產(chǎn)品:
NI VeriStand, PXI-6289, LabVIEW, PXI-8196 RT, FPGA模塊, LabVIEW Real-Time Module, PXI-1042Q, PXI-7851R, PXI-8464/2, PID控制工具包
挑戰(zhàn):
研發(fā)EHB控制器的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過(guò)大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)掌握?qǐng)?zhí)行元件的工作性能，在模擬環(huán)境下有效地進(jìn)行參數(shù)仿真、軟件仿真，減少實(shí)際路面測(cè)試帶來(lái)的困難，并開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的混合仿真平臺(tái)，在不同虛擬環(huán)境下由駕駛員產(chǎn)生的實(shí)際操縱動(dòng)作對(duì)EHB快速原型的控制器進(jìn)行功能驗(yàn)證和逼真的產(chǎn)品性能演示。
解決方案:
利用LabVIEW構(gòu)建輪缸壓力測(cè)控系統(tǒng)，在大量測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇合適的PWM載波頻率和占空比控制EHB系統(tǒng)的高速開(kāi)關(guān)電磁閥，滿(mǎn)足對(duì)輪缸壓力控制的要求；通過(guò)NI PXI-8464 CAN總線接口卡以及NI PXI-6289數(shù)據(jù)采集卡完成硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)中方向盤(pán)、電子油門(mén)、制動(dòng)踏板、輪缸壓力等數(shù)據(jù)采集和通訊；由NI PXI-7851R FPGA板卡完成控制器的快速原型，滿(mǎn)足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需要；在Veristand軟件平臺(tái)上，聯(lián)合在DYNAware軟件中生成的實(shí)時(shí)車(chē)輛模型，大大縮短了混合仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)成本。
"利用LabVIEW和PXI，我們成功開(kāi)發(fā)了混合仿真平臺(tái)，并縮短了開(kāi)發(fā)周期和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)成本。"
在過(guò)去的二十年里，電子設(shè)備在汽車(chē)工業(yè)得到廣泛應(yīng)用，今天的汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入了電子技術(shù)的時(shí)代。隨著人們對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能的要求越來(lái)越高，線控制動(dòng)系統(tǒng)（brake-by-wire）應(yīng)運(yùn)而生，電子液壓制動(dòng)EHB可以借鑒ESP系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原有的液壓系統(tǒng)不做大的改變，由電子系統(tǒng)提供柔性控制，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，是機(jī)電液一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到了廣泛的關(guān)注。作為開(kāi)放的線控控制系統(tǒng)，配備了傳統(tǒng)ESP系統(tǒng)中沒(méi)有的輪缸壓力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)精確的壓力控制，在高壓蓄能器的作用下滿(mǎn)足四通道獨(dú)立控制的要求，因此提升了ABS、ASR、ESP的工作性能。為了加速包括硬件和軟件在內(nèi)的控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，一些成熟的仿真測(cè)試、快速原型方法和工具是必不可少的。圍繞EHB液壓系統(tǒng)的新型特點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件DYNAware，在NI公司提供的一系列產(chǎn)品的幫助下通過(guò)硬件在環(huán) (HIL)測(cè)試進(jìn)行深入的控制研究，減小了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的的開(kāi)銷(xiāo)，為今后的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)。
基于LabVIEW的輪缸壓力測(cè)試系統(tǒng)
受高速開(kāi)關(guān)閥電磁鐵的響應(yīng)能力及閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間的影響，實(shí)際的閥芯響應(yīng)不能完全跟隨脈寬信號(hào)的變化，脈沖調(diào)制周期和占空比對(duì)其影響很大。因此需要搭建如圖1所示的測(cè)試平臺(tái)，在不同的載波頻率下得到不同的增減壓力曲線。綜合考慮控制的快速性和有效的占空比調(diào)節(jié)范圍選擇合適的載波頻率。
數(shù)據(jù)采集 (DAQ)的輸出電壓為5V電壓，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大為12V的PWM信號(hào)控制電磁閥。液壓控制單元里的輪缸壓力傳感器信號(hào)通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為0～5電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡采集。圖2為載波頻率為100HZ下的增壓特性曲線，當(dāng)占空比小于15或大于89時(shí)由于電磁閥的死區(qū)和飽和效應(yīng)電磁閥無(wú)動(dòng)作。LabVIEW幫助我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建這樣的測(cè)試系統(tǒng)，確定PWM信號(hào)合適的載波頻率。
圖1 系統(tǒng)組成
圖2 增壓特性曲線
駕駛員混合仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體構(gòu)造
硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，在原博世ESP8.0 HCU基礎(chǔ)上增加高壓蓄能器、高壓泵電機(jī)等元件，改造成EHB液壓控制單元。混合仿真平臺(tái)存在兩個(gè)回路。一個(gè)是信號(hào)的回路，NI PXI-8464接受轉(zhuǎn)角傳感器的CAN總線信號(hào)，NI PXI-6289采集踏板行程傳感器、改造的液壓控制單元中四個(gè)輪缸壓力傳感器信號(hào)和高壓蓄能器中的壓力傳感器信號(hào)。上述信號(hào)傳送給PXI-8196中實(shí)時(shí)運(yùn)行的車(chē)輛模型。實(shí)時(shí)模型給出的控制信息通過(guò)DMA方式傳送給NI PXI-7851R，根據(jù)自定義的I/O接口控制HCU單元中的電磁閥、泵電機(jī)，完成閉環(huán)。另一路是駕駛員的回路，即駕駛員觀察顯示器中車(chē)輛的三維動(dòng)畫(huà)通過(guò)駕駛員操縱單元中的方向盤(pán)和油門(mén)、剎車(chē)踏板控制車(chē)輛。NI公司的一系列硬件產(chǎn)品為搭建這樣一個(gè)混合仿真實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的保證。
圖3混合仿真平臺(tái)組成——硬件（左）和軟件架構(gòu)（右）
基于LabVIEW和NI VeriStand開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件架構(gòu)如上圖所示。LabVIEW作為客戶(hù)端調(diào)用DYNAanimation車(chē)輛三維動(dòng)畫(huà)顯示軟件的ActiveX控件實(shí)現(xiàn)顯示功能。通過(guò)VeriStand VI中Workspace VI實(shí)現(xiàn)Workspace與LabVIEW的數(shù)據(jù)交換。VeriStand兼容用戶(hù)自定義的FPGA I/O接口，利用FPGA靈活高效的特點(diǎn)在無(wú)需改變硬件配置的情況下完成控制器的快速原型。
車(chē)輛實(shí)時(shí)模型的建立
Tesis DYNAware的車(chē)輛模型
NI VeriStand支持第三方軟件DYNAware生成的模型文件。DYNAware是Tesis公司開(kāi)發(fā)的一款 全面高效的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，從電腦上的汽車(chē)概念設(shè)計(jì)，到汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制器與硬件結(jié)合的硬件在環(huán)試驗(yàn)環(huán)境，都可以通過(guò)其達(dá)到很好的效果，仿真結(jié)果可以通過(guò)DYNAanimation軟件在顯示器上實(shí)時(shí)顯示。在德國(guó)幾乎所有的汽車(chē)制造商都在使用DYNAware的產(chǎn)品，世界范圍內(nèi)也非常流行，基于不同的需求為生產(chǎn)廠家和零部件供應(yīng)商提供了適當(dāng)?shù)姆抡孳浖Ｍㄟ^(guò)在圖形化界面中設(shè)置參數(shù)，簡(jiǎn)潔直觀地完成建模。建模對(duì)象包括整車(chē)尺寸、輪胎、前后軸、懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、空氣動(dòng)力學(xué)等模型，可以建立多達(dá)幾十個(gè)自由度的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，很好地反應(yīng)車(chē)輛在各種工況條件下的動(dòng)力學(xué)特性。
圖4 車(chē)輛總體尺寸建模
圖5 輪胎特性建模
EHB控制器模型
EHB控制器模型首先接受車(chē)輛模型傳來(lái)的縱向加速度和輪速，估計(jì)參考車(chē)速。同時(shí)接受方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，橫擺角速度、側(cè)向加速度，利用估計(jì)的參考車(chē)速估計(jì)質(zhì)心側(cè)偏角。汽車(chē)穩(wěn)定行駛時(shí)，目標(biāo)制動(dòng)力矩與制動(dòng)踏板位移成比例關(guān)系。汽車(chē)失穩(wěn)時(shí)，EHB系統(tǒng)主要的控制對(duì)象是汽車(chē)的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。其中橫擺角速度控制模塊采用PD控制方法，控制實(shí)際橫擺角與理想二自由度橫擺角之間的偏差，輸出為目標(biāo)制動(dòng)力矩。質(zhì)心側(cè)偏角控制采用門(mén)限值控制方法，根據(jù)超出門(mén)限的程度施加制動(dòng)力矩。根據(jù)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)協(xié)調(diào)上述三種模式下的輸出量得到目標(biāo)制動(dòng)力矩。調(diào)用制動(dòng)力矩—輪缸壓力模塊，計(jì)算出目標(biāo)輪缸壓力，再轉(zhuǎn)入開(kāi)關(guān)電磁閥數(shù)字PID控制模塊，輸出電磁閥的占空比。此外，根據(jù)高壓蓄能器設(shè)定壓力及HCU的工作狀態(tài)輸出泵電機(jī)的占空比，控制框圖如圖6所示：
圖6 EHB控制器模型
EHB控制器模型在Simulink/Stateflow環(huán)境下建模，與上述DYNAware中模型實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。模型采用固定步長(zhǎng)常微分方程求解器，通過(guò)Real-Time Workshop轉(zhuǎn)化為VeriStand支持的dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。
配置VeriStand
在System Explorer Window中導(dǎo)入模型文件，對(duì)Primary Control Loop的實(shí)時(shí)仿真速度進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置周期為100μsec，則Model Execution Loop的周期為1ms，滿(mǎn)足車(chē)輛實(shí)時(shí)仿真的需要。通過(guò)分配處理器資源，Veristand能充分發(fā)揮雙核處理器的并行處理性能，提高實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。橫擺角速度是判斷汽車(chē)失穩(wěn)的重要標(biāo)志，當(dāng)理想橫擺角速度與實(shí)際橫擺角速度之差超過(guò)上下門(mén)限值時(shí)，通過(guò)報(bào)警設(shè)置以報(bào)警音的方式提示駕駛員。
圖7 VeriStand的配置
通過(guò)菜單界面完成對(duì)NI-CAN、NI-DAQ的通道設(shè)置，大大減小了程序的開(kāi)發(fā)工作量，提高了開(kāi)發(fā)效率。在Stimulus Profile Editor中設(shè)置Logging file，可以對(duì)橫擺角速度、質(zhì)心側(cè)偏角、輪缸壓力等進(jìn)行保存。TDMS文件格式讀取快速，作為一種測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù)文件格式，非常適合車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)的保存。
圖8 VeriStand與DYNAanimation的連接
上面的循環(huán)通過(guò)Workspace VI啟動(dòng)VeriStand，獲取通道數(shù)據(jù)包括Simulation Time、Animation Data、Display Data。下方的循環(huán)利用ActiveX控件將動(dòng)畫(huà)和顯示數(shù)據(jù)傳送給DYNAanimation。
圖9 通過(guò)ActiveX方法控制DYNAanimation
DYNAanimation將實(shí)時(shí)仿真結(jié)果在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中直接現(xiàn)實(shí)出來(lái)。其中，Animation Data數(shù)組中每十二個(gè)元素代表一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體（如車(chē)身、輪胎）相對(duì)于大地坐標(biāo)系的位置參數(shù)。Display Data用于界面的數(shù)據(jù)顯示，比如車(chē)速表、轉(zhuǎn)速表等。
圖10 FPGA I/O示意圖
液壓控制單元在改裝博世ESP的基礎(chǔ)上得到，四個(gè)輪缸各由兩個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥控制，一個(gè)控制從高壓蓄能器增壓，一個(gè)控制向低壓蓄能器減壓，需8路PWM信號(hào)。2路PWM輸出負(fù)責(zé)對(duì)泵電機(jī)的控制。VeriStand中默認(rèn)的PXI-7851R的通道資源擁有8路PWM輸出，而這里需要10路PWM輸出。通過(guò)自定義FPGA VI，修改VeriStand配置文件夾中7851R的fpgaconfig文件，新增2路數(shù)字輸入輸出接口為PWM輸出，滿(mǎn)足應(yīng)用的需要。可見(jiàn)基于VeriStand的自定義FPGA I/O功能使混合仿真平臺(tái)具有靈活方便的擴(kuò)展性能。
仿真平臺(tái)的功能演示
駕駛員在環(huán)麋鹿測(cè)試
在DYNAanimation環(huán)境下建立三維圖像文件，包括道路、標(biāo)識(shí)線、車(chē)身模型、輪胎、路障等，進(jìn)行駕駛員在環(huán)的“麋鹿”測(cè)試。在車(chē)速為80km/h時(shí)對(duì)比打開(kāi)穩(wěn)定性控制與關(guān)閉穩(wěn)定性控制車(chē)輛的操縱響應(yīng)。在實(shí)時(shí)仿真結(jié)束，保存錄像并進(jìn)行對(duì)比。如圖11所示，在打開(kāi)穩(wěn)定性控制時(shí)，駕駛員可以平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的變線，車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡符合駕駛員的預(yù)期，當(dāng)關(guān)閉穩(wěn)定性控制時(shí)，車(chē)輛失控跑出跑道。基于VeriStand構(gòu)建的駕駛員在環(huán)測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)逼真的產(chǎn)品演示。
圖11 開(kāi)啟、關(guān)閉穩(wěn)定性控制
利用激勵(lì)進(jìn)行正弦延遲測(cè)試
正弦延遲測(cè)試是美國(guó)國(guó)家高速安全局（NHTSA）規(guī)定的126號(hào)法規(guī)，用于檢測(cè)車(chē)輛的側(cè)向穩(wěn)定性能。不同于麋鹿測(cè)試，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中需要通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)器人完成。VeriStand的配置實(shí)時(shí)激勵(lì)功能很好地幫助我們完成該項(xiàng)測(cè)試。試驗(yàn)在干燥、平直附著系數(shù)為0.9的道路上進(jìn)行，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行后半周期帶有延遲的正弦輸入，頻率為0.7HZ，第二次波峰出現(xiàn)后有400ms的延遲。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角及實(shí)驗(yàn)流程如圖12，其中A為80km/h下車(chē)輛側(cè)向加速度達(dá)到0.3g時(shí)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角。
圖12 正弦延時(shí)輸入
圖13試驗(yàn)流程
通過(guò)實(shí)時(shí)激勵(lì)功能里的正弦函數(shù)、延時(shí)函數(shù)編制激勵(lì)文件，通過(guò)記錄功能保存橫擺角速度的變化曲線。VeriStand大大降低了編程的復(fù)雜性，減少測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
總結(jié)
利用VeriStand我們?cè)诙虝r(shí)間內(nèi)搭建起一個(gè)功能豐富的混合仿真平臺(tái)，使我們有更多的精力投入到控制策略的研究上來(lái)；VeriStand Engine將實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的任務(wù)和功能在內(nèi)部進(jìn)行實(shí)施與優(yōu)化，幫助實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)以更快的速度運(yùn)行，大大降低了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本；基于FPGA的自定義I/O設(shè)置提高了系統(tǒng)硬件的可擴(kuò)展性，通過(guò)FPGA虛擬傳感器可擴(kuò)展為基于單片機(jī)控制器的硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)；總之，NI公司一系列軟件和硬件產(chǎn)品幫助我們靈活、高效、直觀地實(shí)現(xiàn)EHB混合仿真測(cè)試平臺(tái)，為產(chǎn)品的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
