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[導(dǎo)讀]實(shí)驗(yàn)臺(tái)外觀行業(yè):工業(yè)控制/ 設(shè)備/ 系統(tǒng)產(chǎn)品:NI VeriStand, PXI-6289, LabVIEW, PXI-8196 RT, FPGA模塊, LabVIEW Real-Time Module, PXI-1042Q, PXI-7851R, PXI-8464/2, PID控制工具包挑戰(zhàn):研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點(diǎn)


實(shí)驗(yàn)臺(tái)外觀

行業(yè):

工業(yè)控制/ 設(shè)備/ 系統(tǒng)

產(chǎn)品:

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

挑戰(zhàn):

研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)掌握?qǐng)?zhí)行元件的工作性能,在模擬環(huán)境下有效地進(jìn)行參數(shù)仿真、軟件仿真,減少實(shí)際路面測(cè)試帶來(lái)的困難,并開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合仿真平臺(tái),在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的實(shí)際操縱動(dòng)作對(duì)EHB快速原型的控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證和逼真的產(chǎn)品性能演示。

解決方案:

利用LabVIEW構(gòu)建輪缸壓力測(cè)控系統(tǒng),在大量測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統(tǒng)的高速開關(guān)電磁閥,滿足對(duì)輪缸壓力控制的要求;通過(guò)NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數(shù)據(jù)采集卡完成硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中方向盤、電子油門、制動(dòng)踏板、輪缸壓力等數(shù)據(jù)采集和通訊;由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型,滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需要;在Veristand軟件平臺(tái)上,聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實(shí)時(shí)車輛模型,大大縮短了混合仿真系統(tǒng)的開發(fā)周期和應(yīng)用程序開發(fā)成本。

"利用LabVIEW和PXI,我們成功開發(fā)了混合仿真平臺(tái),并縮短了開發(fā)周期和應(yīng)用程序開發(fā)成本。"

在過(guò)去的二十年里,電子設(shè)備在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用,今天的汽車已經(jīng)進(jìn)入了電子技術(shù)的時(shí)代。隨著人們對(duì)汽車制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高,線控制動(dòng)系統(tǒng)(brake-by-wire)應(yīng)運(yùn)而生,電子液壓制動(dòng)EHB可以借鑒ESP系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn),對(duì)原有的液壓系統(tǒng)不做大的改變,由電子系統(tǒng)提供柔性控制,液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力,是機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品,受到了廣泛的關(guān)注。作為開放的線控控制系統(tǒng),配備了傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)中沒(méi)有的輪缸壓力傳感器,可以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制,在高壓蓄能器的作用下滿足四通道獨(dú)立控制的要求,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(nèi)的控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì),一些成熟的仿真測(cè)試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統(tǒng)的新型特點(diǎn),結(jié)合先進(jìn)的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件DYNAware,在NI公司提供的一系列產(chǎn)品的幫助下通過(guò)硬件在環(huán) (HIL)測(cè)試進(jìn)行深入的控制研究,減小了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的的開銷,為今后的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。

1 基于LabVIEW的輪缸壓力測(cè)試系統(tǒng)

受高速開關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響,實(shí)際的閥芯響應(yīng)不能完全跟隨脈寬信號(hào)的變化,脈沖調(diào)制周期和占空比對(duì)其影響很大。因此需要搭建如圖1所示的測(cè)試平臺(tái),在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調(diào)節(jié)范圍選擇合適的載波頻率。

數(shù)據(jù)采集 (DAQ)的輸出電壓為 5V電壓,通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大為12V的PWM信號(hào)控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號(hào)通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為0~5電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡采集。圖 2為載波頻率為100HZ下的增壓特性曲線,當(dāng)占空比小于15或大于89時(shí)由于電磁閥的死區(qū)和飽和效應(yīng)電磁閥無(wú)動(dòng)作。LabVIEW幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建這樣的測(cè)試系統(tǒng),確定PWM信號(hào)合適的載波頻率。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 增壓特性曲線

2 駕駛員混合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)造

硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,在原博世ESP8.0 HCU基礎(chǔ)上增加高壓蓄能器、高壓泵電機(jī)等元件,改造成EHB液壓控制單元?;旌戏抡嫫脚_(tái)存在兩個(gè)回路。一個(gè)是信號(hào)的回路,NI PXI-8464接受轉(zhuǎn)角傳感器的CAN總線信號(hào),NI PXI-6289采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個(gè)輪缸壓力傳感器信號(hào)和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號(hào)。上述信號(hào)傳送給PXI-8196中實(shí)時(shí)運(yùn)行的車輛模型。實(shí)時(shí)模型給出的控制信息通過(guò)DMA方式傳送給NI PXI-7851R,根據(jù)自定義的I/O接口控制HCU單元中的電磁閥、泵電機(jī),完成閉環(huán)。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(dòng)畫通過(guò)駕駛員操縱單元中的方向盤和油門、剎車踏板控制車輛。NI公司的一系列硬件產(chǎn)品為搭建這樣一個(gè)混合仿真實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的保證。

圖3混合仿真平臺(tái)組成——硬件(左)和軟件架構(gòu)(右)

基于LabVIEW和NI VeriStand開放式的開發(fā)環(huán)境的軟件架構(gòu)如上圖所示。LabVIEW作為客戶端調(diào)用DYNAanimation車輛三維動(dòng)畫顯示軟件的ActiveX控件實(shí)現(xiàn)顯示功能。通過(guò)VeriStand VI中Workspace VI實(shí)現(xiàn)Workspace與LabVIEW的數(shù)據(jù)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(diǎn)在無(wú)需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。

3 車輛實(shí)時(shí)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公司開發(fā)的一款全面高效的車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件,從電腦上的汽車概念設(shè)計(jì),到汽車動(dòng)力學(xué)控制器與硬件結(jié)合的硬件在環(huán)試驗(yàn)環(huán)境,都可以通過(guò)其達(dá)到很好的效果,仿真結(jié)果可以通過(guò)DYNAanimation軟件在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。在德國(guó)幾乎所有的汽車制造商都在使用DYNAware的產(chǎn)品,世界范圍內(nèi)也非常流行,基于不同的需求為生產(chǎn)廠家和零部件供應(yīng)商提供了適當(dāng)?shù)姆抡孳浖Mㄟ^(guò)在圖形化界面中設(shè)置參數(shù),簡(jiǎn)潔直觀地完成建模。建模對(duì)象包括整車尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)等模型,可以建立多達(dá)幾十個(gè)自由度的車輛動(dòng)力學(xué)模型,很好地反應(yīng)車輛在各種工況條件下的動(dòng)力學(xué)特性。

3.2 EHB控制器模型

EHB控制器模型首先接受車輛模型傳來(lái)的縱向加速度和輪速,估計(jì)參考車速。同時(shí)接受方向盤轉(zhuǎn)角,橫擺角速度、側(cè)向加速度,利用估計(jì)的參考車速估計(jì)質(zhì)心側(cè)偏角。汽車穩(wěn)定行駛時(shí),目標(biāo)制動(dòng)力矩與制動(dòng)踏板位移成比例關(guān)系。汽車失穩(wěn)時(shí),EHB系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。其中橫擺角速度控制模塊采用PD控制方法,控制實(shí)際橫擺角與理想二自由度橫擺角之間的偏差,輸出為目標(biāo)制動(dòng)力矩。質(zhì)心側(cè)偏角控制采用門限值控制方法,根據(jù)超出門限的程度施加制動(dòng)力矩。根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)協(xié)調(diào)上述三種模式下的輸出量得到目標(biāo)制動(dòng)力矩。調(diào)用制動(dòng)力矩—輪缸壓力模塊,計(jì)算出目標(biāo)輪缸壓力,再轉(zhuǎn)入開關(guān)電磁閥數(shù)字 PID控制模塊,輸出電磁閥的占空比。此外,根據(jù)高壓蓄能器設(shè)定壓力及HCU的工作狀態(tài)輸出泵電機(jī)的占空比,控制框圖如圖6所示:

圖6 EHB控制器模型

EHB控制器模型在Simulink/Stateflow環(huán)境下建模,與上述DYNAware中模型實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。模型采用固定步長(zhǎng)常微分方程求解器,通過(guò)Real-Time Workshop轉(zhuǎn)化為VeriStand支持的dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。

4 配置VeriStand

在System Explorer Window中導(dǎo)入模型文件,對(duì)Primary Control Loop的實(shí)時(shí)仿真速度進(jìn)行調(diào)整,設(shè)置周期為100μsec,則Model Execution Loop的周期為1ms,滿足車輛實(shí)時(shí)仿真的需要。通過(guò)分配處理器資源,Veristand能充分發(fā)揮雙核處理器的并行處理性能,提高實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。橫擺角速度是判斷汽車失穩(wěn)的重要標(biāo)志,當(dāng)理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度之差超過(guò)上下門限值時(shí),通過(guò)報(bào)警設(shè)置以報(bào)警音的方式提示駕駛員。

圖7 VeriStand的配置

通過(guò)菜單界面完成對(duì)NI-CAN、NI-DAQ的通道設(shè)置,大大減小了程序的開發(fā)工作量,提高了開發(fā)效率。在Stimulus Profile Editor中設(shè)置Logging file,可以對(duì)橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、輪缸壓力等進(jìn)行保存。TDMS文件格式讀取快速,作為一種測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式,非常適合車輛狀態(tài)參數(shù)的保存。

圖8 VeriStand與DYNAanimation的連接

上面的循環(huán)通過(guò)Workspace VI啟動(dòng)VeriStand,獲取通道數(shù)據(jù)包括Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循環(huán)利用ActiveX控件將動(dòng)畫和顯示數(shù)據(jù)傳送給DYNAanimation。

圖9 通過(guò)ActiveX方法控制DYNAanimation

DYNAanimation將實(shí)時(shí)仿真結(jié)果在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中直接現(xiàn)實(shí)出來(lái)。其中,Animation Data數(shù)組中每十二個(gè)元素代表一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體(如車身、輪胎)相對(duì)于大地坐標(biāo)系的位置參數(shù)。Display Data用于界面的數(shù)據(jù)顯示,比如車速表、轉(zhuǎn)速表等。

圖10 FPGA I/O示意圖

液壓控制單元在改裝博世ESP的基礎(chǔ)上得到,四個(gè)輪缸各由兩個(gè)高速開關(guān)閥控制,一個(gè)控制從高壓蓄能器增壓,一個(gè)控制向低壓蓄能器減壓,需8路PWM 信號(hào)。2路PWM輸出負(fù)責(zé)對(duì)泵電機(jī)的控制。VeriStand中默認(rèn)的PXI-7851R的通道資源擁有8路PWM輸出,而這里需要10路PWM輸出。通過(guò)自定義FPGA VI,修改VeriStand配置文件夾中7851R的fpgaconfig文件,新增2路數(shù)字輸入輸出接口為PWM輸出,滿足應(yīng)用的需要??梢?jiàn)基于 VeriStand的自定義FPGA I/O功能使混合仿真平臺(tái)具有靈活方便的擴(kuò)展性能。

5 仿真平臺(tái)的功能演示

5.1 駕駛員在環(huán)麋鹿測(cè)試

在DYNAanimation環(huán)境下建立三維圖像文件,包括道路、標(biāo)識(shí)線、車身模型、輪胎、路障等,進(jìn)行駕駛員在環(huán)的“麋鹿”測(cè)試。在車速為 80km/h時(shí)對(duì)比打開穩(wěn)定性控制與關(guān)閉穩(wěn)定性控制車輛的操縱響應(yīng)。在實(shí)時(shí)仿真結(jié)束,保存錄像并進(jìn)行對(duì)比。如圖11所示,在打開穩(wěn)定性控制時(shí),駕駛員可以平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)車輛的變線,車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡符合駕駛員的預(yù)期,當(dāng)關(guān)閉穩(wěn)定性控制時(shí),車輛失控跑出跑道?;赩eriStand構(gòu)建的駕駛員在環(huán)測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)逼真的產(chǎn)品演示。

圖11 開啟、關(guān)閉穩(wěn)定性控制

5.2 利用激勵(lì)進(jìn)行正弦延遲測(cè)試

正弦延遲測(cè)試是美國(guó)國(guó)家高速安全局(NHTSA)規(guī)定的126號(hào)法規(guī),用于檢測(cè)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性能。不同于麋鹿測(cè)試,現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中需要通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)器人完成。VeriStand的配置實(shí)時(shí)激勵(lì)功能很好地幫助我們完成該項(xiàng)測(cè)試。試驗(yàn)在干燥、平直附著系數(shù)為0.9的道路上進(jìn)行,方向盤轉(zhuǎn)角進(jìn)行后半周期帶有延遲的正弦輸入,頻率為0.7HZ,第二次波峰出現(xiàn)后有400ms的延遲。方向盤轉(zhuǎn)角及實(shí)驗(yàn)流程如圖12,其中A為80km/h下車輛側(cè)向加速度達(dá)到 0.3g時(shí)方向盤的轉(zhuǎn)角。

通過(guò)實(shí)時(shí)激勵(lì)功能里的正弦函數(shù)、延時(shí)函數(shù)編制激勵(lì)文件,通過(guò)記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線。VeriStand大大降低了編程的復(fù)雜性,減少測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。

6 總結(jié)

利用VeriStand我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建起一個(gè)功能豐富的混合仿真平臺(tái),使我們有更多的精力投入到控制策略的研究上來(lái);VeriStand Engine將實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的任務(wù)和功能在內(nèi)部進(jìn)行實(shí)施與優(yōu)化,幫助實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)以更快的速度運(yùn)行,大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)和維護(hù)成本;基于FPGA的自定義I/O設(shè)置提高了系統(tǒng)硬件的可擴(kuò)展性,通過(guò)FPGA虛擬傳感器可擴(kuò)展為基于單片機(jī)控制器的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái);總之,NI公司一系列軟件和硬件產(chǎn)品幫助我們靈活、高效、直觀地實(shí)現(xiàn)EHB混合仿真測(cè)試平臺(tái),為產(chǎn)品的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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