电动汽车ABS控制半实物仿真系统设计论文

1、密级：公开电动汽车ABS控制半实物仿真系统设计Design of The Hardware-in-the-loop Simulation System for ABS Control in Electric Vehicle学院：电气工程学院专业班级：自动化0802学号：080302035学生姓名：潇指导教师：丁惜瀛（教授）2012 年 06 月51 / 56摘要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M

2、atlab/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

3、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xPC Target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CCS v3.3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

4、结论。关键词：电动汽车；硬件在环；xPCTarget；DSP；ABS；PID控制 AbstractAs an effective vehicle active safety device, the electric vehicle Anti-lock Braking System (ABS) can automatically control the brake torque of each wheel to prevent it from getting locked in the process of braking, and maintain the wheel slip ratio n

5、ear the optimal slip ratio. Thus, it improves the braking performance and directional stability of vehicle. At present, the traditional research of ABS control uses mathematical simulation under the environment of Matlab/Simulink, where the confidence level is limited. And the braketest ofelectric v

6、ehicle on road is restricted by a number of conditions. The hardware-in-the-loop simulation technology, which replaces the mathematical model in the simulation system, is more reliable than theoretical models. Whats more, it has a shorter development cycle and lower costs. So, it is more suitable fo

7、r the study of electric vehicle ABS. In order to obtain higher braking efficiency, a study on hardware-in-the-loop simulation of ABS control based on slipratio has been investigated after reviewing relevant research literatures, focusing on its key technology as well as realization algorithms. The r

8、esearch scope of this paper is illustrated as follows:First, the research of ABS controller structure and control theory. The electric vehicle braking system, ABS working principle and performance are deeply studied. PID control algorithm based on the slip rate is chose for the ABS control.Second, t

9、he design of Hardware-in-the-loop Simulation System for ABS control in Electric Vehicle. Based on xPC Target, the system uses TMS320F2812 which is a 32 bits fixed-point DSP of TI as the hardware controller. Mathematical model of electric vehicle in HostPC is downloaded to the TargetPC via TCP/IP. An

10、 appropriate communication interface is designed to achieve synchronous communication between TargetPC and DSP.Third, the build of a project for ABS control in CCS v3.3. PID algorithm is compiled in external interrupt Subroutine.Fourth, program debug and simulation test. Debug programs and tune PID

11、parameters in CCS v3.3.Simulations are conducted under different initial conditions. Different performances of slip ratio control are compared to draw the final conclusion.Keywords: electric vehicle; hardware-in-the-loop; xPCTarget; DSP; ABS;PID control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 电动汽车概述11.1.1 电动汽车特

12、点11.1.2 电动汽车发展现状11.2 汽车ABS发展现状21.2.1 国外汽车ABS发展现状31.2.2 国汽车ABS发展现状41.3 本文采用的ABS控制研究方法51.3.1 ABS控制半实物仿真与其意义51.3.2 ABS控制半实物仿真平台61.4 本文主要研究容和工作6第2章 电动汽车ABS控制82.1 四分之一车辆模型82.2 电动汽车ABS控制原理92.2.1 车轮制动时的受力分析92.2.2 滑移率与附着系数的关系112.2.3 电动汽车ABS控制原理122.3 电动汽车ABS控制结构与控制算法132.3.1 电动汽车ABS控制结构132.3.2 电动汽车ABS控制算法132.

13、4 本章小结15第3章 电动汽车ABS控制半实物仿真平台的设计163.1总体设计163.2 整车平台设计173.2.1 宿主机173.2.2 目标机183.2.3 宿主机与目标机之间的通讯193.2.4 数据采集卡203.3 ABS控制器硬件设计233.3.1 控制芯片选择233.3.2 硬件设计233.4 基于DSP的ABS控制器软件设计283.4.1集成开发环境283.4.2 软件设计293.5 整车平台与ABS控制器的通讯接口设计323.5.1 总体构成323.5.2 整车模型通讯模块设计323.5.3 通讯接口电路353.5.4 同步通讯的实现363.6 本章小结37第4章 电动汽车A

14、BS控制半实物仿真平台的验证384.1 基于Matlab/Simulink的ABS控制离线仿真384.2 基于xPC Target的ABS控制半实物仿真平台验证404.3 本章小结43第5章 总结与展望445.5 总结445.6 展望44参 考 文 献46致 48附 录49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

15、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

16、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

17、, 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

18、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(20062020)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

19、”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-Lock Braking System，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.

20、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

21、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

22、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1008-10。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

23、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

24、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

25、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，

26、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1.3.1 ABS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

27、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1-1 V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

28、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。1.3.2 ABS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(National Instruments)公司开发的CompactRIO系统和Ma

29、thworks开发的基于MATLAB/Simulink的xPC Target实时仿真平台20。相比于其他两种硬件在环仿真平台，xPC Target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

30、和xPC Target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

31、，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xPC Target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

32、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。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

33、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

34、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

35、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

36、轮胎之间的摩擦力即地面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的地面制动力就等于制动器制动力，且随着踏板力的增长成正比增长（如图2-2 的O-A段）。此时制动器制动力等于：(2-4)(2) 随着制动器踏板力的不断增加，地面制动力随着制动器制动力的增加而增加，但是地面的制动力Fx受到地面与车轮之间的附着系数限制，即： (2-5)式中：Fk为地面提供的最大附着力，为轮胎与地面间附着系数。当制动器踏板力或制动压力增加到某一值（如图2-2的A点），地面制动力Fx达到最面附着力，车轮抱死不转而出现拖滑现象。(3) 继续增加制动器踏板力，制动器制动力Fb继续增加，若作用在车轮上的垂直载

37、荷G为常数，则地面制动力Fx不再增加（如图2-2的A-B段），此时车轮完全抱死拖滑。图2-2 制动过程中地面制动力、制动器制动力与地面附着力的关系由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力，才能保障较高的制动效能24。2.2.2 滑移率与附着系数的关系汽车制动时是利用地面与轮胎之间的摩擦力来减速的。制动时车轮速度减小，这样就在车速与轮速之间产生一个速度差。车速与轮速之间存在着速度差的现象称为滑移现象。我们用滑移率来衡量制动时车轮的滑移程度，计算公式如下：(2-6)式中，为

38、车轮转动角速度，R为车轮滚动半径，v为车速。在纯滚动时，车速v=R，滑移率=0；在纯滑动时，车轮的角速度=0，滑移率=100%，此时车轮完全抱死；在车轮边滑边滚时，0<<l00%。这说明，滑移率的大小反映了车轮运动过程中滑动成分所占得比例。滑移率越大，车轮运动过程中滑动的成分越多25。通过大量理论研究和试验研究表明，车轮的滑移率与路面纵向附着系数和侧向附着系数之间存在着非常密切的关系，如图2-3所示：图2-3 车轮滑移率与路面附着系数的关系图由图2-3可知，对纵向曲线，滑移率从0开始，纵向附着系数随升到最大值，此时的滑移率为，当滑移率继续增加时，纵向附着系数保持下降趋势。当=100

39、%时，纵向附着系数减小到最小值，此时车轮处于抱死拖滑状态。同时随着滑移率的增加，侧向附着系数也在不断减小，当=100%时，汽车抵抗侧向干扰的能力几乎为零。所以车轮抱死后容易引起侧滑、甩尾等危险工况的发生26。1.通常轮胎，干沥青路面；2.通常轮胎，湿沥青路面；3. 冬季轮胎，疏松的雪路；4. 冬季轮胎，结冰路面图2-4 典型工况下附着系数与滑移率的关系曲线附着系数为切向力或侧向力与轮胎所受垂直载荷之间的比例系数。附着系数的数值主要取决于道路的材料、路面的状况、轮胎的结构、胎面花纹、材料以与车速等因素。因此对于不同的路面来说，附着系数与滑移率的关系是不同的，典型工况下二者的关系如图2-4所示。2

40、.2.3 电动汽车ABS控制原理将不同路面最大附着系数所对应的滑移率定义为最佳滑移率。从微观上分析，在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地面的摩擦力达到最大。在汽车起步时可充分发挥引擎动力输出（缩短加速时间），如果在制动时则减速效果最大（制动距离最短）。ABS正是利用道路与轮胎之间的这种关系，在制动过程过轮速传感器测得车轮的角速度，并根据角速度与角速度的变化率估计整车速度，再根据式(2-6)计算出滑移率，通过压力调节器控制制动力的大小，使滑移率保持在最佳滑移率附近（如图2-3所示的阴影区域），使路面的附着能力得到最充分的发挥，从而达到最佳的制动效果27。对于电动汽车来说，由于四个车轮的滑移率均

41、可控，故可以选择基于四个车轮滑移率的ABS控制策略，也就是同时使用四个ABS控制器，控制四个车轮在整个制动过程中不会抱死，各车轮的滑移率保持在最佳滑移率附近。2.3 电动汽车ABS控制结构与控制算法2.3.1 电动汽车ABS控制结构传统汽车ABS装置一般包括轮速传感器、电子控制单元(ECU)以与制动压力调节器等。基于轮毂电机牵引的电动汽车，被控对象为电机，故控制方案较为灵活。本文研究电动汽车的ABS控制策略时，不考虑车速和最佳滑移率的观测问题。因此，整车数学模型中直接给出车速和四个车轮的最佳滑移率，作为设定值，并模仿实际的制动工况，通过ABS控制器控制电动汽车四个车轮的滑移率，使其稳定在最佳滑

42、移率附近，这样可以同时防止四个车轮的抱死，实现更好的控制效果。控制结构如图2-5所示：图2-5 电动汽车ABS控制结构图2.3.2 电动汽车ABS控制算法PID 控制算法简单、鲁棒性好与可靠性高, 被广泛用于过程控制和运动控制中，其原理如图2-6所示：图2-6 PID 控制算法原理图PID控制是一种线性控制方法，它根据设定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制量偏差e(t)，即： (2-7)对偏差e(t)进行比例、积分和微分运算，将三种运算的结果相加，就得到PID控制器的控制输出u(t)。在连续时间域中，PID控制器的算法表达式如下： (2-8)式中：kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为

43、微分时间常数。数字控制系统中进行的是采样控制，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(2-8)中的积分项和微分项需要经过离散化处理。以一系列采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换：(k=0，1，2，) (2-9)(2-10) (2-11)为书写方便，将e(kT)简化成e(k)。于是可得离散化的PID表达式： (2-12)式中，kp为比例系数，ki=kp/Ti为积分系数，kd=kpTd为微分系数，u(k)为第k次采样时刻控制器的输出值；e(k)为第k次采样时刻输入控制系统的偏差值；e(k-1)为第k-1次采样时刻输入控制系统的偏差值；T为采样周期。因

44、为每次输出的u(k)值直接与执行装置的位置一一对应，所以式(2-12)称为位置型PID算法28。本研究以车轮滑移率s作为控制对象，若滑移率的设定值（最佳滑移率）为sp，则控制误差为：(2-13)根据以上各式，ABS控制器的设计最后归结为：根据ABS动态系统，对于每一个车轮，确定出1组最佳的参数kp、ki，使每个车轮的滑移率最终趋近设定值sp。2.4 本章小结本章完成工作如下：(1) 建立了电动汽车的四分之一车辆模型，分析了制动时车轮的受力状况。(2) 介绍了滑移率概念与特征，给出了制动工况下滑移率的计算，分析了滑移率与路面附着系数的关系。在此基础上，阐述了ABS控制原理。(3) 给出电动汽车

45、ABS的控制结构和控制算法，控制算法采用PID控制，并进行了离散化处理。第3章电动汽车ABS控制半实物仿真平台的设计ABS控制器硬件在环仿真测试中，电动汽车整车实验平台需要模拟实际的整车现场环境，控制器使用实物，两者之间的接口要与实际保持一致。本文基于MatlabSimulink RTW和xPC Target，建立了电动汽车ABS控制半实物仿真平台。3.1总体设计电动汽车ABS控制半实物仿真平台以实时仿真系统xPC Target 为核心，接入硬件控制器等，实现基于Matlab/Simulink xPC Target双机通信的硬件在环仿真系统。整个系统由整车平台（包括宿主机和目标机）、硬件控制器

46、、数据采集卡以与通讯接口组成。xPC Target半实物仿真平台结构如图3-1所示：图3-1 xPCTarget半实物仿真平台结构图利用宿主机在Matlab/Simulink平台下装载电动汽车数学仿真模型，制作U盘目标启动盘并通过DOS方式启动目标机，载入xPC实时核。将Visual C+ 6.0作为目标语言编译器，通过Matlab/Simulink RTW模块使汽车动力学仿真模型C代码化，并通过宿主机与目标机之间的TCP/IP 协议通讯将C代码下载到目标机中实现实时运行，再由安装在目标机中的xPC模块专用数据采集卡，经过电平转换模块与硬件控制器DSP相连接29-31。在宿主机中输入相关控制指

47、令如改变采样周期和仿真时间可以对仿真过程进行实时控制，通过在车辆模型中添加xPC Target Scope模块实现目标机显示器对仿真过程中相关数据的实时监测与仿真后相关实验数据的采集。硬件控制器DSP主要用以实现ABS控制算法。DSP通过JTAG仿真接口连接配套的仿真器再连接到宿主机上，通过宿主机中的代码调试工具CCS可以在线调节控制算法，整定参数。整个系统的实物图如图3-2所示：图3-2 xPCTarget半实物仿真平台实物图3.2 整车平台设计3.2.1 宿主机宿主机的作用主要是运用Matlab/Simulink作为开发工具搭建电动汽车动力学模型，进行离线仿真，并将车辆模型和控制算法编译成

48、可以在目标机运行的实时代码，同时在线调试硬件控制器中的ABS控制算法。宿主机应选择具有较强运算能力的工作站作为主机32。本研究采用PC机作为宿主机，系统配置为：Intel(R) Core 2 Duo P7450，2.13GHz，2G存，运行Windows XP 32位系统和Matlab R2012a，软件版本为：Matlab V7.14，Simulink V7.9，xPCTarget V5.2。3.2.2 目标机目标机并不需要任何特殊的目标硬件，但必须运行一个完全兼容的系统，具有一定的存储空间，拥有一个串口或以太网卡，还需要有显示设备。目标机的主要功能是装载车辆模型的C代码，同时作为 I/O

49、板卡的载体，完成信号的采集和输出，并通过显示器实时监测。图3-3 xPC Target Spy界面本研究采用PC机作为目标机，运行Dos系统。目标机启动的模式有多种，如光盘启动模式，网络启动模式，DOS Loader启动模式，可移动磁盘驱动模式等。本研究制作U盘目标启动盘并通过DOS方式启动目标机33。系统启动后，界面如图3-3所示。3.2.3 宿主机与目标机之间的通讯xPCTarget环境下宿主机与目标机之间的通讯协议主要有RS-232和TCP/TP两种。RS-232作为一种串行物理接口标准，传输速度有限，当数据量较大时，容易产生传输延迟。在实验室环境下，采用TCP/IP作为通讯协议更为简单

50、快捷，只需使用网线将宿主机和目标机的网卡连至一台路由器上即可实现两者物理上的连通。本研究，宿主机网卡型号为Broadcom NetLink Gigabit Ethernet，目标机网卡型号为Intel I82559。路由器型号为WGT624 v3，最高传输速度可达108Mbps。网线使用普通双绞线即可。宿主机和目标机在物理上连通后，还需要在Matlab/Simulink xPCTarget中配置相关的参数，才能实现两者正常通讯。在宿主机中启动Matlab R2012a，并在Command Window中键入xpcexplr，激活xPC Target Explorer窗口，默认状态下的目标机名为

51、TargetPC1。点击Compiler(s) Configuration，配置编译器语言为VisualC，选择合适的编译器路径。本研究使用Microsoft Visual Studio 6.0作为编译器生成车辆模型的C代码。单击TargetPC1下的Communication，选择宿主机通讯协议为TCP/IP，并根据实际硬件配置参数，如图3-4所示：图3-4 TargetPC1 Communication参数配置图完成上述配置后需要测试宿主机与目标机是否可以正常通讯。在Command Window中键入命令xpctest，Matlab将会为默认的目标机TargetPC1装载测试模型并显示测试

52、信息，如下所示：>> xpctest# xPC Target v5.2 Test Suite # Host-Target interface is: TCP/IP (Ethernet)# Test 1, Ping target PC 'TargetPC1' using system ping: . OK# Test 2, Ping target PC 'TargetPC1' using xpctargetping: . OK# Test 3, Software reboot the target PC 'TargetPC1': . O

53、K# Test 4, Build and download an xPC Target application using model xpcosc to target PC 'TargetPC1': . OK# Test 5, Check host-target command communications with 'TargetPC1': . OK# Test 6, Download a pre-built xPC Target application to target PC 'TargetPC1': . OK# Test 7, Exec

54、ute the xPC Target application for 0.2s: . OK# Test 8, Upload logged data and compare with simulation results: . OK# Test Suite successfully finished如上所示，所有测试均显示OK，说明目标机可以与宿主机实现通讯并装载模型。3.2.4 数据采集卡传统的串行通讯，数据逐位传送，虽然传输成本低，但传输速度慢，不利于多位数据的同步传送。而数据采集卡作为一种DIO（数字I/O），可以直接传送多位数据。本研究采用NI(National Instruments)

55、公司推出的PCI-6503，它使用24位可编程外围接口(PPI)以获得24路双向数字I/O通道(5V/TTL，2.4mA)，每路通道的上电状态可自定义。24路双向数字I/O通道分成PortA，PortB， PortC三组，每组对应8位通道。这样，每路通道都可以传送8位的二进制数据，这就实现了多位数据的同步传送。PCI-6503的引脚分配如图3-5所示。此外，每块PCI-6503兼容即插即用，只需直接安装在目标机主板的PCI插口上，而无需使用独立的板卡管理器。每个接口都可在各种操作系统上配置后直接使用，方便在多个平台上进行应用开发。实物如图3-6所示。图3-5 PCI-6503引脚分配图图3-6

56、 PCI-6503数据采集卡实物图本研究使用两块PCI-6503，一块作为数据输入卡(PCI-6503 DO)，另一块作为数据输出卡(PCI-6503 DI)。实际通讯时，需要在Matlab/Simulink中对应建立PCI-6503的数学模型，Matlab中PCI-6503的模型只能配置成8位的单口状态，因此，若要处理16位的二进制数据，每块PCI-6503至少需要两个PCI-6503模型，配置成不同的Port端口。PCI-6503的Simulink模型如图3-7所示：图3-7 PCI-6503的Simulink模型启动xPC Target系统后，在Matlab Command Window中键入命令getxpcpci，系统将自动定位板卡，获得相关参数，如下所示：>> getxpcpciList of installed PCI devices:National Instruments PCI-6503 Bus 7, Slot 0, IRQ 11 DI DO VendorID 0x1093,