汽车驱动防滑控制硬件在环仿真系统设计

车辆驱动防滑控制系统通过控制驱动轮滑转状态改善车辆在软弱附着路面的牵引性和操纵稳定性,汽车电控系统开发的实质是进行车辆控制原型及执行器间的性能匹配,但单纯计算机仿真难以完成这一任务。随着相关技术的成熟，硬件在环仿真以其开发周期短、成本低和接近实际情况正成为汽车电控系统开发的主要研究手段[4-5]。
　　随着微型计算机性能的不断提高，使借助PC机实现实时仿真具有可行性。Matlab/Simulink作为一种常用的建模仿真软件被广泛应用。MathWorks公司基于这种图形化语言，又推出了Real-Time Workshop(RTW)工具箱用于将图形化语言转化为可执行的代码语言，从而方便实现实时仿真。xPC Target(xPC目标)是针对RTW体系结构的一种实时仿真系统构建途径，而且支持多种类型的I/O设备(包括PCI和ISA以及RS232等)，可以方便构建硬件嵌入式实时系统，实现控制系统或者系统的快速原型化及硬件在环仿真与测试。
　　基于Matlab/Simulink软件平台建立了车辆驱动防滑控制硬件在环仿真平台，通过该平台进行了控制器硬件在环仿真实验。实验结果表明了控制器能够稳定工作，控制算法可以有效控制驱动轮的滑转，显著改善车辆的起步加速性能，为实车试验以及电控单元的进一步开发打下了基础。
1 车辆动力学仿真模型
　　汽车驱动防滑控制就是对汽车纵向力的控制，汽车的纵向力分为驱动力和制动力，驱动力由发动机发出的扭矩经传动系传递到车轮上，制动力是由制动力矩产生的。在进行驱动防滑控制研究时，要进行驱动力的控制，所以必须建立车辆系统的数学模型，这是进行纵向力控制研究的基础。本文主要建立包括发动机模型、传动系模型、轮胎模型和整车模型在内的车辆系统动力学仿真模型。
1.1 发动机模型
　　由于在汽车行驶过程中，驾驶员可控制的只有发动机的节气门开度，故建立的发动机模型主要是指一定的节气门开度和发动机转速下发动机输出扭矩。
　　通过整理试验获得发动机稳态转矩离散数组及其对应的油门开度数组和发动机转速数组，亦即发动机外特性和部分负荷特性，用于在发动机模型中计算发动机实时的输出扭矩。图1是试验车发动机部分负荷特性图，在发动机模型中计算发动机实时输出扭矩时用到的就是这些数据。

计算时，首先根据此时的节气门开度，利用二维插值函数获得与其对应的一组发动机部分负荷特性扭矩数组，然后根据此时的发动机转速，利用二维插值函数对得到的部分负荷特性扭矩数组插值得到此时的发动机输出净转矩。可表示为某一油门开度a下，对应于发动机转速的输出净扭矩。

1.2 非线性轮胎模型
　　目前采用的轮胎模型有多种形式，魔术公式是其中代表之一。该模型利用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据，以一套形式相同的公式就可以完整地表达轮胎的纵向力Ftx、侧向力Fty、回正力矩Ftz、翻转力矩Mtx、阻力矩Mty以及纵向力、侧向力的联合作用工况，故称为“魔术公式”。其一般表达式为：

式中Y(x)可以是纵向力，也可以是侧向力或回正力矩，自变量可在不同的情况下分别表示轮胎的侧偏角或纵向滑移率，式中的系数B、C、D和E依次由轮胎的垂直载荷和外倾角来确定。
　　本文建立的魔术公式轮胎模型主要对轮胎纵向力、横向力和回正力矩分别与轮胎侧偏角、车轮滑移率以及轮胎法向反力之间的映射关系进行描述，变量之间的关系如图2所示。图中α为侧偏角，λ为纵向滑移率，γ为轮胎外倾角，Fz为轮胎垂向载荷，a、b、c为计算参数，一般需要试验进行求解。

1.3 整车模型
　　整车动力学模型是车体在空间中运动状态的一种数学描述，能够较为精确地给出车辆在空间中所受外力情况下的动态响应。论文建立了7自由度车辆驱动防滑控制系统仿真模型，包括车身的纵向、侧向、横摆三个运动，四个车轮绕轮轴的转动。各自由度动力学微分方程如下：

其中Fx、Fy为轮胎纵向力和侧向力在车辆坐标系的总分量，Mz为整车横摆力矩，p为侧倾角速度，ωr为横摆角速度，u为车辆纵向速度，v为车辆侧向速度，φ为侧翻角，ωi为轮速，Mdi为驱动力矩，m为整车质量，Izz为整车绕z轴横摆惯量，Ixxs为整车绕x轴侧翻惯量，h′为簧载质心至侧翻轴心的距离，ms为簧载质量，Cφ为侧翻阻尼，Kφ为侧翻刚度，Cd为空气阻力系数，ρa为空气密度，Af为正向投影面积。
　　ax和ayu分别为车辆质心绝对加速度在车辆坐标系X方向和Y方向的分量：

其他变量的计算如垂直载荷、整车纵向力、侧向力以及横摆力矩等参见文献[5]，在此不再详细说明。
2 驱动防滑控制系统设计
2.1 电控单元设计
　　系统采用飞思卡尔(Freescale)公司16位单片机MC-9S12DT128作为中央处理器。该单片机内核为HCS12结构。片内集成了很多资源，包括128KB的FLASH ROM；12KB的RAM；4KB的EEPROM；8通道的脉冲宽度调制模块(PWM)；8通道的增强型捕捉定时器模块(ECT)；2个8通道的AD转换模块(ATD)等。该芯片具有强大的定时器功能，非常适合用于车辆底盘电子控制单元的设计。在CODEWARRIOR集成开发环境中，可以进行程序的编译、下载和在线调试。
　　ECU电路主要包括：电源模块（+12V转+5V），轮速信号处理模块，最小系统模块，电磁阀驱动电路，报警灯指示电路等。整个控制器结构如图3所示。轮速信号共有四路，分别来自四个车轮。轮速测量采用磁电式传感器，输出的是频率和振幅变化的正弦波，其频率与所测轮速成正比，这种模拟信号不易被ECU直接读取，需经过滤波、放大和整形处理。

2.2 驱动防滑控制程序设计
　　所设计的ASR控制程序主流程如图4所示，图中方块为子程序模块，全部自动返回主程序。

　对于均一路面，采用驱动轮滑转率为主门限，车轮加速度为辅助门限的控制策略。目标是使车辆在加速起步过程中，获得最大的地面附着力。而分离路面控制逻辑采用两侧车轮轮速差和车轮加速度作为控制门限。对于两轮驱动工况，可以采用非驱动轮轮速平均值作为实际车速；对左右两侧驱动轮轮速进行判断，选取高转速的车轮进行控制。另外，当驾驶员踩下制动踏板时，ASR系统应立即退出控制，这里不作过多讨论。
2.3 硬件在环仿真平台
　　硬件在环仿真试验台由微机（宿主机和目标机）、信号发生板、数据采集卡、电磁阀及电控单元组成，仿真方式采用xPC target结构，如图5所示。xPC target是MathWorks公司提供和发行的一个基于RTW（Real-Time Workshop)体系框架的补充产品，它可将Intel 80x86/Pentium计算机或PC兼容机转变为一个实时系统，而且支持许多类型的I/O接口板。它采用宿主机和目标机的“双机型”解决途径，使用两台PC机。其中宿主机用于运行Simulink，且带有目标代码编译器。而目标机则用于执行实时产生的代码。目标机运行了一个高度紧缩的实时操作内核，通过以太网络连接实现宿主机和目标机之间的通信。仿真结束后可将结果数据上传至宿主机，进行分析处理。

整车动力学模型在宿主机PC的Matlab/Simulink环境中搭建，然后采用xPC工具将模型自动转换成C代码，通过以太网下载到工控机中作为被控对象，实现实时仿真。
　　真实物理部件主要为所设计的电控单元，该硬件部分与车辆模型的的信号接收及转换使用Advantech公司高速数据采集卡PCL-726完成。
3 仿真
　　根据以上方法构建ASR硬件在环仿真平台，并嵌入所设计的电控单元，设置一定的工况进行后轮驱动车辆的驱动防滑控制半实物仿真研究。部分仿真参数如下：整车质量130kg，簧上质量117kg，整车绕Z轴横摆惯量1500kg·m2，车轮半径0.295m，轮胎转动惯量1.8kg·m2，整车绕X轴侧翻惯量750kg·m2。
 初始车速与轮速为零，以一定油门开度进行起步，设置低附路面附着系数为0.1，高附路面附着系数为0.7。本文给出右侧驱动轮仿真结果进行分析。
3.1 低附路面仿真
　　仿真时，先不进行ASR控制（没有嵌入控制器），在附着系数为0.1均一低附路面，车辆从一挡急加速起步，车轮轮速与车速的变化曲线如图6所示。从图中可看出驱动轮转速迅速上升,车速几乎不增加，车辆的加速性能较差。

在仿真系统中嵌入设计的ECU，对驱动轮施加控制，目标是把驱动轮的滑转率控制在最佳滑转率附近，在附着系数为0.1的低附路面，一挡急加速起步，仿真结果如图7所示。从图示滑移率与轮速变化曲线可看出，控制系统能够把车轮滑转率基本控制在最佳滑转率附近，轮速的波动也比较小，故车辆的加速性能、起步稳定性得到明显改善。

3.2 分离路面仿真
　　分离路面是一种车辆起步、加速行驶时非常典型的路况，仿真时车辆在(0.1/0.7)的分离路面一挡起步，图8为所示轮速与整车横摆角速度变化曲线。由结果可见，低附着一侧车轮的滑转率得到了有效的控制，同时也减小了左右驱动轮的轮速差，整车横摆角速度也控制在较小的范围内，使车辆按预定轨迹起步加速。

基于xPC目标建立了车辆驱动防滑控制系统硬件在环仿真平台，完成控制算法的验证和控制参数的调试，实现了控制系统软硬件匹配性能的初步验证，为实车试验打下了基础。对于车辆驱动防滑控制系统的快速开发而言，可以进一步将传感器和液压执行器等嵌入环路中，借助xPC目标的强大功能以及Matlab平台，实现低成本的快速开发。