汽车ASR系统ECU设计及xPC硬件在环仿真研究

摘 要 ：建立汽车动力学仿真模型，利用飞思卡尔S12单片机基于相关算法设计、开发汽车驱动防滑控制件控制器（(ASR)系统的硬件控制器(ECU)。应用Simulink/RTW/xPC Target开发工具结合软、硬件，构建ASR系统基于xPC的硬件在环仿真平台。仿真实验验证了系统控制器硬件及控制程序的有效性。

关键词：ASR；单片机；xPC Target；硬件在环仿真

中图分类号：U463.54 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.01.011

ECU Design of Automotive ASR Systems and Its Hardware-in-the-loop Simulation Using xPC Target

Sun Jun，Zhang Li

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei, Anhui 230009,China)

Abstract：Vehicle dynamics model was established. ECU of automotive acceleration slip regulation(ASR)system was designed using the correlation algorithm based on Freescale S12 MCU. Utilizing Simulink，RTW and Matlab xPC Target，a hardware-in-the-loop simulation platform was built up. Simulation results show the effectiveness of both the system controller hardware and the control procedures.

Key words：ASR；microcontroller unit；xPC Target；hardware-in-the-loop

汽车ASR系统通过将驱动轮保持在最佳滑转率范围内,可以提高汽车起步、加速时的方向稳定性和操纵性;使汽车在起步、加速时获得最适当的驱动力并改善其附着性能，提高汽车起步能力[1-4]。

在产品开发初期，无论是控制逻辑的确定，还是执行机构的设计开发都是先从仿真研究入手。xPC Target作为一种高性能的宿主机-目标机原型环境，它能把Simulink模型和物理系统连接起来并且在PC机上进行处理[5-6]。它是一种具有系统开发、调试、检测及性能评价等综合功能的车辆电子系统开发和改进的重要工具[7-10]。

在Matlab软件平台上建立汽车动力学仿真模型，并根据相关算法设计ASR系统ECU，再利用xPC Target联合软、硬件构建硬件在环仿真实验平台，最后通过硬件在环仿真实验验证了所设计ECU能够有效地控制车轮滑转，改善了汽车起步加速性能。

1 汽车动力学仿真模型

利用汽车驱动工况下各组成部分的数学模型，在Matlab/Simulink软件平台下，根据某后轮驱动汽车数据，搭建汽车驱动状况下的动力学仿真模型。仿真模型包括：发动机模型、传动系模型、轮胎模型、整车模型、制动器模型。

1.1 发动机模型

发动机是汽车的动力源泉，其输出的转矩经传动系传递到驱动轮产生牵引力，从而驱动车辆向前行驶，因此正确地建立发动机模型是整个动力传动系的基础。

在车辆起动、变速情况下，油门开度变化迅速，发动机达到稳态过程是一个动态过程，即发动机节气门阶跃响应有一定的滞后和惯性。发动机经过一个动态响应过程之后，将会重新进入稳定工况。考虑到实验中驱动防滑控制只是把发动机作为一个具有一定特性的动力装置，为了描述发动机的动态输出特性，可以把发动机看成是具有纯延迟的一阶惯性环节。其传递函数可表示为

式中: 为动态转矩；为此油门开度下稳态转矩；T1为系统之后时间常数；T2为系统时间常数；s为拉氏变换量。

1.2 轮胎模型

建立GIM理论模型，这一模型主要描述纵向力、横向力以及它们之间的联合作用力。

轮胎与路面的纵向力公式为

轮胎与路面的横向力公式为

式中：Fx为轮胎与路面的纵向力；Fy为轮胎与路面的横向力；SS为纵向滑转率；Sα为横向滑转率；Ssc为滑转临界点；Sαc为侧偏临界点；为车轮纵向附着系数；为车轮横向附着系数；CS为轮胎纵向刚度；Cα为轮胎横向刚度；，。

1.3 整车模型

整车模型能反映出整车的驱动特性和稳定性，是衡量各个控制子系统响应效果的工具。建立纵向位移、侧向位移、横摆角位移3个自由度的整车动力学模型。动力学微分方程如下

式中：为车辆纵向速度；为车辆侧向速度； 为转向轮转角；为横摆角速度；α、b为分别为质心到前后轴的距离；d为车轮轮距；Fx1、Fx2、Fx3、Fx4为作用在各个车轮上的纵向力；Fy1、Fy2、Fy3、Fy4为作用在各个车轮上的侧向力。

1.4 制动器模型

汽车的制动性能是影响车辆安全性的重要性能，采用如下制动器模型，其计算公式为

式中：Fb为踏板力；ib为制动杠杆比；为操纵机构效率；B为助力器助力比；Dm为制动主缸直径；P0为推出压耗；Awc为车轮轮缸面积；为轮缸效率；为制动器效能因素；R为车轮制动鼓半径。

2 ASR系统硬件ECU设计

系统采用飞思卡尔公司16位MC9S12DG128B单片机作为主控制器。MC9S12DG128B具有16位中央处理器（HCS12 CPU）、128 KB Flash EEPROM、8 KB RAM、2 KB EEPROM，以及定时器通道、键盘中断和A/D通道等接口。在CodeWarrior软件环境下，设计、编写主控制程序并下载入单片机，实现硬件控制器对相关信号的检测、运算并发出相应执行指令。

2.1 ASR系统控制程序

ASR系统控制程序包括：初始化模块、自检模块和主控制模块。其中，主控制模块由数据处理模块、参考车速模块、路面识别模块、判断处理及控制执行模块组成。

2.2 控制执行模块

系统控制方式采用驱动轮制动力控制方式，ASR系统制动力基本调节过程为：增压―保压―减压。基于逻辑门限值控制算法，采用驱动轮滑转率作为门限，通过不同路面环境下轮胎附着力特性系数曲线确定最佳滑转率，实现汽车在起步加速过程中获得最大地面附着力。

3 xPC硬件在环仿真实验

以实时仿真系统xPC Target为核心，接入控制器ECU等硬件，实现基于Matlab/Simulink xPC Target双机通信的实时仿真系统。系统包括宿主机（PC机）、目标机（PC机）、数据采集卡以及硬件控制器。

利用宿主机在Matlab/Simulink软件平台下装载汽车动力学仿真模型，制作U盘目标启动盘并通过DOS方式启动目标机载入xPC实时内核。将Visual C++ 6.0作为目标语言编译器使汽车动力学仿真模型C代码化，并通过宿主机与目标机之间的TCP/IP协议通讯将C代码下载入目标机中实现实时运行，再由安装在目标机中的xPC模块专用数据采集卡PCL-818L与ECU相连接，通过采集卡数、模转换功能实现硬件控制器与PC机之间的数据交流。

在宿主机中输入相关控制指令可以对仿真过程进行实时控制，通过在仿真模型中添加xPC目标示波器模块实现目标机显示器对仿真过程中相关数据的实时监测，同时通过添加xPC宿主示波器实现对仿真后的相关实验数据进行采集。

4 实验结果

4.1 均一附着路面硬件在环仿真实验

在峰值附着系数为0.2的均一路面上，左、右驱动轮情况基本相同。车辆采用2挡起步加速，节气门开度100%，在未施加ASR系统控制情况下，驱动轮轮速与车速变化如图5所示，滑转率如图6所示急速上升，汽车加速性能较差。

仿真系统加入ASR系统硬件控制器，车辆起步加速情况下，驱动轮轮速与车速变化如图7所示，滑转率如图8所示趋于0.1左右。

控制器根据所接收到的轮速信息发出相关控制指令，驱动轮受相应制动力作用，实现对汽车滑转率的有效控制，汽车起步加速性以及稳定性得到明显提升。

4.2 分离附着路面硬件在环仿真实验

左、右路面峰值附着系数分别为0.2和0.6，车辆采用2挡起步加速，节气门开度100%。在未施加ASR系统控制情况下，左、右驱动轮轮速均值与车速变化如图9所示，左、右驱动轮滑转率如图10所示，低附着路面上左驱动轮滑转率急速上升，汽车加速性能较差。

仿真系统加入ASR系统硬件控制器，车辆起步加速情况下，驱动轮轮速均值与车速变化如图11所示，左、右驱动轮滑转率如图12所示趋于0.1左右。控制器根据所接收到的左、右轮轮速信息发出相关控制指令，分别对左、右驱动轮施加相应制动力作用，实现对汽车在对开路面左、右驱动轮滑转率的有效控制，汽车起步加速性以及稳定性得到明显提升。

5 结论

通过构建汽车动力学仿真模型，设计、开发基于MC9S12DG128B芯片的ASR系统ECU软、硬件，最终建立了基于xPC Target的ASR系统硬件在环仿真平台并且分别在均一、分离路面情况下进行硬件在环仿真实验。实验结果表明：

⑴汽车动力学仿真模型运行可靠，反映出了汽车在均一、分离路面情况下驱动状态时的各项参数变化。

⑵ASR系统ECU通过轮速等状态信息，将驱动轮的滑转率控制在理想范围内，有效地实现了驱动防滑转的控制功能，提升了汽车的驱动性能，并且为进一步的实车实验奠定了基础。

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