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1、汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台的制作方法专利名称：汽车底盘集成控制器硬件在环仿真试验台的制作方法技术领域：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
2、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
3、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l)整车模型首先需要建立汽车九自由
4、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则x = - C,/v/2 (1)4附(v + wr) +附5 =Z F (2)+ F 二4+ =附sin - - W - C(4);,=Mi-Mw-i (5)欲, = Mrf2-MA2-2及 (6), = Mrf3-MA3-3及 (7), = Mrf4-4i (8)for
5、mula see original document page 13式中，-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，和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formula see original document page 13,和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-formula see original document page 13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:formula see original docu
6、ment page 13其中&为前悬侧翻刚度占整车侧翻刚度的比率，它决定着1 载荷转移在前后轴上的分配， 为悬挂质量的侧向加速度formula see original document page 13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:(formula see original document page 13formula see original document page 14以上各公式中，4-车辆迎风面积，-质心至前轴的距离，6-质 心至后轴的距离，/-轴距，,-纵向加速度， -侧向加速度，C,-空 气阻力系数，C-侧
7、翻阻尼系数，-车轮纵向力，F,-侧向力，-车轮法向力，-轮胎侧偏力，-轮胎驱动力，g-重力加速度， 悬挂重量质心的高度，A-悬挂重量质心至侧翻轴线的距离，&-车 辆关于Z轴的转动惯量，L-悬挂质量关于X轴的转动惯量，K,-前悬侧翻刚度比例系数，-车辆侧翻刚度，w-整车质量，w-车辆悬挂质量，-侧倾角速度，卜横摆角速度，r-轮距，车辆纵向速度，v-车辆侧向速度，-车重，* 车轮半径，5-转向角，-侧 翻角，A-空气密度，y-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
8、，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
9、的轮胎力可以表述为纵向力=D sin(C arctan讽l + SA) +五arctan5(S + SJ) + Sv 其中S为纵向滑移率S=l-，式中，w-车轮转速 r-车轮轮心速度及-车轮滚动半径 C = 6。，曲线形状因子 = 峰值因子5.C力=(63F/+化K化-车轮垂向载荷，单位kN 侧向力Fx = Z) sin(C arctan5(l + + arctan5(a + &) + Sv式中-侧偏角，单位度7-侧倾角，单位度 C =。，曲线形状因子D = /vFz，峰值因子= a3 sin2 arctan(Fz/a4 )(l a51 ;H)-车轮垂向载荷，单位KN 在制动和转弯联合
10、工况下，当 = 0时，定义7 = ，则纵向滑移率和侧向滑移率为:formula see original document page 16纵向滑移率和侧向滑移率的修正值为:formula see original document page 16其中:定义则轮胎力学特性为:formula see original document page 16A其中i为纵向力，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
11、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,=V(im户wW 。-V(尸wW2 (19) 式中A轮缸的压力 Pm制动主缸的压力 低压蓄能器的压力c;增压集中等效液容 c:减压集中等效液容 A集中等效液阻 k增压节流指数 k减压节流指数 时间、增压时系统传输滞后时间1r:p减压时系统船速滞后时间= 1,2)电磁阀控制指令信号，其取值含义如下: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
12、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formula see original document page 18(20) ;(为制动力矩的拉氏变换为轮缸制动液压力的拉氏变换 &为效能因素 a为活塞横截面积 。为有效半径 必 为系统固有频率 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-formula see
13、original document page 19(21)式中，s为发动机的功率，为发动机的转速，A为多项式的系数。所以，发动机的输出转矩z;为formula see original document page 19(22)即 formula see original document page 19(23)。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
14、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PCL726L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
15、，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，縮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。图1为汽车底盘集成控制系统的结构示意图2为车辆动力学模型图3轮胎模型魔术公式原理图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；l一宿主机； 2
