Author(s):
He Huang - Hefei University of Technology
Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems
Products:
NI VeriStand, PXI-6289, LabVIEW, PXI-8196 RT, FPGA Module, LabVIEW Real-Time Module, PXI-1042Q, PXI-7851R, PXI-8464/2, PID and Fuzzy Logic
The Challenge:
研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)掌握?qǐng)?zhí)行元件的工作性能，在模擬環(huán)境下有效地進(jìn)行參數(shù)仿真、軟件仿真，減少實(shí)際路面測(cè)試帶來的困難，并開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合仿真平臺(tái)，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的實(shí)際操縱動(dòng)作對(duì)EHB快速原型的控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證和逼真的產(chǎn)品性能演示。
The Solution:
利用LabVIEW構(gòu)建輪缸壓力測(cè)控系統(tǒng)，在大量測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統(tǒng)的高速開關(guān)電磁閥，滿足對(duì)輪缸壓力控制的要求；通過NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數(shù)據(jù)采集卡完成硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中方向盤、電子油門、制動(dòng)踏板、輪缸壓力等數(shù)據(jù)采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需要；在Veristand軟件平臺(tái)上，聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實(shí)時(shí)車輛模型，大大縮短了混合仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期和應(yīng)用程序開發(fā)成本。
"利用LabVIEW和PXI，我們成功開發(fā)了混合仿真平臺(tái)，并縮短了開發(fā)周期和應(yīng)用程序開發(fā)成本。"
在過去的二十年里，電子設(shè)備在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，今天的汽車已經(jīng)進(jìn)入了電子技術(shù)的時(shí)代。隨著人們對(duì)汽車制動(dòng)性能的要求越來越高，線控制動(dòng)系統(tǒng)（brake-by-wire）應(yīng)運(yùn)而生，電子液壓制動(dòng)EHB可以借鑒ESP系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原有的液壓系統(tǒng)不做大的改變，由電子系統(tǒng)提供柔性控制，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，是機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到了廣泛的關(guān)注。作為開放的線控控制系統(tǒng)，配備了傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)中沒有的輪缸壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿足四通道獨(dú)立控制的要求，因此提升了ABS、ASR、ESP的工作性能。為了加速包括硬件和軟件在內(nèi)的控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)，一些成熟的仿真測(cè)試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統(tǒng)的新型特點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一系列產(chǎn)品的幫助下通過硬件在環(huán) (HIL)測(cè)試進(jìn)行深入的控制研究，減小了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的的開銷，為今后的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。
基于LabVIEW的輪缸壓力測(cè)試系統(tǒng)
受高速開關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際的閥芯響應(yīng)不能完全跟隨脈寬信號(hào)的變化，脈沖調(diào)制周期和占空比對(duì)其影響很大。因此需要搭建如圖1所示的測(cè)試平臺(tái)，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調(diào)節(jié)范圍選擇合適的載波頻率。
數(shù)據(jù)采集 (DAQ)的輸出電壓為5V電壓，通過驅(qū)動(dòng)電路放大為12V的PWM信號(hào)控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號(hào)通過放大電路轉(zhuǎn)換為0～5電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡采集。圖2為載波頻率為100HZ下的增壓特性曲線，當(dāng)占空比小于15或大于89時(shí)由于電磁閥的死區(qū)和飽和效應(yīng)電磁閥無(wú)動(dòng)作。LabVIEW幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建這樣的測(cè)試系統(tǒng)，確定PWM信號(hào)合適的載波頻率。
駕駛員混合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)造
硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，在原博世ESP8.0 HCU基礎(chǔ)上增加高壓蓄能器、高壓泵電機(jī)等元件，改造成EHB液壓控制單元?；旌戏抡嫫脚_(tái)存在兩個(gè)回路。一個(gè)是信號(hào)的回路，NI PXI-8464接受轉(zhuǎn)角傳感器的CAN總線信號(hào)，NI PXI-6289采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個(gè)輪缸壓力傳感器信號(hào)和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號(hào)。上述信號(hào)傳送給PXI-8196中實(shí)時(shí)運(yùn)行的車輛模型。實(shí)時(shí)模型給出的控制信息通過DMA方式傳送給NI PXI-7851R，根據(jù)自定義的I/O接口控制HCU單元中的電磁閥、泵電機(jī)，完成閉環(huán)。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀察顯示器中車輛的三維動(dòng)畫通過駕駛員操縱單元中的方向盤和油門、剎車踏板控制車輛。NI公司的一系列硬件產(chǎn)品為搭建這樣一個(gè)混合仿真實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的保證。
基于LabVIEW和NI VeriStand開放式的開發(fā)環(huán)境的軟件架構(gòu)如上圖所示。LabVIEW作為客戶端調(diào)用DYNAanimation車輛三維動(dòng)畫顯示軟件的ActiveX控件實(shí)現(xiàn)顯示功能。通過VeriStand VI中Workspace VI實(shí)現(xiàn)Workspace與LabVIEW的數(shù)據(jù)交換。VeriStand兼容用戶自定義的FPGA I/O接口，利用FPGA靈活高效的特點(diǎn)在無(wú)需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。
車輛實(shí)時(shí)模型的建立
Tesis DYNAware的車輛模型
NI VeriStand支持第三方軟件DYNAware生成的模型文件。DYNAware是Tesis公司開發(fā)的一款全面高效的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，從電腦上的汽車概念設(shè)計(jì)，到汽車動(dòng)力學(xué)控制器與硬件結(jié)合的硬件在環(huán)試驗(yàn)環(huán)境，都可以通過其達(dá)到很好的效果，仿真結(jié)果可以通過DYNAanimation軟件在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。在德國(guó)幾乎所有的汽車制造商都在使用DYNAware的產(chǎn)品，世界范圍內(nèi)也非常流行，基于不同的需求為生產(chǎn)廠家和零部件供應(yīng)商提供了適當(dāng)?shù)姆抡孳浖?。通過在圖形化界面中設(shè)置參數(shù)，簡(jiǎn)潔直觀地完成建模。建模對(duì)象包括整車尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)等模型，可以建立多達(dá)幾十個(gè)自由度的車輛動(dòng)力學(xué)模型，很好地反應(yīng)車輛在各種工況條件下的動(dòng)力學(xué)特性。
EHB控制器模型
EHB控制器模型首先接受車輛模型傳來的縱向加速度和輪速，估計(jì)參考車速。同時(shí)接受方向盤轉(zhuǎn)角，橫擺角速度、側(cè)向加速度，利用估計(jì)的參考車速估計(jì)質(zhì)心側(cè)偏角。汽車穩(wěn)定行駛時(shí)，目標(biāo)制動(dòng)力矩與制動(dòng)踏板位移成比例關(guān)系。汽車失穩(wěn)時(shí)，EHB系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。其中橫擺角速度控制模塊采用PD控制方法，控制實(shí)際橫擺角與理想二自由度橫擺角之間的偏差，輸出為目標(biāo)制動(dòng)力矩。質(zhì)心側(cè)偏角控制采用門限值控制方法，根據(jù)超出門限的程度施加制動(dòng)力矩。根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)協(xié)調(diào)上述三種模式下的輸出量得到目標(biāo)制動(dòng)力矩。調(diào)用制動(dòng)力矩—輪缸壓力模塊，計(jì)算出目標(biāo)輪缸壓力，再轉(zhuǎn)入開關(guān)電磁閥數(shù)字PID控制模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據(jù)高壓蓄能器設(shè)定壓力及HCU的工作狀態(tài)輸出泵電機(jī)的占空比，控制框圖如圖6所示：
配置VeriStand
在System Explorer Window中導(dǎo)入模型文件，對(duì)Primary Control Loop的實(shí)時(shí)仿真速度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置周期為100μsec，則Model Execution Loop的周期為1ms，滿足車輛實(shí)時(shí)仿真的需要。通過分配處理器資源，Veristand能充分發(fā)揮雙核處理器的并行處理性能，提高實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。橫擺角速度是判斷汽車失穩(wěn)的重要標(biāo)志，當(dāng)理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度之差超過上下門限值時(shí)，通過報(bào)警設(shè)置以報(bào)警音的方式提示駕駛員。
通過菜單界面完成對(duì)NI-CAN、NI-DAQ的通道設(shè)置，大大減小了程序的開發(fā)工作量，提高了開發(fā)效率。在Stimulus Profile Editor中設(shè)置Logging file，可以對(duì)橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、輪缸壓力等進(jìn)行保存<
