汽车底盘多ecu协调控制试验台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了汽车底盘多ECU协调控制试验台，弥补对车辆协调控制系统的硬件在环试验内容不足的问题，汽车底盘多ECU协调控制试验台包括实时平台和硬件部分。实时平台由上位机与dSPACE组成，上位机与dSPACE通过PCMCIA总线连接。硬件部分包括电控单元组件等；电控单元组件包括整车协调控制ECU、主动悬架ECU、ESC/TCS/ABS?ECU、线控转向ECU与地面负载模拟ECU。整车协调控制ECU、主动悬架ECU、ESC/TCS/ABS?ECU、线控转向ECU、地面负载模拟ECU的CAN接口高端与接口低端通过双绞线和dSPACE?DS2202板卡第一路CAN总线的CAN1H与CAN1L连接。
【专利说明】汽车底盘多ECU协调控制试验台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种底盘控制试验台，更具体地说，它涉及一种汽车底盘多ECU协调控制试验台。
【背景技术】
[0002]随着道路条件改善和汽车技术提高，汽车行驶速度不断提升，与此同时对车辆主动安全性能要求也不断提高。近年来，车辆控制系统已在某些方面取得了成功的应用，如防抱死制动系统、牵引力控制系统、电子操纵稳定性控制、线控转向系统等，并逐渐向主动悬架和四轮转向等方面拓展。然而，这些系统因为自身要完成某些特定功能的特性，对于车整体的动力学性能都存在着某些局限。例如，主动制动会显著影响车辆质心侧偏角，增加侧倾危险；而线控转向在轮胎力达到饱和状态时便失去了控制作用。汽车作为一个整体，往往集成多种系统，如何使这些主动安全控制系统有效合理的协调工作是车辆底盘控制技术发展的必然趋势。因此以实现车辆整体性能最优为目标的多ECU协调控制成为现今车辆控制领域研究的新热点。
[0003]目前国内对这种集成多E⑶的试验台研究较少，多是将ABS (Ant1-lock BrakingSystem防抱死制动系统)/TCS (Traction Control System牵引力控制系统)/ESC(Electronic Stability Control电子稳定控制系统)控制EQJ,线控转向EQJ,汽车主动悬架控制ECU，整车性能协调控制ECU的两种或是三种集成到一个实验台上，经检索还未有将四种集成于同一试验台的。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是弥补现有技术对车辆协调控制系统的硬件在环试验内容不足的问题，提供了一种汽车底盘多ECU协调控制试验台。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的:所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台包括实时平台和硬件部分。
[0006]实时平台是由上位机与dSPACE组成，上位机与dSPACE之间采用PCMCIA总线连接。
[0007]dSPACE包括型号为DS2211的多路1/0板卡、型号为DS2202的多路1/0板卡和V/F转换模块；
[0008]型号为DS2211的多路1/0板卡和dSPACE的主机中对应的硬件接口之间采用PCI总线连接，型号为DS2202的1/0板卡和dSPACE的主机中对应的硬件接口之间采用PCI总线连接，型号为DS2211的多路1/0板卡的第I至第4PWM测量输入端和四个V/F转换模块输出端之间电线连接，型号为DS2202的1/0板卡的第I至第4D/A通道和四个V/F转换模块输入端之间采用电线连接。
[0009]硬件部分包括电控单元组件，即包括整车协调控制E⑶、主动悬架E⑶、ESC/TCS/ABS E⑶、线控转向E⑶与地面负载模拟E⑶。[0010]整车协调控制E⑶、主动悬架E⑶、ESC/TCS/ABS E⑶、线控转向E⑶、地面负载模拟E⑶的CAN接口高端与接口低端通过双绞线和dSPACE中DS2202板卡第一路CAN总线的高端CANlH与低端CANlL连接。
[0011]技术方案中所述的硬件部分还包括传感器组件，传感器组件包括方向盘转角传感器、油门位置传感器、制动开关传感器、主缸压力传感器、轮缸压力传感器、I号力矩传感器、2号力矩传感器与线位移传感器。轮缸压力传感器包括左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器与右后轮轮缸压力传感器；主缸压力传感器包括制动主缸前腔压力传感器和制动主缸后腔压力传感器。方向盘转角传感器的输出端与型号为DS2211的多路I/O板卡的第1A/D通道电线连接，油门位置传感器的输出端与型号为DS2211的I/O板卡的第2A/D通道电线连接，制动开关传感器的输出端与型号为DS2211的I/O板卡的第3A/D通道电线连接，左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器、制动主缸前腔压力传感器与制动主缸后腔压力传感器的输出端依次和型号为DS2211的多路I/O板卡的第4至第9A/D通道电线连接。
[0012]技术方案中所述的I号力矩传感器通过电线连接到线控转向ECU，2号力矩传感器通过电线连接到地面负载模拟ECU，线位移传感器通过电线连接到线控转向ECU。
[0013]技术方案中所述的硬件部分还包括HCU驱动器、路感电机驱动器、转向执行电机驱动器与负载电机驱动器。HCU驱动器与液压控制单元HCU之间通过电线连接；路感电机驱动器与线控转向ECU之间通过电线连接；转向执行电机驱动器与线控转向ECU之间通过电线连接；负载电机驱动器与地面负载模拟ECU之间通过电线连接。
[0014]技术方案中所述的硬件部分还包括地面负载模拟系统，地面负载模拟系统包括2号力矩传感器、负载电机与负载电机驱动器。负载电机与线控转向系统的转向器米用2号力矩传感器机械连接，即负载电机与2号力矩传感器之间采用梅花联轴器连接，2号力矩传感器与转向器之间采用梅花联轴器连接；负载电机选用北京勇光高特微电机有限公司生产的200LYX01稀土永磁直流力矩电动机。
[0015]技术方案中所述的硬件部分还包括线控转向系统，线控转向系统包括方向盘总成、转向执行总成。所述的方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、I号力矩传感器、路感电机及路感电机驱动器。方向盘转角传感器的输出端和dSPACE中型号为DS2211的多路I/O板卡的第1A/D通道电线连接，方向盘转轴与路感电机采用I号力矩传感器机械连接，即方向盘转轴与I号力矩传感器之间采用梅花联轴器连接，I号力矩传感器与路感电机之间米用梅花联轴器连接。所述的转向执行总成包括转向执行电机、转向执行电机驱动器、转向器与线位移传感器。转向执行电机与转向器机械连接，转向执行电机与转向执行电机驱动器电线连接，转向器为齿轮齿条结构，转向器与线位移传感器通过螺栓固定连接，转向器通过十字万向节与地面负载模拟系统中的2号力矩传感器机械连接。所述的路感电机选用北京勇光高特微电机有限公司生产的90LWX型永磁无刷直流力矩电动机；转向执行电机选用型号为JLT-80的交流电机。
[0016]与现有技术相比本实用新型的有益效果是:
[0017]1.本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台实现了多系统的硬件在环，对各电控系统控制算法的开发和结果验证具有实际意义，使得结果更加准确。
[0018]2.本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台在进行硬件在环仿真试验时，试验工况和驾驶工况由计算机模拟实现，更加灵活，不受人员、场地和天气等外部因素的影响，可模拟较为复杂和危险的工况，减少测试成本并缩短开发周期。
[0019]3.本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台在单独底盘控制系统开发和多系统协调开发过程中，采用本试验台进行试验，可以对控制算法在线调试，方便多种工况下各种控制参数的调试。很好的解决离线仿真开发过程所不能解决的实时性检测与协调性检测问题。
[0020]4.本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台可以建立多控制器的硬件在环平台，除单独控制器测试之外，还可以进行多控制器网络通讯等测试，更接近实际车辆底盘控制系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面结合附图对本实用新型作进一步的说明:
[0022]图1是本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台结构组成示意框图；
[0023]图2是本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台进行快速原型试验时的结构组成示意框图；
[0024]图3是本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台所采用的线控转向系统结构组成示意图；
[0025]图4是本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台所采用液压制动系统结构组成示意框图；
[0026]图5是本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台所采用的底盘多ECU协调控制的分层控制示意框图；
[0027]图6是本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台工作的流程框图；
[0028]图中:1.整车协调控制E⑶，2.主动悬架E⑶，3.ESC/TCS/ABS ECU，4.线控转向E⑶，5.地面负载模拟E⑶，6.方向盘转角传感器，7.油门位置传感器，8.制动开关传感器，9.主缸压力传感器，10.轮缸压力传感器，11.方向盘，12.加速踏板，13.制动踏板，14.制动主缸，15.液压控制单元HCU，16.HCU驱动器，17.车轮制动器，18.1号力矩传感器，19.路感电机，20.路感电机驱动器，21.转向执行电机，22.转向执行电机驱动器，23.转向器，24.线位移传感器,25.负载电机,26.负载电机驱动器,27.2号力矩传感器。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本实用新型作详细的描述:
[0030]本实用新型提供了一种汽车底盘多ECU协调控制试验台，所要解决的技术问题是保证试验台具有良好的实时性，能够实现在各种行驶工况下车辆动力学模型、车辆控制算法、各ECU、各执行器以及各传感器之间的实时通讯。
[0031]为解决上述技术问题，本实用新型利用基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的dSPACE作为汽车底盘多ECU协调控制试验台的实时平台。采用dSPACEDS1005标准组件系统结合RTI (Real-Time Interface)实时工具、试验过程综合管理工具ControlDesk、多功能I/O板卡、整车协调控制ECU1、主动悬架ECU2、ESC/TCS/ABS ECU3、线控转向E⑶4、地面负载模拟E⑶5以及CAN总线自主开发了汽车底盘多E⑶协调控制试验台。本实用新型所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台可划分为:实时平台和硬件部分。
[0032]实时平台由上位机和dSPACE组成。上位机中安装有采用Matlab/Simulink建立的车辆动力学模型和车辆底盘控制算法，并通过RTI (Real-Time Interface)将车辆动力学模型和车辆底盘控制算法编译成为可以在dSPACE中运行的实时代码，通过PCMCIA总线将可以在dSPACE中运行的实时代码下载到dSPACE中，dSPACE中的处理器板卡DS1005需要运行车辆动力学模型及车辆底盘控制算法的实时代码。dSPACE中的信号处理部分是由型号为DS1005的处理器板卡，型号为DS2211的多路I/O板卡，型号为DS2202的多路I/O板卡，型号为DS4003定时板卡、数字I/O板卡和V/F转换模块组成。DS2202、DS2211等板卡需要完成信号的采集与发送，如方向盘转角传感器信号、压力传感器信号、油门踏板信号等信号的采集以及快速原型试验时对线控转向系统执行器、制动系统执行器控制信号的输出。轮速脉冲生成模块用于模拟轮速传感器产生的脉冲信号。
[0033]硬件部分包括地面负载模拟系统、线控转向系统、液压制动系统、悬架系统的硬件执行部分、各E⑶以及各传感器。整车协调控制E⑶1、主动悬架E⑶2、ESC/TCS/ABS E⑶3、线控转向ECU4、地面负载模拟ECU5内下载有各ECU相应的控制算法。各ECU从CAN总线中采集dSPACE车辆动力学模型中的整车信号、车辆姿态信号以及其它信息，通过电线连接采集所需的传感器信号。dSPACE DS1005运行车辆模型，整车协调控制E⑶I运行底盘协调控制算法，通过CAN总线向其它ECU发送控制信号。其它ECU接收整车协调控制ECUl的控制信号，运行控制算法。ESC/TCS/ABS E⑶3、线控转向E⑶4、地面负载模拟E⑶5通过电线对相应的执行机构输出控制信号，主动悬架E⑶2通过CAN总线对dSPACE悬架模型输出控制信号。
[0034]通过试验过程综合管理工具ContiOlDesk在工控机上实时显示出各控制信号和车辆状态的信息，同时dSPACE通过PCMCIA总线将所有信息反馈至上位机，以便判断试验结果。由此便实现了汽车底盘多ECU协调控制试验台的实时测试与控制功能。
[0035]1.实时平台
[0036]汽车底盘多E⑶协调控制试验台的实时平台是由上位机、dSPACE组成。
[0037]上位机主要功能为:安装有运用Matlab/Simulink编写的车辆动力学模型及车辆底盘控制算法，能够进行离线仿真；将车辆模型和控制算法编译成可以在dSPACE运行的实时代码。安装有试验过程综合管理软件ControlDesk，能与实时程序进行动态数据交换，进行在线参数调试，数据的实时记录；图形化管理实时硬件，包括硬件注册，程序下载等；可视化管理变量，在变量和虚拟仪表之间建立联系；通过参数文件对实时试验进行参数的批修改，研究不同参数、参数组对试验的影响。
[0038]dSPACE的功能为作为实时平台，运行车辆模型和控制算法的实时代码，并且完成各种信号的采集、输出。dSPACE与上位机之间采用PCMCIA总线连接。
[0039]dSPACE中的信号采集和发送系统由若干多功能I/O板卡组成。具体地说，包括由型号为DS1005的处理器板卡，型号为DS2211的多路I/O板卡，型号为DS2202的多路I/O板卡，型号为DS4003定时板卡、数字I/O板卡。另外，还有V/F转换模块。
[0040]I)型号为DS1005的处理器板卡
[0041]型号为DS1005的处理器板卡是具有PCI总线接口和PHS总线接口的处理器板卡，它采用了 IBM PowerPC750GX处理器，运行频率1GHz。通过PCI总线和dSPACE的主机中对应的硬件接口连接，通过内部高速总线一PHS总线扩展各种I/O板卡。
[0042]2)型号为DS2211的多路I/O板卡
[0043]型号为DS2211的I/O板是具有PCI总线接口和PHS总线接口的多路I/O板，它具有16路14位差分A/D通道(多路传输)；20路12位D/A通道(具有独立接地读出线)最大24路PWM测量输入(最高50ns分辨率；0.0lHz?IOOkHz)、38路数字输入(其中24路与PWM输入共用)；16路数字输出、9路PWM输出(16位分辨率，0.0lHz?IOOkHz) ；2路CAN ;串行接口(RS232，RS422)。型号为DS2211的多路I/O板卡采集V/F转换模块输出的轮速信号；采集四个车轮及主缸的制动压力信号；采集方向盘转角信号；采集节气门位置信号。
[0044]3)型号为DS2202的多路I/O板卡
[0045]型号为DS2202的I/O板卡是具有PCI总线接口和PHS总线接口的多路I/O设备，该产品拥有16路14位差分A/D通道(多路传输)；20路12位D/A通道(具有独立接地读出线);最大24路PWM测量输入(最高50ns分辨率，0.0lHz?IOOkHz); 16路数字输入(与PWM输入共用)；16路数字输出；9路PWM输出(16位分辨率，0.0lHz?IOOkHz) ；2路CAN ;串行接口(RS232，RS422);基于角度的信号处理单元，可处理8路点火信号、8路喷油信号，产生I路曲轴信号、2路凸轮轴信号和4路轮速或爆震信号。本试验台使用型号为DS2202的多路I/O板卡的第一路CAN总线。型号为DS2202的多路I/O板卡用于输出与四个车轮轮速对应的模拟电压给V/F转换模块；输出车辆动力学模型中的汽车纵、侧向加速度，横摆角速度信号。
[0046]4)轮速脉冲生成模块一V/F转换模块
[0047]轮速脉冲生成模块用于模拟轮速传感器产生的脉冲信号。实际车辆轮速脉冲频率范围为(0-5000)HZ。车辆轮速值可以通过数据采集卡依标准方波的形式输出，车辆轮速值对应着一定的脉冲频率，或一定的脉冲周期。通过软件编程的方法可以模拟所需的方波信号，轮速方波信号的频率越高，所模拟的轮速信号越准确，但是方波信号的周期必须大于仿真步长,而仿真步长过小将增加dSPACE实时内核的计算量，降低实时内核的实时性,甚至使实时内核崩溃。由于dSPACE内核的限制，高频率脉冲无法通过软件手段实现。因此，本实用新型采用模拟量输出数据采集卡和V/F转换模块作为轮速脉冲生成器。模拟量输出采用型号为DS2202的I/O板，它提供20路12位的D/A模拟量输出通道(具有独立接地读出线)，而V/F转换模块为深圳顺源科技生产的(V/F)导轨式转换模块。共采用4个V/F转换模块，汽车动力学实时模型产生的轮速信号通过型号为DS2202的I/O板卡转换为4路0-5V电压信号，再经V/F转换模块转换为0-5k HZ的脉冲信号。
[0048]型号为DS2211的多路I/O板卡和dSPACE的主机中对应的硬件接口之间采用PCI总线连接，型号为DS2202的I/O板卡和dSPACE的主机中对应的硬件接口之间也采用PCI总线连接，型号为DS2202的I/O板卡和四个V/F转换模块输入端之间采用电线连接，四个V/F转换模块输出端和型号为DS2211的多路I/O板卡之间采用电线连接。
[0049]确切地说，型号为DS2211的多路I/O板卡的第1A/D通道和方向盘转角传感器6的输出端电线连接，采集方向盘转角信号；型号为DS2211的I/O板卡的第2A/D通道和油门位置传感器7的输出端电线连接，采集油门位置信号；型号为DS2211的I/O板卡的第3A/D通道和制动开关传感器8的输出端电线连接，采集制动开关信号；型号为DS2211的多路I/O板卡的第4至第9A/D通道分别和轮缸压力传感器10即左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器与主缸压力传感器9即制动主缸前腔压力传感器和制动主缸后腔压力传感器的输出端电线连接，采集四个车轮上的制动轮缸压力信号和制动主缸前腔、制动主缸后腔压力信号；型号为DS2211的多路I/O板卡的第I至第4PWM测量输入端和四个V/F转换模块输出端之间电线连接，采集车速信号；型号为DS2202的I/O板卡的第I至第4D/A通道和四个V/F转换模块输入端之间采用电线连接，输出车速模拟车速信号。型号为DS2202的多路I/O板卡第一路CAN总线输出车辆动力学模型中的汽车纵、侧向加速度，横摆角速度信号。
[0050]2.硬件部分
[0051]I)地面负载模拟系统
[0052]汽车底盘多ECU协调控制试验台中的地面负载模拟系统用来模拟实际车辆在地面行驶时地面对转向系统的作用力矩。地面负载模拟系统主要部分为2号力矩传感器27、负载电机25及负载电机驱动器26。
[0053]负载电机25与线控转向系统的转向器23通过2号力矩传感器27机械连接。负载电机25与2号力矩传感器27之间通过梅花联轴器连接,2号力矩传感器27与转向器23之间通过梅花联轴器连接。2号力矩传感器27测得的负载电机25与线控转向系统的转向执行总成之间的力矩通过硬线传给地面负载模拟ECU5。地面负载模拟ECU5接收并处理力矩信号以及CAN总线上的其他整车信号，对负载电机驱动器26发出控制信号。
[0054]本试验台地面负载模拟系统中的负载电机25选用北京勇光高特微电机有限公司生产的200LYX01稀土永磁直流力矩电动机。其峰值堵转转矩为19N.M,峰值堵转电流为
7.2V，峰值堵转电压为48V，最大空载转速为373r/min。
[0055]2)线控转向系统
[0056]参阅图3，汽车底盘多ECU协调控制试验台中的线控转向系统包括方向盘总成和转向执行总成。
[0057]方向盘总成包括方向盘11、方向盘转角传感器6、I号力矩传感器18、路感电机19及路感电机驱动器20。方向盘转角传感器6测量驾驶员的方向盘转角信号,dSPACE中型号为DS2211的多路I/O板卡的第1A/D通道和方向盘转角传感器6的输出端电线连接，采集方向盘转角信号，由dSPACE的CAN总线发出。方向盘转轴与路感电机19通过I号力矩传感器18机械连接。即方向盘转轴与I号力矩传感器18之间通过梅花联轴器连接，I号力矩传感器18与路感电机19通过梅花联轴器连接。I号力矩传感器18检测路感电机19与转向柱间力矩。路感电机19提供给驾驶员相应的路感信息。
[0058]转向执行总成包括转向执行电机21、转向执行电机驱动器22、转向器23、线位移传感器24。
[0059]转向执行电机21与转向器23机械连接，产生转向所需力矩。转向执行电机21与转向执行电机驱动器22电线连接，转向器23为齿轮齿条式，转向器23与线位移传感器24通过螺栓固定连接，线位移传感器24用来测量转向器23齿条位置信号。转向器23通过十字万向节与地面负载模拟系统的2号力矩传感器27机械连接。
[0060]本试验台线控转向系统中的路感电机19选用北京勇光高特微电机有限公司生产的90LWX型永磁无刷直流力矩电动机。其峰值堵转转矩为3N.M,峰值堵转电流为7.2V，峰值堵转电压为27V，最大空载转速为480r/min。转向执行电机21选用型号为JLT-80交流电机，额定电压为12V，额定电流为8A。
[0061]3)液压制动系统
[0062]参阅图4，汽车底盘多ECU协调控制试验台的液压制动系统包括有制动踏板13、制动主缸14、液压控制单元HCU (Hydraulic Control Unit) 15、车轮制动器17以及传感器。制动踏板13通过拉杆与制动主缸14机械连接。制动系统执行器采用的是BOSCH液压控制单元8.0。液压控制单元HCU15和制动主缸14与车轮制动器17的轮缸通过制动管路连接。油门位置传感器7采集加速踏板12位置信号。制动开关传感器8采集制动踏板13有无动作。主缸压力传感器9和轮缸压力传感器10分别测量制动主缸14前后腔和各车轮制动器17轮缸压力信号。ESC/TCS/ABS E⑶3采集处理方向盘转角传感器6、油门位置传感器7、制动开关传感器8、主缸压力传感器9以及CAN总线上的其他整车信号，对HCU驱动器16发出数字开关及PWM控制信号。
[0063]4)悬架系统
[0064]本试验台没有悬架系统的硬件执行器，采用了 dSPACE中的悬架模型代替实车中悬架系统的执行器。主动悬架E⑶2从CAN总线中获取整车协调控制E⑶I的目标值控制信号，整车动力学模型中的簧载及非簧载质量的速度、加速度信号，经内部控制算法计算，对悬架模型发出调节阻尼力的电压信号。
[0065]5)传感器组件
[0066](I)方向盘转角传感器6
[0067]方向盘转角传感器6用来测量驾驶员的转向输入，本实用新型中采用BI科技公司生产的LH3型汽车转向传感器，输出转角和扭矩，工作最大电压16V，量程可达±720°，转角输出精度为1.5%，扭矩输出精度为3%。方向盘转角传感器6安装在转向柱上，本试验台采用了 I个方向盘转角传感器6。该传感器的测量原理是相对式，安装时需要固定外壳，并将内圈通过花键与方向盘11转轴连接。
[0068](2)油门位置传感器7
[0069]油门位置传感器7用来监测驾驶员加速输入，本实用新型中采用南京奥联汽车电子公司生产的型号为TBQ-7加速踏板，其位置传感器为角位移传感器，可将踏板的角位移经机械装置放大，并转换为旋转磁场，通过非接触式霍尔传感器测得踏板角位移。传感器输出为5V独立线性度双输出，输出电压分别为0.35-2.1V和0.7-4.2V。
[0070](3)制动开关传感器8
[0071]制动踏板开关作为一个开关量信号，主要是测量车辆是否处于驾驶员操作的制动工况。本试验台选用台湾MOUJEN公司生产的拨片开关ME9101，可以通过与制动踏板13的进行机械连接完成安装。
[0072](4)力矩传感器(I号力矩传感器18、2号力矩传感器27)
[0073]线控转向系统中的I号力矩传感器18用来测量路感电机19产生的力矩大小。地面负载模拟系统中的2号力矩传感器27测量负载电机25的力矩大小。本实用新型中的力矩传感器均采用北京航天空气动力研究院生产的AKC-215动态扭矩传感器(包括其信号调理盒、电源)。其测量范围为-20Nm至20Nm，允许转速小于等于5000转/分，输出信号幅值为-5V至+5V，力矩输出精度为±0.5%，直线度为±0.5%，重复度为±0.5%。
[0074](5)压力传感器(主缸压力传感器9与轮缸压力传感器10)[0075]压力传感器用来测量制动系统中各轮缸制动压力和制动主缸前、后腔压力。本实用新型中采用瑞士 Keller公司生产的PA-21PR0压力传感器，其量程为0_20MPa，输出信号为4?20mA的电流信号，通过串联250Ω精变电阻，可将压力传感器输出的电流信号转化为1-5V的标准电压信号，供电电压为8-28V直流电压，最大需求电流25mA，负载阻抗ΚΩ = (U-SV)/0.02A，精度可达0.5%。压力传感器通过三通安装在液压制动系统的制动管路间。本试验台采用了 6个压力传感器，即左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器、制动主缸前腔压力传感器和制动主缸后腔压力传感器。安装时需要借助具有压力测量口的三通将其连入测量油路中，最后将其固定在试验台上。
[0076](6)线位移传感器24
[0077]线位移传感器24测量转向器23齿轮齿条机构的直线位移量，进而得到转向轮转角大小。本试验台选用北京宇顺顺通科技有限公司生产的型号为WDL200的直线位移传感器(配有电源和信号调理模块)，供电电压为29V,信号调节模块输出信号电压0-5V。
[0078]6)电控单元组件
[0079]( I)整车协调控制E⑶I
[0080]整车协调控制ECUl是底盘控制系统的顶层，它实时计算悬架作动器作用力、轮胎纵向力和侧向力的变化，经过协调分配，对悬架、转向及制动系统进行协调。整车协调控制E⑶I的CAN接口高端和低端通过双绞线连接到dSPACE DS2202板卡第一路CAN总线的高端(CANlH)和低端(CANlL)。整车协调控制ECUl从CAN总线中获取来自ESC/TCS/ABS ECU的方向盘转角信号以及dSPACE车辆动力学模型中的纵侧向加速度信号，轮速信号，横摆角速度信号等其他整车信号。整车协调控制E⑶I可以控制主动悬架E⑶2、ESC/TCS/ABS E⑶3、线控转向E⑶4，对主动悬架E⑶2发出阻尼力的目标值信号，对ESC/TCS/ABS E⑶3发出主动横摆力矩的目标值信号，对线控转向ECU4发出叠加的转向角的目标值信号，使整车平顺性、制动性及操纵稳定性达到较好效果。
[0081](2)主动悬架 ECU2
[0082]本试验台没有悬架系统的硬件执行器，采用了 dSPACE中的悬架模型代替实车中悬架系统的执行器。主动悬架E⑶2的CAN接口高端和低端通过双绞线连接到dSPACEDS2202板卡第一路CAN总线的高端(CANlH)和低端(CANlL)。主动悬架ECU2从CAN总线中获取整车协调控制ECUl的目标值控制信号，整车动力学模型中的簧载及非簧载质量的速度、加速度信号，经内部控制算法计算，对dSPACE悬架模型发出调节阻尼力的电压信号。
[0083](3) ESC/TCS/ABS ECU3
[0084]ESC/TCS/ABS ECU3的CAN接口高端和低端通过双绞线连接到dSPACE DS2202板卡第一路CAN总线的高端(CANlH)和低端(CANlL)。
[0085]ESC/TCS/ABS E⑶3获取传感器的方向盘转角信号、油门位置信号、制动开关信号、主缸压力信号，从CAN总线上获取整车协调控制E⑶I的目标值控制信号以及整车动力学模型的其他整车信号，对路感电机驱动器20及转向执行电机驱动器22发出控制信号。
[0086](4)线控转向 ECU4
[0087]线控转向E⑶4的CAN接口高端和低端通过双绞线连接到dSPACE DS2202板卡第一路CAN总线的高端(CANlH)和低端(CANlL)。线控转向E⑶4获取与路感电机19机械连接的I号力矩传感器18的力矩信号、方向盘转角信号，并从CAN总线上获取整车协调控制ECUl的目标值控制信号以及整车动力学模型的其他整车信号，对液压控制单元HCU16发出数字开关及PWM控制信号。
[0088](5 )地面负载模拟ECU5
[0089]地面负载模拟E⑶5中包括负载模拟控制策略。地面负载模拟E⑶5的CAN接口高端和低端通过双绞线连接到dSPACE DS2202板卡第一路CAN总线的高端(CANlH)和低端(CANlL)。地面负载模拟E⑶5接收与负载电机25机械连接的2号力矩传感器27的信号，并且从CAN总线上获取方向盘转角信号以及dSPACE车辆动力学模型中的其他信号，如车速、地面附着系数等，对负载电机25发出控制信号，控制负载电机25模拟地面负载的力矩大小。
[0090]这样，所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台的硬件部分包括有方向盘11、加速踏板12、制动踏板13、路感电机19、路感电机驱动器20、转向执行电机21、转向执行电机驱动器22、转向器23、负载电机25、负载电机驱动器26、液压控制单元HCU15、HCU驱动器16、车轮制动器17 (包括左前车轮制动器、右前车轮制动器、左后车轮制动器、右后车轮制动器)、传感器组件(方向盘转角传感器6、油门位置传感器7，制动开关传感器8、I号力矩传感器18、2号力矩传感器27、线位移传感器24、主缸压力传感器9 (制动主缸前腔压力传感器、制动主缸后腔压力传感器)、轮缸压力传感器10 (左前车轮轮缸压力传感器、右前车轮轮缸压力传感器、左后车轮轮缸压力传感器、右后车轮轮缸压力传感器)、电控单元组件(整车协调控制E⑶1、主动悬架E⑶2、ESC/TCS/ABS E⑶3、线控转向E⑶4、地面负载模拟E⑶5)、制动管路以及电气连接所必须的导线。
[0091]上位机与dSPACE之间通过PCMCIA总线连接。本试验台使用型号为DS2202的多路I/O板卡的第一路CAN总线。各E⑶的CAN接口高端和低端分别通过双绞线连接到dSPACE中型号为DS2202的多路I/O板卡的第一路CAN总线的高端(CANlH)和低端(CANlL)。
[0092]dSPACE中型号为DS2211的多路I/O板卡的第1A/D通道和方向盘转角传感器6的输出端电线连接，采集方向盘转角信号；型号为DS2211的I/O板卡的第2A/D通道和油门位置传感器7的输出端电线连接，采集油门位置信号；型号为DS2211的I/O板卡的第3A/D通道和制动开关传感器8的输出端电线连接，采集制动开关信号；型号为DS2211的多路I/O板卡的第4至第9A/D通道依次和车轮制动器17中的左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器和制动主缸14上的制动主缸前腔压力传感器与制动主缸后腔压力传感器的输出端电线连接，采集四个车轮上的制动压力信号、制动主缸前腔压力信号与制动主缸后压力信号；型号为DS2211的多路I/O板卡的第I至第4PWM测量输入端和四个V/F转换模块输出端之间电线连接，采集车速信号；型号为DS2202的I/O板卡的第I至第4D/A通道和四个V/F转换模块输入端之间采用电线连接，输出车速模拟车速信号。型号为DS2202的多路I/O板卡第一路CAN总线输出车辆动力学模型中的汽车纵、侧向加速度，横摆角速度信号。轮缸压力传感器10通过电线连接到ESC/TCS/ABS E⑶3。线位移传感器24、I号力矩传感器18通过电线连接到线控转向E⑶4。地面负载模拟系统测量负载电机25扭矩的2号力矩传感器27通过电线连接到地面负载模拟E⑶5。整车协调控制E⑶1、主动悬架E⑶2通过CAN总线对dSPACE中的车辆动力学模型(包括悬架模型)发送控制信号，ESC/TCS/ABS E⑶3通过电线连接对HCU驱动器16发送数字开关及PWM控制信号。线控转向ECU4通过电线对线控转向系统的路感电机驱动器20及转向执行电机驱动器22发送控制信号。地面负载模拟ECU5通过电线对模拟负载系统的负载电机驱动器26发送控制信号。方向盘转角传感器6内圈通过花键固定在方向盘11转轴上。方向盘11转轴通过梅花联轴器与I号力矩传感器18连接，I号力矩传感器18通过梅花联轴器与路感电机19连接。路感电机19与路感电机驱动器20通过电线连接。油门位置传感器7安装在油门踏板下方，用螺钉固定在实验台上。制动开关传感器8通过螺钉固定到试验台上，并保证制动踏板13与制动开关传感器8拨片相接触。压力传感器安装时需要借助具有压力测量口的三通将其连入测量油路中，即主缸前腔压力传感器和主缸后腔压力传感器依次安装在制动主缸14的前、后腔室上，轮缸压力传感器10分别连入车轮制动器17的轮缸进油端的管路上，然后将他们用螺钉固定在试验台台架上。制动踏板13通过推杆与制动主缸14连接。制动主缸14与液压控制单元HCU15之间通过油路连接。液压控制单元HCU15与四个车轮制动器17之间通过油路连接。液压控制单元HCU15与HCU驱动器16之间通过电线连接。线控转向系统的转向执行电机21与齿轮齿条转向器23的齿轮通过花键连接。转向执行电机21与转向执行电机驱动器22通过电线连接。线位移传感器24与转向器23通过螺栓固定连接。转向器23与2号力矩传感器27之间通过梅花联轴器连接。2号力矩传感器27与地面负载模拟系统的负载电机25通过梅花联轴器连接。负载电机25与负载电机驱动器26通过电线连接。
[0093]汽车底盘多E⑶协调控制试验台的工作原理:
[0094]在上位机中安装有dSPACE、ControlDesk、TargetLink 和米用 Matlab/Simulink 建立的车辆动力学模型和底盘多E⑶协调控制控制算法。车辆动力学模型主要包括:整车模型、悬架模型、发动机模型、传动系模型、车轮运动模型、轮胎模型等。车辆底盘多ECU协调控制控制算法主要指与车辆主动安全有关的各种优化车辆性能的控制算法。本试验台设计了两套连接方式，通过试验台控制面板上的开关控制继电器以实现切换，开关处于断开状态时，进行快速原型硬件在环试验研究，控制算法在dSPACE中运行；开关处于接通状态时，进行底盘多ECU协调控制硬件在环试验研究，控制算法在各ECU中运行。上位机通过RTI将建立好的车辆模型和控制算法编译成为可以在DS1005中运行的实时代码，通过PCMCIA总线将其分别下载到dSPACE中，或者经过TargetLink可以直接将MATLAB/Simulink/Stateflow搭建的模型转换成可下载到各E⑶中运行的代码，通过型号为BDI2000的下载器下载到各E⑶中。
[0095]参阅图2，在快速原型硬件在环试验阶段，车辆动力学模型和底盘协调控制控制算法都运行在DS1005中，dSPACE首先通过型号为DS2211的多路I/O板卡分别采集制动主缸前腔压力传感器和制动主缸后腔压力传感器的压力信号，方向盘转角传感器6的转角信号，油门位置传感器7的驾驶员加速信号。先由压力信号来估算各轮缸的制动压力；再根据方向盘转角传感器6的转角信号和油门位置传感器7的信号来判断驾驶员意图，结合型号为DS2202的多路I/O板卡输出的车辆纵、侧向加速度、横摆角速度、车速等车辆状态信息，由底盘多ECU协调控制算法给出线控转向和液压制动控制信号，再由型号为DS4003I/0板卡输出到对应驱动器，控制相应执行机构动作。型号为DS2211的多路I/O板卡分别采集左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器的压力信号，用来与估算的压力信号进行对比，以验证控制算法的准确性。在此过程中利用ControlDesk实现对试验过程的控制和管理，将控制过程可视化，通过控制界面，进行控制参数的在线调试，实现数据的实时显示，记录并保存试验结果，通过参数文件对实时试验进行参数的批修改，研究不同参数、参数组对试验的影响。
[0096]参阅图1，进行多ECU协调控制硬件在环试验阶段，控制算法运行在各ECU中，车辆动力学模型依然运行在DS1005中。整车协调控制E⑶1、线控转向E⑶4、ESC/TCS/ABS E⑶3、主动悬架E⑶2、地面负载模拟E⑶5都连接到dSPACE DS2202板卡的第一路CAN总线，通过CAN总线可以相互通讯。dSPACE内硬件板卡采集的传感器信号以及车辆动力学模型中的其他整车信号都可以传入CAN总线，各ECU从CAN总线中获取控制策略所需要的信号。整车协调控制E⑶I可以通过CAN总线将目标值的控制信号发送给线控转向E⑶4、ESC/TCS/ABSECU3、主动悬架ECU2。
[0097]参阅图5，整车协调控制ECUl是底盘控制系统的顶层，它实时计算悬架作动器作用力、轮胎纵向力和侧向力的变化，经过协调分配，对悬架、转向及制动系统进行协调。整车协调控制ECUl从CAN总线中获取方向盘转角信号以及dSPACE车辆动力学模型中的纵侧向加速度信号，轮速信号，横摆角速度信号等其他整车信号。再由整车协调控制ECUl内的控制算法给出主动悬架E⑶2、ESC/TCS/ABS E⑶3、线控转向E⑶4，对主动悬架E⑶2发出阻尼力的目标值信号，对ESC/TCS/ABS ECU3发出主动横摆力矩的目标值信号，对线控转向ECU4发出叠加的转向角的目标值信号，使整车平顺性、制动性及操纵稳定性达到较好效果。
[0098]ESC/TCS/ABS E⑶3通过硬线连接采集制动主缸前腔压力传感器和制动主缸后腔压力传感器的压力信号、方向盘转角传感器6转角信号、油门位置传感器7驾驶员加速信号、制动开关传感器8制动开关信号。先由压力信号来估算各轮缸的制动压力；再根据方向盘转角传感器6的转角信号和油门位置传感器7的信号来判断驾驶员意图，从CAN总线中采集车辆纵、侧向加速度、横摆角速度、车速等车辆状态信息，由ESC/TCS/ABS ECU3内控制算法给出车辆动力学模型和制动系统的车辆稳定性控制信号，再输出到dSPACE中车辆动力学模型以及HCU驱动器16，控制整车模型以及制动系统执行机构动作。型号为DS2211的多路I/O板卡分别采集左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器的压力信号，用来与估算的压力信号进行对比，以验证控制算法的准确性。
[0099]线控转向ECU4通过硬线连接采集方向盘转角传感器6转角信号、I号力矩传感器18力矩信号，结合CAN总线中的其他整车状态信息，由线控转向ECU4内控制算法给出路感电机19和转向执行电机21的控制信号,再输出到路感电机驱动器20和转向执行电机驱动器22，控制线控转向系统执行机构动作。型号为DS2211的多路I/O板卡分别采集线位移传感器24的齿条位置信号，用来与估算的转向轮转角信号进行对比，以验证控制算法的准确性。
[0100]主动悬架E⑶2从CAN总线中采集dSPACE车辆动力学模型中的簧载及非簧载质量的速度，经主动悬架E⑶2内部控制算法计算，对dSPACE悬架模型发出调节阻尼力的电压或者电流信号。
[0101]地面负载模拟E⑶5通过硬线连接采集2号力矩传感器27力矩信号，结合CAN总线中的其他信号，根据地面负载模拟ECU5内部控制算法给出负载电机25的控制信号，再输出到负载电机驱动器26控制负载电机25的力矩。[0102]图6为试验台的工作流程图，本试验台可以对各种与线性转向、车辆操纵稳定性、主动悬架等主动安全系统有关的控制算法的控制效果进行评价，每次仿真试验都能给出相应的结果，如ABS仿真试验能够全面给出各车轮轮速变化、滑移率变化以及各车轮制动压力变化等，便于用户实时验证控制策略、调整控制参数，直到获得满意效果。
[0103]另外试验台还可以试验底盘多E⑶协调控制算法的参数与整车参数的优化匹配，并可实现车辆在极度危险工况下的控制参数的调试。可检测、调试自行设计控制器的缺陷、故障。
[0104]由于实现了底盘多ECU协调控制控制器及其执行器的硬件在环，测试得到的各项性能及获得的优化参数与实车试验比较接近，从而显著减少实车试验次数，缩短开发周期，节省开发成本。
【权利要求】
1.一种汽车底盘多ECU协调控制试验台，其特征在于，所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台包括实时平台和硬件部分； 实时平台是由上位机与dSPACE组成，上位机与dSPACE之间采用PCMCIA总线连接； dSPACE包括型号为DS2211的多路I/O板卡、型号为DS2202的多路I/O板卡和V/F转换模块； 型号为DS2211的多路I/O板卡和dSPACE的主机中对应的硬件接口之间采用PCI总线连接，型号为DS2202的I/O板卡和dSPACE的主机中对应的硬件接口之间采用PCI总线连接，型号为DS2211的多路I/O板卡的第I至第4PWM测量输入端和四个V/F转换模块输出端之间电线连接，型号为DS2202的I/O板卡的第I至第4D/A通道和四个V/F转换模块输入端之间采用电线连接； 硬件部分包括电控单元组件，即包括整车协调控制E⑶(I)、主动悬架E⑶(2)、ESC/TCS/ABS E⑶(3)、线控转向E⑶(4)与地面负载模拟E⑶(5); 整车协调控制ECU (I)、主动悬架ECU (2)、ESC/TCS/ABS ECU (3)、线控转向ECU (4)、地面负载模拟E⑶(5)的CAN接口高端与接口低端通过双绞线和dSPACE中DS2202板卡第一路CAN总线的高端CANlH与低端CANlL连接。
2.按照权利要求1所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台，其特征在于，所述的硬件部分还包括传感器组件，传感器组件包括方向盘转角传感器(6)、油门位置传感器(7)、制动开关传感器(8)、主缸压力传感器(9)、轮缸压力传感器(10)、1号力矩传感器(18)、2号力矩传感器(27)、线位移传感器(24)； 轮缸压力传感器(10)包括左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器与右后轮轮缸压力传感器；主缸压力传感器(9)包括制动主缸前腔压力传感器和制动主缸后腔压力传感器； 方向盘转角传感器(6)的输出端与型号为DS2211的多路I/O板卡的第1A/D通道电线连接，油门位置传感器(7)的输出端与型号为DS2211的I/O板卡的第2A/D通道电线连接，制动开关传感器(8)的输出端与型号为DS2211的I/O板卡的第3A/D通道电线连接，左前轮轮缸压力传感器、右前轮轮缸压力传感器、左后轮轮缸压力传感器、右后轮轮缸压力传感器、制动主缸前腔压力传感器与制动主缸后腔压力传感器的输出端依次和型号为DS2211的多路I/O板卡的第4至第9A/D通道电线连接。
3.按照权利要求2所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台，其特征在于，所述的I号力矩传感器(18)通过电线连接到线控转向E⑶(4)，2号力矩传感器(27)通过电线连接到地面负载模拟E⑶(5)，线位移传感器(24)通过电线连接到线控转向E⑶(4)。
4.按照权利要求1所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台，其特征在于，所述的硬件部分还包括HCU驱动器(16)、路感电机驱动器(20)、转向执行电机驱动器(22)与负载电机驱动器(26)； HCU驱动器(16)与液压控制单元HCU (15)之间通过电线连接；路感电机驱动器(20)与线控转向E⑶(4)之间通过电线连接；转向执行电机驱动器(22)与线控转向E⑶(4)之间通过电线连接；负载电机驱动器(26)与地面负载模拟E⑶(5)之间通过电线连接。
5.按照权利要求1所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台，其特征在于，所述的硬件部分还包括地面负载模拟系统,地面负载模拟系统包括2号力矩传感器(27)、负载电机(25)与负载电机驱动器(26); 负载电机(25)与线控转向系统的转向器(23)米用2号力矩传感器(27)机械连接，即负载电机(25)与2号力矩传感器(27)之间米用梅花联轴器连接,2号力矩传感器(27)与转向器(23)之间采用梅花联轴器连接；负载电机(25)选用北京勇光高特微电机有限公司生产的200LYX01稀土永磁直流力矩电动机。
6.按照权利要求1所述的汽车底盘多ECU协调控制试验台，其特征在于，所述的硬件部分还包括线控转向系统，线控转向系统包括方向盘总成、转向执行总成； 所述的方向盘总成包括方向盘(11)、方向盘转角传感器(6 )、I号力矩传感器(18 )、路感电机(19 )及路感电机驱动器(20 ); 方向盘转角传感器(6)的输出端和dSPACE中型号为DS2211的多路I/O板卡的第IA/D通道电线连接，方向盘转轴与路感电机(19)采用I号力矩传感器(18)机械连接，即方向盘转轴与I号力矩传感器(18)之间采用梅花联轴器连接，I号力矩传感器(18)与路感电机(19)之间采用梅花联轴器连接； 所述的转向执行总成包括转向执行电机(21)、转向执行电机驱动器(22)、转向器(23)与线位移传感器(24)； 转向执行电机(21)与转向器(23)机械连接，转向执行电机(21)与转向执行电机驱动器(22)电线连接，转向器(23)为齿轮齿条结构，转向器(23)与线位移传感器(24)通过螺栓固定连接，转向器(23)通过十字万向节与地面负载模拟系统中的2号力矩传感器(27)机械连接； 所述的路感电机(19)选用北京勇光高特微电机有限公司生产的90LWX型永磁无刷直流力矩电动机；转向执行电机(21)选用型号为JLT-80的交流电机。
【文档编号】G05B23/02GK203732987SQ201420126159
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】李静, 王欣欣, 余春贤, 韩佐悦, 王子涵 申请人:吉林大学