电动汽车ABS控制半实物仿真系统设计论文Word格式文档下载.docx
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作为一种有效的汽车主动安全装置,电动汽车防抱死制动系统(ABS)能够在电动汽车制动过程过对四个车轮制动力矩的自动调节来防止车轮抱死,并使四个轮的滑移率维持在最佳滑移率附近,从而提高了汽车的制动效果以与方向稳定性。
传统ABS控制研究采用Matlab/Simulink数学仿真,置信度有限,而对车辆进行路面制动试验受许多条件的限制。
硬件在环仿真技术能够根据实际情况建立基于真实硬件设备的模型代替原仿真系统的部分数学模型,大大缩短了控制器的开发周期和开发成本,并且比理论模型具有更高的可靠性,因此更适用于电动汽车ABS研究。
为了改进传统ABS系统的局限性,进一步提高电动汽车制动系统的性能,本文在综述国外相关文献的基础上,对基于滑移率的ABS控制半实物仿真系统进行了关键技术的分析和实现方法的研究,主要包括以下几个方面:
第一,ABS控制器结构与控制原理研究。
在深入研究汽车制动系统、ABS的工作原理与其性能指标的基础上,对ABS控制进行理论分析,并确定了基于滑移率的PID控制算法。
第二,电动汽车ABS控制实半实物仿真平台的设计。
基于xPCTarget实时仿真系统,搭建ABS控制硬件在环仿真平台,硬件控制器采用TI公司的定点式32位DSP芯片TMS320F2812。
宿主机中的整车数学模型通过TCP/IP通讯协议下载到目标机中,设计合适的通讯接口实现目标机与DSP的同步通讯。
第三,PID算法的C程序设计。
建立CCSv3.3工程文件,主程序完成初始化功能,PID控制算法在外部中断服务子程序中实现。
第四,程序调试与仿真实验。
在CCS环境下调试程序,整定PID参数,实现滑移率的控制。
在不同初始条件下进行仿真,比较滑移率的控制效果,得出结论。
关键词:
电动汽车;
硬件在环;
xPCTarget;
DSP;
ABS;
PID控制
Abstract
Asaneffectivevehicleactivesafetydevice,theelectricvehicleAnti-lockBrakingSystem(ABS)canautomaticallycontrolthebraketorqueofeachwheeltopreventitfromgettinglockedintheprocessofbraking,andmaintainthewheelsliprationeartheoptimalslipratio.Thus,itimprovesthebrakingperformanceanddirectionalstabilityofvehicle.
Atpresent,thetraditionalresearchofABScontrolusesmathematicalsimulationundertheenvironmentofMatlab/Simulink,wheretheconfidencelevelislimited.Andthebraketestofelectricvehicleonroadisrestrictedbyanumberofconditions.Thehardware-in-the-loopsimulationtechnology,whichreplacesthemathematicalmodelinthesimulationsystem,ismorereliablethantheoreticalmodels.What’smore,ithasashorterdevelopmentcycleandlowercosts.So,itismoresuitableforthestudyofelectricvehicleABS.
Inordertoobtainhigherbrakingefficiency,astudyonhardware-in-the-loopsimulationofABScontrolbasedonslipratiohasbeeninvestigatedafterreviewingrelevantresearchliteratures,focusingonitskeytechnologyaswellasrealizationalgorithms.Theresearchscopeofthispaperisillustratedasfollows:
First,theresearchofABScontrollerstructureandcontroltheory.Theelectricvehiclebrakingsystem,ABSworkingprincipleandperformancearedeeplystudied.PIDcontrolalgorithmbasedonthesliprateischosefortheABScontrol.
Second,thedesignofHardware-in-the-loopSimulationSystemforABScontrolinElectricVehicle.BasedonxPCTarget,thesystemusesTMS320F2812whichisa32bitsfixed-pointDSPofTIasthehardwarecontroller.MathematicalmodelofelectricvehicleinHostPCisdownloadedtotheTargetPCviaTCP/IP.AnappropriatecommunicationinterfaceisdesignedtoachievesynchronouscommunicationbetweenTargetPCandDSP.
Third,thebuildofaprojectforABScontrolinCCSv3.3.PIDalgorithmiscompiledinexternalinterruptSubroutine.
Fourth,programdebugandsimulationtest.DebugprogramsandtunePIDparametersinCCSv3.3.Simulationsareconductedunderdifferentinitialconditions.Differentperformancesofslipratiocontrolarecomparedtodrawthefinalconclusion.
Keywords:
electricvehicle;
hardware-in-the-loop;
xPCTarget;
DSP;
ABS;
PIDcontrol
第1章绪论
1.1电动汽车概述
1.1.1电动汽车特点
电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。
对于现代社会而言电动汽车不仅是一辆汽车,一种交通工具,更重要的是,它是集新能源、新材料、新技术于一体的高科技技术产品,是一种新型的电气设备;
它是实现节能减排、清洁环保、高效道路运输和现代网络结合的智能全新系统,代表着汽车的发展方向。
同时,电动汽车相关高新技术的发展,促使汽车技术、电化学、新材料、新能源、微电子学、计算机智能控制等领域取得了巨大发展[1]。
电动汽车具有如下特点:
(1)可用能源丰富:
电动汽车所用的能源为二次电力能源,可利用太阳能、风能、水能、核能与潮汐能等多种再生资源获得,不再受到石油等有限资源的限制。
(2)零污染或者低污染:
电动汽车使用电能作为能量源,本身不排放污染大气的有害气体,即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫和微粒外,其它污染物也显着减少。
(3)运行平稳,低噪声:
传统汽车发动机工作工程中,进、排气过程和活塞在汽缸往返运动产生的振动与噪声是整车振动和噪声的主要来源。
电动汽车采用电驱动,不存此项振动和噪声。
数据显示,电动汽车产生的噪声比燃机汽车低10-15dB。
(4)能量利用效率高:
电动汽车采用电能作为能量源,电能以电流的形式传递,能量损耗小,转换能量的效率高达80%,即使考虑到火力发电的发电效率、电能输送过程中的配电效率、蓄电池的充放电效率等一系列的电能损失,最终也可得到29%左右的能量转换率。
电动汽车在停车状态不消耗能量,减速制动时还可以实现制动能的回收利用,提高了电动汽车的能量利用效率[2]。
1.1.2电动汽车发展现状
近20年来,原油价格的猛涨使得新能源的开发利用日渐升温,大力发展电动汽车尤其是纯电动汽车已成为各国关注的焦点。
目前,很多国家尤其是欧美、日本等国都将电动汽车的研发列入政府计划。
如美国政府与三大汽车公司(克莱斯勒、福特和通用)合作实施的新一代汽车合作计划(PNGV)和大燃料电池汽车(FreedomCAR)协作计划,预计到2012年,美国联邦政府购车中一半是充电式混合动力汽车或纯电动汽车。
欧盟也制定了电动汽车与其与能源相关的发展计划:
如框架(FP)系列计划、欧盟燃料电池研究发展示计划、欧盟燃料电池巴士示计划和欧洲电动汽车城市运输系统计划等[3]。
日本人口密集,国土狭小,石油几乎全部依赖进口,因此日本十分重视电动汽车的研发,特别在开发混合动力汽车方面处于全球领先地位。
1997年,丰田公司推出了世界上第1款批量生产的混合动力轿车普锐斯,现在该汽车已经发展到第三代,在全世界20多个国家地区销售[4]。
中国电动汽车发展较晚,但近年来国家相继出台了一系列政策推广电动汽车。
2006年《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》分别将“低能耗与新能源汽车”和“氢燃料电池技术”列入优先主题和前沿技术;
2007年发布实施《新能源汽车生产准入管理规则》,将电动汽车正式纳入国家汽车新产品公告管理;
2008年奥运会应用了500多辆自主研发的电动汽车;
2009年1月,国务院通过《汽车产业调整和振兴规划》,明确实施新能源汽车战略,推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车与其关键零部件的产业化;
2010年9月《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》制定完毕,“十二五”期间,国家科技计划将加大力度,持续支持电动汽车科技创新,推动电动汽车由研发向真正的产业化过渡[5]。
1.2汽车ABS发展现状
汽车防抱死制动系统(Anti-LockBrakingSystem,简称ABS)是在传统车辆制动系统基础上采用电子控制技术,在制动时防止车轮抱死的一种汽车主动安全装置。
它能在制动过程中实时测定车轮的滑移率,自动调节各个车轮的制动力矩,充分利用轮胎与路面之间的附着力,有效地缩短制动距离,显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性。
ABS技术是目前世界普遍公认的提高汽车安全性的有效措施,为了提高制动安全性,在现代汽车上装备ABS以成为必然趋势[6]。
1.2.1国外汽车ABS发展现状
ABS最早用于20世纪初期的火车上,在第二次世界大战前后出现了用于汽车的防抱死制动装置。
德国BOSCH公司在1936年将电磁传感器用于测量车轮速度,当传感器探测车轮抱死时,在每条制动管路上的电动机启动以控制阀口的大小,从而调节制动压力。
BOSCH公司这项专利被认为是ABS历史上的一个里程碑,其原理一直沿用至今[7]。
ABS应用于汽车工业始于20世纪50年代中期,1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的ABS装置,这种ABS装置控制部分采用机械式,结构复杂,功能相对单一,可靠性差,控制精度低,只有在特定车辆和特定工况下防抱死才有效,因此制动效果并不理想。
电子式ABS系统出现在上世纪70年代中期,它利用大规模集成电路构成逻辑电路取代机械式的ABS控制器,从而缩小了控制器的体积,并增强了可靠性。
但控制功能的实现是靠硬件构成的逻辑电路,这决定了控制器不可能实现复杂的逻辑控制。
至上世纪80年代初期,在计算机高速发展的推动下,ABS系统有了突破性的发展,出现了由微型数字计算机或微控制器与电磁阀调节器组成的现代型的电子控制防抱死制动系统。
这种系统不易受干扰,响应速度快,可以把制动循环的次数增加到每秒10余次,并具有体积小、质量轻、动作更快、控制更准确的特点。
1978年BOSCH公司与奔驰公司合作研制出三通道四轮带有数字式控制器的ABS,并批量装于奔驰轿车上,使ABS开始智能化,从而奠定了ABS的基础和基本模式。
1981年德国的WABCO公司与奔驰公司在载重车上装用了数字式的ABS。
从此,ABS技术在汽车上得到了推广应用。
进入20世纪90年代后,ABS技术不断发展成熟,控制精度、控制功能不断完善。
现在发达国家已广泛采用ABS技术,ABS装置已成为汽车的必要装备。
北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90%以上,轿车ABS的装备率在60%左右,运送危险品的货车ABS的装备率为100%[8-10]。
目前,ABS装置制造商主要有:
德国博世公司(BOSCH),美国德科公司(DELCO),美国本迪克斯公司(BENDIX),还有德国戴维斯公司(TEVES)、德国瓦布科(WABCO)、美国凯尔西海斯公(KELSEYHAYES)等,这些公司的ABS产品都在广泛地应用,而且还在不断发展、更新和换代。
1.2.2国汽车ABS发展现状
我国对ABS的研究始于20世纪70年代。
随着汽车工业的发展与汽车技术的提高,我国自上世纪九十年代中后期开始在汽车上配置ABS。
1999年我国制定的国家强制性标准GB12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中已把装用ABS作为强制性法规,此后一汽大众、东风富康、大众、长安、通用等均开始采用ABS技术。
国研究ABS的主要有东风汽车公司、交通部公路研究所、捷特汽车电子研究所、清华大学、交通大学、大学、华南理工大学、工业大学等单位,虽然起步较晚,也取得了一些成果。
理论研究方面,大学以郭孔辉院士为代表的汽车动态模拟国家重点实验室在轮胎模型的建立上取得了大量的成就;
清华大学汽车安全与节能国家重点实验室的宋健教授等人针对ABS做了多方面的研究;
电子科技大学的顺文、唐众等人利用汽车单轮模型研究了PID控制在汽车ABS中的应用[11-13]。
在气压ABS方面,国企业包括东风电子科技股份、聚能、科密等都已形成了一定的生产规模。
液压ABS由于技术难度大,国外技术封锁严密,国企业暂时不能独立生产,但在液压ABS方面也在做自主研发,力图突破国外跨国公司的技术壁垒,已经取得了一些新的进展和突破。
如清华大学和亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统(ABS)“九五”国家科技攻关课题,在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果,其试样在IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准GB12676-1999和欧洲法规EECR13的要求。
同时工业大学也研制出国具有自主知识产权的液压制动电子防抱系统,率先在HF6700轻型汽车上匹配使用获得成功[14-15]。
目前ABS研究单位和厂家基本还是通过装车进行路面试验来完成开发产品的试验验证与产品的性能检测,缺乏系统全面的室检测设备和手段。
国外一些机构开发了ABS室检测方法,作为道路试验的部分替代,设备价格也较昂贵,国还尚未掌握该技术。
另外,一些研究人员研究ABS零部件检测方法,如大学等利用计算机模拟仿真技术来建立ABS虚拟检测系统。
该方面研究主要应用在ABS产品开发中,尚未应用于产品生产检测中。
实现计算机模拟仿真首先是要建立车辆动力学模型,然后利用计算机技术进行仿真,使模型简化,可随时改变不同的参数来进行不同的研究,非常灵活[16]。
1.3本文采用的ABS控制研究方法
1.3.1ABS控制半实物仿真与其意义
随着汽车工业的发展和进步,电动汽车ABS控制性能的要求越来越高。
传统ABS控制研究采用Matlab/Simulink数学仿真,置信度有限,相对于实际参考作用有限。
又由于电动汽车的ABS研究受多种因素影响,对车辆进行路面制动试验受许多条件限制,如资金、试验环境、安全因素、研发周期等,因此直接将理论研究成果应用于实车的道路试验代价比较大。
图1-1V型开发流程
半时物仿真作为一种实时仿真技术,克服了上述两种ABS控制研究方法的弱点,如图1-1所示的V型开发流程则非常适用于电动汽车ABS控制的研究。
在V型开发流程中,首先是控制器的上层功能设计,详细确定控制器将要实现的功能;
然后生成目标程序代码;
最后是控制器的底层软、硬件实现[17]。
从ABS控制器实现到实车测试的过程中需要进行硬件在环(Hardware-in-the-loop)实时仿真测试。
硬件在环仿真是一种使用实际的硬件控制器控制虚拟的系统数学模型的半实物仿真技术。
采用硬件在环仿真测试,不但可以大大加快ABS控节约研发制器软、硬件的开发过程,的资金和成本,而且具有较高的可靠性。
因为整车数学平台可以模拟出在实车试验中难以实现的特殊行驶状态和危险状态,并且能够方便的对控制逻辑进行在线调试,修改车辆模型、道路条件和控制参数,从而对ABS控制器进行全面的测试。
控制器在完成硬件在环仿真之后,就可以进入系统集成和测试环节,最后实现初期设计的各项功能和指标[18-19]。
1.3.2ABS控制半实物仿真平台
目前,国外主要使用的硬件在环仿真平台有德国dSPACE公司开发的dSPACE实时仿真系统、NI(NationalInstruments)公司开发的CompactRIO系统和Mathworks开发的基于MATLAB/Simulink的xPCTarget实时仿真平台[20]。
相比于其他两种硬件在环仿真平台,xPCTarget是一种高性能的主机-目标机构原型环境,它能把Simulink模型和物理系统连接起来并且在低成本的PC硬件上实时运行,用户可以使用MATLAB中基于对象的的命令行接口来访问和控制目标程序,把应用程序下载到目标PC上,并且可以启动和停止下载的过程,改变采样时间和停止时间[21]。
xPCTarget实现了和MatLab/Simulink的完全无缝连接,且硬件成本价格低廉,非常适用于电动汽车ABS控制器的开发。
本文采用基于Matlab/Simulink/RTW和xPCTarget实时仿真平台,配合控制ABS算法的开发和通讯接口的设计,系统地实现了电动汽车ABS控制半实物仿真平台的设计。
利用该平台可以对AB、通讯接口和控制算法等进行测试。
S控制器硬件平台
1.4本文主要研究容和工作
根据课题需要,本论文主要侧重于ABS控制半实物仿真系统的硬件软件设计与仿真。
考虑硬件在环系统的仿真实时性和数字信号处理器(DSP)的高速运算能力等优点,我们完成了整个仿真系统硬件电路的搭建,同时设计了整车平台与ABS控制器之间的通讯接口模块,编制了C语言实现的ABS控制算法,具体研究容包括:
(1)整车数学模型研究
研究Matlab/Simulink环境下的电动汽车数学模型,理解其主要模块的运行特性,工作过程和各参数给定的意义。
(2)ABS控制器结构与控制原理研究
在深入研究汽车制动系统、ABS的工作原理与其性能指标的基础上,对ABS控制进行理论分析:
车辆的制动性能由轮胎力决定,轮胎力由滑移率决定,滑移率由轮速与车速之间的关系决定。
将滑移率与最佳滑移率的差值作为偏差,将电机速度给定作为控制量,通过PID控制来减小滑移率与最佳滑移率的偏差。
(3)硬件设计
基于xPCTarget建立ABS控制硬件在环仿真平台。
车辆数学模型置于仿真系统中用以生成C代码,ABS控制器以实物的形式通过相应的接口管理系统与车辆数学模型联系起来,使其在虚拟的控制环境下工作。
本研究采用TI公司的定点式32位DSP芯片TMS320F2812作为硬件控制器,采用NI公司的PCI-6503进行数据的采集与传送,采用10k电阻分压的方法实现电平转换,搭建了ABS控制半实物仿真平台。
(4)软件设计
设计整车平台通讯模块,将滑移率由十进制转化为二进制,并实现了四个轮滑移率的分时传送。
建立CCSv3.3工程文件,编写PID算法,并通过外部中断实现同步通讯。
(5)程序调试与系统验证
第2章电动汽车ABS控制
2.1四分之一车辆模型
为了简化模型以进行基本控制策略的研究和设计,对被控对象作如下假设:
(1)汽车的质量均匀的分布在每个车轮上;
(2)汽车被认为是在平坦的地面上行驶;
(3)不考虑由于汽车绕直线旋转或者是其他车轮上不均匀制动而造成的运动动力学;
(4)在直线行驶制动时,不存在轮胎的侧向力问题;
(5)不考虑直线车辆动力学和单轮旋转动力学中的风阻作用。
建立最简单的两自由度四分之一车体的单轮模型,如图2-1所示。
这一模型以数学方式描述车辆运动,运动方程完全基于控制系统的几何关系而建立[22-23]。
图2-1两自由度四分之一车体模型
图中,车轮旋转角速度为
,车轮轮心的前进速度为v,车轮滚动半径为R,车轮转动惯量为
,作用于车轮的制动力矩为
,地面对轮胎的支撑力为Fz,地面制动力为Fx,作用在车轮轴上的惯性推力为Fp,车轮的垂直载荷为G,M为车辆四分之一质量。
根据达朗伯原理(牛顿定律的另一种形式),对模型中车体在行驶方向和车轮绕主轴方向两个自由度建立动力学方程,可得简化的车辆动力学方程:
(2-1)
2.2电动汽车ABS控制原理
2.2.1车轮制动时的受力分析
当汽车在行驶过程中受到与汽车行驶方向相反的外力时,汽车的速度就会开始减小或者直到停车。
这个外力一般情况下只能由地面和空气来提供,但其中由空气提供的外力相对来说比较小,所以我们只考虑轮胎与地面之间产生的摩擦力,我们称之为地面制动力。
当地面制动力越大时,车辆的制动减速度也就越大,制动距离就越短。
因此,地面制动力大小对汽车的制动性能具有决定性的作用。
由图2-1可知相对车轮中心的力矩平衡方程为:
(2-2)
地面制动力的大小取决于两方面的因素:
一个是制动器制动摩擦片与制动鼓或盘间产生的摩擦力;
另一个是轮胎与地面间产生的摩擦力即地面附着力。
在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力称为制动器制动力,用符号Fb表示,它由制动器结构参数所决定,如制动器的型式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数以与车轮半径,并与制动踏板力成正比。
相当于踩制动踏板时,在轮胎周缘沿切线方向推动轮胎直到转动所需要得力,显然:
(2-3)
在汽车制动过程中,若只考虑车轮的运动为滚动与抱死拖滑两种状况。
(1)当制动器踏板力较小时,制动器摩擦力矩不大,地面与轮胎之间的摩擦力即地面
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