电动汽车abs控制半实物仿真系统设计论文(编辑修改稿)

电动汽车abs控制半实物仿真系统设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

十年代中后期开始在汽车上配置 ABS。 1999 年我国制定的国家强制性标准 GB126761999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中已把装用 ABS 作为强制性法规，此后一汽大众、东风富康、上海大众、重庆长安、上海通用等均开始采用 ABS 技术。 国内研究 ABS的主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大学等单位，虽然起步较晚，也取得了一些成果。 理论研究方面，吉林大学以郭孔辉院士 为代表的汽车动态模拟国家重点实验室在轮胎模型的建立上取得了大量的成就；清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的宋健教授等人针对 ABS做了多方面的研究；桂林电子科技大学的蒋顺文、唐众等人利用汽车单轮模型研究了 PID控制在汽车 ABS中的应用 [1113]。 在气压 ABS方面，国内企业包括东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规模。 液压 ABS由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时不能独立生产，但在液压 ABS方面也在做自主研发，力图突破国外跨国公司的技术壁垒，已经取得了一些新的进展 和突破。 如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统 (ABS)“九五 ” 国家科技攻关课题，在 ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果，其试样在南京 IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准 GB12676 1999和欧洲法规 EECR13的要求。 同时合肥工业大学也研制出国内具有自主知识产权的液压制动电子防抱系统，率先在 HF6700轻型汽车上匹配使用获得成功 [1415]。 目前 ABS 研究单位和厂家基本还是通过装车进行路面试验来完成开发产品的试验 验证及产品的性能检测，缺乏系统全面的室内检测设备和手段。 国外一些机构开发了 ABS 室内检测方法，作为道路试验的部分替代，设备价格也较昂贵，国内还尚未掌握该技术。 另外，一些研究人员研究 ABS 零部件检测方法，如吉林大学等利用计算机模拟仿真技术来建立 ABS 虚拟检测系统。 该方面研究主要应用在 ABS 产品开发中，尚未应用于产品生产检测中。 实现计算机模拟仿真首先是要建立车辆动力学模型，然后利用计算机技术进行仿真，使模型简化，沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 5 可随时改变不同的参数来进行不同的研究，非常灵活 [16]。 本文采用的 ABS 控制研究方法 ABS 控制半实物仿真及其意义 随着汽车工业的发展和进步，电动汽车 ABS 控制性能的要求越来越高。 传统 ABS 控制研究采用 Matlab/Simulink 数学仿真，置信度有限，相对于实际参考作用有限。 又由于电动汽车的 ABS 研究受多种因素影响，对车辆进行路面制动试验受许多条件限制，如资金、试验环境、安全因素、研发周期等，因此直接将理论研究成果应用于实车的道路试验代价比较大。 功能设计目标代码生成集成与测试实现硬件在环仿真HILSim u latio n 图 11 V 型开发流程 半时物仿真作为一种实时仿真技术，克服了上述两种 ABS 控制研究方法的弱点，如图 11 所示的 V 型开发流程则非常适用于电动汽车 ABS 控制的研究。 在 V 型开发流程中，首先是控制器的上层功能设计，详细确定控制器将要实现的功能；然后生成目标程序代码；最后是控制器的底层软、硬件实现 [17]。 从 ABS 控制器实现到实车测试的过程中需要进行硬件在环 (Hardwareintheloop)实时仿真测试。 硬件在环仿真是一种使用实际的硬件控制器控制虚拟的系统数学模型的半实物仿真技术。 采用硬件在环仿真测试，不但可以大大加快 ABS 控沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 6 节约研发制器软、硬件的开发过程，的资金和成本， 而且具有较高的可靠性。 因为整车数学平台可以模拟出在实车试验中难以实现的特殊行驶状态和危险状态，并且能够方便的对控制逻辑进行在线调试，修改车辆模型、道路条件和控制参数，从而对 ABS 控制器进行全面的测试。 控制器在完成硬件在环仿真之后，就可以进入系统集成和测试环节，最后实现初期设计的各项功能和指标 [1819]。 ABS 控制半实物仿真平台 目前，国内外主要使用的硬件在环仿真平台有德国 dSPACE 公司开发的dSPACE 实时仿真系统、 NI(National Instruments)公司开发的 CompactRIO 系统和Mathworks 开发的基于 MATLAB/Simulink 的 xPC Target 实时仿真平台 [20]。 相比于其他两种硬件在环仿真平台， xPC Target 是一种高性能的主机 目标机构原型环境，它能把 Simulink 模型和物理系统连接起来并且在低成本的 PC 硬件上实时运行，用户可以使用 MATLAB 中基于对象的的命令行接口来访问和控制目标程序，把应用程序下载到目标 PC 上，并且可以启动和停止下载的过程，改变采样时间和停止时间 [21]。 xPCTarget 实现了和 MatLab/Simulink 的完全无缝 连接，且硬件成本价格低廉，非常适用于电动汽车 ABS 控制器的开发。 本文采用基于 Matlab/Simulink /RTW 和 xPC Target 实时仿真平台，配合控制 ABS 算法的开发和通讯接口的设计，系统地实现了电动汽车 ABS 控制半实物仿真平台的设计。 利用该平台可以对 AB、通讯接口和控制算法等进行测试。 S 控制器硬件平台 本文主要研究内容和工作 根据课题需要，本论文主要侧重于 ABS 控制半实物仿真系统的硬件软件设计及仿真。 考虑硬件在环系统的仿真实时性和数字信号处理器 (DSP)的高速运算能力等优点，我们完成了整 个仿真系统硬件电路的搭建，同时设计了整车平台与 ABS 控制器之间的通讯接口模块，编制了 C 语言实现的 ABS 控制算法，具体研究内容包括： (1) 整车数学模型研究 研究 Matlab/Simulink 环境下的电动汽车数学模型，理解其主要模块的运行特性，工作过程和各参数给定的意义。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 7 (2) ABS 控制器结构及控制原理研究 在深入研究汽车制动系统、 ABS 的工作原理及其性能指标的基础上，对 ABS控制进行理论分析：车辆的制动性能由轮胎力决定，轮胎力由滑移率决定，滑移率由轮速与车速之间的关系决定。 将滑移率与最佳滑移率的差值作 为偏差，将电机速度给定作为控制量，通过 PID 控制来减小滑移率与最佳滑移率的偏差。 (3) 硬件设计 基于 xPC Target 建立 ABS 控制硬件在环仿真平台。 车辆数学模型置于仿真系统中用以生成 C 代码， ABS 控制器以实物的形式通过相应的接口管理系统与车辆数学模型联系起来，使其在虚拟的控制环境下工作。 本研究采用 TI 公司的定点式 32 位 DSP 芯片 TMS320F2812 作为硬件控制器，采用 NI 公司的 PCI6503进行数据的采集与传送，采用 10k 电阻分压的方法实现电平转换，搭建了 ABS控制半实物仿真平台。 (4) 软件 设计 设计整车平台通讯模块，将滑移率由十进制转化为二进制，并实现了四个轮滑移率的分时传送。 建立 CCS 工程文件，编写 PID 算法，并通过外部中断实现同步通讯。 (5) 程序调试及系统验证 在 CCS 环境下调试程序，整定 PID 参数，实现滑移率的控制。 在不同初始条件下进行仿真，比较滑移率的控制效果，得出结论。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 8 第 2 章 电动汽车 ABS 控制 四分之一车辆模型 为了简化模型以进行基本控制策略的研究和设计，对被控对象作如下假设： (1) 汽车的质量均匀的分布在每个车轮上； (2) 汽车被认为是在平坦的地 面上行驶； (3) 不考虑由于汽车绕直线旋转或者是其他车轮上不均匀制动而造成的运动动力学； (4) 在直线行驶制动时，不存在轮胎的侧向力问题； (5) 不考虑直线车辆动力学和单轮旋转动力学中的风阻作用。 建立最简单的两自由度四分之一车体的单轮模型，如图 21 所示。 这一模型以数学方式描述车辆运动，运动方程完全基于控制系统的几何关系而建立 [2223]。 F xωT bRF pF zGv 图 21 两自由度四分之一车体模型 图中，车轮旋转角速度为  ，车轮轮心的前进速度为 v， 车轮滚动半径为 R，车轮转动惯量为 J ， 作用于车轮的制动力矩为 bT ， 地面对轮胎的支撑力为 Fz，地面制动力为 Fx，作用在车轮轴上的惯性推力为 Fp，车轮的垂直载荷为 G， M为车辆四分之一质量。 根据达朗伯原理 （ 牛顿定律的另一种形式 ） ，对模型中车体在行驶方向和车沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 9 轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程，可得简化的车辆动力学方程： xxbMFJ T F R    (21) 电动汽车 ABS 控制原理 车轮制动时的受力分析 当汽车在行驶过程中受到与汽车行驶方向相反的外力时，汽车的速度就会开始减小或者直到停车。 这个外力一般情况下只能由地面和空气来提供，但其中由空气提供的外力相对来说比较小，所以我们只考虑轮胎与地面之间产生的摩擦力，我们称之为地面制动力。 当地面制动力越大时，车辆的制动减速度也就越大，制动距离就越短。 因此，地面制动力大小对汽车的制动性能具有决定性的作用。 由图 21 可知相对车轮中心的力矩 平衡方程为： bx TF R (22) 地面制动力的大小取决于两方面的因素：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或盘间产生的摩擦力；另一个是轮胎与地面间产生的摩擦力即地面附着力。 在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力，用符号 Fb 表示，它由制动器结构参数所决定，如制动器的型式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动踏板力成正比。 相当于踩制动踏板时，在轮胎周缘沿切线方向推动轮胎直到转动所 需要得力，显然： bb TF R (23) 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 10 在汽车制动过程中，若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种状况。 (1) 当制动器踏板力较小时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。 显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随着踏板力的增长成正比增长（如图 22 的 OA 段）。 此时制动器制动力等于： bb TF R (24) (2) 随着制动器踏板力的不断增加，地面制动力随着制动器制动力的增加而增加，但是地面的制动力 Fx 受到地面与车轮之间的附着系数限制，即： x k zF F F (25) 式中： Fk 为地面提供的最大附着力，  为轮胎与地面间附着系数。 当制动器踏板力或制动压力增加到某一值（如图 22 的 A 点），地面制动力 Fx达到最大地面附着力，车轮抱死不转而出现拖滑现象。 (3) 继续增加制动器踏板力，制动器制动力 Fb 继续增加，若作用在车轮上的垂直载荷 G 为常数，则地面制动力 Fx 不再增加（如图 22 的 AB 段），此时车轮完全抱死拖滑。 OF kF bF xF x = F bAF b踏板力 F pB F x = F k 图 22 制动过程中地面制动力、制动器制动力及地面附着力的关系 由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 11 附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力 ，才能保障较高的制动效能 [24]。 滑移率与附着系数的关系 汽车制动时是利用地面与轮胎之间的摩擦力来减速的。 制动时车轮速度减小，这样就在车速与轮速之间产生一个速度差。 车速与轮速之间存在着速度差的现象称为滑移现象。 我们用滑移率  来衡量制动时车轮的滑移程度，计算公式如下： 100%Rvv  (26) 式中，  为车轮转动 角速度， R 为车轮滚动半径， v 为车速。 在纯滚动时，车速 v= R，滑移率  =0；在纯滑动时，车轮的角速度  =0，滑移率  =100%，此时车轮完全抱死；在车轮边滑边滚时， 0 l00%。 这说明，滑移率的大小反映了车轮运动过程中滑动成分所占得比例。 滑移率越 大，车轮运动过程中滑动的成分越多 [25]。 通过大量理论研究和试验研究表明，车轮的滑移率与路面纵向附着系数 b和侧向附着系数 s 之间存在着非常密切的关系，如图 23 所示： b纵向附着系数s侧向附着系数附着系数。