电子稳定控制系统实训台软件设计

李 媛 杨晓东 曾京锐 张颖雯 /上海工程技术大学汽车工程学院



电子稳定控制系统实训台软件设计

李 媛 杨晓东 曾京锐 张颖雯 /上海工程技术大学汽车工程学院

【摘 要】ESP能够纠正汽车在运行时发生的一些不稳定的现象。当出现转弯过度、不足或者路面湿滑发生打滑时进行车轮的制动或者改变喷油阀的出油量，使行车得到稳定。本文基于Labview实训台的软件进行设计，所设计的软件，可实现实训台数据的检测、分析、存储，并在实训台架环境下模拟ESP调节控制过程，从而实现对ESP系统的可靠性进行检测。

【关键词】电子稳定控制系统 ——Labview；可视化编程；实训台

前言

电子稳定控制系统(ESP)其实是ABS（防抱死系统）和ASR（驱动轮防滑转系统）功能上的延伸，可以说是当前汽车防滑装置的最高形式。ESP一般由转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器等组成。当车身发生侧滑或者打滑时，ESP则会自动向一个或多个车轮施加制动力，消除其不稳定的现象。Labview采用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。本文基于Labview软件，基于ADAM4520转换隔离器、ADAM4017数据采集模块、ADAM4068和ADAM4024控制输出模块等硬件实现对Labview对ESP实训台系统的软件设计，所设计的软件，可实现实训台数据的检测、分析、存储，并在实训台架环境下模拟ESP的调节控制过程，从而实现对ESP系统的可靠性进行检测。

1.ESP分析

1.1ESP工作原理

ESP通过传感器（转向传感器、车轮传感器等）等数据的采集之后由微控制器进行分析控制，后由执行器（轮胎刹车系统）进行相应的轮胎制动或者对发动机进行控制。

该系统通过方向盘传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器等实现车辆状态数据的收集，然后由微控制器进行数据的处理,分析，根据不同的控制策略选择控制方法，如图1所示[1]。当出现转向过度时，改变转向外侧轮制动力；当出现转向不足时，增加内侧轮制动力。当路面湿滑或者下雪天时，会发生打滑现象，那么也将对进行车轮的制动，ESP对汽车的稳定性控制如图2所示。

图1　ESP实训台功能框架

图2　ESP汽车稳定性控制流程

1.2二自由度模型

认为汽车前进的速度u不变；

认为汽车只作地面的平行运动；

此外，忽略空气作用，环境问题，忽略左右车轮垂直载荷的变化以及轮胎回正力矩的作用，即在轮胎侧偏刚度一定的情况下，侧向力与其相应的侧偏角成线性关系，此时车辆可进一步简化成线性二自由度车辆模型。[1]

上两公式中，m 是车的质量,单位为公斤,k1，k2分别是前后端的刚度、单位N/度;δ是前轮转角,单位是度;a， b是前后车轴与汽车的质心的距离,单位是米,ux汽车沿着X轴的前进速度,它的单位是米/秒;Iz关于Z轴的汽车转动惯量,其单位是kg*m^2;ux是横向速度,单位是m/s;rω是车辆偏移率,单位是度/s;β是侧滑角,单位为度;

通过上述公式，可以计算得出以下结论：

通过以上5个公式，运用Labview软件建立二自由度的汽车模型。

1.3状态估计模型

建立一个状态估计模型来确定公式稳定系数K，然后我们使用它来确定转向时车辆的状态。这种状态可能不足转向,转向正常,转向过度三种情况。得出前后轮转角公式[2][3]：

稳定系数K的公式如下所示：

汽车运动状态判定方式：

（1）当K>0,汽车处于转向过度的状态。

（2）当K<0,汽车处于转向不足的状态。

（3）当K=0,汽车行驶状态正常。

2.实训台软件设计

2.1Labview综述

Labview软件是一种程序开发环境，由美国国家仪器公司研制。Labview是NI设计平台的关键，是开发测量或者控制系统的选择。Labview的开发快速构建各种应用所需要的所有工具，可帮助工程师与科学家解决问题以及提高生产力和不断创新。

2.2实训台系统硬件组成

设计的ESP实训台软件系统所基于的硬件布局如图3所示。由ADAM4017（1）、（2）采集左前、右前、左后、右后轮转速传感器，左前轮压力传感器等和方向盘转角传感器、侧方向加速度传感器、横摆角速度传感器等的数据，通过ADAM4520转换传递到电脑中的Labview软件中进行数据处理，判断出是否连接正常，是否存在故障。之后再通过ADAM4520将处理完成的数据传递给ADAM4024或者ADAM4068，之后，对轮胎的电磁阀进行控制，或者改变发动机副节气门电机电流大小或喷油器电磁线圈。软件的整体流程图4所示，从初始化到数据监测，数据处理分析，到控制策略选择，在对车轮或发动机进行控制，直至恢复正常，得到修正，最终结束。

图3　ESP实训台硬件布局

图4　ESP实训台软件流程图

2.3实训台软件用户交互界面设计

ESP前面板设计了各轮的车速，制动力等的曲线图，转向角度数显示图，发动机各参数表格和ADAM4017 （1）、4017（2）的数据采集表格。如图5、6所示

2.4实训台软件设计

首先，建立一个数据采集的整体平台。电脑连接数据线，数据线连接ADAM4520,ADAM4520与ADAM4017、ADAM4024、ADAM4068相连。建立一个程序框图，将各个接口通过程序依次对它们进行排列，赋予它们各自的地址，当想要使用ADAM4017 （1）或者（2）时，可直接进行选择。用Labview设计COM框图，用来检验整个平台是否能够导通，与电脑连接正确。

其次，创建一个条件结构。在条件结构中，设立两个条件层次，一是无错误，二是有错误。在此条件结构下，再建立一个条件结构。在无错误的结构里，新建的条件结构构建“初始化”“开始”“停止”三个层。在错误的框图下，与“停止”按钮相连。如果一开始发生错误，那么直接不会运行程序。在“开始”的框图下，建立一个事件结构。事件结构由“stop”“初始化”“开始测试”“保存数据”等几个层组成。当在前面板按下“开始测试”时，事件结构“开始测试”的程序框图下有公式的判断，进行相关的计算，求出汽车的状态；事件结构“保存参数”，数据通过4017写入，当按下前面板的保存数据时，那么导入的数据将存储在前面的表格框中。在公式其他条件不变的情况下，当发生变化突然的增大时，Labview中通过公式节点对复杂公式进行编写，之后进行计算，判断出其问题，将在前面板中显示。同时，将其哪个轮子偏移的多少角度也能在前面板中显示。

图5　实训台软件用户交互界面1

图6　实训台软件用户交互界面2

导入的数据经过处理后，会带入进相应的公式对K进行判断，那么前面板会根据计算结果引起显示灯、制动力、动力波形图的改变。

3.实验现象

实验所传递数据车轮转速较大时，并发生侧移现象时，前面板所显示偏移和超速灯将呈现“1”亮起，说明了转向过度；当发生侧移现象，前面板的偏移灯亮起，而超速灯并没有亮起，则说明了在转弯时转向不足。当数据一切正常时，前面板的显示灯不会变化。当转向过度情况发生时，制动波形图中制动力呈曲线上升态势，而动力波形图中动力呈曲线下降趋势，参数4068-2的表格中节气门进气量逐渐减少，发动机喷油量逐渐减少，这样可以使转向过度的情况得以化解。当转向不足的情况发生时，之动波形图中制动力在一定范围内保持不变，而动力波形图中曲线呈上升趋势，参数4068-2表格中节气门进气量和喷油嘴喷油量呈上升趋势使汽车动力得以增加来解决转向不足的情况。

4.实验结论

当车轮状态出现不同于驾驶员想要行驶的原路线时，ESP 系统会判断其状态，进行修正。当左前轮过度转向时，ESP会减小左前轮的制动力，进气量和喷油嘴的喷油量都会相应上升，减小动力，从而可以修正左前轮，并且其余车轮不发生改变。

5.未来的展望

本文基于Labview软件和研华公司数据采集、控制模块实现了ESP试验台的软件设计。软件通过对车辆模拟数据的采集，对数据进行处理和分析，判断车辆所处的稳定状态，并根据设计的控制策略，在车辆处于不同稳定状态时模拟实现对车辆制动及发动机输出转矩的控制，很好实现的实验台软件应有的功能。基于所设计的软件，可良好实现对所开发的ESP系统的检测，为ESP系统的批量生产提供了良好测试平台。

参考文献：

[1] 安丽华.汽车电子稳定性程序（ESP）控制方法及联合仿真研究[D].南京理工大学硕士学位论文.2010年.

[2] FU Yanrong,WANG Guoye and GUAN Zhiwei: Simulation Study on ESP Integrated Control Unit for the Automobile.MD&ME.Forum Vol.43-2(2014) ,p.35-40.

[3] YU Fan and LIN Yi ,in: Vehicle System Dynamics,edited by China Machine,Beijng,NY(2005),in Press.

注：大学生创新项目资助，项目编号: cs1506002。

指导老师：罗素云。