ｌ 訇 化 基于ＬａｂＶＩＥＷ的汽车ＡＢＳ试验台测控系统 Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ａｎｔｉ－Ｉｏｃｋ ｂｒａｋｉｎｇ ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶ－ＥＷ 朱善同，周萍，孙跃东 ＺＨＵ Ｓｈａｎ．ｔｏｎｇ．ＺＨＯＵ Ｐｉｎｇ，ＳＵＮ Ｙｕｅ．ｄｏｎｇ （上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３） 摘要：本文针对汽车ＡＢＳ系统安全性与可靠性的要求，以ＬａｂＶＩＥＷ为软件开发平台，研制了一套汽 车ＡＢＳ试验台测控系统。该系统能够模拟在不同车速和不同路况下，ＡＢＳ起作用时的汽车制 动过程。基于ＬａｂＶＩＥＷ软件平台所设计的系统具有数据采集、信号发生、信号控制和数据分 析功能，实现了系统的自动化。试验结果表明，所设计的汽车ＡＢＳ￣ＩＪ控系统动态性能良好。 关键词：ＡＢＳ；测控系统；ＬａｂＶｌＥＷ 中图分类号：Ｕ４６７．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１ ２）２（下）－００３８－０５ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ２．２（下）．１ ２ ０引言 随着汽车的高速发展以及汽车动力性能的不 断提高，客观上对汽车制动的安全性能也提出了 越来越高的要求。汽车ＡＢＳ是在传统制动系统的 基础上采用电子控制技术，在制动时防车轮抱死 的一种机电一体化系统” ，由于对汽车行驶安全 影响很大，因此需要建立一套测控系统来检测其 性能的好坏。 虚拟仪器系统是对传统仪器的重大突破，是 测控系统与计算机结合的产物。使用ＬａｂＶＩＥＷ软 件可以有效的满足对数据采集、处理分析、监控 １．台架支座；２．电动机；３、 ７．信号盘；４． 轮；５．磁粉离合器； 和显示需要，并且使系统具有很好的灵活性和扩 ６．联轴器；８．制动盘ｌ ９．轮速传感器；ｌ０．真空助力器；１１．真空 泵；１２．制动踏板；１３．ＡＢＳ制动系统；１４、ｌ９．光电传感器ｌ 展性。通过ＬａｂＶＩＥＷ可以建立一套界面友好、简 ｌ５．功率放大器；ｌ６．数据采集卡；ｌ７．ＰＣ；１８．变频器控制器 单直观的现场数据监控、功能强大的测控系统 。 图１ ＡＢＳ测控系统结构示意图 １ ＡＢＳ测控系统 地面对车轮制动力及车辆部分转动惯量模拟。 １．１ ＡＢＳ测控系统的结构组成 对汽车实际行驶下的车轮进行受力分析则有 本文汽车ＡＢＳ试验台主要用于检测和开发 制＝．，轮￡＋ ，． （１） ＡＢＳ的试验。其系统结构示意图如图１所示。 通过对试验台的设计分析，汽车车轮的运动 整个系统主要由上位机、ＰＣＩ一８３２０数据采集 卡、转速传感器、磁粉离合器、汽车ＡＢＳ制动系 用试验台上的制动盘来模拟，试验台所受力矩平 衡方程为 统、功率放大器、变频器控制器和ＦⅣ变换器等 组成。 Ｍ制＝Ｍ电＋Ｊ台Ｘ￡ （２） １．２ ＡＢＳ测控系统的工作原理 在试验台上测得的车轮制动力与整车制动力 试验台采用交流电动机进行驱动运转，电动机 的比例为ｋ，则有 转速的调整用于实现车速的模拟，车辆的惯量通过 ＝ｋ６， ｒ （３） 安装的飞轮模拟，控制磁粉离合器传递的扭矩实现 其中．，轮为车轮转动惯量，￡为车轮的角减速度， 收稿日期：２０１１－０８－２８ 基金项目：上海市研究生创新基金项目（ＪＷＣＸＳＬ１０２２） 作者简介：朱善同（１９８７一），男，安徽人，工学硕士，研究方向为汽车制动系统控制技术。 【３８】 第３４卷第２期２０１２—２（下） ｌ 匐 似 制制为制动器制动力矩， 为路面对车轮的制动 力，，．为车轮滚动半径， 电为磁粉离合器传递力矩， 台为制动盘转动惯量，６为汽车旋转质量换算系数。 试验台中车轮由制动盘模拟，所以车轮的角减 速度等于模拟部分角减速度，即有 ＝￡’，综合以 上得试验台上磁粉离合器传递力矩数学表达式为 电＝（ 轮＋ｋｍ６／一 台） （４） 本文车速模拟是以下面两个公式为依据： ＝Ｖｏ—ｒｆ；ｅｆｌｔ （５） ＝ 一１一ｒ×￡ （６） 系统在一设定制动的初速度 以后，轮速通 过传感器传递给数据采集卡，计算机通过采集的 轮速信号进而计算得到ｓ，根据（５）和（６）式计算 得出 和 ，得到实时的模拟车速。 系统硬件结构框图如图２所示。 ＰＣＩ一 ８３２０ 数 据 采 集 卡 图２测控系统硬件结构框图 ２系统软件设计与实现 本系统选择美国ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ２００９作 为开发平台。ＬａｂＶＩＥＷ是一种用图表代码代替编 程语言创建应用程序的开发工具 。它采用数据 流编程方法才描述程序的执行，用图形语言、图表 和连线代替文本的形式编程，与ＶＢ、ＶＣ等高级 语言一样，是一种带扩展库函数的通用程序开发系 统，可方便地设计出符合用户需求的应用程序。 根据设计要求，将系统的软件分为控制模 块、测量模块、数据处理模块和辅助功能四个模 块。模块化使程序结构清晰，针对不同的测试对 象，编程各自的子模块，每个子模块可以单独使 用，也可以提供给子程序调用，组成虚拟主控面 板。图３为系统软件的结构和功能框图。 图３测控系统软件结构和功能框图 ２．１系统测量模块设计 测控系统测量模块的主要作用是采集到更为 精确的车速和轮速信号。其中轮速主要通过轮速 传感器收集到信号获取，模拟车速则通过对电动 机转速的测量换算后模拟得出。在转速信号的采 集过程中碰到一些信号干扰问题，汽车运行环境 复杂、传感器为弱电系统、齿圈和传感器存在振 动，都可能产生干扰信号，所以需要通过程序进 一步剔异常信号 。其程序如图４所示。 图４转速信号的采集 ２．２系统控制模块设计 测控系统控制模块主要实现对电动机的闭环 控制和磁粉离合器的开环控制。通过采集卡采集 试验过程中的实时数据，经过计算机计算分析后， 向电动机和磁粉离合器发出控制信号，实现对电 动机和磁粉离合器的控制。 ２．２．１电动机数字式ＰＩＤ控制设计 为了使测试系统达到一个较好的控制效果， 选用ＰＩＤ控制调节电动机的转速。ＰＩＤ控制是一 第３４卷第２期２０１２－２（下） ［３９１ ｌ 种发展较早的控制策略，其具有算法简单、适应 性广、鲁棒性强、可靠性高和使用方便特点，广 泛应用于工业控制领域 。数字ＰＩＤ算法又分为 位置式ＰＩＤ控制算法和增量式ＰＩＤ控制算法 】。 位置式ＰＩＤ算法表达式为： 訇 似 表１ 磁粉离合器节点低位值与控制电压关系 节点低八位值 ０ ５０ ６０ ７０ ８０ 磁粉离合器电压 ０ ０．６ １＿３ ２．４ ３．７ 输出扭矩 ０．０００ １．０４１ ２．２５５ ４．１６８ ６．２５３ ｛ｒ 个 个 ～１ Ｉ Ｊ 等 一』 １）］｝ｌ （＼ ７／、 ＋ｉ ｉ＝Ｏ９０ ５－２ ９．０３０ 其中ｋ为采样序号，ｋ＝Ｏ，１，２，… ｕ（Ｄ为第ｋ次采样时刻的计算机输出值； ｅ（ｋ）为第ｋ次采样时刻输入的偏差值， （足）＝ ｒ（ｋ）－ｙ（ｋ）； ｅ（ｋ－１）为第（七一１）次采样时刻输入的偏差值。 如果按（１）式确定输出量的控制算法，需要对 ｅ（ｋ）进行累加，运算量大，因此采用增量式ＰＩＤ控 制算法。 根据（１）式，应用递推原理可得： △ （ ）＝ Ａｅ（ｋ）＋Ｋｉ ｅ（ｋ）＋Ｋｄ［ （ －－Ａｅ（ｋ－１）］ （８） 式中△ （ ）＝“（足）一 （足一１），△ （ ＝Ｐ（ －ｅ（ｋ－１）。 可将式（２）进一步改写为： Ａｕ（ｋ）＝Ａ ｅ（ｋ）－Ｂ （足一１）＋ （足一２） （９） 式中Ａ＝ （１＋ ＋ ／ ，Ｂ＝Ｋｐ（Ｉ＋２ ／ ，Ｃ＝ Ｔ ｄ１１ Ａ、 、Ｃ都是与采样周期、比例系数、积分 时间常数和微分时间常数有关的数。 采用增量式ｌａｉＤ算法时，计算输出的控制量 Ａｕ（ｋ）对应的是本次执行机构位置的增量，其实际 控制量可利用算式“（七）：“（足一１）＋ （ 通过软件来 完成。利用ＬａｂＶＩＥＷ软件在完成程序编辑后，将 传递函数进行设置即可对程序进行调试，用鼠标可 以方便地拖动参数 、Ｋ、 的滑动按钮，进而 达到调整它们大小的目的，使输出的阶跃响应达到 了预期的效果。电动机控制模块程序如图５所示。 ２－２＿２磁粉离合器的控制设计 根据试验台上推导出的磁粉离合器计算公式， 在调试过程中发现，在对磁粉离合器的控制节点 上采用高７位就可以。而为了能够很好地控制磁 粉离合器，就必须对低位进行控制。通过试验得 到的节点低位和磁粉离合器控制电压的数据如表１ 所示。设磁粉离合器电压为 磁，磁粉离合器控制 节点低位为Ｘ，则得两者关系为Ｕ磁＝０．０００８ｘ 一 ０．０００８ｘ一２．２８６１。 用户白定义的测试参数，如磁粉离合器的系 ［４０１ 第３４卷第２期２０１２－２（下） １００ ６．８ ｌ１．８１０ ｌｌ０ ８．６ Ｊ４．９３０ ｌ２０ ｌＯ．５ ｌ８．９３３ ｌ３０ １２．８ ２２．０５０ １４０ １４．４ ２５－（】１１ 图５电动机控制模块程序 数，控制输入信号通过脉宽调制输出一定频率的 脉冲，此脉冲经放大后推动功率电路，再经过电 压变换，输出一定的电压值，经过整流和稳流电 路输出恒定电流，为磁粉离合器提供激磁电流。 磁粉离合器控制模块如图６所示。 图６磁粉离合器控制程序 ２．３数据处理模块设计 在程序执行过程中需要对数据进行实时的显 示，因此需要通过采用数组工具和读写工具结合 务Ｉ 勺 ，ｌｆｕ 结果如图９所示。图９（ａ）为左右车轮附着系数０．７， 图９（ｂ）为左右车轮附着系数０．５，图９（ｃ）为左右车 轮附着系数０－３，图９（ｄ）为左右车轮附着系数分别 为０．７、０．５，图９（ｅ）为左右车轮附着系数分别为０．７、 ０．３，图９（Ｄ为左右车轮附着系数分别为０．５、０．３。 图７数据读取显示程序图 编程的方法来实现。其程序如图７所示，主要读 取的数据包括电动机模拟的车速、前后车轮的转 速，而主要显示的数据包括设定的目标车速、设 定的路面附着系数、汽车制动时实时读取的车速、 车轮的转速。 ２．４测控系统流程设计 系统初始化，进行路况 选择，给定初始速度 ｌ制动踏板 ｌ 数据采集转速 Ｉ计算得到角加速度 ｌ磁粉离合器控制力矩 １．ｒ 制动速度ｖ＝Ｏ？ 是 在理论上，左前轮和右前轮的曲线应该保持 一致，从图中可以看出左前轮和右前轮的轮速曲 第３４卷第２期２０１２—２（下） ［４１１ 务ｌ 匐 似 轮速曲线的差异。但是可以看出车速在ＡＢＳ作用 下均匀下降，左右轮速在小于车身速度出不断波 动，车轮在ＡＢＳ工作区域内没有发生抱死，达到 了制动安全的要求。 ４结束语 针对汽车ＡＢＳ系统安全与可靠性要求，本文 基于ＬａｂＶＩＥＷ设计开发了一套汽车ＡＢＳ试验台 及其测控系统，并进行了试验。本文开发的测控 系统动态性能满足系统要求并具有参数的测试功 能和数据分析处理功能，实现了测控的自动化， 为进一步研究和开发ＡＢＳ系统奠定基础。 参考文献： 【１】李果．车辆防抱死制动控制理论与应用【Ｍ］．北京：国防 工业出版社，２００９． ［２】刘海泉，肖世德，陈种．基于ＬａｂＶＩＥＷ的汽车ＥＰＳ试验台 测控系统【Ｊｊ．控制工程，２００９，１６（５）． ［３１ ＬａｂＶＩＥＷ．ＬａｂＶｌＥＷ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ Ｍａｎｕａｌ［ＤＢ］．Ａｕｓｔｉｎ： Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２０００． （Ｄ ［４１ Ｆａｎｇｊｕｎｍ，Ｚｈｉｑｉａｎｇ Ｇａｏ．Ａｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｎｏｎ—Ｌｉｎｅａｒ Ｆｉｌｔｅｒ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＡＢＳ［ＥＢ／ 图９试验结果图 线并没有重合，这主要是由于试验台的制造误差 引起的。由于电动机输出转矩是分别通过前轴的 两个磁粉离合器并经联轴器输入给车轮的，所以 转矩并不是在同一根轴上传递，这也导致了左右 ｛矗● 矗‘｛盘‘ 蠡●｛童‘ 重‘． ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／ｗｗｗ．ｎｓｔｉ．ｇｏｖ．ｃｎ．２００５—０２—１６． ［５］赵双，孙仁云，宁凡坤．汽车ＡＢＳ控制算法的研究【ＪＪ＿机 械设计与制造．２００５，（２）． 【６】王仲生，陈东．智能检测与控制技术［ＭＩ．西安：西北工业 大学出版社，２００２，９：３０３—３０５． ｛重●｛矗‘ 禹‘｛矗●｛矗Ｉ 蠡‘ 矗●｛重・｛重‘ ｛品Ｉ｛矗‘ 蠡‘＇Ｉ盎‘｛量● 虫‘ 岛‘ 【上接第３７页】 件编程的方法来检测在一定的网络负载下，工控 ．．．／Ｗ入 、 ＾ 『＼ 。 ｆ＼ ／ ． ｆ＼．／’ 、ｌ ’ 嵌入式板卡网络通信长时间工作下，通信质量的 高低。经过对研华ＰＣＭ－３３４３板卡的实验验证分 析，此方法能够达到测试嵌入式板卡通信质量的 目的。 参考文献： ［１］萧文龙，林松儒．ＴＣＰ／ＩＰ最佳入门【Ｍ】．北京：机械工业出 版社，２００６． １ ６ １１ １６ ２１ ２６ 时ｌ司点 图３第２ｏｄ，时左右数据分析图 【２】吉顺平，陆宇平．基于ＵＤＰ／ＩＰ的工业以太网络通信协议 的设计［Ｊ１．信息与控制，２００８，３７（５）：５６２—５６３． 次，正确的稳定传送率在９９．９９９％以上，通过图 表分析通信周期时间为１２．９７３ｍｓ左右，时间波动 【３】黄静，李铭．Ｃ孝高级编程（第６版）【Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２００８． 在Ｏ．１４８ｍｓ左右，通信稳定性较好，通过测试得 到的数值分析判断此板卡的通信质量较高。 【４】陈健，宋健建．Ｌｉｎｕｘ程序设计（第４版）【Ｍ】．北京：人民邮 电出版社，２０１０． 【５】吕秀锋，黄倩．Ｃ语言程序设计现代方法（第２版）【Ｍ】．北 京：人民邮电出版社，２０１０． ３结束语 本文尝试使用ＵＤＰ网络通信协议，通过软 ［４２１ 第３４卷第２期２０１２－２（下）
