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Development of the Hardware and Driver in-the-loop Test Rig for Electro-Hydraulic-Brake System based NI PXI 作者：合肥工業(yè)大學(xué) 學(xué)生 黃鶴 應用領(lǐng)域：控制與仿真 挑戰：研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過(guò)大量測試實(shí)驗掌握執行元件的工作性能，在模擬環(huán)境下有效地進(jìn)行參數仿真、軟件仿真，減少實(shí)際路面測試帶來(lái)的困難，并開(kāi)發(fā)基于虛擬現實(shí)技術(shù)的混合仿真平臺，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的的實(shí)際操縱動(dòng)作對EHB快速原型的控制器進(jìn)行功能驗證和逼真的產(chǎn)品性能演示。 
實(shí)驗臺外觀(guān) 應用方案：利用LabVIEW構建輪缸壓力測控系統，在大量測試試驗的基礎上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統的高速開(kāi)關(guān)電磁閥，滿(mǎn)足對輪缸壓力控制的要求；通過(guò)NI PXI-8464 CAN總線(xiàn)接口卡以及NI PXI-6289數據采集卡完成硬件在環(huán)實(shí)驗中方向盤(pán)、電子油門(mén)、制動(dòng)踏板、輪缸壓力等數據采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，滿(mǎn)足嚴格的實(shí)時(shí)性需要；在Veristand軟件平臺上，聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實(shí)時(shí)車(chē)輛模型，大大縮短了混合仿真系統的開(kāi)發(fā)周期和應用程序開(kāi)發(fā)成本。 使用的產(chǎn)品： LabVIEW Professional Developmet System for Windows 2009,SP1 LabVIEW FPGA Module 2009,SP1 LabVIEW Real-Time Module 2009,SP1 NI Veristand 2009 LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit 2009 NI PXI-1042Q 8-Slot 3U機箱 NI PXI-8196 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400 實(shí)時(shí)控制器 NI PXI-7851R 可編程FPGA芯片 NI PXI-8464/2 CAN 總線(xiàn)接口卡 NI PXI-6289M高精度多功能M系列數據采集(DAQ)板卡 介紹： 在過(guò)去的二十年里，電子設備在汽車(chē)工業(yè)得到廣泛應用，今天的汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入了電子技術(shù)的時(shí)代。隨著(zhù)人們對汽車(chē)制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高，線(xiàn)控制動(dòng)系統（brake-by-wire）應運而生，電子液壓制動(dòng)EHB可以借鑒ESP系統的成熟經(jīng)驗，對原有的液壓系統不做大的改變，由電子系統提供柔性控制，液壓系統提供動(dòng)力，是機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(kāi)放的線(xiàn)控控制系統，配備了傳統ESP系統中沒(méi)有的輪缸壓力傳感器，可以實(shí)現精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿(mǎn)足四通道獨立控制的要求，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的控制系統的開(kāi)發(fā)設計，一些成熟的仿真測試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統的新型特點(diǎn)，結合先進(jìn)的車(chē)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(guò)硬件在環(huán)試驗進(jìn)行深入的控制研究，減小了時(shí)間和經(jīng)費的的開(kāi)銷(xiāo)，為今后的產(chǎn)品實(shí)現提供堅實(shí)的研究基礎。 1、 基于LabVIEW的輪缸壓力測試系統
系統組成
增壓特性曲線(xiàn) 受高速開(kāi)關(guān)閥電磁鐵的響應能力及閥芯運動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際的閥芯響應不能完全跟隨脈寬信號的變化，脈沖調制周期和占空比對其影響很大。因此需要搭建如左圖所示的測試平臺，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線(xiàn)。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調節范圍選擇合適的載波頻率。 數據采集卡的輸出電壓為5V電壓，通過(guò)驅動(dòng)電路放大為12V的PWM信號控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號通過(guò)放大電路轉換為0～5電壓信號供數據采集卡采集。右圖為載波頻率為100HZ下的增壓特性曲線(xiàn)，當占空比小于15或大于89時(shí)由于電磁閥的死區和飽和效應電磁閥無(wú)動(dòng)作。LabVIEW幫助我們在短時(shí)間內搭建這樣的測試系統，確定PWM信號合適的載波頻率。 2、 駕駛員混合仿真實(shí)驗平臺總體構造 硬件結構如下圖所示，在原博世ESP8.0 HCU基礎上增加高壓蓄能器、高壓泵電機等元件，改造成EHB液壓控制單元�；旌戏抡嫫脚_存在兩個(gè)回路。一個(gè)是信號的回路，PXI-8464接受轉角傳感器的CAN總線(xiàn)信號，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和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號。上述信號傳送給PXI-8196中實(shí)時(shí)運行的車(chē)輛模型。實(shí)時(shí)模型給出的控制信息通過(guò)DMA方式傳送給PXI-7851R，根據自定義的I/O接口控制HCU單元中的電磁閥、泵電機，完成閉環(huán)。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀(guān)察顯示器中車(chē)輛的三維動(dòng)畫(huà)通過(guò)駕駛員操縱單元中的方向盤(pán)和油門(mén)、剎車(chē)踏板控制車(chē)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)驗提供了強有力的保證。
混合仿真平臺的硬件組成
混合仿真平臺的軟件架構 基于LabVIEW和VeriStand開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件架構如上圖所示。LabVIEW作為客戶(hù)端調用DYNAanimation車(chē)輛三維動(dòng)畫(huà)顯示軟件的ActiveX控件實(shí)現顯示功能。通過(guò)VeriStand VI中Workspace VI實(shí)現Workspace與LabVIEW的數據交換。VeriStand兼容用戶(hù)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。 3、 車(chē)輛實(shí)時(shí)模型的建立 3.1、Tesis DYNAware的車(chē)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(kāi)發(fā)的一款全面高效的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，從電腦上的汽車(chē)概念設計，到汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制器與硬件結合的硬件在環(huán)試驗環(huán)境，都可以通過(guò)其達到很好的效果，仿真結果可以通過(guò)DYNAanimation軟件在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。在德國幾乎所有的汽車(chē)制造商都在使用DYNAware的產(chǎn)品，世界范圍內也非常流行，基于不同的需求為生產(chǎn)廠(chǎng)家和零部件供應商提供了適當的仿真軟件包。通過(guò)在圖形化界面中設置參數，簡(jiǎn)潔直觀(guān)地完成建模。建模對象包括整車(chē)尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)等模型，可以建立多達幾十個(gè)自由度的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，很好地反應車(chē)輛在各種工況條件下的動(dòng)力學(xué)特性。
車(chē)輛總體尺寸建模
輪胎特性建模 3.2、EHB控制器模型 EHB控制器模型首先接受車(chē)輛模型傳來(lái)的縱向加速度和輪速，估計參考車(chē)速。同時(shí)接受方向盤(pán)轉角，橫擺角速度、側向加速度，利用估計的參考車(chē)速估計質(zhì)心側偏角。汽車(chē)穩定行駛時(shí)，目標制動(dòng)力矩與制動(dòng)踏板位移成比例關(guān)系。汽車(chē)失穩時(shí)，EHB系統主要的控制對象是汽車(chē)的橫擺角速度和質(zhì)心側偏角。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，輸出為目標制動(dòng)力矩。質(zhì)心側偏角控制采用門(mén)限值控制方法，根據超出門(mén)限的程度施加制動(dòng)力矩。根據車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)協(xié)調上述三種模式下的輸出量得到目標制動(dòng)力矩。調用制動(dòng)力矩—輪缸壓力模塊，計算出目標輪缸壓力，再轉入開(kāi)關(guān)電磁閥數字PID控制模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據高壓蓄能器設定壓力及HCU的工作狀態(tài)輸出泵電機的占空比，控制框圖如下圖所示：
EHB控制器模型 EHB控制器模型在Simulink/Stateflow環(huán)境下建模，與上述DYNAware中模型實(shí)現無(wú)縫集成。模型采用固定步長(cháng)常微分方程求解器，通過(guò)Real-Time Workshop轉化為VeriStand支持的dll動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。 4、配置VeriStand 在System Explorer Window中導入模型文件，對Primary Control Loop的實(shí)時(shí)仿真速度進(jìn)行調整，設置周期為100μsec，則Model Execution Loop的周期為1ms，滿(mǎn)足車(chē)輛實(shí)時(shí)仿真的需要。通過(guò)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)運行速度。橫擺角速度是判斷汽車(chē)失穩的重要標志，當理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度之差超過(guò)上下門(mén)限值時(shí)，通過(guò)報警設置以報警音的方式提示駕駛員。
VeriStand的配置 通過(guò)菜單界面完成對NI-CAN、NI-DAQ的通道設置，大大減小了程序的開(kāi)發(fā)工作量，提高了開(kāi)發(fā)效率。在Stimulus Profile Editor中設置Logging file，可以對橫擺角速度、質(zhì)心側偏角、輪缸壓力等進(jìn)行保存。TDMS文件格式讀取快速，作為一種測試測量領(lǐng)域的通用數據文件格式，非常適合車(chē)輛狀態(tài)參數的保存。
VeriStand與DYNAanimation的連接 上面的循環(huán)通過(guò)Workspace VI啟動(dòng)VeriStand，獲取通道數據包括Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循環(huán)利用ActiveX控件將動(dòng)畫(huà)和顯示數據傳送給DYNAanimation。
通過(guò)ActiveX方法控制DYNAanimation DYNAanimation將實(shí)時(shí)仿真結果在虛擬現實(shí)的環(huán)境中直接現實(shí)出來(lái)。其中，Animation Data數組中每十二個(gè)元素代表一個(gè)運動(dòng)物體（如車(chē)身、輪胎）相對于大地坐標系的位置參數。Display Data用于界面的數據顯示，比如車(chē)速表、轉速表等。
FPGA I/O示意圖 液壓控制單元在改裝博世ESP的基礎上得到，四個(gè)輪缸各由兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥控制，一個(gè)控制從高壓蓄能器增壓，一個(gè)控制向低壓蓄能器減壓，需8路PWM信號。2路PWM輸出負責對泵電機的控制。VeriStand中默認的PXI-7851R的通道資源擁有8路PWM輸出，而這里需要10路PWM輸出。通過(guò)自定義FPGA VI，修改VeriStand配置文件夾中7851R的fpgaconfig文件，新增2路數字輸入輸出接口為PWM輸出，滿(mǎn)足應用的需要�？梢�(jiàn)基于VeriStand的自定義FPGA I/O功能使混合仿真平臺具有靈活方便的擴展性能。 5、仿真平臺的功能演示 5.1、駕駛員在環(huán)麋鹿測試 在DYNAanimation環(huán)境下建立三維圖像文件，包括道路、標識線(xiàn)、車(chē)身模型、輪胎、路障等，進(jìn)行駕駛員在環(huán)的“麋鹿”測試。在車(chē)速為80km/h時(shí)對比打開(kāi)穩定性控制與關(guān)閉穩定性控制車(chē)輛的操縱響應。在實(shí)時(shí)仿真結束，保存錄像并進(jìn)行對比。在打開(kāi)穩定性控制時(shí)，駕駛員可以平穩地實(shí)現車(chē)輛的變線(xiàn)，車(chē)輛的運動(dòng)軌跡符合駕駛員的預期，如左下圖所示。當關(guān)閉穩定性控制時(shí)，車(chē)輛失控跑出跑道�；赩eriStand構建的駕駛員在環(huán)測試平臺可以實(shí)現逼真的產(chǎn)品演示。
開(kāi)啟穩定性控制
關(guān)閉穩定性控制 5.2、利用激勵進(jìn)行正弦延遲測試 正弦延遲測試是美國國家高速安全局（NHTSA）規定的126號法規，用于檢測車(chē)輛的側向穩定性能。不同于麋鹿測試，現實(shí)實(shí)驗中需要通過(guò)轉向機器人完成。VeriStand的配置實(shí)時(shí)激勵功能很好地幫助我們完成該項測試。試驗在干燥、平直附著(zhù)系數為0.9的道路上進(jìn)行，方向盤(pán)轉角進(jìn)行后半周期帶有延遲的正弦輸入，頻率為0.7HZ，第二次波峰出現后有400ms的延遲。方向盤(pán)轉角及實(shí)驗流程如下圖，其中A為80km/h下車(chē)輛側向加速度達到0.3g時(shí)方向盤(pán)的轉角。
正弦延時(shí)輸入
試驗流程 通過(guò)實(shí)時(shí)激勵功能里的正弦函數、延時(shí)函數編制激勵文件，通過(guò)記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線(xiàn)。VeriStand大大降低了編程的復雜性，減少測試系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 6、總結 利用VeriStand我們在短時(shí)間內搭建起一個(gè)功能豐富的混合仿真平臺，使我們有更多的精力投入到控制策略的研究上來(lái)；VeriStand Engine將實(shí)時(shí)測試系統的任務(wù)和功能在內部進(jìn)行實(shí)施與優(yōu)化，幫助實(shí)時(shí)測試系統以更快的速度運行，大大降低了應用程序開(kāi)發(fā)和維護成本；基于FPGA的自定義I/O設置提高了系統硬件的可擴展性，通過(guò)FPGA虛擬傳感器可擴展為基于單片機控制器的硬件在環(huán)測試平臺；總之，NI公司一系列軟件和硬件產(chǎn)品幫助我們靈活、高效、直觀(guān)地實(shí)現EHB混合仿真測試平臺，為產(chǎn)品的研制奠定了堅實(shí)的基礎。 |
