基于dSPACE的液壓式主動穩(wěn)定桿實驗平臺設(shè)計

陳 山，皮大偉，孔振興，史洋洋

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

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基于dSPACE的液壓式主動穩(wěn)定桿實驗平臺設(shè)計

陳 山，皮大偉，孔振興，史洋洋

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

為研究液壓式主動穩(wěn)定桿對汽車在高速轉(zhuǎn)向時側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，設(shè)計并實現(xiàn)了液壓式主動穩(wěn)定桿硬件在環(huán)(hardware-in-the-loop，HIL)仿真實驗平臺。以單/雙軸通用穩(wěn)定桿實驗臺架為基礎(chǔ)，使用MC9S12DG128單片機為核心設(shè)計控制器，利用dSPACE實時仿真系統(tǒng)運行整車動力學(xué)模型，研究典型轉(zhuǎn)向工況和不同類型路面激勵情況下的液壓式主動穩(wěn)定桿對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的改善情況。實驗結(jié)果表明，該實驗平臺能夠很好地模擬實驗環(huán)境，為主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)的開發(fā)提供了有力的支持。

車輛工程；液壓式主動穩(wěn)定桿；側(cè)傾穩(wěn)定性；dSPACE；HIL仿真實驗平臺

穩(wěn)定桿是汽車懸架的重要組成部分，由彈簧鋼制成，兩端橫向連接在兩側(cè)懸架上，主體部分通過襯套與車身連接。汽車發(fā)生側(cè)傾時，左右懸架變形不同，穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，此時利用自身的扭轉(zhuǎn)反力，穩(wěn)定桿通過襯套對車身產(chǎn)生反側(cè)傾力矩抑制車身側(cè)傾[1]。傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿因面世早、成本低而得以大規(guī)模的應(yīng)用，但其扭轉(zhuǎn)剛度固定，不能根據(jù)汽車具體行駛狀況調(diào)整懸架側(cè)傾剛度，在高速轉(zhuǎn)向時汽車容易產(chǎn)生較大側(cè)傾，使駕駛員產(chǎn)生疲勞感和不安全感，容易發(fā)生側(cè)翻事故[2]。相比被動穩(wěn)定桿，主動穩(wěn)定桿(active roll control system，ARC)在其基礎(chǔ)上添加了作動器及相應(yīng)控制裝置，使穩(wěn)定桿的剛度可調(diào)，能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)反側(cè)傾力矩的大小，有效減小車身側(cè)傾角，防止汽車側(cè)翻[3-5]。目前，國外研究機構(gòu)通過對主動穩(wěn)定桿的不斷研究，取得了較大進展。例如：SORNIOTTI等[6]設(shè)計了一種ARC系統(tǒng)實驗臺架，分別以液壓缸油壓和推桿位移為控制目標(biāo)進行研究，得到2種控制思路的實驗結(jié)果對比；CIMBA等[7]通過一系列實驗，研究了不同的液壓閥、油管長度等對穩(wěn)定桿性能的影響。中國一些高校也對ARC系統(tǒng)進行了相應(yīng)研究，并取得了一定的成果[8-9]，如合肥工業(yè)大學(xué)的研究團隊設(shè)計了液壓式主動穩(wěn)定桿實驗平臺，通過AMEsim仿真與臺架實驗結(jié)果進行相互印證[10]。

根據(jù)作動器的不同，主動穩(wěn)定桿可分為液壓式主動穩(wěn)定桿和電機式主動穩(wěn)定桿。本文以液壓式主動穩(wěn)定桿為研究對象，設(shè)計了液壓式主動穩(wěn)定桿硬件在環(huán)仿真實驗平臺。該平臺由ECU及dSPACE實時仿真系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主動穩(wěn)定桿、傳感器、上位機等組成，可用于研究單軸或雙軸(前、后軸)主動穩(wěn)定桿在汽車高速轉(zhuǎn)向、不同路面激勵和典型轉(zhuǎn)向工況行駛環(huán)境下對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的改善情況。

1 實驗平臺概況

為便于深入研究，將該實驗平臺設(shè)計為單/雙軸穩(wěn)定桿構(gòu)架，既可以單軸液壓式主動穩(wěn)定桿為研究對象，也可深入研究，對反側(cè)傾力矩進行前、后軸動態(tài)分配，研究雙軸主動穩(wěn)定桿對汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響。實驗平臺的設(shè)計充分考慮了路面(如平坦公路和崎嶇山路)不平度對汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，設(shè)計一種路面激勵發(fā)生系統(tǒng)，模擬路面對懸架的垂向激勵，研究主動穩(wěn)

定桿在不同路面類型下對汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的改善情況。

液壓式主動穩(wěn)定桿HIL實驗平臺具有以下功能：1)模擬不同轉(zhuǎn)向工況及路面類型；2)驗證控制算法，對控制算法進行優(yōu)化處理；3)檢驗控制系統(tǒng)設(shè)計是否符合要求，電路設(shè)計是否合理。該實驗平臺主要參數(shù)如表1所示。

表1 實驗平臺主要設(shè)計參數(shù)

1.1 ARC基本原理

圖1 液壓式主動穩(wěn)定桿物理模型Fig.1 Physical model of hydraulic active stabilizer bar

圖1是液壓式主動穩(wěn)定桿物理模型，作動器(液壓缸)推桿與穩(wěn)定桿伸出臂鉸接，對穩(wěn)定桿的輸出力矩為MActuator，穩(wěn)定桿受該力矩的影響發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形并通過襯套對車身產(chǎn)生反側(cè)傾力矩MARC。作動器輸出力矩MActuator和反側(cè)傾力矩MARC的換算關(guān)系見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Fbar為作動器對伸出臂的作用力；MARC為反側(cè)傾力矩；MActuator為作動器輸出力矩；m為穩(wěn)定桿長度；b為伸出臂長度。

式(3)為作動器輸出力矩MActuator與控制目標(biāo)(推桿位移xt)的關(guān)系式，控制器通過控制作動器推桿位移，調(diào)節(jié)反側(cè)傾力矩的大??；k1，k2為目標(biāo)位移與輸出力矩之間的比例常數(shù)，分別為0.002 5 N-1和0.002 7 N-1。

1.2 實驗平臺組成

液壓式主動穩(wěn)定桿硬件在環(huán)仿真實驗平臺結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。該平臺包含3個子系統(tǒng)：

1) 單/雙軸通用實驗臺架 包括前、后軸液壓式主動穩(wěn)定桿，路面激勵發(fā)生系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，傳感器和鋼架結(jié)構(gòu)；

2) dSPACE實時仿真系統(tǒng) 運行車輛動力學(xué)模型，生成車輛狀態(tài)信號(側(cè)傾角、橫向加速度等)，輸出到控制ECU中；

3) 控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)由ECU、驅(qū)動板、CAN總線及相應(yīng)電路組成，根據(jù)車輛行駛狀況控制作動器輸出反側(cè)傾力矩，抑制車輛側(cè)傾。

圖2 實驗平臺結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Experimental platform structure schematic

1.3 實驗平臺運行原理

dSPACE內(nèi)部運行車輛動力學(xué)模型，以方向盤轉(zhuǎn)角信號和拉壓力傳感器信號為模型的輸入信號。通過相關(guān)算法將拉壓力傳感器信號轉(zhuǎn)換成作用在車輛模型上的反側(cè)傾力矩，計算出該力矩在汽車高速轉(zhuǎn)向的行駛狀態(tài)下對車身側(cè)傾的影響，并生成相應(yīng)車輛行駛狀態(tài)信息(車速、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)傾角、橫向加速度)，通過CAN總線輸入到ECU中。

ECU以上述車輛行駛狀態(tài)信息為輸入，通過這些信息判斷汽車行駛狀態(tài)。位移傳感器測量作動器推桿位移并反饋到ECU中，ECU以推桿位移為目標(biāo)，依據(jù)控制策略向電磁開關(guān)閥發(fā)出控制信號，利用電磁開關(guān)閥實現(xiàn)對作動器動作的控制，從而實現(xiàn)對反側(cè)傾力矩的實時調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)運行的過程中，ECU通過油壓傳感器實時監(jiān)測液壓油的油壓，利用比例溢流閥將其維持在8 MPa。

路面不平度對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性有很大的影響[11-12]。為了能在實驗平臺上將其體現(xiàn)出來，路面激勵發(fā)生系統(tǒng)直接作用于穩(wěn)定桿作動器上，使作動器跟隨路面激勵產(chǎn)生振動，模擬路面對懸架的垂向激勵，便于研究不同路面情況下主動穩(wěn)定桿對車輛側(cè)傾穩(wěn)定性的改善情況。

2 子系統(tǒng)主要架構(gòu)及特點

2.1 單/雙軸ARC通用實驗臺架設(shè)計

單/雙軸ARC通用實驗臺架由液壓式主動穩(wěn)定桿、路面激勵發(fā)生系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳感器和鋼架結(jié)構(gòu)組成。液壓式主動穩(wěn)定桿由傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿和作動器(液壓缸)組成。液壓系統(tǒng)(如圖3所示)包括液壓泵站、控制閥、管道等，主要功能是為主動穩(wěn)定桿提供液壓動力并根據(jù)ECU控制指令調(diào)整作動器的動作。

拉壓力傳感器是實時測量穩(wěn)定桿輸出反側(cè)傾力矩的關(guān)鍵部件。穩(wěn)定桿通過襯套固定在拉壓力傳感器的受力面，當(dāng)穩(wěn)定桿產(chǎn)生反側(cè)傾力矩時會對該傳感器施加作用力，dSPACE通過分析該作用力估算出穩(wěn)定桿輸出的反側(cè)傾力矩。位移傳感器用于測量液壓缸推桿位移，該物理量是ECU的控制目標(biāo)。

路面激勵發(fā)生系統(tǒng)由激勵發(fā)生器(液壓缸)和工控機組成，激勵發(fā)生器與穩(wěn)定桿作動器呈縱向排列，激勵發(fā)生器推桿與作動器末端鉸接，工控機根據(jù)設(shè)置的路面不平度控制激勵發(fā)生器，推動穩(wěn)定桿作動器發(fā)生振動，以模擬路面對懸架的垂向激勵，兩者的安裝關(guān)系如圖4所示。

圖3 液壓系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic system

圖4 ARC安裝位置圖Fig.4 ARC installation location

圖5 實驗臺架液壓原理簡圖Fig.5 Hydraulic principle diagram of experimental bench

圖5為ARC實驗臺架液壓原理簡圖(包含前軸主動穩(wěn)定桿和對應(yīng)激勵發(fā)生器)。液壓油經(jīng)柱塞泵從油箱內(nèi)泵出后，流過比例溢流閥8將油壓維持在8 MPa。液壓缸2為穩(wěn)定桿作動器，其推桿與穩(wěn)定桿伸出臂鉸接，末端與路面激勵發(fā)生器(液壓缸1)推桿鉸接。路面激勵發(fā)生器受三位四通閥3的控制，推(拉)動作動器以模擬路面對懸架的垂向激勵。電磁開關(guān)閥4，5，6，7控制液壓缸2的動作，當(dāng)閥4和閥5打開、閥6和閥7關(guān)閉時，液壓缸推桿向外運動，推動穩(wěn)定桿伸出臂輸出正向反側(cè)傾力矩；當(dāng)閥4和閥5關(guān)閉、閥6和閥7打開時，推桿向內(nèi)拉動伸出臂，穩(wěn)定桿輸出逆向反側(cè)傾力矩。

2.2 dSPACE實時仿真系統(tǒng)

dSPACE是一套基于Matlab/Simulink 的控制系統(tǒng)開發(fā)與測試平臺，可實現(xiàn)與HIL實驗平臺的無縫連接，具有組合性強、快速性好、可靠性高、實時性好、靈活性高等優(yōu)點[13]。本系統(tǒng)使用的dSPACE以DS1401板卡為核心，運行14自由度(縱向、側(cè)向、橫擺、側(cè)傾、俯仰、車身的垂向運動、4個車輪的垂向與旋轉(zhuǎn)運動)車輛動力學(xué)模型[14]，模型主要參數(shù)源于文獻[15]。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)(見圖6)是主動穩(wěn)定桿的核心組成，包括ECU、電磁閥驅(qū)動板、CAN總線及相應(yīng)附屬電路。ECU使用MC9S12DG128單片機作為控制單元，該單片機是飛思卡爾公司推出的16位汽車級單片機，資源豐富，功能強大[16-17]，能夠滿足液壓式主動穩(wěn)定桿控制系統(tǒng)的需求。針對電磁開關(guān)閥開關(guān)頻率高、瞬間電流大的特點，使用場效應(yīng)管IRF540為電磁閥的驅(qū)動器。ECU與dSPACE通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞[18]，位速率為250 KB/s。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of control system

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 條件設(shè)置

圖7 DLC轉(zhuǎn)向工況前輪轉(zhuǎn)角Fig.7 DLC steering wheel angle

為研究ARC系統(tǒng)在汽車高速避險、高速超車[19]等情況下對汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，選擇雙移線轉(zhuǎn)向(DLC)工況進行單軸HIL仿真實驗[20]，DLC轉(zhuǎn)向工況前輪轉(zhuǎn)角如圖7所示。設(shè)置車輛初速度為80 km/h，路面附著系數(shù)為0.8。ECU控制器采用分層控制原理，上層控制器使用“PID+前饋”控制算法用于計算反側(cè)傾力矩，下層控制器采用BangBang控制算法，控制作動器輸出該力矩[21]。

3.2 實驗結(jié)果與分析

DLC轉(zhuǎn)向工況實驗結(jié)果見圖8，側(cè)傾角對比見圖9。

圖8 DLC轉(zhuǎn)向工況實驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of DLC steering condition

圖9 側(cè)傾角對比Fig.9 Comparison of roll angle

由圖8可知，在DLC轉(zhuǎn)向工況下，主動穩(wěn)定桿作動器推桿實際位移與目標(biāo)位移差值較小，控制目標(biāo)的跟隨性較好；車身側(cè)傾角最大值為1.2°，側(cè)傾角速度最大值為6.4°/s。由圖9可知，在被動穩(wěn)定桿的情況下，車身側(cè)傾角明顯偏離目標(biāo)值，最大差值為3.2°。由2種情況下相對比可知，主動穩(wěn)定桿的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)被動穩(wěn)定桿。實驗結(jié)果表明，主動穩(wěn)定桿可以有效地提高車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性，減小車身側(cè)傾角。該實驗臺架能夠滿足主動穩(wěn)定桿的實驗要求。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的液壓式主動穩(wěn)定桿HIL實驗平臺集成了控制器、實驗臺架、車輛模型等模塊，單/雙軸通用實驗臺架的設(shè)計實現(xiàn)了實驗平臺功能的多樣化，利于深入研究。路面激勵發(fā)生器的設(shè)計能夠模擬路面對懸架的垂向激勵，更貼近實際地反映液壓式主動穩(wěn)定桿在復(fù)雜路況下對汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的改善。實驗結(jié)果證明了該實驗平臺能夠很好地模擬實驗環(huán)境，驗證控制算法，縮短研發(fā)周期，可為ARC系統(tǒng)的開發(fā)提供有力支持。

限于現(xiàn)有技術(shù)的不足和成本因素，該實驗平臺上的液壓式主動穩(wěn)定桿用的液壓閥數(shù)量較多、體積較大，不能直接安裝在實車上進行實驗。下一步將針對現(xiàn)有設(shè)計的不足展開液壓式主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)專用集成閥塊的研究，將系統(tǒng)使用的液壓閥集成在一個液壓閥塊上，減小系統(tǒng)空間的占用，為上車實驗做準(zhǔn)備。

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Design of hydraulic active stabilizer bar test platform based on dSPACE

CHEN Shan， PI Dawei， KONG Zhenxing， SHI Yangyang

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing，Jiangsu 210094, China)

For the study of the influence of hydraulic active stabilizer bar to vehicle lateral stability under high speed steering maneuver, the hydraulic active stabilizer bar HIL test platform is implemented. The HIL test platform is designed with single/double axles universal test bench to experiment on single or double axles active stabilizer bar, using MC9S12DG128 microcontroller as the core controller and running vehicle dynamics model in the dSPACE. This HIL platform is used to study the effect of the hydraulic active stabilizer bar on the vehicle roll stability under different types of the road and typical steering maneuvers. The experiment results illustrate that the hydraulic active stabilizer bar HIL test platform can simulate the experiment environment and provide a powerful support for the development of active stabilizer bar system.

vehicle engineering；hydraulic active stabilizer bar；roll stability；dSPACE；HIL test platform

1008-1542(2016)06-0533-07

10.7535/hbkd.2016yx06002

2016-08-15；

2016-09-30；責(zé)任編輯：張士瑩

國家自然科學(xué)基金(51205204，51205209)；江蘇省六大人才高峰資助項目(2014-JXQC-003)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(30915118832)

陳 山(1989—)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，主要從事汽車電子、主動安全技術(shù)方面的研究。

皮大偉副教授，博士。E-mail:pidawei@mail.njust.edu.cn

U463.4

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