的輸出的信號是一樣的，下面以霍爾傳感器為例對主動式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作方式進行介紹?；魻柺絺鞲衅魇抢没魻栃脑韺囕喫俣冗M行測量，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器工作的時候需要的主要部件是霍爾傳感器和齒圈，霍爾傳感器主要包括以下幾部分：霍爾元件、永磁體及電子電路等；在測試過程中，永磁體產(chǎn)生相對穩(wěn)定的磁場，其對應的磁力線經(jīng)過霍爾器件最終抵達齒圈部件，作用于霍爾器件的磁場大小決定著霍爾傳感器感應產(chǎn)生的電壓值。因此，當車輪帶動齒圈在不斷轉(zhuǎn)動過程中，霍爾元件輸出的電壓信號接近于正弦波形態(tài)，對輸出的電壓信號進行電路調(diào)理，可以得到標準的脈沖電壓或者電流信號[10-12]，對這個脈沖信號的頻率進行測量，就可以計算得到車輪的轉(zhuǎn)速。

圖2 主動式傳感器的工作原理圖

主動式傳感器具有較多的優(yōu)點：輸出值信號具有較高的靈敏度、信號具有較強的抗干擾能力、實際測試中車輪速度范圍寬，基于以上優(yōu)點，主動式傳感器目前被汽車行業(yè)普遍應用于實際車輛中[13-15]。

2 信號模擬系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)實驗教學與實際應用的要求，本文設計了一種輪速傳感器的信號模擬系統(tǒng)，此系統(tǒng)的控制部分采用單片機，利用CAN總線和dSPACE實時仿真系統(tǒng)之間通信，單片機得到總線的指令之后，其產(chǎn)生指令所對應的PWM信號，將產(chǎn)生的PWM信號進行信號調(diào)理，得到輪速傳感器在3種不同條件下的模擬結(jié)果，并將此模擬信號送入到制動平臺的車輛ABS模塊中開展驗證測試。圖3為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，該模擬系統(tǒng)完成了被動式、主動式兩種信號的模擬生成。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

在模擬輪速信號的過程中，其軟件流程如圖4所示。首先啟動系統(tǒng)，通過讀取CAN總線中的指令，得到需要模擬的ABS輪速信號模式，包括：勻速、起車加速、剎車減速及自定義等模式。根據(jù)信號模式進入不同的模式方式程序中，載入預先設定好的各模式的模擬參數(shù)，然后啟動運行各模式的ABS信號模擬，輸出相應的ABS模擬信號到汽車模擬器中，根據(jù)模擬器中讀取得到的距離傳感器信號結(jié)果，將結(jié)果顯示在LCD顯示屏中，系統(tǒng)延時后進行CAN總線讀取，等待下一個指令進行信號模擬。

圖4 軟件流程圖

3 傳感器信號模擬系統(tǒng)的實驗

本文中設計的傳感器信號模擬系統(tǒng)如圖5所示，此系統(tǒng)尺寸小，質(zhì)量輕，使用方便，無安全隱患，并且能夠模擬目前市場上大多數(shù)輪速傳感器信號，滿足實際教學工作中對于多種輪速傳感器的模擬，能夠快速有效的對接市場上多種汽車模擬平臺，并滿足平臺實際的測試要求。

圖5 模擬輪速信號系統(tǒng)實物照片

本文設計的此輪速模擬系統(tǒng)在實際測試過程中是搭載于駕駛模擬器驅(qū)動的嵌入式臺架系統(tǒng)中，如圖6所示，實現(xiàn)了對實驗平臺建立的ABS模型以及真實的ABS控制器進行標定與驗證[16]。

實際測試方式如圖7所示。dSPACE首先通過CAN總線將預期產(chǎn)生的速度值送入輪速模擬器中，輪速模擬器根據(jù)速度值設計參數(shù)，產(chǎn)生相應的輪速模擬信號，此信號被送到車輛ABS的控制器，根據(jù)信號結(jié)果，車輛ABS控制器會將4個車輪的速度結(jié)果利用CAN總線送入dSPACE系統(tǒng)，實現(xiàn)一次速度值的產(chǎn)生和循環(huán)。

圖6 嵌入式臺架系統(tǒng)的實物照片

圖7 實驗測試結(jié)構(gòu)圖

利用實際模擬平臺，對研發(fā)的信號模擬系統(tǒng)開展了效果測試分析。對于ABS傳感器模擬系統(tǒng)，需要在不同車速下驗證ABS模擬系統(tǒng)效果，采用dSPACE產(chǎn)生一種不斷變化的速度信號送入到傳感器信號模擬系統(tǒng)中，傳感器信號模擬系統(tǒng)可以產(chǎn)生相應的傳感器信號，傳感器信號模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的主動式輪速傳感器信號結(jié)果如圖8所示。

將傳感器信號模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的信號輸入到車輛ABS中，通過dSPACE將ABS中計算出的車輪速度進行采集，將dSPACE設定的預期信號與模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的信號進行對比分析，兩組信號的對比結(jié)果如圖9所示。根據(jù)圖9所示的結(jié)果，可以看出，信號模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的信號和dSPACE預期設定的一個周期性變化速度信號(26～130 km/h)的一致性較好，最終求解速度誤差值為0.466 km/h，模擬器產(chǎn)生信號的延遲時間為8 ms，本文設計的模擬指標達到了實驗教學、科研項目的需求。

最后將研制的車速傳感器信號模擬系統(tǒng)應用于嵌入式臺架系統(tǒng)中對ABS控制器開展驗證實驗，進行了多種車輛行駛環(huán)境條件下的制動方式測試，下面介紹其中的由高附著到低附著直線制動。車輛直線行駛于高附著系數(shù)的道路條件上，然后垂直進入到低附著系數(shù)的道路條件上，同時在兩種條件的分界線位置進行制動。

圖10是車輛制動過程中輪缸壓力的調(diào)節(jié)過程，圖11所示為相應調(diào)節(jié)過程中的車速及4個車輪的輪速。根據(jù)圖中的曲線變換分析，車輛在5 s附近進行制動，在制動開始后，輪缸的壓力一直在變化調(diào)節(jié)，同時輪速也與之相應的變化，保持增加或減少的狀態(tài)。根據(jù)圖中結(jié)果，確認在此過程中車輪未出現(xiàn)抱死狀態(tài)，控制效果較好。

圖10 ABS啟動時輪缸壓力

對于車輛有、無ABS的條件下，還開展了對車輛的輪速、滑移率、橫擺角和橫擺角速度的分析，得到的結(jié)果如圖12～15所示。在圖12的測試分析中，當車輛在開始制動后，沒有ABS的情況下，輪速會在制動開始就出現(xiàn)抱死的情況，導致輪速在非常短的時間就變?yōu)榱恪Ｔ趫D13中的測試分析中，在有ABS的條件下，車輛的滑移率波動保持在0～1之間，在沒有ABS的條件下會產(chǎn)生輪子抱死的結(jié)果，會出現(xiàn)非常高危的駕駛后果。

根據(jù)圖14的測試結(jié)果，分析可得，沒有ABS的條件下，車輛的橫擺角最高可以達到0.2 rad，而在加入了ABS后，車輛的橫擺角最大為0.075 rad，加入了本ABS模擬信號系統(tǒng)后，車輛的橫擺角可以降低為原來值的37.5%。根據(jù)圖15測試結(jié)果，最大的橫擺角速度值針對有、無ABS的情況下結(jié)果相同，結(jié)果均為0.02 rad/s，但是從整體趨勢分析，有ABS時整體效果更佳。

圖12 無ABS時車速輪速測試結(jié)果

圖14 有、無ABS情況下車輛橫擺角

4 結(jié) 語

為解決在課程應用和實驗測試中對于ABS策略的驗證問題，本文研制了一種輪速傳感器的信號模擬系統(tǒng)，并將此信號模擬系統(tǒng)應用于實際的測試應用中，進行了相應的實驗分析。

測試結(jié)果表明，本文研制的模擬系統(tǒng)能夠生成多種車輪速度信號，該系統(tǒng)可以用于驗證目前市場上絕大多數(shù)的ABS控制器。將本系統(tǒng)搭載于嵌入式臺架系統(tǒng)中，并且針對典型測試工況，在駕駛模擬器上進行了虛擬的場地實驗，對比在有、無ABS控制器兩種情況對車輛姿態(tài)的影響，利用本模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了對嵌入式臺架系統(tǒng)功能的優(yōu)化。通過對ABS控制器參數(shù)的測試標定，其結(jié)果證明在實際應用中可以使用此平臺標定實際車輛的ABS控制器，實現(xiàn)對ABS控制策略的驗證。

利用此輪速傳感器模擬系統(tǒng)，可以在原有的試驗場景基礎上建立多種附著系數(shù)路面，對ABS控制器在對開和對接路面上進行相應的測試驗證，由于此模擬測試平臺完全基于實驗室內(nèi)設備搭建，不需要進行車輛的場地實驗，實驗完全不受氣候影響，節(jié)約成本，縮短ABS控制策略的開發(fā)驗證時間，同時可以在實驗課程中讓學生對于設計的ABS控制策略有更加直觀的認識和分析，對于教學實驗具有極好的實用意義。