基于LabVIEW的气压防抱死制动系统模拟

□ 李曼莉 □ 郭旭红

1.苏州大学机电工程学院 江苏苏州 215006

2.昆山第二中等专业学校 江苏昆山 215300

1 研究背景

目前对汽车气压防抱死制动系统（ABS）进行模拟的软件有 Carsim、Adams/Car、AMEsim、LabVIEW 等。LabVIEW的市场普及率仅次于C++/C语言，其开发环境具有众多优点，从流程图式编程、数据探针调试，到丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等，都令人称道。笔者应用LabVIEW软件对气压ABS进行模拟。

目前气压ABS主要采用逻辑门限值控制方法，这一方法判断逻辑简单，实时响应性好。笔者编制的模拟程序采用以加、减速度作为主控门限，以滑移率作为第二门限的控制方法［1-4］。采用加、减速度和滑移率的门限值进行综合控制，具有较高的自适应控制能力，能保证在各种行驶状态和不同路面情况下实现防抱死制动。

2 运算模块设计

2.1 数据采集结构

运算模块是整个气压ABS的核心部分，系统所有控制功能的实现均依赖于运算模块的运算结果与运算速度。笔者在LabVIEW软件中开发用户程序，进而实现运算模块的全部功能。数据采集结构如图1所示。

数据采集卡上的模数转换器将外部模拟量信号转换为数字量信号后，数字量信号存储在数据采集卡上的缓冲区中。通过中断或DMA方式，将数字量信号传送到计算机内存中，DMA方式是将数据导入或导出计算机内存的最快方式。用户在LabVIEW编程环境中通过符号化编程语言，基于生产厂商提供的数据采集卡驱动程序，方便快速地进行编程，实现对数据的采集、处理及分析功能。

▲图1 数据采集结构图

2.2 系统前面板

系统前面板是用户操作和信息显示的面板，要求界面友好、直观，且便于操作。前面板可以直观显示防抱死制动过程中气路、电路及各主要电磁阀的工作情况，车速、轮速和频率的变化，加、减速度和滑移率门限值的调节，以及相关功能按钮等，如图2所示。

2.3 轮速信号采集与计算

转速信号的采集实质是对轮速传感器产生的连续方波进行测量与计算，求得信号的频率，进而得到车轮转动的角速度和线速度［5-6］。

▲图2 系统前面板

通过波形模拟器模拟轮速信号，并通过数据采集程序记录轮速信号一个周期内通过的时基脉冲数量，即可求得车轮的角速度 ω=2π/（ZTG），进而得到车轮的线速度vR=ωR。

求得车轮的线速度后，可以根据轮速数据的变化进行相应分析计算，包括车轮加、减速度和滑移率等，从而为后续处理提供依据。

2.4 车轮加、减速度计算

车轮的加、减速度就是单位时间内轮速的变化量，即：

式中：ωk和ωk-1分别为当前采样时刻和上一采样时刻的车轮角速度。

2.5 滑移率计算和参考车速确定

滑移率s是逻辑门限控制的重要参数，表达式为：

式中：v为车身运动速度。

车轮线速度可以通过车轮转速传感器获得，但是车身运动速度的测量就比较困难。笔者在所采集的轮速数据的基础上，通过一定算法得到参考车速vRef来近似表征实际车速［7-8］。

如果汽车处于减速度运动或防抱死制动压力调节期间，当车轮减速度达到减速度门限值时，以四个车轮中的最高速度作为参照速度vr，再将前一循环中的汽车速度 vRef1与该参照速度 vr进行比较，若 vr＜vRef1，则vRef1=vr-|a|t；若 vr=vRef1，则 vRef1=vr。

如果汽车处于加速度运动，当车轮加速度达到加速度门限值时，以四个车轮中的最低速度作为参照速度vr，再将前一循环中的汽车速度vRef1与该参照速度vr进行比较，若 vr＞vRef1，则 vRef1=vr+at；若 vr=vRef1，则 vRef1=vr［9］。

2.6 控制逻辑

获得加、减速度和滑移率之后，就可以和预置门限进行比较，根据不同的工作状态确定下一步的输出［10］。

具体控制逻辑如图3所示。

▲图3 系统控制逻辑

3 程序编制

笔者所设计的气压ABS控制程序框图如图4所示。

3.1 程序结构

控制程序采用模块化设计，具体包括如下模块［11］。

（1）车辆参数输入模块。

（2）初始化模块，包括制动初始速度设定和各门限值设定等。

（3）运算模块，包括滑移率、附着因数及车轮车身运动速度计算。

（4）ABS控制模块。采用子虚拟仪器形式，并对接口板进行标准化设计，便于算法升级。

3.2 模拟过程描述

系统通过GFG-8216A函数信号产生器模拟方波信号，以进行轮速信号的模拟。轮速信号是防抱死制动控制程序的模拟信号，数据采集卡采集这一信号并传送至中央处理器。函数信号产生器如图5所示。

气压ABS统一采用高附着因数路面，即平坦、干燥、表面粗燥的沥青路面，附着因数约为0.7，制动初速度为90 km/h。

控制程序开始前，需要先输入车型参数，包括轮速传感器齿数、轮胎有效半径等，然后对制动初始速度、滑移率门限值，以及加、减速度门限值进行设定。程序开始后，系统通过采集卡对模拟器进行轮速信号采集，再按程序所制订的算法对车轮轮速进行计算，并计算出车轮滑移率和角速度。系统根据车轮滑移率和角速度的计算结果，求得单个车轮的速度变化情况，同时，根据车轮滑移率和角速度的变化情况，选定ABS算法，进行防抱死制动控制，直到车轮速度为0，模拟结束。

▲图4 系统控制程序框图

▲图5 函数信号产生器

4 模拟结果分析

模拟初始参数包括模拟对象的物理数据、程序设定的门限值等，见表1。

表1 模拟初始参数

制动程序主界面包括车速轮速变化显示部分、系统初始参数设置部分和工作路线动作部分。汽车紧急制动时，踩下制动踏板，制动气室压力急剧升高，车速减慢，轮速也骤然减慢。当ABS控制单元根据所收集的信号判断汽车有抱死趋势时，向压力调节器发出控制信号，减小制动气室的制动气压力，解除车轮抱死的趋势，这时轮速又加快。ABS通过使趋于抱死的车轮的滑移率控制在10%～30%，使被控车轮获得尽可能大的纵向附着力和较大的横向附着力，从而使汽车具有良好的制动性能和制动时的方向稳定性，提高汽车的安全性。

在运行控制程序前，先设定好控制程序的各初始参数。然后运行程序，根据制动踏板的信号，轮速传感器返回至前面板上的方波信号越来越少，一直到车轮将要抱死时，气压ABS进行防抱死处理，使制动气室气压减小而不能抱死，这样方波信号又逐渐增多。下一次循环又将抱死时，采用同样的方法，通过反复循环使车轮处于似抱死非抱死的状态，使滑移率始终处于稳定区域。

5 结论

通过模拟气压ABS可知，控制程序中轮速信号的采集技术决定了加、减速度及滑移率等计算的准确性。同时，通过修改系统各项参数，可以方便考察各参数对动态响应特性的影响。

通过模拟，得到以下几点启示：①信号采集技术的精确与否将影响气压ABS控制过程的实施；②控制逻辑的准确、合理与否将影响防抱死制动工作过程的有效性；③车轮加、减速度及滑移率门限值等重要参数的设定对气压ABS工作影响较大。

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