技术领域
本发明涉及一种仿真试验台,特别涉及一种汽车底盘集成控制器 硬件在环仿真试验台。
背景技术
汽车底盘集成控制系统(integrated Control System of Vehicle Chassis),是目前最典型最先进的底盘控制系统,它把
制动防抱死控 制(ABS),
牵引力控制(TCS)和直接横摆力矩控制(DYC)的功能进行集 成。系统的组成包括体现驾驶员意图和车辆行驶状态
传感器(轮速传 感器、
方向盘转
角传感器、集成传感器),执行机构(电磁
阀、直流
电机、
电子节气
门),和
电子控制单元ECU(Eletronic Control Unit)。 硬件在环仿真实验台将车辆模型(
车身模型、轮胎模型、
发动机模型 和
制动系统模型等),电子控制单元ECU,和
电磁阀等作动器包含在 回路中。
目前未有底盘集成控制器硬件在环仿真试验台。
发明内容
本发明的技术问题是要提供一种基于xPC目标工作环境,实现电 磁阀与发动机的数学模型、整车的各种运行工况数字仿真模型及ECU 的实时通讯,发动机、制动系统及各电磁阀的运行状态由ECU进行控 制的
汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台。
为了解决以上的技术问题,本发明提供了一种汽车底盘集成控制 器硬件在环仿真试验台,包括宿主机、目标机、电控单元,所述的宿 主机上建立汽车整车九
自由度动力学模型、轮胎路面模型、液压及制 动系统模型、发动机及
传动系统模型,并建立用以评价和优化控制策 略的各行驶工况的数字仿真模型,转化为C代码格式,经以太网由目 标机接收下载到其CPU内,电控单元控制执行器的
常开阀和
常闭阀 及直流电机,通过PCL板卡接收当前电磁阀的状态
信号,并通过PCL 板卡反馈至目标机实时显示各路
控制信号和车辆状态信息,目标机同 时通过以太网反馈至宿主机判断实验结果,建立由电控单元进行控制 的汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台。
基于动力学微分方程,利用Matlab/Simulink
软件,宿主机上建 立多种工况数字仿真数学模型如下:
1)整车模型
首先需要建立汽车九自由度车辆底盘集成控制系统仿真模型,包 括车身的纵向、侧向、横摆,侧倾,
俯仰五个运动,四个
车轮绕轮轴 的转动。同时将模型划分为三大子系统包括车身(簧载
质量)、路面 轮胎系统、制动系统,制动系统包括压力动态特性模型和制动器模型;
根据
牛顿运动定律,对车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾运动进行 受力分析,可以得出各自由度的动力学微分方程如下:
式中,φ为车辆悬挂质量关于侧翻轴线的侧倾角,并在推导方程 (4)时假设侧倾轴线始终保持
水平,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,得:
Fxi和Fyi分别为各车轮所受的在X方向和Y方向的作用力,它们 均表示为轮胎牵引力和侧向力的函数,表达式为:
Fxi=FticosδTi-FsisinδTi i=1,2,3,4 (10)
Fxi=FtisinδTi+FsicosδTi i=1,2,3,4 (11)
考虑车辆的静态质量及由车辆的运动所引起的
载荷转移,各车轮 所受的法向载荷表达式为:
其中KR为前悬侧翻
刚度占整车侧翻刚度的比率,它决定着侧向 载荷转移在前后轴上的分配,ays为悬挂质量的侧向
加速度:
另外,因为车辆坐标系和惯性坐标系之间存在如下的变换关系:
所以,车辆在惯性坐标系的速度表达式为:
以上各公式中,Af-车辆迎
风面积,a-质心至前轴的距离,b-质 心至后轴的距离,l-
轴距,ax-纵向加速度,ay-侧向加速度,Cd-空 气阻力系数,Cφ-侧翻阻尼系数,Fx-车轮纵向力,Fy-侧向力,Fz- 车轮法向力,Fs-轮胎侧偏力,Ft-轮胎驱动力,g-
重力加速度,h- 悬挂重量质心的高度,h′-悬挂重量质心至侧翻轴线的距离,Izz-车 辆关于Z轴的
转动惯量,Ixxs-悬挂质量关于X轴的转动惯量,KR-- 前悬侧翻刚度比例系数,Kφ-车辆侧翻刚度,m-整车质量,ms-车辆 悬挂质量,p-侧倾
角速度,r-
横摆角速度,T-
轮距,u-车辆纵向 速度,v-车辆侧向速度,W-车重,R-车轮半径,δ-转向角,φ-侧 翻角,ρa-空气
密度,ψ-横摆角;
2)轮胎-路面模型
汽车所受外力来源于轮胎与地面的作用力、
空气阻力、坡道阻力; 但是汽车在平直道路上制动时,轮胎与地面的作用力成为影响车辆运 动状态的主要因素,所以轮胎-路面模型对车辆动力学的仿真计算起 着决定性的作用;由于轮胎结构、材料复杂,导致其高度非线性的力 学特性,所以它也是系统仿真中最不稳定的环节,路况与车辆运动状 态的变化使轮胎的外特性复杂多变且难以预测;
荷兰Delft工业大学Pacejka教授提出的魔术公式。魔术公式形式 简洁,统一性强,用一套公式即可表达出轮胎的各向力特性,编程方 便,拟合的参数较少,而且
精度非常高,魔术公式的核心内容是用三 角函数的组合及一组系数对轮胎在静态载荷表现出的外特性,即轮胎 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;
在纯侧偏、纯纵滑工况下,作用在轮胎上的轮胎力可以表述为:
纵向力:
Fx=Dsin(Carctan{B(1-E)(S+Sh)+Earctan[B(S+Sh)]})+Sv
其中S为纵向滑移率:
式中,ω-车轮转速
V-车轮轮心速度
R-车轮
滚动半径C=b0,曲线形状因子
D=μPFz,峰值因子
μp=b1Fz+b2
Sh=b9Fz+b10
Sv=0
Fz-车轮垂向载荷,单位:kN
侧向力:
Fx=Dsin(Carctan{B(1-E)(α+Sh)+Earctan[B(α+Sh)]})+Sv
式中α-侧偏角,单位:度
γ-侧倾角,单位:度
C=a0,曲线形状因子
D=μyPFz,峰值因子
μyp=b1Fz+b2
B.C.D=a3sin[2arctan(Fz/a4)](1-a5|γ|)
E=a6Fz+a7
Sh=a8γ+a9Fz+a10
Sv=a11γFz+a12Fz+a13
a11=a111Fz+a112
Fz-车轮垂向载荷,单位:KN
在制动和转弯联合工况下,
令
当α=0时,定义
则纵向滑移率和侧向滑移率为:
纵向滑移率和侧向滑移率的修正值为:
其中:
定义
则轮胎力学特性为:
其中:FX为纵向力,FY为横向力,MZ为回正力矩;
3)液压系统模型
以液压制动系统为控制手段的底盘集成控制系统中,液压系统的 建模是必要而关键的环节;液压系统的动态特性将直接影响制动性 能;
利用系统的运行机理和运行经验确定出模型的结构或结构的上 确界,确定部分参数的大小或可能的取值范围,再根据系统输入和输 出数据,由系统辨识来估计和改善模型中的参数,使其精确化;这种 方法充分利用了全部可以利用的信息,所得模型相对更准确有效。
得出的液压系统动态模型的统一描述表达式为:
式中
Pw——轮缸的压力
Pm——
制动主缸的压力
Pr——低压
蓄能器的压力
Ce——
增压集中等效液容
C′e——减压集中等效液容
Re——集中等效液阻
κ——增压节流指数
κ′——减压节流指数
t——时间
τvp——增压时系统传输滞后时间
τ′vp——减压时系统船速滞后时间
ui(i=1,2)——电磁阀控制指令信号,其取值含义如下:
当
时,系统增压
当
时,系统减压
当
时,系统保压
4)制动器模型
在控制器对制动管路内压力进行调节时,轮缸
活塞的受力及运动 状态处于反复变化之中,因此在计算活塞通过
制动钳对
制动盘施加的
正压力时,应考虑动态特性的影响,建立轮缸活塞的动力学模型;根 据动力学基本原理,建立了用如下传递函数表示的制动器动力学数学 模型:
式中
Tb(s)——为制动力矩的拉氏变换
Pw(s)——为轮缸
制动液压力的拉氏变换
Kd——为效能因素
Aw——为活塞横截面积
rd——为有效半径
ωn——为系统固有
频率ζ——制动器的阻尼系数
5)发动机模型
除了节气门的控制作用之外,发动机输出的功率与发动机的转速 直接相关;所以,
内燃机的输出特性常常用其转速和输出功率之间的 关系来表示,多项式是这种关系最常用的数学形式:
式中,Pe为发动机的功率,ωe为发动机的转速,Pi为多项式的系数。
所以,发动机的输出转矩Te为
即
宿主机上安装有Visual C++
目标语言编译器和Matlab/Simulink 软件,将数字仿真模型转化为C代码格式,并通过以太网将转换后模 型下载到目标机的CPU中,CPU通过PCL板卡与ECU进行通信,并通 过ECU的指令实时记录并显示车辆的行驶性能。
ECU中的控制逻辑通过各种传感器信号实时判断路面条件和车 辆运行状态,并控制电磁阀和发动机的工作状态,并把当前电磁阀状 态等信息通过PCL-726L板卡反馈给目标机的CPU。ECU经过PCL板 卡反馈给工控机的
数字信号共计8位,分别表示了4个车轮所对应的 常开阀和常闭阀的状态。
执行器主要是控制制动系统油压的电磁阀,车辆状态信息包括4 个轮速,横摆角速度以及体现驾驶员意图的
油门踏板行程和方向盘转 角。这些信号通过V/F转换
电路和A/D转换进入到ECU中,作为控制 逻辑判断和运算的依据。
所述电控单元的控制指令,是由另外设置的PC机,通过背景调 试模式,改变控制参数,编制控制程序,通过仿真头
烧结至电控单元 内,每编制一个控制程序,都要通过仿真头烧结至电控单元内。
控制程序在目标机运行,执行器的常开阀和常闭阀由电控单元控 制,其运行结果反馈至目标机的CPU,并通过网上反馈至宿主机,判 断试验结果。
经过以上步骤,就可建立一个硬件在环仿真试验台,试验台就可 运行并可对各种控制策略进行评价。
本发明的优越功效在于:
1)实现了底盘集成控制ECU与执行器的硬件在环,对各种控制策 略的预测结果更加准确;
2)在ECU电子控制系统研发的前期,采用硬件在环仿真试验台, 可以对各种控制参数特别是极端危险状况的控制参数进行优 化;
3)可测试装备底盘集成控制系统车辆的制动性能、弯道行驶及急 加速行驶时的
稳定性,可实现制动系各部件参数的优化匹配, 可检测、调试所设计的电子控制单元(ECU)的电路故障,可减 少实车试验次数,缩短电子控制系统研发的周期;
4)简化试验环境,测试得到的各项性能及获得的优化参数与实车 试验较接近。
附图说明
图1为汽车底盘集成控制系统的结构示意图;
图2为车辆动力学模型图;
图3轮胎模型魔术公式原理图;
图4轮胎在联合工况下速度矢量图
图5轮缸活塞动力学模型图
图6本发明的原理方
框图图7为本发明的工作
流程图;
图中标号说明
1-宿主机; 2-目标机;
3-电控单元; 4-PCL板卡;
5-电磁阀; 6-PC机;
11-液压控制单元; 12-
轮速传感器;
13-电子油门;
14-侧向加速度和横摆角速度传感器;
15-方向盘转角传感器; 16-
真空助力器。
具体实施方式
请参阅附图所示,对本发明作进一步的描述。
如图6所示,本发明提供了一种汽车底盘集成控制器硬件在环仿 真试验台,包括宿主机1、目标机2、电控单元3,所述的宿主机1 上建立汽车整车九自由度动力学模型、轮胎路面模型、液压及制动系 统模型、发动机及传动系统模型,并建立用以评价和优化控制策略的 各行驶工况的数字仿真模型,转化为C代码格式,经以太网由目标机 2接收下载到其CPU内,电控单元3控制电磁阀5的常开阀和常闭 阀及直流电机,通过PCL板卡4接收当前电磁阀5的状态信号,并 通过PCL板卡4反馈至目标机2实时显示各路控制信号和车辆状态 信息,目标机2同时通过以太网反馈至宿主机1判断实验结果,建立 由电控单元进行控制的汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台。
使所建的动力学模型具有代表,以图1所示底盘集成控制系统的 结构示意图为分析对象,进行建模分析,与车辆底盘集成控制相关的 部分主要包括集成化的液压控制单元11、轮速传感器12、侧向加速 度和横摆角速度传感器14、方向盘转角传感器15、电子油门13、制 动器和真空助力器16等。
根据底盘集成控制系统在车辆稳定行驶以及主动安全方面所起 的作用,按照国标13594-2003规定的试验标准,需要进行高附路面、 低附路面、跳变路面和分离路面的紧急制动试验;进行驱动防滑试验, 验证车辆起步加速时,防止车轮过度滑转;进行操纵稳定性的试验。 可以施加方向盘角正阶跃输入(左转)、负阶跃输入(右转)、单移线、 双移线和
蛇行路线行驶工况。
基于动力学微分方程,利用MATLAB/Simulink软件,可在宿主机 1上建立整车的数字仿真模型,并按实验标准设置仿真参数,所述整 车数字仿真模型如下:
1)整车模型
首先需要建立汽车九自由度车辆底盘集成控制系统仿真模型,包 括车身的纵向、侧向、横摆,侧倾,俯仰五个运动,四个车轮绕轮轴 的转动。同时将模型划分为三大子系统包括车身(簧载质量)、路面 轮胎系统、制动系统,制动系统包括压力动态特性模型和制动器模型;
车辆模型简图及其坐标系的设定如图2所示,根据牛顿运动定 律,对车辆纵向、侧向、横摆以及侧倾运动进行受力分析,可以得出 各自由度的动力学微分方程如下:
式中,φ为车辆悬挂质量关于侧翻轴线的侧倾角,并在推导方程 (4)时假设侧倾轴线始终保持水平,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,得:
Fxi和Fyi分别为各车轮所受的在X方向和Y方向的作用力,它们 均表示为轮胎牵引力和侧向力的函数,表达式为:
Fxi=FticosδTi-FsisinδTi i=1,2,3,4 (10)
Fxi=FtisinδTi+FsicosδTi i=1,2,3,4 (11)
考虑车辆的静态质量及由车辆的运动所引起的载荷转移,各车轮 所受的法向载荷表达式为:
其中KR为前悬侧翻刚度占整车侧翻刚度的比率,它决定着侧向 载荷转移在前后轴上的分配,ays为悬挂质量的侧向加速度:
另外,因为车辆坐标系和惯性坐标系之间存在如下的变换关系:
所以,车辆在惯性坐标系的速度表达式为:
以上各公式中,Af-车辆迎风面积,a-质心至前轴的距离,b-质 心至后轴的距离,l-轴距,ax-纵向加速度,ay-侧向加速度,Cd-空 气阻力系数,Cφ-侧翻阻尼系数,Fx-车轮纵向力,Fy-侧向力,Fz- 车轮法向力,Fs-轮胎侧偏力,Ft-轮胎驱动力,g-重力加速度,h- 悬挂重量质心的高度,h′-悬挂重量质心至侧翻轴线的距离,Izz-车 辆关于Z轴的转动惯量,Ixxs-悬挂质量关于X轴的转动惯量,KR-- 前悬侧翻刚度比例系数,Kφ-车辆侧翻刚度,m-整车质量,ms-车辆 悬挂质量,p-侧倾角速度,r-横摆角速度,T-轮距,u-车辆纵向 速度,v-车辆侧向速度,W-车重,R-车轮半径,δ-转向角,φ-侧 翻角,ρa-空气密度,ψ-横摆角;
2)轮胎-路面模型
汽车所受外力来源于轮胎与地面的作用力、空气阻力、坡道阻力; 但是汽车在平直道路上制动时,轮胎与地面的作用力成为影响车辆运 动状态的主要因素,所以轮胎-路面模型对车辆动力学的仿真计算起 着决定性的作用;由于轮胎结构、材料复杂,导致其高度非线性的力 学特性,所以它也是系统仿真中最不稳定的环节,路况与车辆运动状 态的变化使轮胎的外特性复杂多变且难以预测;
荷兰Delft工业大学Pacejka教授提出的魔术公式。魔术公式形式 简洁,统一性强,用一套公式即可表达出轮胎的各向力特性,编程方 便,拟合的参数较少,而且精度非常高,魔术公式的核心内容是用三 角函数的组合及一组系数对轮胎在静态载荷表现出的外特性,即轮胎 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3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,FX为纵向力,FY为横向力,MZ为回正力矩。
在纯侧偏、纯纵滑工况下,作用在轮胎上的轮胎力可以表述为:
纵向力:
Fx=Dsin(Carctan{B(1-E)(S+Sh)+Earctan[B(S+Sh)]})+Sv
其中S为纵向滑移率:
式中,ω-车轮转速
V-车轮轮心速度
R-车轮滚动半径
C=b0,曲线形状因子
D=μPFz,峰值因子
μp=b1Fz+b2
Sh=b9Fz+b10
Sv=0
Fz-车轮垂向载荷,单位:kN
侧向力:
Fx=Dsin(Carctan{B(1-E)(α+Sh)+Earctan[B(α+Sh)]})+Sv
式中α-侧偏角,单位:度
γ-侧倾角,单位:度
C=a0,曲线形状因子
D=μyPFz,峰值因子
μyp=b1Fz+b2
B.C.D=a3sin[2arctan(Fz/a4)](1-a5|γ|)
E=a6Fz+a7
Sh=a8γ+a9Fz+a10
Sv=a11γFz+a12Fz+a13
a11=a111Fz+a112
Fz-车轮垂向载荷,单位:KN
在制动和转弯联合工况下,
令
当α=0时,定义
则纵向滑移率和侧向滑移率为:
纵向滑移率和侧向滑移率的修正值为:
其中:
定义
则轮胎力学特性为:
其中:FX为纵向力,FY为横向力,MZ为回正力矩;
3)液压系统模型
在以液压制动系统为控制手段的底盘集成控制系统的研究中,液 压系统的建模是必要而关键的环节。液压系统的动态特性将直接影响 制动性能。所以,对车辆液压制动系统特性的理论研究和建模是系统 仿真和设计的
基础。
车辆制动液压系统是一本质非线性系统,建立其精确模型是非常 困难的。液压系统常用的建模方法为系统辨识法,即将系统作为“黑 箱”,通过试验数据求解其传递特性,但是求得的传递特性中各参数 不存在简洁明确的力学意义,不利于进一步研究系统的结构和与特性 的关系以及对系统参数进行优化设计。我们采用理论与试验相结合的 方法对车辆ABS液压系统动态过程进行了深入的研究,即利用系统的 运行机理和运行经验确定出模型的结构或结构的上确界,确定部分参 数的大小或可能的取值范围,再根据系统输入和输出数据,由系统辨 识来估计和改善模型中的参数,使其精确化。这种方法充分利用了全 部可以利用的信息,所得模型相对更准确有效。
得出的液压系统动态模型的统一描述表达式为:
式中
Pw——轮缸的压力
Pm——制动主缸的压力
Pr——低压蓄能器的压力
Ce——增压集中等效液容
C′e——减压集中等效液容
Re——集中等效液阻
κ——增压节流指数
κ′——减压节流指数
t——时间
τvp——增压时系统传输滞后时间
τ′vp——减压时系统船速滞后时间
ui(i=1,2)——电磁阀控制指令信号,其取值含义如下:
当
时,系统增压
当
时,系统减压
当
时,系统保压
4)制动器模型
在控制器对制动管路内压力进行调节时,轮缸活塞的受力及运动 状态处于反复变化之中,因此在计算活塞通过制动钳对制动盘施加的 正压力时,应考虑动态特性的影响,建立轮缸活塞的动力学模型。如 图5为轮缸活塞动力学模型示意图,根据动力学基本原理,建立了用 如下传递函数表示的制动器动力学数学模型:
式中
Tb(s)——为制动力矩的拉氏变换
Pw(s)——为轮缸制动液压力的拉氏变换
Kd——为效能因素
Aw——为活塞横截面积
rd——为有效半径
ωn——为系统固有频率
ζ——制动器的阻尼系数
5)发动机模型
除了节气门的控制作用之外,发动机输出的功率与发动机的转速 直接相关;所以,内燃机的输出特性常常用其转速和输出功率之间的 关系来表示,多项式是这种关系最常用的数学形式:
式中,Pe为发动机的功率,ωe为发动机的转速,Pi为多项式的系数。
所以,发动机的输出转矩Te为
即
宿主机1上安装有Visual C++目标语言编译器和 Matlab/Simulink软件,将数字仿真模型转化为C代码格式,并通过 网络将转换后模型下载到目标机2的CPU中,CPU通过PCL板卡4与 电控单元3和电磁阀5等执行器进行通信,并通过电控单元3的指令 实时记录并显示车辆的行驶性能。
电控单元3实时判断车轮的滑移率,车辆的横摆角速度等状态 信息,控制制动系统常开阀和常闭阀的工作状态,并把当前油门开度、 车辆运行工况等信息通过PCL-726L板卡4反馈给目标机2的CPU; 电控单元3经过PCL板卡4反馈给工控机的数字信号共计8位。作 动器包括4个车轮所对应常开阀和常闭阀,通过它们不同的状态组合 实现对轮缸的调节。
所述电控单元3的控制指令,是由另外设置的PC机6,PC机6 上装有Codewarrior软件,通过飞思卡尔专用的背景调试模式 (Background Debug Mode),简称BDM,改变控制参数,利用C语言 编制控制程序,通过仿真头烧结至电控单元3内,每编制一个控制程 序,都要通过仿真头烧结至电控单元3内。
根据底盘集成控制系统的特点,基于飞思卡尔Freescale的16 位
单片机-MC9S12DP256,自行设计了底盘集成控制的电控单元3,控 制程序在目标机2上运行,根据目标机2实时反馈的状态变量,如横 摆角速度、车轮转速等,实时判断紧急制动、急加速起步和双移线等 的运行过程,控制电磁阀5的工作状态,并把当前控制信号等信息通 过PCL板卡4反馈给目标机2的CPU,并通过网络反馈至宿主机1, 判断试验结果。
经过以上步骤,就可建立一个硬件在环仿真试验台,硬件在环仿 真试验台就可运行并可对各种控制参数进行评价
如图7本发明的工作流程图所示,硬件在环仿真试验台可以对不 同参数组合时的控制效果进行评价,每次仿真结束,都能给出相应的 结果进行评价。比如ABS仿真,能够全面给出各个个车轮的轮速变化、 滑移率变化、各个轮缸压力变化、
制动距离和制动时间等。从而实时 验证控制策略、调整控制参数直到获得满意控制效果。
另外试验台还可以实现底盘、轮胎、传动系各部件参数的优化匹 配,并可实现车辆在极限危险工况下的控制参数的调试。可检测、调 试所设计的电子控制单元3的电路故障。
由于实现了电控单元3及执行电机的硬件在环,测试得到的各项 性能及获得优化参数与实车试验比较接近,从而显著减少实车实验的 次数,缩短了开发周期的同时还节省了大量的开发成本。