【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 十年代中后期開(kāi)始在汽車(chē)上配置 ABS。 1999 年我國(guó)制定的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) GB126761999《汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》中已把裝用 ABS 作為強(qiáng)制性法規(guī)，此后一汽大眾、東風(fēng)富康、上海大眾、重慶長(zhǎng)安、上海通用等均開(kāi)始采用 ABS 技術(shù)。 國(guó)內(nèi)研究 ABS的主要有東風(fēng)汽車(chē)公司、交通部重慶公路研究所、濟(jì)南捷特汽車(chē)電子研究所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、華南理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等單位，雖然起步較晚，也取得了一些成果。 理論研究方面，吉林大學(xué)以郭孔輝院士 為代表的汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在輪胎模型的建立上取得了大量的成就；清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的宋健教授等人針對(duì) ABS做了多方面的研究；桂林電子科技大學(xué)的蔣順文、唐眾等人利用汽車(chē)單輪模型研究了 PID控制在汽車(chē) ABS中的應(yīng)用 [1113]。 在氣壓 ABS方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)包括東風(fēng)電子科技股份有限公司、重慶聚能、廣東科密等都已形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。液壓 ABS由于技術(shù)難度大，國(guó)外技術(shù)封鎖嚴(yán)密，國(guó)內(nèi)企業(yè)暫時(shí)不能獨(dú)立生產(chǎn)，但在液壓 ABS方面也在做自主研發(fā)，力圖突破國(guó)外跨國(guó)公司的技術(shù)壁壘，已經(jīng)取得了一些新的進(jìn)展 和突破。如清華大學(xué)和浙江亞太等承擔(dān)的汽車(chē)液壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS)“九五 ” 國(guó)家科技攻關(guān)課題，在 ABS控制理論與方法、電子控制單元、液壓控制單元、開(kāi)發(fā)裝置和匹配方法等關(guān)鍵技術(shù)方面均取得了重大成果，其試樣在南京 IVECO輕型客車(chē)上匹配使用全面達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB12676 1999和歐洲法規(guī) EECR13的要求。同時(shí)合肥工業(yè)大學(xué)也研制出國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液壓制動(dòng)電子防抱系統(tǒng)，率先在 HF6700輕型汽車(chē)上匹配使用獲得成功 [1415]。 目前 ABS 研究單位和廠家基本還是通過(guò)裝車(chē)進(jìn)行路面試驗(yàn)來(lái)完成開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的試驗(yàn) 驗(yàn)證及產(chǎn)品的性能檢測(cè)，缺乏系統(tǒng)全面的室內(nèi)檢測(cè)設(shè)備和手段。國(guó)外一些機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了 ABS 室內(nèi)檢測(cè)方法，作為道路試驗(yàn)的部分替代，設(shè)備價(jià)格也較昂貴，國(guó)內(nèi)還尚未掌握該技術(shù)。另外，一些研究人員研究 ABS 零部件檢測(cè)方法，如吉林大學(xué)等利用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)來(lái)建立 ABS 虛擬檢測(cè)系統(tǒng)。該方面研究主要應(yīng)用在 ABS 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，尚未應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)檢測(cè)中。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬仿真首先是要建立車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真，使模型簡(jiǎn)化，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 可隨時(shí)改變不同的參數(shù)來(lái)進(jìn)行不同的研究，非常靈活 [16]。 本文采用的 ABS 控制研究方法 ABS 控制半實(shí)物仿真及其意義 隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，電動(dòng)汽車(chē) ABS 控制性能的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng) ABS 控制研究采用 Matlab/Simulink 數(shù)學(xué)仿真，置信度有限，相對(duì)于實(shí)際參考作用有限。又由于電動(dòng)汽車(chē)的 ABS 研究受多種因素影響，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行路面制動(dòng)試驗(yàn)受許多條件限制，如資金、試驗(yàn)環(huán)境、安全因素、研發(fā)周期等，因此直接將理論研究成果應(yīng)用于實(shí)車(chē)的道路試驗(yàn)代價(jià)比較大。 功能設(shè)計(jì)目標(biāo)代碼生成集成與測(cè)試實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真HILSim u latio n 圖 11 V 型開(kāi)發(fā)流程 半時(shí)物仿真作為一種實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，克服了上述兩種 ABS 控制研究方法的弱點(diǎn)，如圖 11 所示的 V 型開(kāi)發(fā)流程則非常適用于電動(dòng)汽車(chē) ABS 控制的研究。 在 V 型開(kāi)發(fā)流程中，首先是控制器的上層功能設(shè)計(jì)，詳細(xì)確定控制器將要實(shí)現(xiàn)的功能；然后生成目標(biāo)程序代碼；最后是控制器的底層軟、硬件實(shí)現(xiàn) [17]。從 ABS 控制器實(shí)現(xiàn)到實(shí)車(chē)測(cè)試的過(guò)程中需要進(jìn)行硬件在環(huán) (Hardwareintheloop)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試。硬件在環(huán)仿真是一種使用實(shí)際的硬件控制器控制虛擬的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的半實(shí)物仿真技術(shù)。采用硬件在環(huán)仿真測(cè)試，不但可以大大加快 ABS 控沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 節(jié)約研發(fā)制器軟、硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程，的資金和成本， 而且具有較高的可靠性。因?yàn)檎?chē)數(shù)學(xué)平臺(tái)可以模擬出在實(shí)車(chē)試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的特殊行駛狀態(tài)和危險(xiǎn)狀態(tài)，并且能夠方便的對(duì)控制邏輯進(jìn)行在線調(diào)試，修改車(chē)輛模型、道路條件和控制參數(shù)，從而對(duì) ABS 控制器進(jìn)行全面的測(cè)試。控制器在完成硬件在環(huán)仿真之后，就可以進(jìn)入系統(tǒng)集成和測(cè)試環(huán)節(jié)，最后實(shí)現(xiàn)初期設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能和指標(biāo) [1819]。 ABS 控制半實(shí)物仿真平臺(tái) 目前，國(guó)內(nèi)外主要使用的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)有德國(guó) dSPACE 公司開(kāi)發(fā)的dSPACE 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、 NI(National Instruments)公司開(kāi)發(fā)的 CompactRIO 系統(tǒng)和Mathworks 開(kāi)發(fā)的基于 MATLAB/Simulink 的 xPC Target 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái) [20]。 相比于其他兩種硬件在環(huán)仿真平臺(tái)， xPC Target 是一種高性能的主機(jī) 目標(biāo)機(jī)構(gòu)原型環(huán)境，它能把 Simulink 模型和物理系統(tǒng)連接起來(lái)并且在低成本的 PC 硬件上實(shí)時(shí)運(yùn)行，用戶(hù)可以使用 MATLAB 中基于對(duì)象的的命令行接口來(lái)訪問(wèn)和控制目標(biāo)程序，把應(yīng)用程序下載到目標(biāo) PC 上，并且可以啟動(dòng)和停止下載的過(guò)程，改變采樣時(shí)間和停止時(shí)間 [21]。 xPCTarget 實(shí)現(xiàn)了和 MatLab/Simulink 的完全無(wú)縫 連接，且硬件成本價(jià)格低廉，非常適用于電動(dòng)汽車(chē) ABS 控制器的開(kāi)發(fā)。本文采用基于 Matlab/Simulink /RTW 和 xPC Target 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，配合控制 ABS 算法的開(kāi)發(fā)和通訊接口的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車(chē) ABS 控制半實(shí)物仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)。利用該平臺(tái)可以對(duì) AB、通訊接口和控制算法等進(jìn)行測(cè)試。 S 控制器硬件平臺(tái) 本文主要研究?jī)?nèi)容和工作 根據(jù)課題需要，本論文主要側(cè)重于 ABS 控制半實(shí)物仿真系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計(jì)及仿真?？紤]硬件在環(huán)系統(tǒng)的仿真實(shí)時(shí)性和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的高速運(yùn)算能力等優(yōu)點(diǎn)，我們完成了整 個(gè)仿真系統(tǒng)硬件電路的搭建，同時(shí)設(shè)計(jì)了整車(chē)平臺(tái)與 ABS 控制器之間的通訊接口模塊，編制了 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的 ABS 控制算法，具體研究?jī)?nèi)容包括： (1) 整車(chē)數(shù)學(xué)模型研究 研究 Matlab/Simulink 環(huán)境下的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)學(xué)模型，理解其主要模塊的運(yùn)行特性，工作過(guò)程和各參數(shù)給定的意義。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 (2) ABS 控制器結(jié)構(gòu)及控制原理研究 在深入研究汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)、 ABS 的工作原理及其性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，對(duì) ABS控制進(jìn)行理論分析：車(chē)輛的制動(dòng)性能由輪胎力決定，輪胎力由滑移率決定，滑移率由輪速與車(chē)速之間的關(guān)系決定。將滑移率與最佳滑移率的差值作 為偏差，將電機(jī)速度給定作為控制量，通過(guò) PID 控制來(lái)減小滑移率與最佳滑移率的偏差。 (3) 硬件設(shè)計(jì) 基于 xPC Target 建立 ABS 控制硬件在環(huán)仿真平臺(tái)。車(chē)輛數(shù)學(xué)模型置于仿真系統(tǒng)中用以生成 C 代碼， ABS 控制器以實(shí)物的形式通過(guò)相應(yīng)的接口管理系統(tǒng)與車(chē)輛數(shù)學(xué)模型聯(lián)系起來(lái)，使其在虛擬的控制環(huán)境下工作。本研究采用 TI 公司的定點(diǎn)式 32 位 DSP 芯片 TMS320F2812 作為硬件控制器，采用 NI 公司的 PCI6503進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳送，采用 10k 電阻分壓的方法實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，搭建了 ABS控制半實(shí)物仿真平臺(tái)。 (4) 軟件 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)整車(chē)平臺(tái)通訊模塊，將滑移率由十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，并實(shí)現(xiàn)了四個(gè)輪滑移率的分時(shí)傳送。建立 CCS 工程文件，編寫(xiě) PID 算法，并通過(guò)外部中斷實(shí)現(xiàn)同步通訊。 (5) 程序調(diào)試及系統(tǒng)驗(yàn)證 在 CCS 環(huán)境下調(diào)試程序，整定 PID 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)滑移率的控制。在不同初始條件下進(jìn)行仿真，比較滑移率的控制效果，得出結(jié)論。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2 章 電動(dòng)汽車(chē) ABS 控制 四分之一車(chē)輛模型 為了簡(jiǎn)化模型以進(jìn)行基本控制策略的研究和設(shè)計(jì)，對(duì)被控對(duì)象作如下假設(shè)： (1) 汽車(chē)的質(zhì)量均勻的分布在每個(gè)車(chē)輪上； (2) 汽車(chē)被認(rèn)為是在平坦的地 面上行駛； (3) 不考慮由于汽車(chē)?yán)@直線旋轉(zhuǎn)或者是其他車(chē)輪上不均勻制動(dòng)而造成的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)； (4) 在直線行駛制動(dòng)時(shí)，不存在輪胎的側(cè)向力問(wèn)題； (5) 不考慮直線車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和單輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)中的風(fēng)阻作用。 建立最簡(jiǎn)單的兩自由度四分之一車(chē)體的單輪模型，如圖 21 所示。這一模型以數(shù)學(xué)方式描述車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程完全基于控制系統(tǒng)的幾何關(guān)系而建立 [2223]。 F xωT bRF pF zGv 圖 21 兩自由度四分之一車(chē)體模型 圖中，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)角速度為 ? ，車(chē)輪輪心的前進(jìn)速度為 v， 車(chē)輪滾動(dòng)半徑為 R，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J? ， 作用于車(chē)輪的制動(dòng)力矩為 bT ， 地面對(duì)輪胎的支撐力為 Fz，地面制動(dòng)力為 Fx，作用在車(chē)輪軸上的慣性推力為 Fp，車(chē)輪的垂直載荷為 G， M為車(chē)輛四分之一質(zhì)量。 根據(jù)達(dá)朗伯原理 （ 牛頓定律的另一種形式 ） ，對(duì)模型中車(chē)體在行駛方向和車(chē)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 輪繞主軸方向兩個(gè)自由度建立動(dòng)力學(xué)方程，可得簡(jiǎn)化的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)方程： xxbMFJ T F R??????? ? ? ?? (21) 電動(dòng)汽車(chē) ABS 控制原理 車(chē)輪制動(dòng)時(shí)的受力分析 當(dāng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到與汽車(chē)行駛方向相反的外力時(shí)，汽車(chē)的速度就會(huì)開(kāi)始減小或者直到停車(chē)。這個(gè)外力一般情況下只能由地面和空氣來(lái)提供，但其中由空氣提供的外力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，所以我們只考慮輪胎與地面之間產(chǎn)生的摩擦力，我們稱(chēng)之為地面制動(dòng)力。當(dāng)?shù)孛嬷苿?dòng)力越大時(shí)，車(chē)輛的制動(dòng)減速度也就越大，制動(dòng)距離就越短。因此，地面制動(dòng)力大小對(duì)汽車(chē)的制動(dòng)性能具有決定性的作用。 由圖 21 可知相對(duì)車(chē)輪中心的力矩 平衡方程為： bx TF R? (22) 地面制動(dòng)力的大小取決于兩方面的因素：一個(gè)是制動(dòng)器內(nèi)制動(dòng)摩擦片與制動(dòng)鼓或盤(pán)間產(chǎn)生的摩擦力；另一個(gè)是輪胎與地面間產(chǎn)生的摩擦力即地面附著力。在輪胎周緣克服制動(dòng)器摩擦力矩所需的力稱(chēng)為制動(dòng)器制動(dòng)力，用符號(hào) Fb 表示，它由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定，如制動(dòng)器的型式、結(jié)構(gòu)尺寸、制動(dòng)器摩擦副的摩擦系數(shù)以及車(chē)輪半徑，并與制動(dòng)踏板力成正比。 相當(dāng)于踩制動(dòng)踏板時(shí)，在輪胎周緣沿切線方向推動(dòng)輪胎直到轉(zhuǎn)動(dòng)所 需要得力，顯然： bb TF R? (23) 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，若只考慮車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)為滾動(dòng)與抱死拖滑兩種狀況。 (1) 當(dāng)制動(dòng)器踏板力較小時(shí)，制動(dòng)器摩擦力矩不大，地面與輪胎之間的摩擦力即地面制動(dòng)力，足以克服制動(dòng)器摩擦力矩而使車(chē)輪滾動(dòng)。顯然，車(chē)輪滾動(dòng)時(shí)的地面制動(dòng)力就等于制動(dòng)器制動(dòng)力，且隨著踏板力的增長(zhǎng)成正比增長(zhǎng)（如圖 22 的 OA 段）。此時(shí)制動(dòng)器制動(dòng)力等于： bb TF R? (24) (2) 隨著制動(dòng)器踏板力的不斷增加，地面制動(dòng)力隨著制動(dòng)器制動(dòng)力的增加而增加，但是地面的制動(dòng)力 Fx 受到地面與車(chē)輪之間的附著系數(shù)限制，即： x k zF F F??? (25) 式中： Fk 為地面提供的最大附著力， ? 為輪胎與地面間附著系數(shù)。 當(dāng)制動(dòng)器踏板力或制動(dòng)壓力增加到某一值（如圖 22 的 A 點(diǎn)），地面制動(dòng)力 Fx達(dá)到最大地面附著力，車(chē)輪抱死不轉(zhuǎn)而出現(xiàn)拖滑現(xiàn)象。 (3) 繼續(xù)增加制動(dòng)器踏板力，制動(dòng)器制動(dòng)力 Fb 繼續(xù)增加，若作用在車(chē)輪上的垂直載荷 G 為常數(shù)，則地面制動(dòng)力 Fx 不再增加（如圖 22 的 AB 段），此時(shí)車(chē)輪完全抱死拖滑。 OF kF bF xF x = F bAF b踏板力 F pB F x = F k 圖 22 制動(dòng)過(guò)程中地面制動(dòng)力、制動(dòng)器制動(dòng)力及地面附著力的關(guān)系 由此可見(jiàn)，汽車(chē)的地面制動(dòng)力首先取決于制動(dòng)器制動(dòng)力，但同時(shí)又受地面沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 附著條件的限制，所以只有汽車(chē)具有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力，同時(shí)又能提供高的附著力時(shí)，才能獲得足夠的地面制動(dòng)力 ，才能保障較高的制動(dòng)效能 [24]。 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 汽車(chē)制動(dòng)時(shí)是利用地面與輪胎之間的摩擦力來(lái)減速的。制動(dòng)時(shí)車(chē)輪速度減小，這樣就在車(chē)速與輪速之間產(chǎn)生一個(gè)速度差。車(chē)速與輪速之間存在著速度差的現(xiàn)象稱(chēng)為滑移現(xiàn)象。我們用滑移率 ? 來(lái)衡量制動(dòng)時(shí)車(chē)輪的滑移程度，計(jì)算公式如下： 100%Rvv?? ??? (26) 式中， ? 為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng) 角速度， R 為車(chē)輪滾動(dòng)半徑， v 為車(chē)速。 在純滾動(dòng)時(shí)，車(chē)速 v=? R，滑移率 ? =0；在純滑動(dòng)時(shí)，車(chē)輪的角速度 ? =0，滑移率 ? =100%，此時(shí)車(chē)輪完全抱死；在車(chē)輪邊滑邊滾時(shí)， 0? l00%。這說(shuō)明，滑移率的大小反映了車(chē)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑動(dòng)成分所占得比例?；坡试?大，車(chē)輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑動(dòng)的成分越多 [25]。 通過(guò)大量理論研究和試驗(yàn)研究表明，車(chē)輪的滑移率與路面縱向附著系數(shù) b?和側(cè)向附著系數(shù) s? 之間存在著非常密切的關(guān)系，如圖 23 所示： b?縱向附著系數(shù)s?側(cè)向附著系數(shù)附著系數(shù)