汽車驅動防滑控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設計

車輛驅動防滑控制系統(tǒng)通過控制驅動輪滑轉狀態(tài)改善車輛在軟弱附著路面的牽引性和操縱穩(wěn)定性,汽車電控系統(tǒng)開發(fā)的實質是進行車輛控制原型及執(zhí)行器間的性能匹配,但單純計算機仿真難以完成這一任務。隨著相關技術的成熟，硬件在環(huán)仿真以其開發(fā)周期短、成本低和接近實際情況正成為汽車電控系統(tǒng)開發(fā)的主要研究手段[4-5]。
　　隨著微型計算機性能的不斷提高，使借助PC機實現(xiàn)實時仿真具有可行性。Matlab/Simulink作為一種常用的建模仿真軟件被廣泛應用。MathWorks公司基于這種圖形化語言，又推出了Real-Time Workshop(RTW)工具箱用于將圖形化語言轉化為可執(zhí)行的代碼語言，從而方便實現(xiàn)實時仿真。xPC Target(xPC目標)是針對RTW體系結構的一種實時仿真系統(tǒng)構建途徑，而且支持多種類型的I/O設備(包括PCI和ISA以及RS232等)，可以方便構建硬件嵌入式實時系統(tǒng)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)或者系統(tǒng)的快速原型化及硬件在環(huán)仿真與測試。
　　基于Matlab/Simulink軟件平臺建立了車輛驅動防滑控制硬件在環(huán)仿真平臺，通過該平臺進行了控制器硬件在環(huán)仿真實驗。實驗結果表明了控制器能夠穩(wěn)定工作，控制算法可以有效控制驅動輪的滑轉，顯著改善車輛的起步加速性能，為實車試驗以及電控單元的進一步開發(fā)打下了基礎。
1 車輛動力學仿真模型
　　汽車驅動防滑控制就是對汽車縱向力的控制，汽車的縱向力分為驅動力和制動力，驅動力由發(fā)動機發(fā)出的扭矩經傳動系傳遞到車輪上，制動力是由制動力矩產生的。在進行驅動防滑控制研究時，要進行驅動力的控制，所以必須建立車輛系統(tǒng)的數(shù)學模型，這是進行縱向力控制研究的基礎。本文主要建立包括發(fā)動機模型、傳動系模型、輪胎模型和整車模型在內的車輛系統(tǒng)動力學仿真模型。
1.1 發(fā)動機模型
　　由于在汽車行駛過程中，駕駛員可控制的只有發(fā)動機的節(jié)氣門開度，故建立的發(fā)動機模型主要是指一定的節(jié)氣門開度和發(fā)動機轉速下發(fā)動機輸出扭矩。
　　通過整理試驗獲得發(fā)動機穩(wěn)態(tài)轉矩離散數(shù)組及其對應的油門開度數(shù)組和發(fā)動機轉速數(shù)組，亦即發(fā)動機外特性和部分負荷特性，用于在發(fā)動機模型中計算發(fā)動機實時的輸出扭矩。圖1是試驗車發(fā)動機部分負荷特性圖，在發(fā)動機模型中計算發(fā)動機實時輸出扭矩時用到的就是這些數(shù)據(jù)。

計算時，首先根據(jù)此時的節(jié)氣門開度，利用二維插值函數(shù)獲得與其對應的一組發(fā)動機部分負荷特性扭矩數(shù)組，然后根據(jù)此時的發(fā)動機轉速，利用二維插值函數(shù)對得到的部分負荷特性扭矩數(shù)組插值得到此時的發(fā)動機輸出凈轉矩?？杀硎緸槟骋挥烷T開度a下，對應于發(fā)動機轉速的輸出凈扭矩。

1.2 非線性輪胎模型
　　目前采用的輪胎模型有多種形式，魔術公式是其中代表之一。該模型利用三角函數(shù)的組合公式擬合輪胎試驗數(shù)據(jù)，以一套形式相同的公式就可以完整地表達輪胎的縱向力Ftx、側向力Fty、回正力矩Ftz、翻轉力矩Mtx、阻力矩Mty以及縱向力、側向力的聯(lián)合作用工況，故稱為“魔術公式”。其一般表達式為：

式中Y(x)可以是縱向力，也可以是側向力或回正力矩，自變量可在不同的情況下分別表示輪胎的側偏角或縱向滑移率，式中的系數(shù)B、C、D和E依次由輪胎的垂直載荷和外傾角來確定。
　　本文建立的魔術公式輪胎模型主要對輪胎縱向力、橫向力和回正力矩分別與輪胎側偏角、車輪滑移率以及輪胎法向反力之間的映射關系進行描述，變量之間的關系如圖2所示。圖中α為側偏角，λ為縱向滑移率，γ為輪胎外傾角，F(xiàn)z為輪胎垂向載荷，a、b、c為計算參數(shù)，一般需要試驗進行求解。

1.3 整車模型
　　整車動力學模型是車體在空間中運動狀態(tài)的一種數(shù)學描述，能夠較為精確地給出車輛在空間中所受外力情況下的動態(tài)響應。論文建立了7自由度車輛驅動防滑控制系統(tǒng)仿真模型，包括車身的縱向、側向、橫擺三個運動，四個車輪繞輪軸的轉動。各自由度動力學微分方程如下：

其中Fx、Fy為輪胎縱向力和側向力在車輛坐標系的總分量，Mz為整車橫擺力矩，p為側傾角速度，ωr為橫擺角速度，u為車輛縱向速度，v為車輛側向速度，φ為側翻角，ωi為輪速，Mdi為驅動力矩，m為整車質量，Izz為整車繞z軸橫擺慣量，Ixxs為整車繞x軸側翻慣量，h′為簧載質心至側翻軸心的距離，ms為簧載質量，Cφ為側翻阻尼，Kφ為側翻剛度，Cd為空氣阻力系數(shù)，ρa為空氣密度，Af為正向投影面積。
　　ax和ayu分別為車輛質心絕對加速度在車輛坐標系X方向和Y方向的分量：

其他變量的計算如垂直載荷、整車縱向力、側向力以及橫擺力矩等參見文獻[5]，在此不再詳細說明。
2 驅動防滑控制系統(tǒng)設計
2.1 電控單元設計
　　系統(tǒng)采用飛思卡爾(Freescale)公司16位單片機MC-9S12DT128作為中央處理器。該單片機內核為HCS12結構。片內集成了很多資源，包括128KB的FLASH ROM；12KB的RAM；4KB的EEPROM；8通道的脈沖寬度調制模塊(PWM)；8通道的增強型捕捉定時器模塊(ECT)；2個8通道的AD轉換模塊(ATD)等。該芯片具有強大的定時器功能，非常適合用于車輛底盤電子控制單元的設計。在CODEWARRIOR集成開發(fā)環(huán)境中，可以進行程序的編譯、下載和在線調試。
　　ECU電路主要包括：電源模塊（+12V轉+5V），輪速信號處理模塊，最小系統(tǒng)模塊，電磁閥驅動電路，報警燈指示電路等。整個控制器結構如圖3所示。輪速信號共有四路，分別來自四個車輪。輪速測量采用磁電式傳感器，輸出的是頻率和振幅變化的正弦波，其頻率與所測輪速成正比，這種模擬信號不易被ECU直接讀取，需經過濾波、放大和整形處理。

2.2 驅動防滑控制程序設計
　　所設計的ASR控制程序主流程如圖4所示，圖中方塊為子程序模塊，全部自動返回主程序。

　對于均一路面，采用驅動輪滑轉率為主門限，車輪加速度為輔助門限的控制策略。目標是使車輛在加速起步過程中，獲得最大的地面附著力。而分離路面控制邏輯采用兩側車輪輪速差和車輪加速度作為控制門限。對于兩輪驅動工況，可以采用非驅動輪輪速平均值作為實際車速；對左右兩側驅動輪輪速進行判斷，選取高轉速的車輪進行控制。另外，當駕駛員踩下制動踏板時，ASR系統(tǒng)應立即退出控制，這里不作過多討論。
2.3 硬件在環(huán)仿真平臺
　　硬件在環(huán)仿真試驗臺由微機（宿主機和目標機）、信號發(fā)生板、數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥及電控單元組成，仿真方式采用xPC target結構，如圖5所示。xPC target是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于RTW（Real-Time Workshop)體系框架的補充產品，它可將Intel 80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，而且支持許多類型的I/O接口板。它采用宿主機和目標機的“雙機型”解決途徑，使用兩臺PC機。其中宿主機用于運行Simulink，且?guī)в心繕舜a編譯器。而目標機則用于執(zhí)行實時產生的代碼。目標機運行了一個高度緊縮的實時操作內核，通過以太網(wǎng)絡連接實現(xiàn)宿主機和目標機之間的通信。仿真結束后可將結果數(shù)據(jù)上傳至宿主機，進行分析處理。

整車動力學模型在宿主機PC的Matlab/Simulink環(huán)境中搭建，然后采用xPC工具將模型自動轉換成C代碼，通過以太網(wǎng)下載到工控機中作為被控對象，實現(xiàn)實時仿真。
　　真實物理部件主要為所設計的電控單元，該硬件部分與車輛模型的的信號接收及轉換使用Advantech公司高速數(shù)據(jù)采集卡PCL-726完成。
3 仿真
　　根據(jù)以上方法構建ASR硬件在環(huán)仿真平臺，并嵌入所設計的電控單元，設置一定的工況進行后輪驅動車輛的驅動防滑控制半實物仿真研究。部分仿真參數(shù)如下：整車質量130kg，簧上質量117kg，整車繞Z軸橫擺慣量1500kg·m2，車輪半徑0.295m，輪胎轉動慣量1.8kg·m2，整車繞X軸側翻慣量750kg·m2。
 初始車速與輪速為零，以一定油門開度進行起步，設置低附路面附著系數(shù)為0.1，高附路面附著系數(shù)為0.7。本文給出右側驅動輪仿真結果進行分析。
3.1 低附路面仿真
　　仿真時，先不進行ASR控制（沒有嵌入控制器），在附著系數(shù)為0.1均一低附路面，車輛從一擋急加速起步，車輪輪速與車速的變化曲線如圖6所示。從圖中可看出驅動輪轉速迅速上升,車速幾乎不增加，車輛的加速性能較差。

在仿真系統(tǒng)中嵌入設計的ECU，對驅動輪施加控制，目標是把驅動輪的滑轉率控制在最佳滑轉率附近，在附著系數(shù)為0.1的低附路面，一擋急加速起步，仿真結果如圖7所示。從圖示滑移率與輪速變化曲線可看出，控制系統(tǒng)能夠把車輪滑轉率基本控制在最佳滑轉率附近，輪速的波動也比較小，故車輛的加速性能、起步穩(wěn)定性得到明顯改善。

3.2 分離路面仿真
　　分離路面是一種車輛起步、加速行駛時非常典型的路況，仿真時車輛在(0.1/0.7)的分離路面一擋起步，圖8為所示輪速與整車橫擺角速度變化曲線。由結果可見，低附著一側車輪的滑轉率得到了有效的控制，同時也減小了左右驅動輪的輪速差，整車橫擺角速度也控制在較小的范圍內，使車輛按預定軌跡起步加速。

基于xPC目標建立了車輛驅動防滑控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺，完成控制算法的驗證和控制參數(shù)的調試，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)軟硬件匹配性能的初步驗證，為實車試驗打下了基礎。對于車輛驅動防滑控制系統(tǒng)的快速開發(fā)而言，可以進一步將傳感器和液壓執(zhí)行器等嵌入環(huán)路中，借助xPC目標的強大功能以及Matlab平臺，實現(xiàn)低成本的快速開發(fā)。