基于LabVIEW的氣壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模擬

□ 李曼莉 □ 郭旭紅

1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇蘇州 215006

2.昆山第二中等專業(yè)學(xué)校 江蘇昆山 215300

1 研究背景

目前對(duì)汽車氣壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）進(jìn)行模擬的軟件有 Carsim、Adams/Car、AMEsim、LabVIEW 等。LabVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言，其開發(fā)環(huán)境具有眾多優(yōu)點(diǎn)，從流程圖式編程、數(shù)據(jù)探針調(diào)試，到豐富的函數(shù)功能、數(shù)值分析、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等，都令人稱道。筆者應(yīng)用LabVIEW軟件對(duì)氣壓ABS進(jìn)行模擬。

目前氣壓ABS主要采用邏輯門限值控制方法，這一方法判斷邏輯簡單，實(shí)時(shí)響應(yīng)性好。筆者編制的模擬程序采用以加、減速度作為主控門限，以滑移率作為第二門限的控制方法［1-4］。采用加、減速度和滑移率的門限值進(jìn)行綜合控制，具有較高的自適應(yīng)控制能力，能保證在各種行駛狀態(tài)和不同路面情況下實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)。

2 運(yùn)算模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

運(yùn)算模塊是整個(gè)氣壓ABS的核心部分，系統(tǒng)所有控制功能的實(shí)現(xiàn)均依賴于運(yùn)算模塊的運(yùn)算結(jié)果與運(yùn)算速度。筆者在LabVIEW軟件中開發(fā)用戶程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)算模塊的全部功能。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集卡上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將外部模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后，數(shù)字量信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集卡上的緩沖區(qū)中。通過中斷或DMA方式，將數(shù)字量信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，DMA方式是將數(shù)據(jù)導(dǎo)入或?qū)С鲇?jì)算機(jī)內(nèi)存的最快方式。用戶在LabVIEW編程環(huán)境中通過符號(hào)化編程語言，基于生產(chǎn)廠商提供的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序，方便快速地進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理及分析功能。

▲圖1 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)前面板

系統(tǒng)前面板是用戶操作和信息顯示的面板，要求界面友好、直觀，且便于操作。前面板可以直觀顯示防抱死制動(dòng)過程中氣路、電路及各主要電磁閥的工作情況，車速、輪速和頻率的變化，加、減速度和滑移率門限值的調(diào)節(jié)，以及相關(guān)功能按鈕等，如圖2所示。

2.3 輪速信號(hào)采集與計(jì)算

轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集實(shí)質(zhì)是對(duì)輪速傳感器產(chǎn)生的連續(xù)方波進(jìn)行測量與計(jì)算，求得信號(hào)的頻率，進(jìn)而得到車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和線速度［5-6］。

▲圖2 系統(tǒng)前面板

通過波形模擬器模擬輪速信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集程序記錄輪速信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)通過的時(shí)基脈沖數(shù)量，即可求得車輪的角速度 ω=2π/（ZTG），進(jìn)而得到車輪的線速度vR=ωR。

求得車輪的線速度后，可以根據(jù)輪速數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行相應(yīng)分析計(jì)算，包括車輪加、減速度和滑移率等，從而為后續(xù)處理提供依據(jù)。

2.4 車輪加、減速度計(jì)算

車輪的加、減速度就是單位時(shí)間內(nèi)輪速的變化量，即：

式中：ωk和ωk-1分別為當(dāng)前采樣時(shí)刻和上一采樣時(shí)刻的車輪角速度。

2.5 滑移率計(jì)算和參考車速確定

滑移率s是邏輯門限控制的重要參數(shù)，表達(dá)式為：

式中：v為車身運(yùn)動(dòng)速度。

車輪線速度可以通過車輪轉(zhuǎn)速傳感器獲得，但是車身運(yùn)動(dòng)速度的測量就比較困難。筆者在所采集的輪速數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過一定算法得到參考車速vRef來近似表征實(shí)際車速［7-8］。

如果汽車處于減速度運(yùn)動(dòng)或防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)期間，當(dāng)車輪減速度達(dá)到減速度門限值時(shí)，以四個(gè)車輪中的最高速度作為參照速度vr，再將前一循環(huán)中的汽車速度 vRef1與該參照速度 vr進(jìn)行比較，若 vr＜vRef1，則vRef1=vr-|a|t；若 vr=vRef1，則 vRef1=vr。

如果汽車處于加速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)車輪加速度達(dá)到加速度門限值時(shí)，以四個(gè)車輪中的最低速度作為參照速度vr，再將前一循環(huán)中的汽車速度vRef1與該參照速度vr進(jìn)行比較，若 vr＞vRef1，則 vRef1=vr+at；若 vr=vRef1，則 vRef1=vr［9］。

2.6 控制邏輯

獲得加、減速度和滑移率之后，就可以和預(yù)置門限進(jìn)行比較，根據(jù)不同的工作狀態(tài)確定下一步的輸出［10］。

具體控制邏輯如圖3所示。

▲圖3 系統(tǒng)控制邏輯

3 程序編制

筆者所設(shè)計(jì)的氣壓ABS控制程序框圖如圖4所示。

3.1 程序結(jié)構(gòu)

控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，具體包括如下模塊［11］。

（1）車輛參數(shù)輸入模塊。

（2）初始化模塊，包括制動(dòng)初始速度設(shè)定和各門限值設(shè)定等。

（3）運(yùn)算模塊，包括滑移率、附著因數(shù)及車輪車身運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算。

（4）ABS控制模塊。采用子虛擬儀器形式，并對(duì)接口板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，便于算法升級(jí)。

3.2 模擬過程描述

系統(tǒng)通過GFG-8216A函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生器模擬方波信號(hào)，以進(jìn)行輪速信號(hào)的模擬。輪速信號(hào)是防抱死制動(dòng)控制程序的模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡采集這一信號(hào)并傳送至中央處理器。函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生器如圖5所示。

氣壓ABS統(tǒng)一采用高附著因數(shù)路面，即平坦、干燥、表面粗燥的瀝青路面，附著因數(shù)約為0.7，制動(dòng)初速度為90 km/h。

控制程序開始前，需要先輸入車型參數(shù)，包括輪速傳感器齒數(shù)、輪胎有效半徑等，然后對(duì)制動(dòng)初始速度、滑移率門限值，以及加、減速度門限值進(jìn)行設(shè)定。程序開始后，系統(tǒng)通過采集卡對(duì)模擬器進(jìn)行輪速信號(hào)采集，再按程序所制訂的算法對(duì)車輪輪速進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算出車輪滑移率和角速度。系統(tǒng)根據(jù)車輪滑移率和角速度的計(jì)算結(jié)果，求得單個(gè)車輪的速度變化情況，同時(shí)，根據(jù)車輪滑移率和角速度的變化情況，選定ABS算法，進(jìn)行防抱死制動(dòng)控制，直到車輪速度為0，模擬結(jié)束。

▲圖4 系統(tǒng)控制程序框圖

▲圖5 函數(shù)信號(hào)產(chǎn)生器

4 模擬結(jié)果分析

模擬初始參數(shù)包括模擬對(duì)象的物理數(shù)據(jù)、程序設(shè)定的門限值等，見表1。

表1 模擬初始參數(shù)

制動(dòng)程序主界面包括車速輪速變化顯示部分、系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)置部分和工作路線動(dòng)作部分。汽車緊急制動(dòng)時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)氣室壓力急劇升高，車速減慢，輪速也驟然減慢。當(dāng)ABS控制單元根據(jù)所收集的信號(hào)判斷汽車有抱死趨勢時(shí)，向壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出控制信號(hào)，減小制動(dòng)氣室的制動(dòng)氣壓力，解除車輪抱死的趨勢，這時(shí)輪速又加快。ABS通過使趨于抱死的車輪的滑移率控制在10%～30%，使被控車輪獲得盡可能大的縱向附著力和較大的橫向附著力，從而使汽車具有良好的制動(dòng)性能和制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，提高汽車的安全性。

在運(yùn)行控制程序前，先設(shè)定好控制程序的各初始參數(shù)。然后運(yùn)行程序，根據(jù)制動(dòng)踏板的信號(hào)，輪速傳感器返回至前面板上的方波信號(hào)越來越少，一直到車輪將要抱死時(shí)，氣壓ABS進(jìn)行防抱死處理，使制動(dòng)氣室氣壓減小而不能抱死，這樣方波信號(hào)又逐漸增多。下一次循環(huán)又將抱死時(shí)，采用同樣的方法，通過反復(fù)循環(huán)使車輪處于似抱死非抱死的狀態(tài)，使滑移率始終處于穩(wěn)定區(qū)域。

5 結(jié)論

通過模擬氣壓ABS可知，控制程序中輪速信號(hào)的采集技術(shù)決定了加、減速度及滑移率等計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過修改系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，可以方便考察各參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響。

通過模擬，得到以下幾點(diǎn)啟示：①信號(hào)采集技術(shù)的精確與否將影響氣壓ABS控制過程的實(shí)施；②控制邏輯的準(zhǔn)確、合理與否將影響防抱死制動(dòng)工作過程的有效性；③車輪加、減速度及滑移率門限值等重要參數(shù)的設(shè)定對(duì)氣壓ABS工作影響較大。

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