基于Labcar的ABS控制器HIL測試＊

孫陳迪 過學(xué)迅 裴曉飛 齊志權(quán)

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室1） 武漢 430070）

（北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院2） 北京 100081）

0 引 言

現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)（ECU）的開發(fā)中廣泛采用了“V 模式”流程［1］.該流程主要分為5個環(huán)節(jié)：離線功能設(shè)計、快速控制原型（RCP）、目標(biāo)代碼生成、硬件在環(huán)（HIL）、標(biāo)定與匹配.其中，HIL測試是“V 模式”開發(fā)流程中驗證ECU 核心功能的重要環(huán)節(jié)［2-4］.目前市場上主流的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)包括dspace，ETASLabcar，Matlab xPC和Labview RT 等.相較而言，在ETAS Labcar的仿真工控機（RTPC）中運行Linux實時操作系統(tǒng)，基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu)，通過對板卡的靈活配置可滿足不同被測系統(tǒng)的需求［5-6］.由于Labcar的輪速板卡ES1337 可以模擬各種類型的輪速信號，特別適合用于ABS／ESP 系統(tǒng)的硬件在環(huán)測試［7］.汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）作為一種成熟電控產(chǎn)品，已經(jīng)在各類汽車上得到廣泛應(yīng)用.目前ABS ECU 一般采用邏輯門限值算法，根據(jù)車輪加減速度和參考滑移率作為門限值進行增壓，減壓和保壓調(diào)節(jié)，使得車輪滑移率在最優(yōu)值附近波動［8］.因此，ABS ECU 的性能與車輛動力學(xué)模型、輪胎模型、道路環(huán)境以及制動系統(tǒng)等因素密切相關(guān)［9-10］.

本文主要針對基于邏輯門限值的ABS控制器進行硬件在環(huán)測試.首先建立了HIL 的測試體系，介紹了Labcar的軟硬件平臺.在VDYM 人-車-路模型的基礎(chǔ)上，完善了HIL 測試所需的ABS仿真模型.最后聯(lián)立液壓制動臺架，對ABS ECU 進行了高／低附著路面下性能驗證.通過HIL測試，可以方便的對控制算法和模型參數(shù)進行及時的修改以達到最佳控制效果.

1 ABS硬件在環(huán)體系

基于Labcar軟硬件平臺建立的ABS硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)如圖1所示，包括Labcar PC，RTPC、硬件板卡、ABS ECU 和液壓制動系統(tǒng)5個部分.

系統(tǒng)工作流程如下：在Labcar PC的IP軟件中新建項目文件，并對硬件板卡進行配置.待添加ABS仿真模型后，連接模型中的輸入輸出模塊與板卡，經(jīng)過編譯通過Ethernet網(wǎng)下載到RTPC中.RTPC不僅通過相關(guān)板卡接收來自液壓制動系統(tǒng)的輪缸壓力信號，并且將模型實時計算得到的輪速信息，通過相關(guān)板卡輸送給ABS ECU .而ABS ECU 則通過電磁閥和電機的動作指令調(diào)節(jié)輪缸的制動壓力.在HIL 測試中，實驗人員可利用EE 軟件全程監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，并對模型參數(shù)進行修改.

圖1 硬件在環(huán)測試系統(tǒng)

2 VDYM 模型剪裁

在ABS HIL 測試中，仿真模型的精度直接決定了測試結(jié)果的有效性.如果模型過于簡單，則無法反映車輛動力學(xué)的真實特性；模型過于復(fù)雜則會影響其計算速度，仿真結(jié)果也較難收斂.VDYM 模型是ETAS公司專為博世ABS／ESP控制器所開發(fā)的Matlab／Simulink 模型，能較好的滿足仿真實時性和精確性的要求.根據(jù)ABS HIL測試體系的要求，對該模型進行適當(dāng)剪裁.

2.1 駕駛員模型

在駕駛員模型中，可以依據(jù)駕駛員的意愿進行轉(zhuǎn)向、離合、換擋、加速、制動及設(shè)定巡航車速等一系列操作.在對車輛的橫向控制中，主要是通過改變方向盤的轉(zhuǎn)向角度來實現(xiàn)的；而縱向控制中，需要設(shè)定駕駛員的期望車速.在VDYM 模型中，上述兩個參數(shù)分別用DriverStimSteeringWheel-Angle和U＿TargetSpeedStim 來表征，并且均可在用戶界面EE中以圖形化的方式直接修改具體數(shù)值.在ABS試驗中，可將方向盤轉(zhuǎn)角設(shè)置為0，即車輛保持直線行駛；而目標(biāo)車速則可根據(jù)ABS制動時的初始車速進行設(shè)置，本試驗中設(shè)為110 km／h.

2.2 道路模型

道路模型需要盡可能真實的還原車輛行駛環(huán)境.在VDYM 模型中，不僅可以選擇道路的類型，如直道、環(huán)形道路、雙移線道路等，還能方便的設(shè)置路面附著系數(shù).通過修改變量my＿LF，my＿LR，my＿RF和my＿RR 的數(shù)值，能夠獨立的表征各個車輪所處的路面附著系數(shù)，因此可以靈活的將路面類型配置成高／低附著，對開／對接等多種形式.在本試驗中，需要通過StimLane將路徑類型設(shè)定為直道；而對于高附著路面和低附著路面，附著系數(shù)分別設(shè)為0.7和0.3.

2.3 車輛模型

VDYM 的車輛模型由發(fā)動機模型、動力傳動模型、制動模型以及車輛動力學(xué)模型四部分組成.由于本試驗主要考慮的是制動工況，并且采用了真實的液壓制動系統(tǒng)，因此這里重點針對車輛動力學(xué)模型進行剪裁.首先斷開車輛動力學(xué)模型與制動模型之間的連接，通過Input＿LF，Input＿RF，Input＿LR，Input＿RR 直接將采集到的4 路輪缸壓力大小，換算成制動力矩輸入到車輛動力學(xué)模型中.同樣，模型計算得到的4路輪速數(shù)值Veh＿v＿Wheel＿LF，Veh＿v＿Wheel＿RF，Veh＿v＿Wheel＿LR，Veh＿v＿Wheel＿RR，通過輪速模擬板卡ES1337輸送給ABS ECU，從而將ABS ECU、VDYM 模型與液壓制動系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng).

3 ABS液壓制動臺架

在實際應(yīng)用中，通過純數(shù)值仿真方法設(shè)計出的控制器在系統(tǒng)實時控制中可能得不到期望的控制效果，這是因為在純數(shù)值仿真中忽略了實際系統(tǒng)的某些特性或參數(shù).同樣對于汽車制動系統(tǒng)，由于存在強非線性和滯后性，很難準(zhǔn)確的建立起系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，僅僅把數(shù)學(xué)模型作為實際對象的近似表示，擬合的結(jié)果往往不能滿足實際要求.因此，這里采用ABS控制器和制動系統(tǒng)實物來替代VDYM 中的部分虛擬模型，從而構(gòu)建HIL 測試所需的閉環(huán)控制系統(tǒng).

在ABS邏輯門限值方法中，有三個重要的組成部分，即路面識別模塊、參考車速估計模塊和門限值（車輪減速度／滑移率）標(biāo)定模塊.基于HIL控制架構(gòu)，可以非常方便的對每個算法模塊或其組合進行驗證，見圖2.

圖2 ABS控制器開發(fā)流程

為了加快ABS控制器的開發(fā)進度，開始時直接使用VDYM 模型中的車輪滑移率，從而專注于對滑移率門限值的標(biāo)定.待不同路面條件下的邏輯門限值確定后，再將Labcar的輪速模擬板卡提供的四路輪速引入，將所估計的參考車速與車輛模型提供的車速進行對比驗證.在此基礎(chǔ)上加入路面識別環(huán)節(jié)，并用模型中所設(shè)置的路面類型對其算法進行修正.這樣從最小閉環(huán)控制起，通過對各個模塊的算法累加，即能最終完成ABS控制器的開發(fā).由于路面模型無法模擬路面的垂向顛簸度，因此與實際ABS控制器相比，唯一不同的是無法設(shè)計車輛過溝／過坎工況的算法補償.

圖3給出了ABS液壓制動臺架.壓力調(diào)節(jié)器采用大陸MK60 HCU，并將12個電磁閥和電機的控制線引出與ABS控制器的驅(qū)動電路相連.制動輪缸采用邁騰原車的前后盤式制動器，并在輪缸入口加裝了壓力傳感器，將測得的壓力信號反饋到RTPC 的仿真模型中.與傳統(tǒng)ABS 液壓制動臺架稍有不同的是，這里取消了電子真空助力器，而是直接使用電機泵油來主動建壓.一旦通過EE的GUI界面使能ABS控制開關(guān)，立即將主缸壓力建立至12MPa（足以使車輪抱死），然后通過控制8個輪缸電磁閥的通斷來調(diào)節(jié)輪缸壓力，從而避免車輪抱死.

圖3 ABS液壓制動臺架

4 實驗分析

基于上述HIL 測試平臺，就可以方便地對ABS ECU 完成各種性能考核，對于不同路面條件（高／低附著、對開／對接），不同初始車速（低速／高速），不同載荷（空載／滿載），離合器接合／分離下的ABS測試，只需要在EE 界面修改VDYM 模型中相關(guān)參數(shù)即可.為了對純軟件仿真與硬件在環(huán)仿真結(jié)果進行比較，將左前輪與右后輪接入硬件在環(huán)系統(tǒng)，右前輪與左后輪處于純軟件仿真模式.這里給出兩組ABS典型路面下的HIL測試結(jié)果.

4.1 高附著路面

將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.7，初始制動車速設(shè)定為110km／h.圖4反映了ABS制動過程中速度、滑移率以及輪缸壓力的變化情況.

圖4 高附著路面測試結(jié)果

圖4a）左前輪和右后輪的輪速波動相對偏大，同時單次ABS循環(huán)的周期較長.圖4b）也反映出雖然4個車輪滑移率的均值相當(dāng)，但右前輪和左后輪的滑移率被控制在0.1～0.2之間，而左前輪和右后輪的滑移率的變化范圍為0.05～0.4.這是由于實際液壓制動系統(tǒng)的響應(yīng)滯后引起的，從圖9c）代表的輪缸壓力曲線也能體現(xiàn).左前輪和右后輪的初始建壓時間約有0.5s的延遲，同時增減壓的速率也相對較慢，從而導(dǎo)致ABS制動中的控制循環(huán)次數(shù)較少.

4.2 低附著路面

將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.3，初始制動車速設(shè)定為110km／h.ABS制動下的速度、滑移率和壓力曲線見圖5.

由圖5可知，在低附著路面上由于液壓制動系統(tǒng)導(dǎo)致的相關(guān)結(jié)論仍然適用，并且減壓速率更慢.同時相對于高附著路面，ABS 的調(diào)控次數(shù)顯著增多（左前輪多6次；右后輪多4次），制動時間顯著延長（多5.9s）.如圖5a），b）所示，輪速波動及滑移率變化范圍更加明顯，而圖5c）表明，輪缸壓力的調(diào)節(jié)范圍由高附著的6～10MPa降至1～3 MPa，與實際ABS制動特性相符合.

圖5 低附著路面測試結(jié)果

5 結(jié)束語

1）由實驗結(jié)果可知，HIL測試與純數(shù)值仿真相比，由于接入了真實的液壓制動系統(tǒng)，ABS 控制器的邏輯參數(shù)更具有實際意義.

2）與實車測試相比，基于Labcar的硬件在環(huán)測試能夠方便地進行各種工況下的ABS測試，同時可以根據(jù)測試結(jié)果反復(fù)標(biāo)定邏輯門限值，為快速開發(fā)ABS控制器提供了一種有效的手段.

3）下一步可結(jié)合Labcar的故障注入功能，著重完善ABS控制器的故障診斷邏輯，為其產(chǎn)品化打下基礎(chǔ).

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