钟嘉鸣_112010508_汽车ESP硬件在环仿真试验台搭建.doc

北京理工大学本科生毕业设计（论文）摘 要随着人们对汽车舒适性和主动安全性能的要求不断提高，越来越多的汽车机电一体化系统被开发和完善。同时，一种基于v字循环周期的开发方法被广泛使用在汽车机电产品的开发过程中，而硬件在环仿真是其中的关键步骤之一。它可以通过仿真试验对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估。本次毕业设计以车身稳定性程序esp为例，利用dspace软硬件系统来搭建esp硬件在环仿真系统。首先，在充分了解esp工作原理与组成的前提下，匹配了仿真系统的硬件组成部分，包括制动系统、传感器和采集电路等，并且设计和加工了试验台架。其次，针对esp系统正常工作的工况需要，在matlab/simulink环境下建立了车辆数学模型，并进行了验证。最后，利用dspace将仿真系统的软硬件进行连接，并且在不同工况下进行了离线仿真和实时仿真，仿真结果有效。esp硬件在环仿真试验台初步搭建完成。本次毕业设计的亮点在于同时进行了软硬件的设计，充分运用了本科阶段所学知识，并且仿真结果较为满意。同时，本次毕业设计还存在一些缺陷，需要在今后的工作中完善。本次毕业设计为今后的科研工作打下了基础。关键词：车身电子稳定程序esp；硬件在环仿真；车辆数学模型；dspaceabstractas the increasing requirements of vehicle comfort and active safety, more and more mechatronic systems were developed and improved. meanwhile, a approach based on v-cycle is widely used in the development of automotive electronic products. and the hardware-in-the-loop(hil) simulation is one of the key steps in it. the hardware-in-the-loop(hil) simulation can test and evaluate the control strategy, control functions and system reliability.this paper use the dspace system to build the esp hil simulation system. the hardware of the esp system, including the braking system, sensors and circuits etc., is built at first. and a work bench of this simulation system was designed. then, several mathematical models of the vehicle were established with the matlab/simulink. the simulation results of the models were proved to be correct. finally, the dspace system was used to connect the software and hardware. the esp hil simulation work bench was mainly established.one of the lightspot of this paper is designing both the software and hardware with a well application of the knowledge learnt before. although there are still some defects to be improved, this paper build a foundation for future research.keywords: esp；hil；mathematical models of the vehicle；dspace ii目 录第1章 绪论11.1选题意义及背景11.1.1汽车电子产品的开发方法与硬件在环仿真11.1.2车身电子控制与汽车主动安全的发展与研究21.1.3本文研究的主要内容21.2硬件在环仿真基础理论21.2.1硬件在环仿真的概念31.2.2硬件在环仿真的开发背景与优点31.2.3硬件在环仿真的形式及组成部分41.3汽车防抱死制动系统（abs）61.3.1 abs的基本工作原理61.3.2 abs硬件在环仿真的实现81.4汽车电子稳定性程序（esp）91.4.1 esp的基本工作原理91.4.2 esp硬件在环仿真的实现方法101.5本文研究内容14第2章 试验台的硬件建设152.1 试验台硬件系统总体方案152.1.1 abs/ esp的比较152.2.2 esp的硬件在环仿真实验台方案152.2 dspace实时仿真系统152.3 液压控制单元172.4 制动系统与操纵系统182.5 传感器182.6 信号采集电路202.6.1 限幅电路202.6.2 滤波电路212.6.3 隔离电路212.6.4 信号采集电路222.7 实验台架222.8 其他硬件24第3章 试验台的软件建设253.1 车身二自由度操纵稳定性数学模型253.2 车辆两轮三自由度直线行驶数学模型293.2.1 车身模型293.2.2 轮胎模型313.2.3 动力传动系模型323.2.4 车辆两轮三自由度数学模型353.3 车辆四轮七自由度数学模型353.3.1 车身模型363.3.2 轮胎模型423.3.3 动力传动系模型443.3.4 制动器模型463.3.5 车辆四轮七自由度数学模型46第4章 仿真结果分析484.1 基于matlab/simulink的离线仿真484.1.1 模型参数设定484.1.2 油门控制车辆直线加减速工况仿真494.1.3 制动轮缸压力控制车辆直线加减速工况仿真534.1.4 转向角控制车辆稳态转向工况仿真544.2 基于dspace的实时仿真594.2.1 matlab/simulink与dspace的无缝连接594.2.2 无i/o接口的实时仿真604.2.3 有i/o接口的实时仿真634.2.4 仿真结果分析66第5章 全文总结与工作展望67致谢68参考文献69附录71iii第1章 绪论1.1选题意义及背景1.1.1汽车电子产品的开发方法与硬件在环仿真近年来，人们对提高汽车的动力性和经济性以及降低排放的呼声越来越强， 同时对汽车的安全性和舒适性的要求也越来越高，这种趋势促进了汽车技术， 尤其是汽车控制技术的发展。汽车控制系统在提高汽车的动力性、经济性和降低排放以及改善汽车的安全性、舒适性等方面发挥了巨大的作用1。图 1-error! main document only. v字循环周期在汽车的发展，一种基于v字循环周期的方法是目前普遍使用的。下图描述了v字循环周期的各个阶段中使用的方法2。新的开发流程符合国际汽车行业标准，可以结合现有的测试系统构成统一的从开发到标定的一体化方案。v模式中ecu硬件在环仿真环节是非常关键的一环,利用它可以大大缩短ecu的开发周期和减少所花的经费3。（1）功能设计：发展控制功能和算法，并且对仿真车辆进行功能测试（软件在环仿真）（2）快速控制原型设计：在实际的车辆或者试验台中测试开发的功能（3）目标代码的生成：通过自动代码生成，为ecu中的微控制器实现设计功能（4）应用程序/校准：当在测试台架或者车辆上进行测试行驶时，通过调整ecu参数来对功能和算法进行微调。本文将介绍v字设计方法中的关键步骤：硬件在环仿真。并展示硬件在环仿真给汽车工业带来的新的发展。1.1.2车身电子控制与汽车主动安全的发展与研究随着汽车工业的发展，交通事故与车祸死亡率不断上升。于是，许多被动安全装置应运而生，如安全气囊等。但是这些装置的保护能力是有限的。而汽车主动安全装置，如abs和esp，将会在驾驶过程中辅助驾驶行为，来提高驾驶安全性21。随着汽车电子安全设备的发展，交通事故和车祸死亡率随之下降，如下图：图 1-error! main document only. 交通事故与死亡率的变化情况41.1.3本文研究的主要内容本文首先介绍了硬件在环仿真的概念与组成，并且对常见的车身电控系统（abs/tcs/esp）的概念与原理进行了讨论与对比。然后针对汽车电子稳定性程序esp，搭建了硬件在环仿真试验台，并进行了测试与结果分析。1.2硬件在环仿真基础理论硬件在环仿真在汽车领域被广泛的使用。因为它是一个关键的概念，所以本文将首先对它进行简要说明，以作为进一步讨论的基础。1.2.1硬件在环仿真的概念硬件在环仿真是指将部分实际被控对象或系统部件用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则用实物（即硬件）与系统实时仿真模型连接成为一个硬件在环仿真系统(hilss)，通过仿真试验对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估1。1.2.2硬件在环仿真的开发背景与优点在车辆工程历史上，半实物仿真的应用可以追溯到上世纪80年代。首先，硬件在环仿真被广泛用于测试单个组件。到80年代，越来愈多的电子控制单元（ecu）开始被安装在车辆上，同时ecu测试也变得越来越重要。ecu本身是被测试的对象。硬件在环仿真不仅在先进的工程和控制设计中被越来越多的使用，并且在生产开发过程中也是如此。它逐渐取代了开环或者激励仿真。硬件在环仿真允许完整的ecu网络的自动化测试。对于功能的改善和ecu内部交流来说，这是非常具有推动作用的5。硬件在环仿真具有以下优点6：（1）良好的经济性。相比于实车测试，硬件在环仿真所需的硬件设施要少很多，带来的好处就是花费减少；（2）快速原型设计。同样是因为所需硬件少，所以开发测试的时间减少。（3）较高的精确度。相比与完全的计算机仿真，硬件在环仿真仍然具有实际的硬件部分，这些硬件部分是很难用计算机模型代替的。（4）较快的仿真速度。使用同步工程，或ecu和车辆的同步开发，减少所需的发展时间，这一目的只能通过硬件在环仿真等方法实现。（5）具有可重复性。可以通过修改参数进行多次实验，例如可以进行多次冷车启动实验。（6）较高的环保性与安全性。对于有效地开发汽车系统和类似与极端道路条件或者高速行驶的危险环境测试来说，硬件在环仿真是一种迅速而且环保的工具7。1.2.3硬件在环仿真的形式及组成部分硬件在环仿真系统主要由三部分组成，包括系统实时仿真模型、高速接口模块和pc机监控系统。系统实时仿真模型是整个硬件在环仿真系统的核心， 其主要功能是实现系统模型的实时仿真计算；高速接口模块充分利用其高速计算能力，可以在系统实时仿真模型和控制系统实物之间进行各种信号的传递；pc机监控系统作为人机交互平台，既可以方便地修改系统仿真模型的参数，又能及时地监控系统实时仿真模型在控制系统实物作用下运行状态的变化情况。硬件在环仿真系统的工作过程如下：首先系统实时仿真模型按照用户设定的初始参数运行，同时把仿真模型的计算结果通过高速接口模块送往控制系统实物，并在pc机监控系统中显示计算结果；控制系统实物根据接收到的系统实时仿真模型的计算结果，按照一定的控制策略计算出控制参数，然后将控制参数通过高速接口模块反馈给系统实时仿真模型，系统实时仿真模型根据控制参数改变其运行状态；用户可以根据需要在pc机监控系统的图形用户界面上改变仿真模型的系统参数，从而实现对系统状态的控制1。自80年代以来，用于实时仿真与硬件在环的软硬件系统在发展中出现了以下四种形式3：(1) 第一种形式是由开发人员通过购买商品化的处理器模板组成多处理器系统，自主设计专用接口模板。软件开发采用通用软件开发工具，如c语言编译器、汇编语言编译器等，各处理器的任务由设计者分配。(2) 第二种形式是adi公司专门为实时动态仿真设计的实时动态工作站(adrts) ，它由高速计算机和高速i/ o系统组成。adrts由adi 公司的仿真语言(adsim)支持，adsim不仅具有很高的执行速度，还具有在线人机对话功能，可以在不重新编译的情况下改变参数或积分算法、选择变量进行绘图和显示等。adrts是一个基于vme总线分布式处理器的仿真系统，可以连接成局域网。通信处理器(cop)在运行中像vme总线的主模板一样，为总线上所有的处理器之间的通讯服务，其主要任务是数据扩散和收集。(3) 第三种形式是xpc-target 形式，采用普通的微机作为目标机(处理器) 。matlab/ simulink对xpc-target形式的支持是非常强大的，在simulink中有常用的xpc基本模块。这种形式对目标机原有的操作系统没有要求，这是因为xpc-target形式采用一张xpc系统盘启动计算机，并把计算机引导到自己的操作系统(实时内核)中去。因此原有的操作系统并不发挥作用。当把xpc系统盘取出后,重新启动，计算机又可以进入原有的操作系统。xpc-target为硬件在环仿真提供了一些有利的工具，可以实现多数的硬件在环仿真所需要的功能，但是xpc-target 形式的部分硬件和实验软件都需要自己来选型和开发。(4) 第四种形式是dspace公司生产的面向实时仿真和高速i/ o处理的硬件系统。dspace系统是一套基于matlab/ simulink的控制系统开发及测试的工作平台，实现了和matlab/ simulink的完全无缝连接。dspace实时系统拥有高速计算能力的硬件系统(包括处理器、i/ o等)及方便易用的实时代码生成/ 下载和实验/ 调试的软件环境。由于dspace系统具有前面三种形式所不能比拟的优点：组合性强、过渡性好、对产品实时控制器的支持性强、基于pc机windows操作系统、实时性好、可靠性高。所以，本文所用到的硬件在环仿真实验方法优先考虑dspace方案。作为硬件在环仿真的重要组成部分，汽车模型是关键部分。硬件在环仿真中的汽车模型包含以下几部分5：1）动力总成模型。仿真平台的动力子系统模块包括发动机模型和传动系统模型。传动系统模型又包括离合器、变速器或者变矩器、分动器、差速器等。硬件在环仿真平台要求这个动力总成模型是可以变化的（比如前驱、后驱、全驱等），以适应不同车型的仿真需要。2）车身动力学模型。常用的车身动力性汽车模型有10自由度、11自由度和15自由度三种。自由度越大，仿真效果越好，但同时模型的复杂程度和对模型的精确度要求就越高。同时，为了更好地满足试验台通用性的要求，这里建立15个自由度的车身动力学模型。15自由度的车身动力学模型包括车体6个、悬架垂直运动4个、车轮转速4个以及转向1个自由度。3）悬架的动力学与运动学模型。悬架可以基于他们的几何设计的数据或者表来在运动学上实时计算。由几何模型建立的悬架通常会更复杂，但是一旦所有的参数化设计可用的话将会有更大的优势。而通常悬架不是这样描述的，而是由映射表进行描述，包括前束、外倾和后倾角，以及轮毂的位子。这些都将作为车轮的函数。表中的数据是由轴试验台或者运动学仿真计算而来。运动学仿真使用得更加频繁。4）轮胎模型。一些常见的模型是一些易于使用的模型以及魔术方程以及delft-tire模型。后者无疑是最广泛使用的,它有所有主要的轮胎制造商供应的数据集。但是魔术公式更为简洁。5）转向系模型。转向模型也是必不可少的。模型应该采取干预措施,电动助力转向(epas)也将考虑在内。6）液压制动模型。实际的硬件在环仿真测试需要液压制动系统。还需要供应基本的传感器参数：排气泵、预充泵、和螺线管阀门。它主要是由简单变量孔(如通过液压蓄能器、阀门)来实现的，这些孔是由一些液压储能装置耦合在一起的(如车轮制动缸、阻尼)。硬件在环仿真大多都忽略了液压电容和气蚀等影响。7）驾驶员模型。驾驶员模型包含一个周期驾驶，它可以按照一定的速度图。还有横向控制器，它可以通过转向干涉来指导车辆行驶。最佳纵向速度适应也使用路预览,确保横向加速度在路上保持在允许范围内。8）道路描述。道路轮廓通常是由直线，圆弧，回旋和样条曲线段表示。每个段都有摩擦系数，这些参数需要通过一个图形用户界面使其可以方便地输入。1.3汽车防抱死制动系统（abs）1.3.1 abs的基本工作原理abs防抱死制动系统，通过安装在车轮上的传感器发出车轮将被抱死的信号，控制器指令调节器降低该车轮制动缸的油压，减小制动力矩，经一定时间后，再恢复原有的油压，不断的这样循环（每秒可达510次），始终使车轮处于转动状态而又有最大的制动力矩。当车速等于轮速时,滑移率为零。汽车制动时,两者差别越大,滑移率越大。停车之前车轮抱死时,轮速为零,滑移率达到100%。从开始制动到滑移率达到某一数值的过程中附着系数是随滑移率的增加而增大的9。图 1-error! main document only. 附着系数与滑移率的关系上图表示汽车紧急制动时,车轮滑移率和纵向-侧向附着系数之间的关系:图中实线表示纵向附着系数,虚线表示侧向附着系数。在干路面和湿路面上,滑移率在15%30%时,车轮具有较大的纵向附着系数,可以产生较大的制动力,在冰雪路面上的最佳纵向滑移率要小一些,在松散的雪地上,车轮抱死时有较大的纵向附着系数,但为了保证制动稳定性.不能使侧向附着系数降低过多,所以abs的作用是使汽车制动时,车轮滑移率被控制在一定的范围内(图中阴影范围),既能保证有足够的地面制动力,又能保证制动的稳定性。目前国内开发abs用的控制方法还主要是最基本的逻辑门限法。逻辑门限法的基本原理是选择车轮加速度门限和滑移率门限来控制制动压力的增压、减压或保压,以获得车轮的滑移率控制在最佳滑移率附近。在abs中，转滑率和减速度是非常关键的参数，但是转滑率与参考车速有关。abs中常见的参考车速算法有最大轮速法、斜率发和综合法。最大轮速法利用制动防抱调节过程中4个车轮轮速的最大值作为参考车速;斜率法在abs控制过程中,选择一个合适的初始速度v0以及一个合适的车辆减速度a，根据式vt=v0-at计算参考车速;综合法则同时利用最大轮速法和斜率法分别计算车速,选较大者作为参考车速。但这些算法都有缺陷：最大轮速法受轮速信号质量影响大，同时没有考虑车辆当前所处状态；斜率法的缺点是斜率值的选择和路面附着系数直接相关，该斜率值往往根据经验进行选择，,误差大；综合法则两种缺点都可能存在。所以科学的方法应该是：首先优选参考轮速，其次在制动时利用主缸压力传感器信号估算路面附着系数，确定车辆减速度，这里假定在abs介入前的瞬间制动器制动力等于路面制动力。记录abs介入干涉前的主缸压力，根据制动器因数等已知量可以求得车辆获得的制动力,进而求得车辆的减速度。根据求得的车辆减速度，用斜率法计算参考车速和滑移率。与传统的斜率法相比，该斜率法的计算精度提高9。1.3.2 abs硬件在环仿真的实现典型的abs硬件在环仿真总体方案如下图10：图 1-error! main document only. abs硬件在环仿真方案abs硬件在环所需的车辆模型为4个：一般车辆动力学模型、四轮车轮模型、制动器模型和车辆轮胎模型。这部分将在论文正文部分详细介绍。abs硬件在环仿真平台的硬件组成如下：表 1-1 abs硬件在环仿真平台的硬件组成类型数量说明传感器轮速4实际的abs的系统上有，但是在硬件在环仿真中是直接从汽车模型中得到的，没有实物。压力传感器54个制动轮缸压力，1个制动主缸压力。主要用于监测和反馈控制。电流1采集电磁阀电流大小，作为反馈和监测。执行器常规制动机构1制动踏板、制动主缸、制动器1.4汽车电子稳定性程序（esp）1.4.1 esp的基本工作原理esp又叫做vdc、dsc等，均为整车的动力学稳定性控制系统，它是在多项汽车系统控制技术（包括制动防抱死、主动横摆力矩控制以及牵引力控制）的基础上发展起来的。其主要作用就是减小侧向力或增大侧向力潜能(如通过调节车轮纵向力大小及匹配)、提高车辆横向运动稳定性和操纵性、显著地减少因驾驶员失误等而造成的重大损失以提高车辆的安全性能11。实现esp的途径有：(1)利用防抱制动、防滑驱动系统等作为子系统，来实现esp功能,如bosch公司的esp系统是在兼容了四通道abs/asr的优点基础上并加以系统控制而开发的：(2)将esp与四轮转向、四轮驱动、悬架控制系统等结合起来,以实现esp功能。从作者所搜集到的资料来看，目前国内外均采用途径(1)。esp的基本控制逻辑如下：图 1-5 esp控制逻辑具体来说，在控制系统起作用的整个过程中，系统通过方向盘转角、侧向加速度与横摆角速度、主缸压力以及车速等传感器来对车辆的各项状态数据信息进行实时采集，之后 ecu 通过分析方向盘转向角和制动主缸的压力值来判断驾驶者对车辆的操纵意图，进而可以得到理想的车辆运行状态，该状态主要表现为理想车速、理想侧向加速度以及横摆角速度。ecu 将传感器采集所得到的车辆状态数据信息与这些理想的数据进行对比，并通过设定好的控制算法和相应的逻辑来计算要使车辆恢复到稳定状态需要提供的横摆力偶矩有多大。然后 ecu 就会发出指令，借助液压调节器对制动系统各个轮缸（可能是某一个或几个）进行精确的调节，使横摆力偶矩达到所需要的值，如果有需要的话还要对发动机管理系统发出命令，以调控驱动轮驱动力的方法来改变汽车的实际运行状态。经过 esp 调节后车辆的实时运行状态信息还会继续由传感器发送到 ecu，这样就形成了反馈控制的闭环系统，使汽车能够在行驶的过程中始终保持稳定。1.4.2 esp硬件在环仿真的实现方法成熟的esp硬件在环仿真的结构图有一下几种：1）吉林大学esp驾驶者与硬件在回路仿真实验台12图 1-6 吉林大学esp驾驶者与硬件在回路仿真实验台其设计思想是：把不容易建立数学模型的esp执行机构（液压调节器与电子节气门）和驾驶员,通过电子技术和计算机虚拟现实技术,与实时运算的车辆动力学模型连接在一起,构成一个“人车环境”闭环仿真系统。该仿真系统由4部分组成：驾驶员操作界面、开发界面、esp硬件系统和汽车驾驶模拟器系统。该汽车esp硬件系统包括制动系统的所有硬件（如真空助力器、制动主缸、制动管路和制动器等）以及esp液压调节器和电子节气门等执行机构。2）上海交通大学esp系统混合仿真模拟实验台：图 1-7 上海交通大学esp系统混合仿真模拟实验台该实验台的制动管路是完全按照实际车辆来布置的，前后桥的布置也和实际车型的轮距、轴距一致。软件方面包括了esp控制逻辑、ecu接口程序以及数据分析处理等部分，动力学仿真模型可以依据具体车型的实车试验数据进行修正，对于不同的esp电磁阀，它的数据采集以及处理程序、接口资源的分配程序都能够共享。3）上海交通大学3pc机esp硬件在环仿真实验台：图 1-8 上海交通大学3pc机esp硬件在环仿真实验台主要由驾驶员操纵系统、硬件、各类传感器以及三台pc机所组成，根据功能不同又可分为系统操纵控制、虚拟现实模拟、实时仿真环境、硬件接口、驱动电路以及传感器、液压执行机构和操纵机构等部分。4）吉林大学xpc target硬件在环仿真实验台13：该实验台首先将主机上已经建好的模型（包括整车动力学模型和esp控制器模型）下载到目标机中，下载完成并通过检验后开始进行相应的仿真实验，驾驶者通过执行器来完成对整个硬件系统的操控。车辆模型的传感器信号和控制器的输出信号由电流驱动放大电路传递给所连接的硬件。在实验员和控制器的共同作用下产生的制动压力及油门踏板信号会通过can总线传输给采集卡以及相应的端子板，并经由ad转换之后被目标机接收，目标机再将其得到的信号通过tcp/ip传回给主机。这样，主机中可以实时显示车辆行进的模拟动画（通过dynaware软件的dynaanimation来实现），而目标机上的模型接收到控制信号之后通过运算，状态就会发生相应的变化，而新的数据则会继续发送至控制器，从而形成一个esp控制的回路。图 1-9 吉林大学xpc target硬件在环仿真实验台5）吉林大学先将主机上建好的车辆模型下载进dspace中，下载完成后开始仿真。试验者根据所要完成实验的需要，对实车硬件（方向盘，踏板，换档手柄等）进行操纵，压力信号和油门踏板信号通过传感器、方向盘转角信号通过can被数据采集卡ds2211采集，并通过a/d转换为模拟信号传给simulator。simulator与主机之间通过无线网卡进行通讯，将采集到的信号传回给主机，主机中就可以显示出实时的虚拟动画（通过dynaanimation），同时simulator中的模型根据这些信号对车辆模型的运行状态进行计算，并将计算所得的车辆参数发送给ecu，同时通过专门的轮速模拟卡ds0207对轮速进行模拟，并以脉冲信号的形式发给ecu。ecu根据设定好的控制逻辑输出相应的控制信号来驱动执行器作动，执行器工作的结果又会通过相应的传感器以数据形式反馈给实时系统中的车辆模型，这样就实现了esp的闭环控制回路。图 1-10 esp硬件在环仿真试验台在硬件在环仿真实验台的仿真过程中，有一些车辆参数是基于整车动力学模型推算和模拟出来的，所以无法在仿真过程中使用相应的传感器对其进行直接采集。因此硬件在环仿真实验台的传感器数量和种类就和实车的esp系统有了一定区别，但是传感器的原理和采集信号的控制流程和实车是基本相同的。esp硬件在环仿真系统硬件组成如下：表 1-2 esp硬件在环仿真系统硬件组成类型数量说明传感器油门踏板行程1监测油门踏板的位移或是转角压力5制动主缸和制动轮缸压力方向盘转角传感器1测量转向角及转向角速度阀传感器若干其他需要采集的信号实际上是通过总线与发动机ecu、变速箱ecu进行信息共享，在仿真中可以给定。其他（如节气门位置、偏航率、侧向和纵向加速度、轮速等）若干其他需要采集的信号实际上是通过总线与发动机ecu、变速箱ecu进行信息共享，在仿真模型中获得。液压控制单元电磁阀与相应组件12用于常规型制动、abs作用时控制轮缸压力和在非制动情况下产生压力制动系统与操纵机构油门踏板制动踏板方向盘常规制动机构1制动主缸、制动器、真空助力dspace实时仿真系统相关电路电磁阀驱动电路回油阀驱动电路传感器信号放大电路其他电池等1.5本文研究内容本文将以车身稳定性程序esp为例，利用dspace软硬件系统来搭建esp硬件在环仿真系统。分别从硬件和软件两方面进行台架设计与搭建。在硬件方面，将以大众捷达为车辆原型，对车辆制动系统进行配置，再设计试验台架和相关电路等；在软件方面，将建立车辆数学模型，并对matlab/simulink和dspace之间进行配置和连接。最后，在设定的工况下，进行matlab/simulink的离线仿真和dspace的实时仿真第2章 试验台的硬件建设2.1 试验台硬件系统总体方案2.1.1 abs/ esp的比较由于esp系统包含了abs与tcs，所以按照esp的硬件配置进行试验台的搭建可以满足通用性要求。2.2.2 esp的硬件在环仿真实验台方案操作人本实验台方案按照esp方案进行搭建。限于时间原因，本方案省略逻辑控制部分，而采用下图所示的方案：图 2-1 esp的硬件在环仿真实验台方案信号调理通信传感器采集制动系统硬件dspace车辆数学模型pc方案中通过人操作制动系统，再通过传感器采集压力信号并进过调理后送入dspace的车辆模型中进行实时仿真。车辆数学模型仿真后得到车速、加速度、横摆角速度等参数传回pc进行存储、显示等以供分析。2.2 dspace实时仿真系统dspace是由德国dspace公司开发的一种工作平台，它集集控制系统设计、性能测试以及半实物仿真功能于一身，便于实时仿真监控和分析。dspace由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要由数据信息的处理板卡组成，主要负责运行实时仿真程序，并且在必要时产生相应中断。处理板卡包括单板系统（如ds1103、ds1104）、组件系统（如ds1005、ds1006）和microautobox（如ds1401）。鉴于实验室条件和硬件在环仿真的配置要求以及组件系统具有丰富的i/o接口与灵活的扩展性能，我们使用组件系统ds1005进行试验台的搭建。dspace与pc的连接方式采用以太网连接。autobox中自带了以太网接口的slot-cpu板，主机上可以连接任意的以太网接口。这种连接的数据传输速率最大能达到20mbit/s。图 22 autobox处理板配置本实验室的autobox上有以下处理板：（1）ds1005处理板。它在i/o管理能力和数字运算能力都非常强。利用matlab/simulink与dspace的接口（rti）可以轻松完成对ds1005的编程。一般ds1005在硬件在环仿真中主要作为实时仿真模型的运算处理部分。（2）ds2002处理板。a/d转换板。在硬件在环仿真中，主要用于采集压力、温度等传感器提供的模拟信号（电压或者电流）。（3）ds2101处理板。高速d/a转换板。在控制系统中，主要用于向驱动电路或者控制单元输出驱动信号。（4）ds4002处理板。带定时器的数字i/o板。通常用于捕捉参数试验的数字信号，比如频率或者相位，并产生数字信号，想pwm脉冲来控制激励源或者模拟传感器等。（5）ds4302处理板。can总线接口板，进行通讯功能。对于完整的esp硬件在环仿真试验台来说，可能以上的所有处理板都需要用到。但是针对本次毕设来说，只需要用到ds1005和ds2002即可。ds1005处理板用于存放由matlab/simulink与dspace的接口（rti）下载的实时车辆模型并进行实时仿真运算；ds2002处理板用于采集压力传感器输出的电压信号，并且经过a/d转换后向车辆动力学模型出入制动轮缸压力。在ds2002处理板进行模拟信号采集的时候需要经过采集电路进行信号处理后再进行采集。本试验台搭建的dspace实时仿真系统的原理框图如下：图 23 dspace实时仿真系统其中，ds1005通过网线与pc相连。ds2002的接受电压量程为5v和10v两种，满量程时ds2002的simulink输出均为1。在模型中通过添加比例增益将ds2002的数字输出转化为轮缸压力。本次采用的压力传感器输出量程为05v，所以选择ds2002的接受电压量程5v。当压力传感器正常采集时，ds2002的数字输出范围应为01。2.3 液压控制单元液压单元主要包括12个电磁阀和相应的电磁阀组件、泵组件、电机、低压蓄能器、压力传感器和阀体等部件。而其中电磁阀又根据功能不同分成了增压阀、减压阀、吸入阀和隔离阀，他们分别用于常规型制动、abs作用时控制轮缸压力和在非制动情况下产生压力14。本试验台采用德国大陆公司生产的四通道esp压力调节器mk60。mk60有六个通道。其中两个通道与主缸相连，另外四个通道分别连接至四个轮缸。连接方式如下图：图 2-4 mk60连接图（1）mk60的油路接口利用三通连接上液压压力传感器。图 2-5 mk60连接图（2）2.4 制动系统与操纵系统本试验台基于捷达的制动系统进行搭建。包括踏板总成、真空助力器、制动主缸、前盘式制动器、后鼓式制动器、转向节等连接件和油管等。其中，盘式制动器的制动盘和鼓式制动器的制动鼓并不需要转动。2.5 传感器压力传感器采用hydz-800压力传感器。它采用不锈钢整体构件，进口弹性体元件（陶瓷或扩散硅芯体），具有灵敏度高、性能稳定、良好的冲击能力等优点，并且结构小巧、紧凑，有良好的防潮能力和优异的介质兼容性。其基本的技术参数如下：表 2-1 压力传感器的技术参数供电电源1236vdc响应时间1毫秒工作温度范围-25150量程20mpa输出方式05v接口1/4npt精度等级0.2在老师的建议下，本试验台压力信号的采样频率为800hz，hydz-800型压力传感器的响应时间不超过1毫秒，满足使用要求。根据之前的研究数据，普通汽车的制动轮缸压力一般不超过20mpa，所以量程为20mpa的hydz-800型压力传感器也能满足使用要求。其他的如工作温度范围等均能满足使用要求。压力传感器通过三通连接在压力调节器的各个通道口处。为了提高密封性，用密封胶布缠紧后安装。本次使用的hydz-800型压力传感器为三线制（如图）。其中接线端子1（红色）接电源正端，接线端子2（蓝线线）接公共地端，接线端子3（黄色）接电压输出端。图 2-6 压力传感器接线图2.6 信号采集电路为了使采样电压减小噪声，并且使ds2002板收到一定的保护，采集电路的主要作用是将压力传感器输出的电压信号进行限幅、滤波和隔离后再输入ds2002。本次试验台所使用的hydz-800型压力传感器输出电压范围为05v，而ds2002所选择的接受的电压范围为5v，所以电压信号不需要进行放大。2.6.1 限幅电路图 2-7 齐纳二极管伏安特性曲线采集电路利用齐纳二极管进行限幅。齐纳二极管的伏安特性如图：此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。选用bzx84c5v1型齐纳二极管，其相关参数如下：表 2-2齐纳二极管参数齐纳电压（稳压）4.85.4v工作温度-65135功耗350mw温度系数0.02%/将其正极接地，可以将电流限定在约5v以内。2.6.2 滤波电路为了保证采样的真实性，采集电路的滤波采用一阶低通rc滤波器进行滤波。本实验限定的采样率为800hz，即fph=800 hz 05000 s-1 (2-1)根据经验公式：c10fph fr1c0 (2-2)选取r=1k；c=0.1 f。此时的截止频率：fph=12rc1.6khz800 hz (2-3)考虑到采样频率800hz，而且压力信号本身变化也不会太快，所以1.6khz的截止频率完全可以满足采集精度的要求和压力信号变化的响应速度。考虑到成本等原因，电阻选择常用的碳膜电阻，精度5%即可；电容选择无极性的低频瓷介电容（标号104）。2.6.3 隔离电路隔离采用运算放大器max4164作为跟随器。用跟随器实现了级间隔离，有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可以减小后接负载对滤波器的影响，也可以减小输入信号对后端电路的影响15。运放max4164起到的另外一个重要的作用就是对滤波后的信号进行限幅。max4164采用了单电源供电，当输入信号电压低于0v时，max4164会把电压嵌位在0v，当信号电压高于5v时，max4164会把电压限制在5v，当输入信号电压在0v5v之间时，max4164只起跟随作用，不会对输入信号产生任何影响。这样就可以保护mcu，避免线上电压的突变对ad通道造成的损坏。运放max4164的相关参数如下：表 2-3 运算放大器参数供电方式单电源5v供电工作温度-4085输出短路电流15ma2.6.4 信号采集电路通过以上各模块组成信号采集电路如下：图 2-8信号采集电路图2.7 实验台架考虑到零部件安装和检查的方便性，设计了实验台架。实验台架采用框架结构，为了便于移动，在底部装上脚轮。首先根据实际测量的尺寸数据，利用soliworks绘制了各个零部件的三维模型，然后根据零部件的相对位置设计了实验台架的三维模型，最后将其装配在一起如下图。图 2-9 试验台架三维模型考虑到零部件安装和检查的方便性，设计了实验台架。实验台架采用框架结构，为了便于移动，在底部装上脚轮。首先根据实际测量的尺寸数据，利用soliworks绘制了各个零部件的三维模型，然后根据零部件的相对位置设计了实验台架的三维模型，最后将其装配在一起如下图。为了固定液压调节器，还设计了与mk60配套的角件来固定。图 2-10 aps铝型材实验台架为了便于试验台架的安装与改进，将台架的方管改进成aps标准化铝型材。aps标准化铝型材大大提高了台架建设的灵活性，同时也大大减小了设计和组装的难度，只需要锯、钻、拧三种方法就能搭建出台架，大大节省了时间和人力。改进后的aps铝型材台架的三维图如下。经过对型材的切割和组装，搭建的实验台架如下，最后将制动和操纵系统的零部件、液压调节器、传感器以及各个管路安装在台架上如下图。2.8 其他硬件试验台还需要电源来为传感器和各类驱动电路提供电源。稳压电压试验台所需电源如下：表 2-4 试验台供电需求电脑电源220vacdspace autobox1220vdc运放max41645vdc液压压力传感器hydz-8001236vdc为满足以上供电需求，需要利用稳压电源进行供电。第3章 试验台的软件建设车辆的数学模型是试验台软件建设的主要组成部分。其中，将二自由度模型输出的纵向/横向加速度与横摆角速度等参数作为abs/esp控制逻辑的参考值。利用车辆七自由度数学模型来进行实时仿真，在建立七自由度数学模型之前，建立了简化的车辆纵向运动三自由度模型作为基础。在建模的过程中尽力提高模型的真实性，并且考虑到模型的复杂性，模型中的参数全部使用国际单位制以防换算错误。车辆模型在matlab/simulink环境下建立，matlab/simulink可以与dspace进行无缝连接。3.1 车身二自由度操纵稳定性数学模型车身二自由度操纵稳定性数学模型是用作后面esp逻辑控制中参考的。二自由度是指车身的侧向直线运动（以侧向速度表示）和绕z轴的转动（以横摆角速度表示）。在这个模型中，设车辆的前进的速度是恒定不变的，所以这个自由度可以不计16。在建立模型之前需要做出以下假设：（1）不考虑悬架的作用，即将悬架刚度假设为无穷大，不考虑车身和车轮的纵向运动；（2）忽略空气阻力；如图为模型参数的说明：图 3-error! main document only. 车身二自由度操纵稳定性模型示意图假设车辆运动的地面参考系为惯性坐标系g，包含三个单位正交矢量(g1,g2,g3)，随体坐标系 a 固结于车身，三个正交矢量为( a1,a2,a3)，两个坐标系的变换如下表。其中a1指向车辆前进方向，与g1的夹角称为航向角，车辆的三个自由度分别为：（1）沿a1方向的速度u；（2）沿a2方向的速度v；（3）沿a3方向的横摆角速度r，即r=。表 3- 1 坐标变换表坐标轴a1a2a3g1cossin0g2sin-cos0g3001容易得到，车辆在a参考系中的动量l与角动量h及其变化率分别为：l=mua1+mva2 (3-1)dladt=mua1+mva2 (3-2)h=izra3 (3-3)dhadt=izra3 (3-4)其中，m为车身质量，iz为车身绕z轴转动的转动惯量。将动量l与角动量h转化到g参考系中，是将变量从非惯性参考系转换到惯性参考系中。假设ag表示参考系a相对于参考系g的角速度，即ag=ra3，则有：dlgdt=dladt+agl (3-5)dhgdt=dhadt+agh (3-6)由此得到：dlgdt=mu-vra1+mv+ura2 (3-7)dhgdt=izra3 (3-8)分别以fx和fy表示车辆a1,a2方向的合外力，以mz表示绕a3方向