產品:
　　NI VeriStand, PXI-6289, LabVIEW, PXI-8196 RT, FPGA模塊, LabVIEW Real-Time Module, PXI-1042Q, PXI-7851R, PXI-8464/2, PID控製工具包

挑戰:
　　研發EHB控製器的關鍵點在於通過大量測試實驗掌握執行元件的工作性能，在模擬環境下有效地進行參數仿真、軟(ruan)件(jian)仿(fang)真(zhen)，減(jian)少(shao)實(shi)際(ji)路(lu)麵(mian)測(ce)試(shi)帶(dai)來(lai)的(de)困(kun)難(nan)，並(bing)開(kai)發(fa)基(ji)於(yu)虛(xu)擬(ni)現(xian)實(shi)技(ji)術(shu)的(de)混(hun)合(he)仿(fang)真(zhen)平(ping)台(tai)，在(zai)不(bu)同(tong)虛(xu)擬(ni)環(huan)境(jing)下(xia)由(you)駕(jia)駛(shi)員(yuan)產(chan)生(sheng)的(de)實(shi)際(ji)操(cao)縱(zong)動(dong)作(zuo)對(dui)EHB快速原型的控製器進行功能驗證和逼真的產品性能演示。

解決方案:
　　利用LabVIEW構建輪缸壓力測控係統，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製EHB係統的高速開關電磁閥，滿足對輪缸壓力控製的要求；通過NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數據采集卡完成硬件在環實驗中方向盤、電子油門、製動踏板、輪缸壓力等數據采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控製器的快速原型，滿足嚴格的實時性需要；在Veristand軟件平台上
，聯合在DYNAware軟件中生成的實時車輛模型
，大大縮短了混合仿真係統的開發周期和應用程序開發成本。

　　zaiguoqudeershinianli，dianzishebeizaiqichegongyededaoguangfanyingyong，jintiandeqicheyijingjinruledianzijishudeshidai。suizherenmenduiqichezhidongxingnengdeyaoqiuyuelaiyuegao
，xiankongzhidongxitong（brake-by-wire）應運而生
，電子液壓製動EHB可以借鑒ESPxitongdechengshujingyan，duiyuanyoudeyeyaxitongbuzuodadegaibian

，youdianzixitongtigongrouxingkongzhi
，yeyaxitongtigongdongli，shijidianyeyitihuadegaoxinjishuchanpin，shoudaoleguangfandeguanzhu。zuoweikaifangdexiankongkongzhixitong
，peibeilechuantongESP係統中沒有的輪缸壓力傳感器，可以實現精確的壓力控製

，在高壓蓄能器的作用下滿足四通道獨立控製的要求
，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製係統的開發設計，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液壓係統的新型特點，結合先進的車輛動力學仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一係列產品的幫助下通過硬件在環 (HIL)測試進行深入的控製研究，減小了時間和經費的的開銷
，為今後的產品實現提供堅實的研究基礎。

基於LabVIEW的輪缸壓力測試係統

　　受shou高gao速su開kai關guan閥fa電dian磁ci鐵tie的de響xiang應ying能neng力li及ji閥fa芯xin運yun動dong時shi間jian的de影ying響xiang，實shi際ji的de閥fa芯xin響xiang應ying不bu能neng完wan全quan跟gen隨sui脈mai寬kuan信xin號hao的de變bian化hua，脈mai衝chong調tiao製zhi周zhou期qi和he占zhan空kong比bi對dui其qi影ying響xiang很hen大da。因yin此ci需xu要yao搭da建jian如ru圖tu1所suo示shi的de測ce試shi平ping台tai
，在zai不bu同tong的de載zai波bo頻pin率lv下xia得de到dao不bu同tong的de增zeng減jian壓ya力li曲qu線xian。綜zong合he考kao慮lv控kong製zhi的de快kuai速su性xing和he有you效xiao的de占zhan空kong比bi調tiao節jie範fan圍wei選xuan擇ze合he適shi的de載zai波bo頻pin率lv。

　　數據采集 (DAQ)的輸出電壓為5V電壓，通過驅動電路放大為12V的PWM信號控製電磁閥。液壓控製單元裏的輪缸壓力傳感器信號通過放大電路轉換為0～5電壓信號供數據采集卡采集。圖2為載波頻率為100HZ下的增壓特性曲線
，當占空比小於15或大於89時由於電磁閥的死區和飽和效應電磁閥無動作。LabVIEW幫助我們在短時間內搭建這樣的測試係統，確定PWM信號合適的載波頻率。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 係統組成

圖2 增壓特性曲線

駕駛員混合仿真實驗平台總體構造

　　硬件結構如圖3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液壓控製單元。混合仿真平台存在兩個回路。一個是信號的回路，NI PXI-8464接受轉角傳感器的CAN總線信號，NI PXI-6289采集踏板行程傳感器、改造的液壓控製單元中四個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中實時運行的車輛模型。實時模型給出的控製信息通過DMA方式傳送給NI PXI-7851R，根據自定義的I/O接口控製HCU單元中的電磁閥、泵電機

，完成閉環。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀察顯示器中車輛的三維動畫通過駕駛員操縱單元中的方向盤和油門
、刹車踏板控製車輛。NI公司的一係列硬件產品為搭建這樣一個混合仿真實驗提供了強有力的保證。

          圖3混合仿真平台組成――硬件（左）和軟件架構（右）

　　基於LabVIEW和NI VeriStand開放式的開發環境的軟件架構如上圖所示。LabVIEW作為客戶端調用DYNAanimation車輛三維動畫顯示軟件的ActiveX控件實現顯示功能。通過VeriStand VI中Workspace VI實現Workspace與LabVIEW的數據交換。VeriStand兼容用戶自定義的FPGA I/O接口，利用FPGA靈活高效的特點在無需改變硬件配置的情況下完成控製器的快速原型。

車輛實時模型的建立

　　Tesis DYNAware的車輛模型

　　NI VeriStand支持第三方軟件DYNAware生成的模型文件。DYNAware是Tesis公司開發的一款　　全(quan)麵(mian)高(gao)效(xiao)的(de)車(che)輛(liang)動(dong)力(li)學(xue)仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)
，從(cong)電(dian)腦(nao)上(shang)的(de)汽(qi)車(che)概(gai)念(nian)設(she)計(ji)，到(dao)汽(qi)車(che)動(dong)力(li)學(xue)控(kong)製(zhi)器(qi)與(yu)硬(ying)件(jian)結(jie)合(he)的(de)硬(ying)件(jian)在(zai)環(huan)試(shi)驗(yan)環(huan)境(jing)
，都(dou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)其(qi)達(da)到(dao)很(hen)好(hao)的(de)效(xiao)果(guo)，仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)DYNAanimation軟件在顯示器上實時顯示。在德國幾乎所有的汽車製造商都在使用DYNAwaredechanpin，shijiefanweineiyefeichangliuxing
，jiyubutongdexuqiuweishengchanchangjiahelingbujiangongyingshangtigongleshidangdefangzhenruanjianbao。tongguozaituxinghuajiemianzhongshezhicanshu，jianjiezhiguandiwanchengjianmo。jianmoduixiangbaokuozhengchechicun、輪胎
、前後軸
、懸架、發動機
、傳動係、空氣動力學等模型
，可以建立多達幾十個自由度的車輛動力學模型，很好地反應車輛在各種工況條件下的動力學特性。

圖4 車輛總體尺寸建模

圖5 輪胎特性建模

EHB控製器模型

　　EHB控製器模型首先接受車輛模型傳來的縱向加速度和輪速，估計參考車速。同時接受方向盤轉角，橫擺角速度、側向加速度

，利用估計的參考車速估計質心側偏角。汽車穩定行駛時，目標製動力矩與製動踏板位移成比例關係。汽車失穩時，EHB係統主要的控製對象是汽車的橫擺角速度和質心側偏角。其中橫擺角速度控製模塊采用PD控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)

，控(kong)製(zhi)實(shi)際(ji)橫(heng)擺(bai)角(jiao)與(yu)理(li)想(xiang)二(er)自(zi)由(you)度(du)橫(heng)擺(bai)角(jiao)之(zhi)間(jian)的(de)偏(pian)差(cha)，輸(shu)出(chu)為(wei)目(mu)標(biao)製(zhi)動(dong)力(li)矩(ju)。質(zhi)心(xin)側(ce)偏(pian)角(jiao)控(kong)製(zhi)采(cai)用(yong)門(men)限(xian)值(zhi)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)，根(gen)據(ju)超(chao)出(chu)門(men)限(xian)的(de)程(cheng)度(du)施(shi)加(jia)製(zhi)動(dong)力(li)矩(ju)。根(gen)據(ju)車(che)輛(liang)運(yun)動(dong)狀(zhuang)態(tai)協(xie)調(tiao)上(shang)述(shu)三(san)種(zhong)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)輸(shu)出(chu)量(liang)得(de)到(dao)目(mu)標(biao)製(zhi)動(dong)力(li)矩(ju)。調(tiao)用(yong)製(zhi)動(dong)力(li)矩(ju)―輪缸壓力模塊，計算出目標輪缸壓力，再轉入開關電磁閥數字PID控製模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據高壓蓄能器設定壓力及HCU的工作狀態輸出泵電機的占空比，控製框圖如圖6所示：

圖6 EHB控製器模型

　　EHB控製器模型在Simulink/Stateflow環境下建模，與上述DYNAware中模型實現無縫集成。模型采用固定步長常微分方程求解器
，通過Real-Time Workshop轉化為VeriStand支持的dll動態鏈接庫文件。

配置VeriStand

　　在System Explorer Window中導入模型文件
，對Primary Control Loop的實時仿真速度進行調整
，設置周期為100μsec，則Model Execution Loop的周期為1ms，滿足車輛實時仿真的需要。通過分配處理器資源，Veristand能neng充chong分fen發fa揮hui雙shuang核he處chu理li器qi的de並bing行xing處chu理li性xing能neng，提ti高gao實shi時shi運yun行xing速su度du。橫heng擺bai角jiao速su度du是shi判pan斷duan汽qi車che失shi穩wen的de重zhong要yao標biao誌zhi，當dang理li想xiang橫heng擺bai角jiao速su度du與yu實shi際ji橫heng擺bai角jiao速su度du之zhi差cha超chao過guo上shang下xia門men限xian值zhi時shi

，通tong過guo報bao警jing設she置zhi以yi報bao警jing音yin的de方fang式shi提ti示shi駕jia駛shi員yuan。

圖7 VeriStand的配置

　　通過菜單界麵完成對NI-CAN
、NI-DAQ的通道設置，大大減小了程序的開發工作量，提高了開發效率。在Stimulus Profile Editor中設置Logging file
，可以對橫擺角速度
、質心側偏角、輪缸壓力等進行保存。TDMS文件格式讀取快速，作為一種測試測量領域的通用數據文件格式，非常適合車輛狀態參數的保存。

圖8 VeriStand與DYNAanimation的連接

　　上麵的循環通過Workspace VI啟動VeriStand，獲取通道數據包括Simulation Time
、Animation Data、Display Data。下方的循環利用ActiveX控件將動畫和顯示數據傳送給DYNAanimation。

圖9 通過ActiveX方法控製DYNAanimation

　　DYNAanimation將實時仿真結果在虛擬現實的環境中直接現實出來。其中
，Animation Data數組中每十二個元素代表一個運動物體（如車身、輪胎）相對於大地坐標係的位置參數。Display Data用於界麵的數據顯示，比如車速表、轉速表等。

圖10 FPGA I/O示意圖

　　液壓控製單元在改裝博世ESP的基礎上得到，四個輪缸各由兩個高速開關閥控製，一個控製從高壓蓄能器增壓，一個控製向低壓蓄能器減壓

，需8路PWM信號。2路PWM輸出負責對泵電機的控製。VeriStand中默認的PXI-7851R的通道資源擁有8路PWM輸出，而這裏需要10路PWM輸出。通過自定義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，滿足應用的需要。可見基於VeriStand的自定義FPGA I/O功能使混合仿真平台具有靈活方便的擴展性能。

仿真平台的功能演示

駕駛員在環麋鹿測試

　　在DYNAanimation環境下建立三維圖像文件，包括道路
、標識線、車身模型、輪胎、路障等，進行駕駛員在環的“麋鹿”測試。在車速為80km/h時對比打開穩定性控製與關閉穩定性控製車輛的操縱響應。在實時仿真結束
，保存錄像並進行對比。如圖11所suo示shi，在zai打da開kai穩wen定ding性xing控kong製zhi時shi，駕jia駛shi員yuan可ke以yi平ping穩wen地di實shi現xian車che輛liang的de變bian線xian，車che輛liang的de運yun動dong軌gui跡ji符fu合he駕jia駛shi員yuan的de預yu期qi，當dang關guan閉bi穩wen定ding性xing控kong製zhi時shi，車che輛liang失shi控kong跑pao出chu跑pao道dao。基ji於yuVeriStand構建的駕駛員在環測試平台可以實現逼真的產品演示。

圖11 開啟、關閉穩定性控製

利用激勵進行正弦延遲測試

　　正弦延遲測試是美國國家高速安全局（NHTSA）規定的126號法規，用於檢測車輛的側向穩定性能。不同於麋鹿測試，現實實驗中需要通過轉向機器人完成。VeriStand的配置實時激勵功能很好地幫助我們完成該項測試。試驗在幹燥、平直附著係數為0.9的道路上進行，方向盤轉角進行後半周期帶有延遲的正弦輸入，頻率為0.7HZ
，第二次波峰出現後有400ms的延遲。方向盤轉角及實驗流程如圖12，其中A為80km/h下車輛側向加速度達到0.3g時方向盤的轉角。

圖12 正弦延時輸入

圖13試驗流程

    通過實時激勵功能裏的正弦函數
、延時函數編製激勵文件，通過記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線。VeriStand大大降低了編程的複雜性，減少測試係統的開發時間。

總結

    利用VeriStand我們在短時間內搭建起一個功能豐富的混合仿真平台
，使我們有更多的精力投入到控製策略的研究上來；VeriStand Engine將實時測試係統的任務和功能在內部進行實施與優化，幫助實時測試係統以更快的速度運行
，大大降低了應用程序開發和維護成本；基於FPGA的自定義I/O設置提高了係統硬件的可擴展性，通過FPGA虛擬傳感器可擴展為基於單片機控製器的硬件在環測試平台
；總之
，NI公司一係列軟件和硬件產品幫助我們靈活
、高效、直觀地實現EHB混合仿真測試平台
，為產品的研製奠定了堅實的基礎。