车辆线控制动线控转向硬件在环试验台的制作方法

专利名称：车辆线控制动线控转向硬件在环试验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硬件在环仿真试验台，更具体地^说，本发明涉及一种集成 了线控制动系统和线控转向系统的硬件在环仿真试验台。
背景技术：
随着汽车技术日新月异的发展，高效、节能的线控技术(x-by-wire)应用 到了汽车领域。线控系统能够明显提高系统响应速度及响应精度，改善车辆动 力学特性，进一步提升车辆的行驶安全性和操纵稳定性。另外线控系统能够简 化车辆系统结构，降低车辆设计、制造、维护过程中的成本，节省车内空间， 减轻整车质量。线控制动系统(brake-by-wire,简称BBW)、线控转向系统 (steer-by-wire，简称SBW)作为汽车线控系统的代表已成为国内外研究热点， 代表了未来车辆的发展方向。目前我国对于车辆线控系统的研究还处于起步阶 段，由于条件所限在系统开发，特别是在系统硬件调试、检测方面存在很大的 困难。采用硬件在环技术进行线控制动系统和线控转向系统的硬件在环仿真试 验，可以实现线控制动系统和线控转向系统开发、调试、检测及性能评价等多 方面功能，从而使线控制动系统和线控转向系统的开发难度、开发时间以及开 发成本大大降低。
目前尚未有线控制动系统和线控转向系统的硬件在环仿真试验台。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了满足社会需求，提供了 一种车辆线控制 动系统和线控转向系统的^:件在环试验台。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的车辆线控制动 系统和线控转向系统的硬件在环试验台由线控制动系统和线控转向系统组成。 所述的线控制动系统和线控转向系统又划分为软件部分、实时平台、信号处理 部分和石更件部分。所述的实时平台由主4几、目标才几1和目标机2组成。
所述的信号处理部分由型号为PCL-818HD的第一数据采集卡、型号为 PCL-818HD的第二数据采集卡、型号为PCL-727的第三数据采集卡、型号为 PCL-727的第四数据采集卡、型号为PCI-6601的第五数据采集卡和V/F转换模 块组成。
型号为PCL-818HD的第一数据采集卡和目标机1之间采用ISA总线连接。 型号为PCL-727的第三数据采集卡和型号为PCL-727的第四数据采集卡和目 标机l之间采用ISA总线连接。型号为PCL-727的第三数据采集卡和四个V/F 转换模块之间采用电线连接，四个V/F转换模块和型号为PCI-6601的第五数据采集卡之间采用电线连接，型号为PCI-6601的第五数据采集卡和目标机2之间 采用PCI总线连接。型号为PCL-818HD的第二数据采集卡和目标机2之间采用 ISA总线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡和型号为PCL-727的第四 数据采集卡之间采用电线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的输出端 分别和线控制动系统、线控转向系统中的硬件部分电线连接。
技术方案中所述线控转向系统的硬件部分包括有转向盘、转角传感器、转 矩传感器、波紋管联轴器、回正电机、回正电机减速机构、》兹粉制动器、弹簧 回正机构、齿轮齿条机构、转向阻力传感器、转向器、位移传感器、转向执行 电机和执行电机减速机构；线控制动系统的硬件部分包括有左前轮EMB执行器 控制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制器、右后轮EMB执 行器控制器、左前轮EMB执行器、右前轮EMB执行器、左后轮EMB执行器、右 后轮EMB执行器、左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、左后轮夹紧力 传感器、右后轮夹紧力传感器、左前轮转速传感器、右前轮转速传感器、左后 轮转速传感器、右后轮转速传感器、左前轮电流传感器、右前轮电流传感器、 左后轮电流传感器和右后轮电流传感器。转向盘输出轴通过键与转角传感器输 入轴相连，转角传感器输出轴通过键与转矩传感器输入轴连接，转矩传感器输 出轴通过波紋联轴器与回正电才几减速机构输出轴相连，回正电机减速才几构输入 轴通过键与回正电机输出轴相连。固定在实验台上的转向执行电机的输出轴通 过键与执行电机减速机构的输入轴连接，固定在试验台上的执行电机减速机构 的输出轴通过花键与转向器连接，固定在试验台上的转向器的转向齿条的 一端 通过螺栓与固定在试验台上的位移传感器连接，转向器的转向齿条的另一端与 转向阻力传感器的一端接触连接，固定在试验台上的磁粉制动器的输出轴通过 花键与固定在试验台上的齿轮齿条机构连接，齿轮齿条机构中齿条的一端通过 螺栓与固定在试验台上的弹簧回正机构连接，齿轮齿条机构中齿条的另一端通 过螺栓与转向阻力传感器的另一端固定在一起。回正电机、转向执行电机及磁 粉制动器分别和型号为PCL-818HD的第二数据采集卡输出控制信号的第5至第 7数字通道电线连接。位移传感器、转向阻力传感器、转角传感器及转矩传感 器的输出端分别和型号为PCL-818HD的第一lt据采集卡采集信号的第5至第 8A/D通道电线连接。左前轮EMB执行器控制器、右前轮EMB执行器控制器、左 后轮EMB执行器控制器及右后轮EMB执行器控制器的输入端分别和型号为 PCL-818HD的第二数据采集卡输出控制信号的第1至第4数字通道电线连接。 左前轮EMB执行器控制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制 器及右后轮EMB执行器控制器的输出端分别和左前轮EMB执行器、右前轮EMB 执行器、左后轮EMB执行器及右后轮EMB执行器的输入端电线连接。左前轮夹 紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、左后轮夹紧力传感器及右后轮夹紧力传感
6器的输出端分别和型号为PCL-818HD的第一数据采集卡的第l至第4A/D通道电 线连接。左前轮夹紧力传感器、左前轮转速传感器及左前轮电流传感器的输出 端分别和左前轮EMB执行器控制器的输入端电线连接；右前轮夹紧力传感器、 右前轮转速传感器及右前轮电流传感器的输出端分别和右前轮EMB执行器控制 器的输入端电线连接；左后轮夹紧力传感器、左后轮转速传感器及左后轮电流 传感器的输出端分别和左后轮EMB执行器控制器的输入端电线连接；右后轮夹 紧力传感器、右后轮转速传感器及右后轮电流传感器的输出端分别和右后轮EMB 执行器控制器的输入端电线连接；所述的型号为PCL-727的第三数据采集卡和 四个V/F转换模块之间采用电线连接是指型号为PCL-727的第三数据采集卡 的输出四个轮速电压信号的第1至第4A/D通道分别和四个V/F转换模块的通 道输入端电线连接。所述的四个V/F转换模块和型号为PCI-6601的第五数据采 集卡之间采用电线连接是指四个V/F转换模块的输出四个车轮轮速脉冲信号 的第1至第4通道输出端分别和型号为PCI-6601的第五翁:据采集卡的采集四个 车轮轮速脉沖信号的第1至第4通道电线连接。所述的型号为PCL-818HD的第 二数据采集卡和型号为PCL-727的第四数据采集卡之间采用电线连接是指型 号为PCL-818HD的第二数据采集卡的第1至第5A/D通道分别和型号为PCL-727 的第四数据采集卡的输出纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、转向盘转角 和纵向车速信号的第1至第5A/D通道电线连接；所述的主机与目标机1和目标 机2之间采用PC串口、 TCP连接或者无线网络通信系统连接。所述的无线网络 通信系统包括有无线网卡、无线路由器和两块普通网卡。所述的无线网卡采用 型号为TWL541P的无线PCI网卡，安装在主机上；无线路由器采用提供了一个 固定广域网接口与四个固定局域网接口并符合IEEE 802.11b和IEEE 802. llg 无线标准的型号为TWL54R的无线路由器，两块普通网卡皆采用型号为82559 的网卡，分别安装于目标机1和目标机2上。 与现有技术相比本发明的有益效果是
1. 本发明实现了线控制动系统和线控转向系统的硬件在环，为线控制动系 统、线控转向系统的硬件开发创造了有利条件，使硬件系统的开发难度、开发 成本大大降低。另外通过本试验台对于各种控制算法进行的硬件在环仿真试验 的仿真预测结果更加准确可信。
2. 采用车辆线控制动线控转向硬件在环试验台进行仿真试验时，试验的特 定工况是通过计算机模拟得到，不受人员、场地和天气的影响，对于极限工况 的试验也不存在任何危险，试验成本和周期大大缩短。
3. 在线控系统开发过程中，采用车辆线控制动线控转向硬件在环试验台进 行试验，可以实现控制算法的在线调整，这样可以方便的对各种控制参数特别 是极限工况下的控制参数进行优化。4.采用车辆线控制动线控转向硬件在环试验台测试得到的各项车辆性能参 数及优化控制算法参数与实车试验比较接近。


下面结合附图对本发明作进一步的说明
图1是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台结构组成和工 作原理示意框图2是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中的EMB执行 器的结构组成示意图3是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中的EMB执行 器的结构组成主视图4是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中的EMB执行 器控制器的结构组成和工作原理示意框图5是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中的EMB执行 器中动力装置 一 电机采用三环控制的原理框图6- (a)是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中的线 控转向系统中转向操纵机构结构组成示意图6- (b)是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中的线 控转向系统中转向执行机构结构组成示意图7是本发明所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台试验工作的流 程框图中l.制动盘，2.螺母，3.电机转子，4.电机定子，5.齿圈，6.行星齿 轮，7.行星架，8.丝杠，9.中心轮，10.制动衬块，ll.转向盘12.转角传感器 13.转矩传感器14.波紋管联轴器15.回正电才几减速^/L构，16.回正电^/L, 17. 执行电机减速机构，18.转向执行电机，19.位移传感器，20.转向器，21.转向 阻力传感器，22.齿轮齿条机构，23.弹簧回正机构，24.磁粉制动器。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作详细的描述
参阅图1,本发明是一种集成了车辆线控制动系统和线控转向系统的硬件 在环仿真试验台，本发明的技术问题是保证车辆线控制动系统和线控转向系统 的硬件在环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、线控制动系统和线控转向系统以及各传感器之间的实时 通讯。
为解决上述技术问题，本发明利用Matlab/xPCTarget、 RTW实时工具和信 号采集卡自主开发了线控制动系统和线控转向系统硬件在环仿真试验台。本试 验台由线控制动系统和线控转向系统组成。线控制动系统和线控转向系统又分为软件部分、实时平台、信号处理部分和硬件部分。
1. 实时平台
所述的实时平台是由一台主才几、 一台目标^L 1和一台目标才几2组成。在主
机中安装有采用Matlab/Simulink建立的车辆动力学模型和车辆控制算法(例 如ABS， ESP控制算法等)。主机能够进行离线仿真；能够将车辆模型和控制算 法通过RTW编译成可以在目标机1和目标机2中运行的实时代码；并能够通过 局域网将实时代码下载到装有xPC Target实时内核的目标才几1和目标机2中。 本试验台所用主机采用的是联想开天4600计算机，CPU为英特尔奔四3. OGHz, 内存为512M。作为实时平台，目标机1和目标机2需要运行车辆模型及控制算 法的实时代码；同时作为第一数据采集卡至第五数据采集卡的载体，目标机l 和目标机2需要完成信号的采集与发送，如线控制动系统中驱动各个车轮EMB 执行器的电流、转速等信号的采集以及线控制动系统和线控转向系统控制信号 的输出。线控制动系统和线控转向系统根据控制信号驱动各个车轮EMB执行器 完成响应动作，并将响应信号传回目标才几1和目标纟几2。通过这种方式，目标 机1和目标机2可以实时显示出各控制信号和车辆状态的信息，同时目标机1 和目标机2通过局域网将所有信息反馈至主机，以便判断试验结果。由此便实 现了硬件在环试验台的实时测试与控制功能。本试验台所使用的目标机1和目 标机2是采用两台研华610H计算机，CPU为英特尔奔四2. 8GHz,内存为512M。 主机与目标机1和目标机2的通信可以采用PC串口通信或(以太网)TCP 通信。本试验台所使用的主机与目标机1和目标机2的通信采用无线网络通信 系统，无线网络通信系统主要由无线网卡、无线路由器和两块普通网卡组成。 其中无线网卡采用腾达型号为TWL541P的无线PCI总线接口网卡，安装在主 机上；无线路由器采用腾达型号为TWL54R的无线路由器，它提供了一个固定广 域网4妄口和四个固定局域网4妄口 ，符合IEEE 802. lib和IEEE 802. llg无线标 准；两块普通网卡皆采用Intel型号为82559的网卡，分别安装于目标机l和 目标机2上。采用无线网络通信系统，不仅可以实现对试验平台的远程控制， 而且大大提高了主机配置的灵活性。
2. 信号处理部分
车辆线控制动线控转向硬件在环试验台的信号处理部分是由若干数据采集 卡和采集模块组成。具体地说，信号处理部分是由(Advantech )型号为PCL-818HD 的第一、第二数据采集卡、(Advantech)型号为PCL-727的第三、第四数据采 集卡、(NI)型号为PCI-6601的第五数据采集卡和V/F转换模块组成。
1)型号为PCL-818HD的第一、二数据采集卡
型号为PCL-818HD的数据采集卡是ISA总线接口的多功能数据采集卡，它 提供100KHz的采样速率，16路单端冲莫拟量输入，12位分辨率双緩冲A/D转换器以及16路数字量输7v、输出通道。型号为PCL-818HD的第一数据采集卡采集 汽车运行状态参数，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡向各车轮EMB执行器 控制器输出控制信号。
2) 型号为PCL-727的第三、四翁:据采集卡
型号为PCL-727的数据釆集卡是ISA总线接口的模拟量输出卡，它具有12 位分辨率双緩冲D/A转换器，提供了 12路独立模拟量输出以及16路数字量输 入、输出通道。型号为PCL-727的第三数据采集卡输出轮速电压信号，型号为 PCL-727的第四数据采集卡输出纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、转向 盘转角和纵向车速信号的汽车运行状态参数。
3) 型号为PCI-6601的第五数据采集卡
型号为PCI-6601的数据采集卡是PCI总线接口的定时和数字1/0设备，该 产品拥有4个32位计数器/定时器和32条与TTL/CMOS兼容的数字I/O线，可 进行包括编码器定位测量，事件计数，周期测量，脉沖宽度测量，脉沖生成， 脉冲序列生成以及频率测量。型号为PCI-6601的第五数据采集卡用于四个车轮 轮速脉冲信号的采集。
4 )轮速脉冲生成模块一V/F转换模块
轮速脉冲生成模块用于模拟轮速传感器产生的脉沖信号。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，速值对应着一定的脉沖频率，或一定的脉沖周期。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 确性，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 Matlab/xPC Target实时内核的计算量，降^f氐实时内核的实时性，甚至^f吏实时 内核崩溃。由于xPC内核的限制，高频率脉冲无法通过软件手段实现。因此， 本发明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 量输出数据采集卡采用型号为PCL-727的第三数据采集卡，它提供12路D/A模 拟量输出通道，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 PCL-727的第三数据采集卡转换为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。 .
型号为PCL-818HD的第一数据采集卡和目标机1之间采用ISA总线连接， 型号为PCL-727的第三数据采集卡和型号为PCL-727的第四lt据采集卡和目 标机l之间采用ISA总线连接，型号为PCL-727的第三数据采集卡和四个V/F 转换模块之间采用电线连接，四个V/F转换模块和型号为PCI-6601的第五数据 采集卡之间釆用电线连接，型号为PCI-6601的第五凝:据采集卡和目标机2之间 采用PCI总线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡和目标机2之间采用ISA总线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡和型号为PCL-727的第四 数据采集卡之间采用电线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的输出端 分别和线控制动系统、线控转向系统中的硬件部分采用电线连接。
确切地说，型号为PCL-818HD的第一数据采集卡的第1至第4A/D通道分别 和左前轮EMB执行器、右前轮EMB执行器、左后轮EMB执行器与右后轮EMB执 行器上的左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、左后轮夹紧力传感器及 右后轮夹紧力传感器的输出端电线连接，采集左前轮EMB执行器、右前轮EMB 执行器、左后轮EMB执行器及右后轮EMB执行器的夹紧力信号；型号为PCL-818HD 的第一数据采集卡的第5A/D通道和转角传感器12的输出端电线连接，采集转 向盘的转角信号；型号为PCL-818HD的第一^t据采集卡的第6A/D通道和转矩传 感器13的输出端电线连接，采集转矩信号；型号为PCL-818HD的第一数据采集 卡的第7A/D通道和位移传感器19的输出端电线连接，采集前轮转角信号；型 号为PCL-818HD的第一it据采集卡的第8A/D通道和转向阻力传感器21的输出 端电线连接，采集转向阻力信号。型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的第1 至第5A/D通道分别和型号为PCL-727的第四lt据采集卡的第1至第5A/D通道 电线连接，采集纵向加速度、侧向加速度、横摆角速度、转向盘转角、纵向车 速等信号；型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的第1至第4数字通道分别和 左前轮EMB执行器控制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制 器与右后轮EMB执行器控制器的输入端电线连接，并分别向它们输出控制信号； 型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的第5数字通道和回正电机16的输入端电 线连接，并向回正电机16输出控制信号；型号为PCL-818HD的第二数据采集卡 的第6数字通道和转向执行电机18的输入端电线连接，并向转向执行电机18 输出控制信号；型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的第7数字通道和磁粉制 动器24的输入端电线连接，并向磁粉制动器24输出控制信号。型号为PCL-727 的第三数据采集卡的第1至第"/D通道分别和四个V/F转换^^块的通道输入端 电线连接，四个V/F转换模块的第1至第4通道输出端分别和型号为PCI-6601 的第五数据采集卡的第1至第4通道电线连接，首先，四个V/F转换模块将轮 速电压信号转为轮速脉冲信号，然后，向型号为PCI-6601的第五数据采集卡输 送四个牟轮的轮速脉冲信号。
3.》更件部分 1) EMB执行器
参阅图2和图3,车辆线控制动线控转向硬件在环试验台所釆用的EMB执 4亍器是申i青人自^亍研制的又称为电子机才成制动系统(E1 ec t r 0-mechani ca 1 Brake,简称EMB )， EMB执行器以电能为能量源，以电机为动力装置，通过EMB 执行器驱动制动衬块10实现汽车的制动功能。EMB执行器主要由动力装置一电机、传动装置和制动钳体三部分组成，而其中传动装置又包括减速增矩装置和
运动转换装置。其工原理为目标机2将制动力控制信号传给线控制动系统四 车轮EMB执行器控制器，四车轮EMB执行器控制器结合动力装置一电机的转速 信号、电流信号及制动夹紧力信号，控制EMB执行器中的动力装置一电机产生 相应转矩，在经过传动装置驱动制动钳夹紧制动盘1产生所需制动力，实现车 轮的制动。为了模拟真实车辆情况，本试验台设置了左前轮EMB执行器、右前 轮EMB执行器、左后轮EMB执行器及右后轮EMB执行器。申请人于2GQ8年将 EMB执行器申报了中国专利，申请号为2008200720905,/>告号为CN201212535Y, 公告日，2009年3月25日，发明名称为"应用在汽车上的电子机械制动执行 器"。
2) EMB执行器控制器
参阅图4和图5,车辆线控制动线控转向硬件在环试验台所采用的EMB执 行器控制器是申请人自行研制的，每台EMB执行器都配有一台独立的EMB执行 器控制器，所以，本试验台设置了左前轮EMB执行器控制器、右前轮EMB执行 器控制器、左后轮EMB执行器控制器及右后轮EMB执行器控制器。由于EMB执 行器控制器需要保证EMB执行器对制动压力的精确迅速调节，并能够保护电机 不受损害，所以EMB执行器控制器采用了具有压力控制、转速控制及电流控制 的三环控制方法对EMB执行器的动力装置一电机进行精确控制。该EMB执行器 控制器主要由单片机系统、功率驱动电路所组成，并借助光电隔离电路和与门 将两者电线连接。
所述的单片机系统包括型号为MC9S12DP512的单片机及其外围电路、外部 振荡电路、复位电路和电源电路，型号为MC9S12DP512的单片机和外部振荡电 路、复位电路、电源电路之间为电线连接。
所述的功率驱动电^各包括型号为IR2130的驱动芯片、型号为IR2130的驱 动芯片的外围电路、逆变器和电流传感器，型号为IR2130的驱动芯片和型号为 IR2130的驱动芯片的外围电路之间为电线连^f妄，型号为IR2130的驱动芯片和 逆变器之间为电线连接，逆变器和电流传感器之间为电线连接。申请人于2008 年将车轮EMB执行器控制器申报了中国专利，其申请号为2008200723265，申 请曰为2008年08月26日，发明名称为"汽车电子机械制动系统的控制器"。
3) 线控转向系统
参阅图6,车辆线控制动线控转向硬件在环试验台所采用的线控转向系统 为自行研制的，主要包括有转向盘11、回正电才几16、回正电机减速机构15、 转向器20、转向执行电机18、执行电机减速机构17、磁粉制动器24。其工作 原理为试验人员操纵转向盘ll,目标机2根据转向盘转角及车辆状态信息控 制回正电机16，使其提供期望的转向盘反力，同时控制转向执行电机18，使转向器20的齿条产生位移，该位移对应于车辆的前4仑转角。另一方面，目标才几2 根据路况、车速与车轮转向角度的不同，设定不同的试验工况，控制磁粉制动 器24，通过调整磁粉制动器24的电流，控制其产生相应阻力矩，此阻力矩经 齿轮齿条机构22转化为直线力，并由转向阻力传感器21将信号反馈给目标机 1 ，车辆线控转向系统根据反馈信号调整控制信号，从而实现线控转向。 4)传感器
(1) 力传感器
力传感器主要分用在EMB执行器上的夹紧力传感器和用在线控转向系统上 的转向阻力传感器21两种。车辆线控制动线控转向硬件在环试验台中EMB执行 器上的夹紧力传感器采用德国HBM公司生产的型号为C9B的压式力传感器，采 用耐腐蚀的不锈钢壳体，最大量程0 kN-20kN,体积小，直径只有26mm。该力 传感器为应变片式，与原厂的AE301-S7放大器配合使用，精度可达0.5%,输 出为l mV/V,既可测静态力，又可测动态力，可测的动态力最大频率为65Hz。 夹紧力传感器安装在EMB执行器内侧制动衬片与丝杠端盖之间。转向阻力传感 器21采用北京航天动力研究院生产的型号为BK-4的负荷传感器，采用耐腐蚀 的不锈钢壳体，最大量程-20 kN-20kN。该传感器不需要放大器，输出信号O V -5V,精度O. 5%。本试验台设置了左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、 左后轮夹紧力传感器和右后轮夹紧力传感器。
(2) 转速传感器
为了获得各车轮上EMB执行器的动力装置一电机的转速和转子位置信号， 可直接利用布置于动力装置一无刷直流电机内部的霍尔传感器。该无刷直流电 机转子有四对i兹极，在电才几端部安装有三个霍尔传感器，每个相隔120°,利用 霍尔传感器测得的电机转角精度为15 °。
EMB执行器在夹紧制动盘1时，从制动衬块10接触制动盘1到达到最大夹 紧力这一过程，产生的形变极小，即电机转过的转角极小，为了能够更精确地 获得电机转子位置信号，以便后续进行EMB执行器夹紧力估算，车辆线控制动 线控转向硬件在环试验台在各个EMB执行器尾部安装了光电编码器，它每圈可 发出2000个脉冲，四倍频后，测得的转角精度可达0.045°,输出两^各相位差 90。方波信号和一路零位脉冲信号。本试验台设置了左前轮转速传感器、右前轮 转速传感器、左后轮转速传感器和右后轮转速传感器。
(3) 电流传感器
车辆线控制动线控转向硬件在环试验台通过在各车轮EMB执行器的动力装 置一电才几回路中串入大功率电阻，通过测其两端电压的方式，来测电枢电流。 电阻功率为IOOW，阻值为0. 5Q。本试验台设置了左前轮电流传感器、右前轮 电流传感器、左后轮电流传感器和右后轮电流传感器。(4) 位移传感器
为了获得转向器中齿条位移，车辆线控制动线控转向硬件在环试验台采用
北京环宇顺通科技有限公司生产的型号为WDL200的直线位移传感器，传感器量 程为0mm-200mm，其输出信号OV -5V。
(5) 转矩传感器
为获得方向盘转矩，车辆线控制动线控转向硬件在环试验台采用北京航天 空气动力研究院生产的型号为AKC-215的动态扭矩传感器，最大量程 -20Nm-20Nm,输出信号幅值-5V-5V,输出精度± 0. 5%,允许最大转速5000r/min。
(6) 转角传感器
为获得方向盘转角，车辆线控制动线控转向硬件在环试^r台采用深圳霍斯 特有限公司生产的FTD光电编码器，它每圈可发出1024个脉冲，最高响应频率 lOOKHz,允许最大转速3000r/min。
所述的车辆线控转向系统的硬件部分主要包括转向操纵机构和转向执行机 构两部分。
转向操纵机构包括转向盘11、转角传感器12、转矩传感器13、波紋管联 轴器14、回正电机减速机构15及回正电机16。以上各部件除波紋管联轴器外 全部通过支架固定连接在试验台上。转向盘11输出轴通过键与转角传感器12 输入轴相连，转角传感器12输出轴通过键与转矩传感器13输入轴连接，转矩 传感器13输出轴通过波紋联轴器14与回正电机减速机构15输出轴相连，回正 电机减速机构15输入轴通过4囊与回正电机16输出轴相连。
转向执行机构包括执行电机减速机构17、转向执行电机18、位移传感器 19、转向器20、转向阻力传感器21、齿轮齿条机构22、弹簧回正机构23、 f兹 粉制动器24。转向执行电机18通过支架固定连接在实验台上，其输出轴通过 键与执行电机减速机构17输入轴相连接，执行电机减速机构17通过支架固定 在试验台上，执行电机减速机构17输出轴通过花键与转向器20相连接，转向 器20中的转向齿条通过支架固定连接在试验台上，转向器20中的转向齿条的 一端通过螺栓与固定在试验台上的位移传感器19相连接，转向器2Q中的转向 齿条的另一端与转向阻力传感器21的一端相接触，用于实时测量转向阻力大 小。磁粉制动器24通过支架固定在试验台上，其输出轴通过花键与齿轮齿条机 构22连接，齿轮齿条机构22通过支架固定在试验台上，齿轮齿条机构22中齿 条的一端通过螺栓与固定连接在试验台上的弹簧回正机构23相连，齿条的另一 端通过螺栓与转向阻力传感器21的另一端固定连接在一起。
回正电机16、转向执行电机18及》兹粉制动器24分别和型号为PCL-818HD 的第二数据采集卡的第5至第7数字通道电线连接；位移传感器19、转向阻力 传感器21、转角传感器12及转矩传感器13的输出端分别和型号为PCL-818HD
14的第一凄U居采集卡的第5至第8A/D通道电线连接。
所述的车辆线控制动系统的硬件部分包括有左前轮EMB执行器控制器、右 前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制器、右后轮EMB执行器控制器、 左前轮EMB执行器、右前轮EMB执行器、左后轮EMB执行器、右后轮EMB执行 器、左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、左后轮夹紧力传感器、右后 轮夹紧力传感器、左前轮转速传感器、右前轮转速传感器、左后轮转速传感器、 右后轮转速传感器、左前轮电流传感器、右前轮电流传感器、左后轮电流传感 器和右后轮电流传感器。
左前轮EMB执行器控制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器 控制器及右后轮EMB执行器控制器的输入端分别和型号为PCL-818HD的第二数 据采集卡的第1至第4数字通道电线连接；左前轮EMB执行器控制器、右前轮 EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制器及右后轮EMB执行器控制器的输 出端分别和左前轮EMB执行器、右前轮EMB执行器、左后轮EMB执行器及右后 轮EMB执行器的输入端电线连接；左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、 左后轮夹紧力传感器及右后轮夹紧力传感器的输出端分别和型号为PCL-818HD 的第一数据采集卡的第l至第4A/D通道电线连接；左前轮夹紧力传感器、左前 轮转速传感器及左前轮电流传感器的输出端分别和左前轮EMB执行器控制器的 输入端电线连接；右前轮夹紧力传感器、右前轮转速传感器及右前轮电流传感 器的输出端分别和右前轮EMB执行器控制器的输入端电线连接；左后轮夹紧力 传感器、左后轮转速传感器及左后轮电流传感器的输出端分别和左后轮EMB执 行器控制器的输入端电线连接；右后轮夹紧力传感器、右后轮转速传感器及右 后轮电流传感器的输出端分别和右后轮EMB执行器控制器的输入端电线连接。
车辆线控制动线控转向硬件在环试验台的工作原理
参阅图l、 6和7,在主机中采用Matlab/Simulink分别建立车辆动力学模 型和车辆控制算法。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。车辆控制算法主要指与线控制 动系统、线控转向系统有关的各种优化车辆性能的控制算法。主机通过RTW将 建立好的车辆动力学才莫型和车辆控制算法编i奪成为可以在xPCTarget中运行的 实时代码，通过局域网将其分别下载到目标机1和目标机2中。
目标机1首先通过型号为PCL-818HD的第一凄t据采集卡分别采集线控制动 系统的左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、左后轮夹紧力传感器及右 后轮夹紧力传感器的夹紧力信号和线控转向系统的转向盘转角、转向盘转矩、 前轮转向角(转向器直线位移)及转向阻力信号，从而获得车辆仿真所需的参 数，然后运行车辆动力学模型实时代码，模拟车辆各工况下的运行状态，通过 型号为PCL-727的第三数据采集卡和型号为PCL-727的第四数据采集卡输出车辆状态参数，型号为PCL-727的第三数据采集卡专门向V/F转换模块输出各车 轮的轮速电压信号，型号为PCL-727的第四数据采集卡向目标机2输出包括转 向盘转角、纵向车速、横摆角速度、纵向加速度和侧向加速度在内的车辆状态 参数。
目标机2主要运行控制算法实时代码。目标机2首先通过数据采集卡采集 控制算法所需的车辆状态参数。其中四个车轮的轮速电压信号经过V/F转换 模块转换为四个车轮的轮速脉冲信号后由型号为PCI-6601的第五数据采集卡 采集，其它状态参数由型号为PCL-818HD的第二数据采集卡采集。随后目标机 2根据当前车辆状态参数，利用控制算法运行实时代码，实时向线控制动系统 和线控转向系统输出控制信号，目标机2通过控制回正电机16调整转向盘反力， 以模拟真实情况下的转向盘转向感觉；通过控制磁粉制动器24调整前轮转向阻 力，以模拟真实路况下前轮转向路况感觉；转向通过调整转向执行电机18调整 车辆前轮转角，以实现线控转向控制；通过控制各个车轮EMB执行器调整制动 力大小，以实现线控制动控制。通过线控转向与线控制动的综合控制达到提高 车辆搡纵稳定性和行驶安全性的目的。其中控制信号是通过型号为PCL-818HD 的第二数据采集卡输出的。
线控转向系统根据目标机2 (通过型号为PCL-818HD的第二数据采集卡输 出)的控制信号，同时控制回正电机16、转向执行电机18和磁粉制动器24， 以产生期望的转向盘反力、车辆的前轮转角和转向阻力。另一方面，转向盘转 角信号、转向盘转矩信号、前轮转向角信号和前轮转向阻力信号，都通过各传 感器反馈给目标机1和目标机2,线控转向系统根据反馈信号调整控制信号， 从而实现线控转向。
线控制动系统中各车轮EMB执行器控制器根据控制信号大小和EMB执行器 中的电机电流、电机转速及制动夹紧力信号，采用三环控制原理控制EMB执行 器控制器按控制信号要求驱动EMB执行器运动。最后再将夹紧力信号反馈给目 标机1和目标机2,使目标机1和目标机2能够实时显示出各控制信号效果。 同时线控制动系统根据反馈信号调整控制信号，从而实现线控制动。
最后目标机1和目标机2通过局域网将车辆运动状态及控制效果参数反馈 至主机用以使用户判断试验结果，已完成线控转向和线控制动硬件在环仿真试 验。通过运行车辆线控制动线控转向硬件在环试验台能够对各控制策略及控制 参数进行评价。
本试验台能够对各种与线控制动系统和线控转向系统有关的控制算法的控 制效果进行评价，每次仿真都能给出相应的结果，如ESP仿真能够全面给出各 车轮轮速变化、滑移率变化、横摆角速度变化、质心侧偏角变化以及各车轮制 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。
另外试验台还可以实现线控转向系统、线控制动系统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、调试本
试验台采用的线控转向系统、线控制动系统、各车轮的EMB执行器及各车轮的 EMB执行器控制器的缺陷、故障。
由于实现了线控转向系统、线控制动系统、各车轮的EMB执行器及各车轮 EMB执行器控制器的硬件在环，测试得到的各项性能及获得优化参数与实车试 验比较接近，从而显著减小实车试验次数，缩短开发周期，节省开发成本。
权利要求
1.一种车辆线控制动线控转向硬件在环试验台，由线控制动系统和线控转向系统组成；所述的线控制动系统和线控转向系统又分为软件部分、实时平台、信号处理部分和硬件部分；所述的实时平台由主机、目标机1和目标机2组成，其特征在于，所述的信号处理部分由型号为PCL-818HD的第一数据采集卡、型号为PCL-818HD的第二数据采集卡、型号为PCL-727的第三数据采集卡、型号为PCL-727的第四数据采集卡、型号为PCI-6601的第五数据采集卡和V/F转换模块组成；型号为PCL-818HD的第一数据采集卡和目标机1之间采用ISA总线连接，型号为PCL-727的第三数据采集卡和型号为PCL-727的第四数据采集卡和目标机1之间采用ISA总线连接，型号为PCL-727的第三数据采集卡和四个V/F转换模块之间采用电线连接，四个V/F转换模块和型号为PCI-6601的第五数据采集卡之间采用电线连接，型号为PCI-6601的第五数据采集卡和目标机2之间采用PCI总线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡和目标机2之间采用ISA总线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡和型号为PCL-727的第四数据采集卡之间采用电线连接，型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的输出端分别和线控制动系统、线控转向系统中的硬件部分电线连接。
2. 按照权利要求1所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台，其特征 在于，所述的硬件部分包括有转向盘(11 )、转角传感器(12 )、转矩传感器(13 )、 波紋管联轴器(14 )、回正电机(16 )、回正电机减速机构(15 )、磁粉制动器(24 )、 弹簧回正机构(23)、齿轮齿条机构(22)、转向阻力传感器(n)、转向器(20)、 位移传感器(19 )、转向执行电机(18 )和执行电机减速机构(17 );左前轮EMB 执行器控制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制器、右后轮 EMB执行器控制器、左前轮EMB执行器、右前轮EMB执行器、左后轮EMB执行 器、右后轮EMB执行器、左前轮夹紧力传感器、右前轮夹紧力传感器、左后轮 夹紧力传感器、右后轮夹紧力传感器、左前轮转速传感器、右前轮转速传感器、 左后轮转速传感器、右后轮转速传感器、.左前轮电流传感器、右前轮电流传感 器、左后轮电流传感器和右后轮电流传感器；转向盘(11)输出轴通过键与转角传感器(12)输入轴相连，转角传感器 (12)输出轴通过键与转矩传感器(13)输入轴连接，转矩传感器(13)输出 轴通过波紋联轴器(14)与回正电才几减速机构(15)输出轴相连，回正电机减 速机构(15)输入轴通过键与回正电机(16)输出轴相连；固定在实验台上的转向执行电机(18)的输出轴通过键与执行电机减速机 构(17)的输入轴连接，固定在试验台上的执行电机减速机构(17)的输出轴 通过花^:与转向器(20)连接，固定在试验台上的转向器(20)的转向齿条的一端通过螺栓与固定在试验台上的位移传感器(19)连接，转向器(20)的转 向齿条的另一端与转向阻力传感器(21)的一端接触连接，固定在试验台上的 磁粉制动器(24)的输出轴通过花键与固定在试验台上的齿轮齿条机构(22) 连接，齿轮齿条机构(22)中齿条的一端通过螺栓与固定在试验台上的弹簧回 正机构(23)连接，齿轮齿条机构(22)中齿条的另一端通过螺栓与转向阻力 传感器(21)的另一端固定在一起；回正电机(16)、转向执行电机(18)及磁粉制动器(24)分别和型号为 PCL-818HD的第二数据采集卡输出控制信号的第5至第7数字通道电线连接； 位移传感器(19 )、转向阻力传感器(21 )、转角传感器(12 )及转矩传感器(13 ) 的输出端分别和型号为PCL-818HD的第一数据采集卡采集信号的第5至第8A/D 通道电线连接；左前轮EMB执行器控制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器 控制器及右后轮EMB执行器控制器的输入端分别和型号为PCL-818HD的第二数 据采集卡输出控制信号的第1至第4数字通道电线连接；左前轮EMB执行器控 制器、右前轮EMB执行器控制器、左后轮EMB执行器控制器及右后轮EMB执行 器控制器的输出端分别和左前轮EMB执行器、右前轮EMB执行器、左后轮EMB 执行器及右后轮EMB执行器的输入端电线连接；左前轮夹紧力传感器、右前轮 夹紧力传感器、左后轮夹紧力传感器及右后轮夹紧力传感器的输出端分别和型 号为PCL-818HD的第一数据采集卡的第1至第4A/D通道电线连接；左前轮夹紧 力传感器、左前轮转速传感器及左前轮电流传感器的输出端分别和左前轮EMB 执行器控制器的输入端电线连接；右前轮夹紧力传感器、右前轮转速传感器及 右前轮电流传感器的输出端分别和右前轮EMB执行器控制器的输入端电线连 接；左后轮夹紧力传感器、左后轮转速传感器及左后轮电流传感器的输出端分 别和左后轮EMB执行器控制器的输入端电线连接；右后轮夹紧力传感器、右后 轮转速传感器及右后轮电流传感器的输出端分别和右后轮EMB执行器控制器的 输入端电线连接。
3.按照权利要求l所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台，其特征 在于，所述的型号为PCL-727的第三数据采集卡和四个V/F转换模块之间采 用电线连接是指型号为PCL-727的第三数据采集卡的输出四个轮速电压信号 的第1至第4A/D通道分别和四个V/F转换模块的通道输入端电线连接；所述的四个V/F转换模块和型号为PCI-6601的第五数据采集卡之间采用电 线连接是指四个V/F转换模块的输出四个车轮轮速脉冲信号的第1至第4通 道输出端分别和型号为PCI-6601的第五数据采集卡的采集四个车轮轮速脉冲 信号的第1至第4通道电线连接；所述的型号为PCL-818HD的第二凄t据采集卡和型号为PCL-727的第四数据釆集卡之间采用电线连接是指型号为PCL-818HD的第二数据采集卡的第1至 第5A/D通道分别和型号为PCL-727的第四数据采集卡的输出纵向加速度、侧 向加速度、横摆角速度、转向盘转角和纵向车速信号的第1至第5A/D通道电 线连接。
4.按照权利要求l所述的车辆线控制动线控转向硬件在环试验台，其特征 在于，所述的主机与目标机1和目标机2之间采用PC串口 、 TCP连接或者无 线网络通信系统连接；所述的无线网络通信系统包括有无线网卡、无线路由器和两块普通网卡； 所述的无线网卡采用型号为TWL541P的无线PCI网卡，安装在主机上；无 线路由器采用提供了一个固定广域网接口与四个固定局域网4妄口并符合IEEE 802. lib和IEEE 802. llg无线标准的型号为TWL54R的无线路由器，两块普通 网卡皆采用型号为82559的网卡，分别安装于目标机1和目标机2上。
全文摘要
本发明公开了一种车辆线控制动线控转向硬件在环试验台。该试验台集线控制动系统和线控转向系统于一体，其可划分为软件部分、实时平台、信号处理部分和硬件部分。实时平台由主机、目标机1和目标机2组成。主机与目标机1和目标机2之间采用无线网络通信系统连接。信号处理部分由型号为PCL-818HD的第一、二数据采集卡、型号为PCL-727的第三、四数据采集卡、型号为PCI-6601的第五数据采集卡和V/F转换模块组成。硬件部分包括有转角传感器(12)、转矩传感器(13)、回正电机(16)、转向阻力传感器(21)、转向执行电机(18)、EMB执行器控制器、EMB执行器、夹紧力传感器、转速传感器和电流传感器。
文档编号G01M17/007GK101561353SQ20091006698
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者建 张, 静 李, 坤 杨, 殷卫乔, 坤 王, 饶志明, 青 魏 申请人:吉林大学