在ESP研發(fā)過程中,，需要大量實車試驗。該試驗有兩大困難：一是試驗具有相當?shù)奈ｋU性,，二是試驗對場地要求很苛刻,。所以，開發(fā)硬件在環(huán)仿真平臺就成為一種迫切需求,。 該仿真平臺對加速ESP控制器的算法開發(fā)有重大作用,。本文采用了NI公司的PXI作為下位機來搭建系統(tǒng)。
項目背景
本方案通過深入調(diào)研,，主要考慮性能,、價格、易實現(xiàn)性等方面之后,，最終選擇了NI的PXI和cRIO方案來進行系統(tǒng)搭建,。主要調(diào)研了XPC方式、PXI系統(tǒng),、dSpace系統(tǒng),。XPC方式費用較低，但是使用不夠方便,，dSpace系統(tǒng)價格遠遠高于PXI系統(tǒng),，然而兩者性能差別不是很大,。
系統(tǒng)構(gòu)架
ESP硬件在環(huán)仿真平臺從硬件上看由上位機、下位機,、控制器,、執(zhí)行器、傳感器等五部分組成,。
上位機用于監(jiān)控仿真過程,，分析和保存仿真結(jié)果。下位機運行車輛模型,，目前采用的是15自由度整車模型,，能很好地模擬整車在制動、驅(qū)動,、高速轉(zhuǎn)向以及聯(lián)合工況下的響應,。控制器運行控制算法,，對車輛運動進行相關(guān)控制,。執(zhí)行器為液壓控制單元、制動管路以及制動器,。傳感器為壓力傳感器,，獲取各個輪缸以及主缸的壓力值，并將壓力信號傳給控制器和下位機,，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng),。仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 仿真平臺結(jié)構(gòu)圖
仿真平臺結(jié)構(gòu)圖
圖1中,，上位機,、下位機和控制器三者通過網(wǎng)線連接，上位機對仿真過程的監(jiān)控通過共享變量來實現(xiàn),。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
用PXI運行整車模型,，模擬車輛的運動響應，提供給控制器相關(guān)的信號,。實車試驗時,，控制器所獲取的信號有制動信號、主缸壓力信號,、四個輪速信號,、方向盤轉(zhuǎn)角信號以及橫向加速度信號和橫擺角速度信號。另外,，控制器還需要通過CAN和發(fā)動機控制系統(tǒng)進行通信,，從而控制發(fā)動機的輸出扭矩。PXI要能完成上述功能，并且需要采集壓力傳感器信號,，從而計算車輛運動狀態(tài),。
PXI通過M系列數(shù)據(jù)采集卡PXI-6229的模擬量輸入功能來采集主缸和各個輪缸的壓力信號，用PXI-6229的數(shù)字量輸入功能采集制動信號,。采用PXI-6722的模擬量輸出功能輸出電壓來表示方向盤轉(zhuǎn)角、橫向加速度,、橫擺角速度,。同時PXI-6722輸出4個模擬電壓，通過壓頻轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換成對應的頻率信號來模擬四個輪速信號,。另外,，實車上的CAN通信通過PXI-8461和NI9853來實現(xiàn)。
控制器方面,，用cRIO做快速原型時,，通過NI-9205來采集模擬電壓，得到各個傳感器的值,。通過NI-9403的輸入功能來獲取制動信號和輪速信號,，通過NI-9403的數(shù)字量輸出功能來控制電機和電磁閥的動作。
在執(zhí)行器方面,，液壓控制單元采用Bosch(博世)的ESP 8.0的液壓控制單元,。制動系統(tǒng)采用金杯客車的制動管路和制動器。仿真平臺搭建在金杯客車上,，我們對金杯客車的制動管路進行了改造,，安裝了壓力傳感器和HCU(整車控制器)。
系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件上,，通過共享變量來控制仿真試驗的開始和結(jié)束,，用全局變量記錄下位機中的數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機,。這三部分程序都采用狀態(tài)機方式,，方便軟件進行升級和維護?？偟能浖Y(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 系統(tǒng)軟件框圖上位機監(jiān)控軟件
上位機監(jiān)控軟件主要分為兩個部分：仿真過程監(jiān)控和查看仿真數(shù)據(jù)。仿真過程監(jiān)控包括參數(shù)調(diào)用,、仿真控制,、參數(shù)實時監(jiān)控、仿真過程中駕駛員輸入等功能,，并且可以對仿真模式,、換檔策略、仿真時間等進行配置，方便靈活地實現(xiàn)各種情況的仿真,。
查看仿真數(shù)據(jù)部分,，可以觀察對比仿真數(shù)據(jù)，仿真過程中車輛運動回放,、數(shù)據(jù)保存和調(diào)用情況,。仿真過程控制界面如圖3所示。
圖3 仿真界面
其中,，圖3(b)中可以觀察仿真過程中70個參數(shù)的變化曲線,。可以保存和調(diào)用仿真數(shù)據(jù),，可以通過點擊右下方的“仿真回放”按鍵,，圖像化顯示車輛運行軌跡。 圖3(c)中,，可以將記錄下的轉(zhuǎn)向角信息在仿真過程中按照實際的時間間隔輸入給系統(tǒng),，仿真可以得到車輛的響應情況。
下位機仿真軟件
下位機運行整車模型,，采用了15自由度整車模型,。這15個自由度分別為：車輛縱向、橫向,、垂向的平動和轉(zhuǎn)動這6個自由度,，四個車輪的轉(zhuǎn)動和垂向平動8個自由度，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的1個自由度,。
在仿真過程中,，下位機以1ms為周期通過數(shù)據(jù)采集卡采集主缸和4個輪缸的壓力信號，從而計算車輛受力,，得到車輛運動狀態(tài),。并將狀態(tài)參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡輸出給控制器。同時下位機將車輛運動狀態(tài)參數(shù)以10ms為周期將數(shù)據(jù)保存在下位機內(nèi)存中,，仿真結(jié)束后上傳到上位機,。并且下位機以10ms為周期不斷檢測上位機所發(fā)出的控制信號，比如轉(zhuǎn)向信號,、換檔信號,、油門信號等。這種并行結(jié)構(gòu)的實現(xiàn),，使得復雜的功能得以方便地實現(xiàn),。控制器軟件
控制器上運行的為ESP控制算法,?？刂破魍ㄟ^接收各種傳感器的信號，判斷車輛狀態(tài)是否為危險工況，如果檢測到危險,，就會輸出控制指令給執(zhí)行器,，通過電機和電磁閥的動作來對制動系統(tǒng)進行主動干預，同時通過CAN通信發(fā)指令給發(fā)動機管理系統(tǒng),，控制車輛驅(qū)動,，從而化解危機?？紤]試驗臺的兼容性,，控制器部分可以采用NI cRIO作為控制器，并采用第一代ESP控制器(主控芯片為C167),，也可以采用第二代ESP控制器(主控芯片為XC164)。
仿真結(jié)果
將仿真結(jié)果與實車試驗結(jié)果相對比,，兩者吻合程度很好,，說明該硬件在環(huán)仿真平臺能有效地對車輛運動狀態(tài)進行仿真。該仿真平臺的搭建可以加速ESP控制算法的開發(fā),。
圖4為在某種參數(shù)下測試ABS功能的一組輪速數(shù)據(jù),，和實車試驗結(jié)果很類似，說明仿真平臺精度很高,。
圖4 某種參數(shù)下測試AVS功能的一組輪速數(shù)據(jù)
結(jié)論
本文基于PXI和cRIO搭建了ESP硬件在環(huán)仿真平臺,。平臺可以將控制器放在仿真回路中，方便對控制器中的算法進行測試,。仿真試驗臺的搭建提高了ESP控制算法的開發(fā)速度,。