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        智能集成制動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試

        2023-12-18 08:58:36王學(xué)影范偉軍張霖成
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2023年24期
        關(guān)鍵詞:助力器前輪液壓

        符 崢, 王學(xué)影, 范偉軍, 張霖成

        (1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018; 2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司, 浙江 杭州 310018)

        0 引 言

        近年來(lái),隨著新能源汽車的普及與發(fā)展,比亞迪、蔚來(lái)、特斯拉等新能源車企迅速崛起,車輛智能化的提升等相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展,作為基礎(chǔ)的線控制動(dòng)技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展[1]。智能集成制動(dòng)系統(tǒng)將助力器和車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)(Electronic Stability Program, ESP)集成為一體,加強(qiáng)了系統(tǒng)的集成化以及輕量化,留出更多的空間用于提升新能源車輛的續(xù)航[2]。隨著更多傳感器以及電子控制單元(ECU)的介入,制動(dòng)系統(tǒng)的功能邏輯也逐漸復(fù)雜,因此對(duì)智能集成制動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)需要比傳統(tǒng)模式更先進(jìn)的檢測(cè)手段[3-4]。硬件在環(huán)(Hardware-in-the-Loop, HIL)作為汽車系統(tǒng)V 模式流程的驗(yàn)證環(huán)節(jié),具有同步開發(fā)、極限與破壞性試驗(yàn)、可復(fù)現(xiàn)、全面快捷的優(yōu)勢(shì),能在研發(fā)初期檢測(cè)出硬件設(shè)計(jì)的缺陷,提高研發(fā)效率[5]。為使HIL 仿真測(cè)試的結(jié)果更加貼合實(shí)際工況,主要通過兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。一方面,通過線控制動(dòng)硬件在環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及響應(yīng)分析,孫德明等人基于dSPACE 搭建了整車控制器硬件在環(huán)測(cè)試環(huán)境,對(duì)整車控制器進(jìn)行了硬件在環(huán)測(cè)試,并對(duì)ECU 進(jìn)行功能安全的驗(yàn)證[6];吳利廣等人通過HIL 系統(tǒng)對(duì)電控懸架進(jìn)行仿真測(cè)試,開展了懸架控制器控制邏輯的驗(yàn)證[7]。另一方面是對(duì)硬件設(shè)備建模后與軟件的聯(lián)合仿真,晏江華等人將電動(dòng)尾門控制器與搭建的電動(dòng)尾門閉環(huán)系統(tǒng)模型聯(lián)合仿真,仿真系統(tǒng)和控制單元間信號(hào)交互正常,實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾門開關(guān)的控制[8];彭正明通過ADAMS 建立駐車機(jī)構(gòu)機(jī)械模型,在避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)的同時(shí)反映其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的駐車特性,通過HIL 測(cè)試驗(yàn)證了P 擋控制器控制功能和控制策略的有效性[9]。楊春偉等人采用整車Carsim 動(dòng)力學(xué)模型搭建EPS 機(jī)電耦合HIL 測(cè)試臺(tái)架,對(duì)EPS 系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向性能和輪速有效位故障模擬,并針對(duì)具體工況進(jìn)行聯(lián) 合 仿 真HIL 測(cè) 試[10]。

        對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè),傳統(tǒng)的測(cè)試臺(tái)以及整車測(cè)試的測(cè)試整改成本較高、周期較長(zhǎng),由于操作人員以及環(huán)境的限制,整車測(cè)試的實(shí)驗(yàn)次數(shù)以及復(fù)現(xiàn)程度都十分有限[11]。本文通過搭建制動(dòng)系統(tǒng)的HIL 測(cè)試系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)于極限、特殊工況的制動(dòng)仿真測(cè)試,同時(shí)對(duì)其附加功能與電控單元的邏輯關(guān)系進(jìn)行檢測(cè)。本文方法通過模擬仿真打破傳統(tǒng)測(cè)試的局限性,同時(shí)保證測(cè)試過程的安全性,提高實(shí)時(shí)性以及實(shí)現(xiàn)更廣泛的復(fù)現(xiàn)性,以達(dá)到縮短汽車電控產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低企業(yè)的人工成本的目的。

        1 結(jié)構(gòu)分析及基本原理

        1.1 智能集成制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

        智能集成制動(dòng)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示,主要由助力器推桿、液壓執(zhí)行單元、電機(jī)、ECU 等系統(tǒng)部件組成[12]。制動(dòng)過程中,駕駛員通過踩踏制動(dòng)踏板將輸入力通過助力器推桿傳遞,踏板位置傳感器將不同位置的位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),發(fā)送至ECU 計(jì)算出所需制動(dòng)力,通過電機(jī)作用在制動(dòng)主缸內(nèi)產(chǎn)生液壓力,再作用在負(fù)載上實(shí)現(xiàn)制動(dòng)[13-14]。

        圖1 智能集成制動(dòng)助力器物理結(jié)構(gòu)圖

        1.2 智能集成制動(dòng)系統(tǒng)功能策略

        智能集成制動(dòng)系統(tǒng)除了具備常規(guī)電子助力制動(dòng)功能外,還與ESP 集成為一體,可提供電子剎車分配力系統(tǒng)、防抱死剎車系統(tǒng)、循跡控制系統(tǒng)、車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)等功能,這些功能極大地提高了駕駛的安全性[15-16]。本文系統(tǒng)測(cè)試的功能具有前置條件和觸發(fā)條件,具體介紹詳見表1。

        2 測(cè)試系統(tǒng)

        2.1 HIL 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        本文的集成線控制動(dòng)系統(tǒng)HIL 仿真平臺(tái)主要基于美國(guó)NI 平臺(tái)進(jìn)行搭建。HIL 測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、實(shí)時(shí)軟件模型和軟件系統(tǒng)三部分組成,如圖2 所示。

        圖2 測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

        如圖2 所示,在硬件系統(tǒng)中通過HIL 機(jī)柜中相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡選用,實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行所需要的電氣和運(yùn)行環(huán)境。在環(huán)控制機(jī)柜通過線控制動(dòng)控制器的硬件、總線接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和輸入輸出信號(hào)監(jiān)測(cè)。模型建立主要包括輪胎模型和整車模型,主要通過Simulink 搭建實(shí)現(xiàn)負(fù)載車輛的物理模型,反映制動(dòng)過程中車身的物理特性;另一方面,通過整車模型提供虛擬整車環(huán)境。軟件系統(tǒng)中上位機(jī)控制界面的開發(fā)基于NI VeriStand 軟件進(jìn)行,可實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程管理及各類信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

        2.2 硬件系統(tǒng)開發(fā)

        硬件系統(tǒng)總體組成如圖3 所示,由輪速模擬集成模塊、電缸伺服驅(qū)動(dòng)模塊、液壓負(fù)載集成模塊、顯示器控制模塊與智能集成控制器等組成。使用4 個(gè)高動(dòng)態(tài)伺服電機(jī)來(lái)帶動(dòng)磁環(huán)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)輪速的模擬。

        圖3 硬件系統(tǒng)總體組成

        如圖4 所示,采用單向推動(dòng)的方式,通過伺服電缸將踏板受力轉(zhuǎn)換為電信號(hào),使輸入力得以量化。資源的分配基于集成線內(nèi)的控制制動(dòng)器的接口特性和相關(guān)參數(shù),通過映射控制器和機(jī)柜之間的關(guān)系來(lái)創(chuàng)建信號(hào)列表,根據(jù)信號(hào)列表建立智能集成助力器和控制機(jī)柜之間的物理連接。

        圖4 電缸伺服驅(qū)動(dòng)功能塊描述

        HIL 機(jī)柜組成如圖5 所示,對(duì)線控制動(dòng)器的信號(hào)進(jìn)行分析,HIL 的測(cè)試系統(tǒng)包含數(shù)字信號(hào)輸入與輸出、模擬信號(hào)輸入、PWM 信號(hào)輸出、CAN 信號(hào),通過選取相應(yīng)的NI 硬件平臺(tái)的板卡與機(jī)柜進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

        圖5 HIL 機(jī)柜

        2.3 模型建立

        模型系統(tǒng)包括輪胎模型和整體車身模型,其中輪胎模型與整車模型聯(lián)立,增加了制動(dòng)過程中車輛行駛穩(wěn)定性的影響,整車模型構(gòu)成虛擬被控對(duì)象。

        2.3.1 輪胎模型

        通過魔術(shù)公式建立輪胎模型非常適用于車輛操縱穩(wěn)定性分析,輪胎模型主要體現(xiàn)制動(dòng)過程中縱向力與滑移率之間的關(guān)系,公式如下:

        式中:F為輸出變量;x為輸入變量;D表示峰值因子;C為形狀因子;B表示剛度因子;E表示曲率因子。

        本文選用Pacejka°89 輪胎模型,為提高輪胎擬合精度,設(shè)定輪胎在垂直、側(cè)向方向上是線性的,阻尼為常量,側(cè)向加速度范圍≤0.4g,側(cè)偏角≤5°。輪胎縱向力計(jì)算方法如下:

        式中:s為縱向滑移率;sh為曲線的水平方向漂移;sv為曲線的垂直方向漂移。

        忽略地面摩擦系數(shù)的影響,將輪胎的縱向、側(cè)向、橫擺的力學(xué)特性使用一個(gè)公式表現(xiàn)。

        如 圖6 所 示,使 用Pacejka°89 的 具 體 參 數(shù),通 過Simulink 仿真在三種垂直載荷下得到輪胎縱向力與滑移率的關(guān)系。

        圖6 不同垂直載荷下縱向力與滑移率的關(guān)系

        2.3.2 整車模型

        如圖7 所示,整車模型分為前輪系統(tǒng)、后輪系統(tǒng)、動(dòng)力學(xué)模塊三大部分,在其中分別設(shè)置不同位置監(jiān)視器,用于觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過輸入目標(biāo)滑移率、車輪載荷、行駛速度、制動(dòng)距離,輸出相應(yīng)的參數(shù)。前輪系統(tǒng)如圖8所示,滑移率的地面附著系數(shù)乘以前輪負(fù)載得出前輪制動(dòng)力,使用該制動(dòng)力乘以車輪半徑,以獲得施加到地面的扭矩。扭矩和滑移率差被輸入到子系統(tǒng)以獲得校正的車輪速度。車輪扭矩通過滑移率積分與前輪卡鉗控制系數(shù)相乘,并與實(shí)際施加到地面上的扭矩之間的差值來(lái)獲得。后輪控制系統(tǒng)的算法與用于前輪大體一致。

        圖7 整車模型

        圖8 前輪系統(tǒng)模型

        2.3.3 車身動(dòng)力學(xué)模型

        車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖9 所示。

        圖9 整車動(dòng)力學(xué)模型

        輸入量為前輪制動(dòng)力、后輪制動(dòng)力、輸出車速、制動(dòng)距離、前后輪載荷;將加速度積分,得到車身速度,若低至0,則觸發(fā)模型中斷;將車身速度進(jìn)一步積分,得到車輛制動(dòng)距離。

        2.4 測(cè)試軟件開發(fā)

        上位機(jī)的測(cè)試軟件開發(fā)界面如圖10 所示,其主要基于VeriStand 平臺(tái)開發(fā)測(cè)試控制界面,該界面是測(cè)試期間控制各種功能的主要工具。這些功能包括監(jiān)控車輛的速度和狀態(tài),以及監(jiān)控各個(gè)輪端的液壓狀態(tài)、制動(dòng)狀態(tài)和總線模擬。

        圖10 測(cè)試軟件開發(fā)界面

        在圖表上繪出主缸壓力與制動(dòng)車速曲線,同時(shí)將電流電壓、ECU 等具有類似的操作功能以及輸出信號(hào)的采集顯示模塊設(shè)置在相近區(qū)域,實(shí)現(xiàn)模塊化,在提高測(cè)試效率的同時(shí)使界面的管理更加整潔。

        3 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

        智能集成制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)可進(jìn)行功能邏輯測(cè)試、故障診斷測(cè)試,基于應(yīng)用輸入與輸出數(shù)據(jù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過預(yù)設(shè)的測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試,尋找被測(cè)系統(tǒng)潛在的問題或漏洞。本文實(shí)驗(yàn)基于基礎(chǔ)制動(dòng)以及制動(dòng)過程中制動(dòng)防抱死系統(tǒng)(Antilock Brake System,ABS)、TCS 三個(gè)工況進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。

        3.1 基礎(chǔ)制動(dòng)驗(yàn)證

        通過初速度不為0 時(shí)的制動(dòng)測(cè)試,驗(yàn)證智能集成制動(dòng)系統(tǒng)在HIL 仿真測(cè)試系統(tǒng)中車輛制動(dòng)的建壓強(qiáng)度及其制動(dòng)邏輯。工況設(shè)置如下:車輛行駛速度為60 km/h,發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)為IGN on,助力器與踏板處于釋放狀態(tài),測(cè)試者踩下制動(dòng)踏板執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作。

        在HIL 測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行基礎(chǔ)制動(dòng)的工況研究,分別進(jìn)行車輛直行過程中無(wú)制動(dòng)基礎(chǔ)下的制動(dòng)以及有制動(dòng)基礎(chǔ)下的制動(dòng)測(cè)試,并對(duì)車輛的前后輪液壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。基礎(chǔ)制動(dòng)為直線狀態(tài)下的正常制動(dòng)活動(dòng),因此選擇車輛的左前輪、左后輪的液壓表示車輛四輪液壓狀態(tài),測(cè)試結(jié)果如圖11 所示。圖11 中,連續(xù)曲線為左前輪液壓強(qiáng)度,點(diǎn)線代表左后輪液壓強(qiáng)度。

        圖11 基礎(chǔ)制動(dòng)時(shí)輪端液壓曲線

        由圖11 測(cè)試結(jié)果可知:在踩下制動(dòng)踏板之后線控制動(dòng)助力系統(tǒng)均能在車輪端完成建壓;同時(shí)在兩種基礎(chǔ)制動(dòng)情況下,符合前后輪制動(dòng)力分配不一致,左前輪的液壓都高于左后輪的液壓,避免了后輪先于前輪抱死、車輛方向失控的狀況。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得出,線控制動(dòng)助力器可根據(jù)駕駛員指令并依據(jù)安全的邏輯對(duì)車輛四個(gè)輪端進(jìn)行制動(dòng)力分配,滿足基礎(chǔ)制動(dòng)的測(cè)試要求。

        3.2 ABS 工況驗(yàn)證

        通過ABS 工況驗(yàn)證智能集成制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中,制動(dòng)過程車輪滑移率過大時(shí)ABS 功能啟用狀態(tài)以及制動(dòng)效能。工況設(shè)置如下:車輛在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,點(diǎn)火開關(guān)狀態(tài)為IGN on,車輪滑移率大于20%,車輛速度大于60 km/h,助力器處于釋放狀態(tài),測(cè)試者深踩下制動(dòng)踏板執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作。

        圖12 所示為車輛在制動(dòng)過程中觸發(fā)了ABS 工況的各輪端的建壓情況,當(dāng)汽車制動(dòng)的滑移率過大時(shí),為了使車輪不處于抱死狀態(tài),線控制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)控制制動(dòng)力的大小,使車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài),保證車身獲得最大的附著力。

        圖12 ABS 工況下各輪端液壓曲線

        由圖12 可知:在重踩制動(dòng)踏板后,各輪端首先均在短時(shí)間內(nèi)完成較高壓強(qiáng)的建壓,同時(shí)保持了后輪壓強(qiáng)大于前輪的原則;隨后使趨近于抱死的各個(gè)車輪的制動(dòng)液壓循環(huán)往復(fù)地經(jīng)歷液壓減小到液壓增大的過程,近而使得車輪的滑動(dòng)率處于峰值附著系數(shù)滑動(dòng)率范圍內(nèi);最后在車速降低到一定范圍內(nèi)時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)回歸基礎(chǔ)制動(dòng)模式,直至車輛停止運(yùn)動(dòng)。

        3.3 TCS 工況驗(yàn)證

        通過TCS 工況驗(yàn)證智能集成制動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)中的建壓邏輯及其工作邏輯,工況設(shè)置如下: 車輛行駛速度為60 km/h,發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)為IGN on,測(cè)試者踩下制動(dòng)踏板執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作,助力器處于工作狀態(tài),使車輛右前輪的速度大于左前輪速度。

        車輛各個(gè)車輪的壓強(qiáng)如圖13 所示,踩下制動(dòng)踏板以后,線控制動(dòng)系統(tǒng)正常建壓,隨后注入右前輪的輪速大于左前輪速度的信號(hào),通過各個(gè)車輪液壓循環(huán)往復(fù)地減小到增大來(lái)初步穩(wěn)定車身,隨后減小對(duì)左前輪的建壓,進(jìn)而獲得最佳的牽引力。

        圖13 TCS 工況下各輪端液壓曲線

        4 結(jié) 語(yǔ)

        針對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)在不同制動(dòng)模式下制動(dòng)力分配不同的特點(diǎn),合理的制動(dòng)控制策略是集成線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心與關(guān)鍵。因此,本文搭建了智能集成制動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng),其硬件部分通過座椅、輪速模擬集成模塊、液壓負(fù)載集成的鋼結(jié)構(gòu)連接搭建;其軟件部分基于NI 平臺(tái),搭建了測(cè)試系統(tǒng)的硬件環(huán)境以及軟件環(huán)境,基于Matlab Simulink 搭建了整車以及車胎的系統(tǒng)仿真模型。智能集成制動(dòng)系統(tǒng)將助力器和ESP 集成為一體,通過基礎(chǔ)制動(dòng)、ABS 和TCS 作為代表性工況進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證,完成了車間環(huán)境下HIL 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)智能集成制動(dòng)系統(tǒng)控制邏輯和策略的驗(yàn)證,通過硬件在環(huán)檢測(cè)的方式提高了智能集成制動(dòng)控制器在生產(chǎn)研發(fā)中的效率,完善了驗(yàn)證測(cè)試的流程。

        注:本文通訊作者為王學(xué)影。

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