一种基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制策略

周洲+张立成+郝茹茹

摘 要： 在利用滚筒反力式制动性能检测台对汽车制动性能进行检测的过程中，由于粘砂滚筒附着系数较高，汽车在制动时，轮胎与滚筒之间会产生很大的摩擦力，容易发生剥胎现象。因此，合理采集汽车制动性能相关参数的同时，及时关停制动性能检测台驱动电机以保证被检车辆的安全，成为汽车制动性能检测的关键技术之一。通过对现有的汽车制动性能检测中各种控制方法优缺点的比较，提出了一种基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制方法，提高了控制的实时性和灵活性，在采集到汽车制动性能相关参数的同时，最大限度地保护了车辆安全。试验结果表明，该控制策略稳定有效，检测精度高，具有较高的实用性。

关键词： 制动性能检测； 粘砂滚筒； DMA； 驱动电机

中图分类号： TN06?34； TP319 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0152?03

Control method of drive motor in automotive brake tester based on DMA

ZHOU Zhou， ZHANG Li?cheng， HAO Ru?ru

（College of Information Engineering， Changan University， Xian 710064， China）

Abstract： During the process of automotive brake performance test using the roller opposite force automobile brake tester， huge friction force is generated between the tire and the roller due to the high friction coefficient of sticking sand roller， which is prone to tire peeling. Thus， In order to ensure the vehicle safety， the drive motor of the tester is stopped timely as soon as a reasonable acquisition of braking performance parameters is achieved， which has become one of the key technologies of automotive brake performance test. The advantages and disadvantages of various control methods adopted in existing automotive braking performance test are compared. A real?time control method of drive motor in automotive braking performance tester based on DMA （direct memory access） is presented to improve the real?time characteristic and robustness of the control system， as well as protect the vehicle in the acquisition of brake performance parameters. The test results show that the proposed control method is stable and reliable， and has high detection precision and good application value.

Keywords： brake performance test； sticking sand roller； DMA； drive motor

0 引 言

汽车制动性能的好坏直接关系到驾乘人员及车辆的安全，重大交通事故的发生往往与车辆的制动性能不合格紧密联系在一起，因此，在国家的相关法规和国标中都把制动性能检测作为机动车检测的重要内容之一[1?2]。

目前，滚筒反力式制动检测台是机动车安全技术检验机构广泛使用的专门用于检测机动车制动性能的检测设备，能够对汽车的制动率、不平衡率、阻滞率等参数进行检测。该设备的粘砂滚筒一般具有较高的附着系数，可以用来模拟实际路面[3]。实际检测过程中，滚筒反力式制动检测台的驱动电机带动粘砂滚筒转动，并利用摩擦力带动被检车辆的轮胎以相同的速度反向转动，当被检车辆的轮胎在粘砂滚筒上进行制动并出现滑移时，高附着系数的粘砂滚筒和轮胎之间会产生较大的摩擦力。如果在检测系统已经采集到汽车制动性能相关的参数后而没有及时关停制动检测台驱动电机的话，有可能会造成被检车辆轮胎的损伤，发生“剥胎”现象。根据《GB21861?2008机动车安全技术检验项目和方法》的规定，在汽车制动性能检测过程中，必须测得左右轮制动力最大差值。因此，制动电机的最佳关停时机应该是在检测系统测得同轴左右轮最大制动力或者同轴左右轮任一车轮发生抱死滑移时，这样才能有效地保护被检车辆的轮胎安全。

1 现有控制方法研究

目前，国内的汽车安全性能检测系统中常用的汽车制动检测台驱动电机控制方法主要有以下几种：

（1） 软件控制方式。软件控制方式又分为两种：一种是通过软件判断制动力大小来控制电机停转的方式，例如：如果检测到的制动力大于一定值，如轮荷的60%，软件便发出关停驱动电机的控制命令。该方式无法保证能够测得最大制动力，而且，如果机动车的制动性能不符合国标要求，制动力始终小于轮荷的60%，在制动踏板力逐步增大直至轮胎抱死时，制动台检测驱动电机仍然不会停止运转，在这种情形下，高附着系数的粘砂滚筒对轮胎的损害极大，存在较大的安全隐患。另外一种方式是通过多线程方式进行控制，即：主线程实时采集制动力数据，另一个线程负责实时采集制动检测台第三滚筒的线速度，通过判断第三滚筒的线速度来控制制动检测台驱动电机停转。由于Windows操作系统不是实时操作系统，同一操作过程获得的时间片间隔不确定，经历同样的时间，采集到的数据量可能不一致，容易发生驱动电机过早停转，而检测系统没有采集到足够多的数据。由于两个线程分得的时间片也可能不均匀[4]，而且对于以VB为开发语言的检测程序，多线程函数中需要避开VB Runtime，采用基于COM技术实现API的调用，不稳定因素比较多[5]。若采用定时器方式，由于Windows系统本身不是实时操作系统，再加上多任务运行，实时性更差，WM_TIMER消息的优先级也比较低，所以定时器并不能完全保证处理时间间隔的准确性[6]。

（2） 硬件控制方式。硬件控制方式是利用除信号采集电路和上位机控制系统以外的独立的第三方硬件控制系统，该系统通过对制动检测台第三滚筒信号的采集，计算出被检车辆轮胎的线速度，再通过换算粘砂滚筒的线速度得出被检车辆的车身速度，以此计算出被检车辆制动过程中的滑移率，控制系统通过判断滑移率是否符合一定的要求来控制制动检测台驱动电机停转。该控制方式相当于一个独立的进程，可以对制动检测台的驱动电机进行实时的关停控制，可靠性高。该控制方式的不足之处是需要另行设计控制电路，并且一旦该硬件控制系统出现故障，可能会影响整个制动性能检测系统的正常运转。

（3） 基于门限控制的滑移率实时控制方式[7]。该方式也是利用对滑移率的实时控制方法，通过对滤波后制动力检测信号的实时分析，综合应用门限法思想，实现了对驱动电机停止时间的精确控制。该方法的优点是无需额外增加硬件电路，缺点是制动力检测波形比较复杂，如引车员早踩、晚踩等情形，有可能出现无法捕捉到最大制动力的可能，会影响整个制动性能检测的准确性。

2 基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制

方法研究

2.1 DMA传输模式的优点

DMA（Direct Memory Access）模式下的数据采集是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而是直接在内存和I/O设备之间进行。利用DMA直接进行数据传输而不通过CPU进行控制，是一种快速传送数据的机制[8?9]。在这种模式下，数据传递可以从适配卡到内存、从内存到适配卡或从一段内存到另一段内存，既不需要额外设计电路，也不存在上面描述的软件控制方式存在的诸多不足。DMA控制器有以下三种方式与CPU分时使用内存：

（1） 停止CPU访问内存：当外设要求传送数据时，由DMA控制器发送一个信号给CPU，停止CPU访问内存，同时获得总线控制权。当DMA控制器获得总线控制权后，开始进行数据传送，数据传送完毕后，DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU。

（2） 周期挪用：当I/O设备没有 DMA请求时，CPU按程序要求访问内存，一旦 I/O设备有DMA请求，则I/O设备挪用一个或几个周期。

（3） DMA与CPU交替访问内存：一个CPU周期可分为2个周期，一个专供DMA控制器访问内存，另一个专供CPU访问内存，不需要总线使用权的申请、建立和归还过程。

2.2 滑移率及其在汽车制动检测台驱动电机控制中的作用

通过对现有控制方法的研究可以看出，纯粹的软件控制方式数据采集不准确、可靠性和安全性较低。在硬件控制方式和基于门限控制的滑移率实时控制方式中，都利用汽车制动时的滑移率大小作为控制制动检测台驱动电机关停的依据，此依据符合相关国标的要求，对驱动电机控制的实时性好、可靠性高，是目前大部分控制方法的理论依据。

滑移率是指在车轮运动中滑动成分所占的比例，假设用δ表示，则：

[δ=Vt-VaVt×100%] （1）

式中：[Vt]表示汽车的车身速度；[Va]表示汽车车轮的线速度[10]。在实际应用中，车身速度用制动检测台驱动电机带动的粘砂滚筒的线速度代替，车轮线速度则通过计算制动检测台第三滚筒的线速度测得。

2.3 基于DMA的驱动电机控制策略

利用DMA模式下数据交换存取速度快、不占用CPU时间、实时性高的特点，结合滑移率在汽车制动检测台驱动电机控制中的重要作用，提出一种新的基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制策略，流程图如图1所示。

图1 基于DMA的驱动电机控制流程图

具体流程如下：

（1） 启动电机，为了避免电机启动瞬间带来的电磁干扰，数据采集时间延时1 s。

（2） 参数设置，包括电压增益、DMA触发方式、采样点数、采样通道等。

（3） 为DMA分配缓存，根据采集的数据类型和采样点数分配缓存大小。

（4） 启动DMA，DMA启动后，DMA控制器按照步骤（2）设置的参数进行高速采样，采样过程直到接收到采样结束命令为止。如果在收到采样结束命令前，采样缓冲区已满，软件会将缓冲区数据及时搬移，保证采样数据的完整性。

（5） 在进行数据采样的同时，主线程开始采集汽车制动检测台左右第三滚筒脉冲信号，根据采样信号算出第三滚筒的线速度，即被检车辆轮胎的线速度。

（6） 由于驱动电机本身的转速和汽车制动检测台粘砂滚筒的直径是固定值，因此可以得出被检车辆的车身速度，结合步骤（5）中得出的被检车辆轮胎的线速度，利用公式（1）就可以算出被检车辆的实时滑移率。

（7） 根据设定好的判定条件，当滑移率达到一定值时，关停汽车制动检测台驱动电机，并停止采集数据。否则，继续采集数据，直到滑移率达到判定条件为止。

3 实验结果分析

实际测试过程中，在不控制电机关停的情况下，驾驶员连续多次进行制动?松开?制动?松开的操作，得到如图2所示测量波形。由图2可以看出，在汽车轮胎随制动检测台粘砂滚筒正常转动的过程中，制动检测台第三滚筒的线速度基本保持恒定，而滑移率接近0，此时制动力为0。当驾驶员踩下制动踏板时，制动检测台第三滚筒的线速度急剧下降，而滑移率急速增大，同时制动力在不断增大，当滑移率达到80%左右的时候，制动力达到最大值。通过以上测试，设置当滑移率达到80%的时候关停电机，得到测试波形如图3所示。

图2 连续制动时制动波形图

图3 基于滑移率判断的制动波形图

由图3可以看出，在滑移率达到80%时关停电机，即可以采集到最大制动力，又可以及时的关停电机，有效地保护被检车辆的安全。

4 结 论

本文提出的基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制策略与现有的控制方法相比，不需要额外设计控制电路，在保证数据采集的完整性的同时，又提高了对驱动电机控制的实时行和可靠性。在实际测试和应用中，该方法运行稳定、控制精确，在保证检测数据完整性和准确性的同时，又能够很好地保护被检车辆的安全，具有较高的实用价值。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB7258?2012 机动车运行安全技术条件[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB18565?2001营运车辆综合性能要求和检验方法[S].北京：中国标准出版社，2001.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 13564?2005滚筒反力式汽车制动检验台[S].北京：中国标准出版社，2005.

[4] 王伟强，徐娅萍，淮旭鸽.基于PCL?818的DMA方式多通道应力采集系统设计[J].机电一体化，2008（8）：39?41.

[5] 徐袭，范学鑫，吴汉松.一种基于VB的数据采集模块多线程检测方法[J].微型电脑应用，2003，19（3）：49?51.

[6] 王艳平.Windows程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[7] 赵成刚.汽车制动性能检测与滑移率实时控制技术研究[D].西安：长安大学，2012.

[8] 李可，李运祥，宋世民，等.基于DMA模式和多线程技术的振动信号高速采集系统[J].测控技术，2008，27（6）：12?14.

[9] 蔡冬冬，叶献方，雷阳.DMA传输方式下基于VB的高速数据采集程序设计[J].电脑开发与应用，2011，24（9）：42?44.

[10] 郝茹茹.汽车ABS整车台架检测方法与试验研究[D].西安：长安大学，2013.

图3 基于滑移率判断的制动波形图

由图3可以看出，在滑移率达到80%时关停电机，即可以采集到最大制动力，又可以及时的关停电机，有效地保护被检车辆的安全。

4 结 论

本文提出的基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制策略与现有的控制方法相比，不需要额外设计控制电路，在保证数据采集的完整性的同时，又提高了对驱动电机控制的实时行和可靠性。在实际测试和应用中，该方法运行稳定、控制精确，在保证检测数据完整性和准确性的同时，又能够很好地保护被检车辆的安全，具有较高的实用价值。

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[10] 郝茹茹.汽车ABS整车台架检测方法与试验研究[D].西安：长安大学，2013.

图3 基于滑移率判断的制动波形图

由图3可以看出，在滑移率达到80%时关停电机，即可以采集到最大制动力，又可以及时的关停电机，有效地保护被检车辆的安全。

4 结 论

本文提出的基于DMA的汽车制动检测台驱动电机控制策略与现有的控制方法相比，不需要额外设计控制电路，在保证数据采集的完整性的同时，又提高了对驱动电机控制的实时行和可靠性。在实际测试和应用中，该方法运行稳定、控制精确，在保证检测数据完整性和准确性的同时，又能够很好地保护被检车辆的安全，具有较高的实用价值。

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