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作者：黃鶴 合肥工業大學
應用領域：控製與仿真
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的de實shi際ji操cao縱zong動dong作zuo對duiEHB快速原型的控製器進行功能驗證和逼真的產品性能演示。
應用方案：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。
使用的產品：
LabVIEW Professional Developmet System for Windows 2009,SP1
LabVIEW FPGA Module 2009,SP1
LabVIEW Real-Time Module 2009,SP1
NI Veristand 2009
LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit 2009
NI PXI-1042Q 8-Slot 3U機箱
NI PXI-8196 2.16 GHz Intel Core 2 Duo T7400 實時控製器
NI PXI-7851R 可編程FPGA芯片
NI PXI-8464/2 CAN 總線接口卡
NI PXI-6289M高精度多功能M係列數據采集(DAQ)板卡
介紹:
在zai過guo去qu的de二er十shi年nian裏li，電dian子zi設she備bei在zai汽qi車che工gong業ye得de到dao廣guang泛fan應ying用yong，今jin天tian的de汽qi車che已yi經jing進jin入ru了le電dian子zi技ji術shu的de時shi代dai。隨sui著zhe人ren們men對dui汽qi車che製zhi動dong性xing能neng的de要yao求qiu越yue來lai越yue高gao，線xian控kong製zhi動dong係xi統tong（brake-by-wire）應運而生，電子液壓製動EHB可以借鑒ESP係xi統tong的de成cheng熟shu經jing驗yan，對dui原yuan有you的de液ye壓ya係xi統tong不bu做zuo大da的de改gai變bian，由you電dian子zi係xi統tong提ti供gong柔rou性xing控kong製zhi，液ye壓ya係xi統tong提ti供gong動dong力li，是shi機ji電dian液ye一yi體ti化hua的de高gao新xin技ji術shu產chan品pin，受shou到dao了le廣guang泛fan的de關guan注zhu。作zuo為wei開kai放fang的de線xian控kong控kong製zhi係xi統tong，配pei備bei了le傳chuan統tongESP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(gong)司(si)提(ti)供(gong)的(de)一(yi)係(xi)列(lie)產(chan)品(pin)的(de)幫(bang)助(zhu)下(xia)通(tong)過(guo)硬(ying)件(jian)在(zai)環(huan)試(shi)驗(yan)進(jin)行(xing)深(shen)入(ru)的(de)控(kong)製(zhi)研(yan)究(jiu)，減(jian)小(xiao)了(le)時(shi)間(jian)和(he)經(jing)費(fei)的(de)的(de)開(kai)銷(xiao)，為(wei)今(jin)後(hou)的(de)產(chan)品(pin)實(shi)現(xian)提(ti)供(gong)堅(jian)實(shi)的(de)研(yan)究(jiu)基(ji)礎(chu)。
正文：
1、 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)左(zuo)圖(tu)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)。
數據采集卡的輸出電壓為 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。右圖為載波頻率為 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。
2、 駕駛員混合仿真實驗平台總體構造
硬件結構如下圖所示，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，PXI-8464 接受轉角傳感器的 CAN 總線信號，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 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。
基於 LabVIEW 和 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。
3、車輛實時模型的建立
3.1、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 gongsikaifadeyikuanquanmiangaoxiaodecheliangdonglixuefangzhenruanjian，congdiannaoshangdeqichegainiansheji，daoqichedonglixuekongzhiqiyuyingjianjiehedeyingjianzaihuanshiyanhuanjing，doukeyitongguoqidadaohenhaodexiaoguo，fangzhenjieguokeyitongguo 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 DYNAware 的(de)產(chan)品(pin)，世(shi)界(jie)範(fan)圍(wei)內(nei)也(ye)非(fei)常(chang)流(liu)行(xing)，基(ji)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)需(xu)求(qiu)為(wei)生(sheng)產(chan)廠(chang)家(jia)和(he)零(ling)部(bu)件(jian)供(gong)應(ying)商(shang)提(ti)供(gong)了(le)適(shi)當(dang)的(de)仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)包(bao)。通(tong)過(guo)在(zai)圖(tu)形(xing)化(hua)界(jie)麵(mian)中(zhong)設(she)置(zhi)參(can)數(shu)，簡(jian)潔(jie)直(zhi)觀(guan)地(di)完(wan)成(cheng)建(jian)模(mo)。建(jian)模(mo)對(dui)象(xiang)包(bao)括(kuo)整(zheng)車(che)尺(chi)寸(cun)、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。
3.2、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 kongzhifangfa，kongzhishijihengbaijiaoyulixiangerziyouduhengbaijiaozhijiandepiancha，shuchuweimubiaozhidongliju。zhixincepianjiaokongzhicaiyongmenxianzhikongzhifangfa，genjuchaochumenxiandechengdushijiazhidongliju。genjucheliangyundongzhuangtaixietiaoshangshusanzhongmoshixiadeshuchuliangdedaomubiaozhidongliju。tiaoyongzhidongliju―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，控製框圖如下圖所示：
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。
4、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。
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。
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。
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。
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。
5、仿真平台的功能演示
5.1、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shi對dui比bi打da開kai穩wen定ding性xing控kong製zhi與yu關guan閉bi穩wen定ding性xing控kong製zhi車che輛liang的de操cao縱zong響xiang應ying。在zai實shi時shi仿fang真zhen結jie束shu，保bao存cun錄lu像xiang並bing進jin行xing對dui比bi。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，如ru左zuo下xia圖tu所suo示shi。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yu VeriStand 構建的駕駛員在環測試平台可以實現逼真的產品演示。
5.2、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下圖，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。
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。
6、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。
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