基于机电混合模拟技术的帕萨特ABS试验台研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.62MB 65 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 课题研究的目的和意义

汽车防抱死制动系统（ABS，Anti-lock Braking System）实际上是一种采用电

子控制技术自动调节制动力的装置。汽车采用传统的制动系统在紧急制动或者湿

滑路面上制动时，经常会发生车轮抱死现象，因此车辆防抱死系统的采用可以有

效地防止车辆在制动过程中发生车轮抱死，提高制动过程中驾驶者的操作稳定性，

降低因车轮抱死制动而导致的交通事故率。

根据汽车制动理论和已进行过的大量试验可知，在车辆制动过程中，当发生

车轮抱死情况时，车轮与地面的纵向附着系数并非最大，并且车轮与地面的侧向

附着系数几乎为零。所以，制动时车轮抱死不仅会造成车轮轮胎的局部严重磨损，

而且当前轮抱死后，车辆会丧失转向能力，使车辆丧失方向稳定性[1]。当车辆在潮

湿、泥泞、冰雪等低附着系数路面或高速行驶时制动，如果车轮发生抱死，汽车

将会发生侧滑、甩尾及方向失控，进而造成车辆倾覆及更为严重的恶性交通事故[2]。

统计资料显示，因车轮抱死而导致车辆在制动过程中发生的交通事故占整个交通

事故总数的 10%左右，这类事故严重地危害着各国驾驶者及乘客的生命财产安全

[3]。

汽车防抱死制动系统一般是通过控制制动轮的瞬时角加速度与减速度，从而

将汽车车轮的滑移率 s控制在 15%~25%之间，以保证轮胎与路面间的纵向附着系

数稳定在最大值附近，同时保证其侧向附着系数处于较大值。采用这样的制动系

统就能有效地提高汽车制动的方向稳定性及操纵性，并缩短制动距离。目前各大

公司的汽车已基本装配了各种 ABS 装置[4]。

目前，我国汽车上也已大量装配了各种 ABS 装置。因此，ABS 装置的研发已

成为我国汽车电子装置研究开发中的热点，但由于起步较晚且真正掌握的具有自

主知识产权的产品较少，特别是许多国外先进的 ABS 控制策略技术未全部公开，

因此在汽车防抱死制动系统的技术开发过程中，就需要尝试运用不同的控制方法

进行大量的试验，在反复的试验中获取一些关键的参数。此类试验可分为整车道

路试验和试验台模拟试验两种。其中整车道路试验的成本较高，试验过程需在车

辆高速行驶制动情况下进行，带有一定的危险性；受地区与季节条件的限制，自

然状态下的路面尤其是结冰路面与积雪路面以及不同路面结合试验均不容易实

现。而利用专门的试验台测试来替代部分整车试验与通常的道路试验相比，具有

试验速度快、成本低、测试数据结果稳定、可比性好等优点[5]。在实现试验台模拟

试验的过程中，为了保证试验条件与实际工况相一致，多数试验台都采用滚筒进

基于机电混合模拟技术的帕萨特 ABS 试验台研究

行道路模拟，采用大质量飞轮模拟汽车的运动惯量。因为汽车制动过程是在持续

制动阶段才出现车轮抱死滑移现象，而当车辆低速运行时采取紧急制动，其制动

过程较短，制动力一旦达到峰值汽车就停住了，并未产生持续的制动阶段。所以

要评定 ABS 防抱死系统的状况，必须采用高车速工况来检测，以使受检测的汽车

经过制动阶段后再停住[6]。但是这样就会存在试验台体积过大（单滚筒试验台滚筒

直径达 1.5m~2m）、操作难等问题。

本文对帕萨特 ABS 进行试验台开发研究，采用了机电混合模拟技术。试验台

设计过程中对路面对车轮的制动力以及汽车运动惯量的模拟是通过应用计算机控

制技术控制磁粉离合器传递力矩来实现的，汽车行驶速度的模拟则采用电动机调

速控制来实现。在试验台的设计开发过程中采用了原车上的 ABS 装置，其本质上

是通过对制动轮瞬时角速度的控制，并结合了对试验台机电硬件部分的设计和采

用软件编程的控制方法，取消了以往试验台中的滚筒装置，减小了整体试验台的

体积，使用飞轮仅仅模拟部分的运动惯量。

§1.2 国内外的研究现状

就目前而言，汽车 ABS 试验台主要分为静态型和动态型两大类[7]。其分类依

据为试验台是否能较为真实地反映车辆制动过程中的路面状况（路面附着系数模

拟）以及运动惯量（整车惯性模拟）。

1、在大多数的静态型 ABS 试验台中，试验台通过计算机软件进行对车辆运

动状态的模拟，同时在试验台控制面板中还可以反映出 ABS 系统的结构，并能够

对ABS 的工作过程进行演示及故障设置，一般用于教学演示。

2、而动态型的 ABS 试验台则注重对车辆实际运动状况的模拟，试验台通过

将具体的实车装置和路面状况模拟装置以及运动惯量的模拟装置相连接，构成整

个ABS 动态性能试验台。其主要在 ABS 性能检测分析中被广泛地利用。

§1.2.1 国外研究现状

国外计算机技术较为成熟。因此，一些公司针对 ABS 试验开发出了混合仿真

的计算机平台，例如：美国 NI 公司的 PCI 和德国 dSPACE 公司的 dSPACE 等。

美国机械系统仿真公司开发的 CarSim 和TruckSim 车辆动力学模型软件，可

以精确地模拟不同车辆及道路情况。而 Audi、通用等一些大公司都是利用 ABS 硬

件，通过在回路仿真（HILS）试验台架进行 ABS ECU 的测试。在控制器开发出后，

HILS 实际上就是将实际的控制器和仿真模型通过组合，形成闭环测试系统，从而

进行整个系统的仿真测试[8]。

第一章绪论

德国 Audi 公司研究开发的如图 1.1 所示用于测试防抱死制动系统的工业型硬

件回路试验台。试验台使用的是 ve-DYNA 车辆动力学模型，它是将真实的 Audi A8

轿车中的液压制动系统安装在试验台架中，同时将它与 ABS 的ECU、dSPACE

Simulator 和计算机等同时连接，构成试验台的硬件部分。通过该试验台中 dSPACE

对车辆动力学模型 ve-DYNA 进行运行，从而使试验信号可以进行输入及输出，完

成对整个回路的测试。试验时，通过对车辆的不同参数分别进行采集和监控，如

车轮速度、车轮加速度、车轮制动压力等，从而系统地分析 ABS ECU 的性能；同

时也可以通过改变车辆的操纵以及路面信息，实现在各种不同的仿真条件下进行

ABS ECU 的测试。在这个试验系统中不仅实现了对车辆参数的实时采集及分析，

还能通过测试对 ABS ECU 的故障进行排除以及 ABS ECU 负载工作能力的检测。

此外，在系统中还集成了故障模拟模块和负载模拟模块，运行故障模拟模块还可

以对大多数车辆故障进行模拟测试[9]。

图1.1 奥迪防抱死制动系统试验台工作示意图

§1.2.2 国内研究现状

在国内，由于国外一些著名 ABS 厂商在 ABS 台架检测试验技术上实施技术保

密措施，国内的大学及科研机构往往只能进行自主研发，而最初对于 ABS 测试试

验台采用的基本设计思路为采用滚筒来模拟路面状况和车轮速度，因此主要侧重

开发的 ABS 试验台多为单滚筒式结构[10]。

北京理工大学最早研究开发了单滚筒式 ABS 试验台，试验台由机械和电液两

部分组成。

基于机电混合模拟技术的帕萨特 ABS 试验台研究

1、机械部分：包括主体结构骨架、主轴、万向传动轴、滚筒、齿轮箱、惯性

飞轮等。

2、电液部分：包括直流调速电动机、辅助电动机、液压系统、试验台控制系

统、主控计算机和 ABS 控制系统等。

该试验改变了最初设计中对惯性飞轮采用的轴承支撑和通过离合器接合惯性

飞轮的方法，采用了新型等比法兰式和等分锥轴式的接合方法，通过采用新方法

可以提高测试精度。而由于采用不同的等分和等比飞轮进行组合，其试验台转动

惯量已经达到 127 级，惯性级差仅为 1.0 kg·m，因而基本可以满足轿车和轻型汽

车制动系统测试的惯量加载要求[11]。由于试验台在原有管路压力、制动力矩、主

轴转速的基础上，增加了轮速、滚筒转速、滚筒扭矩等装置，在试验过程中便可

以实时地测量收集试验数据，了解 ABS 工作过程中相关参数变化引起的控制效果

变化，为更好地调整控制策略、确定参数提供有力的数据记录。

受滚筒曲率的影响，车辆在滚筒式试验台上的滑移率与在平坦道路上的滑移

率也有一定的差别。滚筒并不能完全达到精确地模拟路面状况的目的，所以以滑

移率控制为主的 ABS 试验台必须装备汽车速度测量装置，这就导致试验台成本较

高，而实际应用的 ABS 都是以车轮角加速度为主要控制参数，滑移率仅作为辅助

控制参数。如图 1.2 所示目前用于教学的静态 ABS 试验台也仅仅利用了计算机技

术对试验台进行了数据实时显示和故障智能设置，并不能真正模拟汽车的运动惯

量和路面行驶状况。

图1.2 丰田 ABS 制动系统实训台

随着计算机技术的迅速发展及车辆动力学模型的完善，近年来混合仿真技术

越来越多地应用于 ABS 开发与测试过程中。混合仿真技术可以进行实时系统仿真，

通过将实际装置与计算机接口相连，达到系统实时运行的目的。运用混合仿真技

术的 ABS 试验台，可以根据试验目的将不同的软件模块与实际装置进行组合，构

第一章绪论

成不同的闭环仿真系统。因此，在仿真过程中，只要向计算机输入车辆及道路的

参数，便可以仿真得到不同车辆在不同路面条件下的制动数据及制动曲线，由此

可以判断出 ABS 的制动性能。国内目前采用此类方法的试验台架尚处于研究阶段，

并未在实际 ABS 系统的测试过程中得到广泛地应用[12]。

国内清华大学所搭建的车辆传动系试验台采用了机械惯量电模拟的方法。通

过对电涡流测功器进行控制补偿来实现车辆实际惯性力矩和试验台模拟惯性力矩

（主要由惯性飞轮组模拟）差异的消除，从而使惯性力的模拟更为精确[13]。

而东南大学同样使用混合模拟技术研制出了同步器试验系统。该系统在使用

了一部分机械惯量的基础上，采用惯量电模拟技术对电机调速系统进行适当的补

偿控制，通过控制系统在线调整控制参数，实现机械惯量较为准确的模拟控制，

有效提高了试验精度，整个系统结构设计简单易操作。

南京林业大学在进行 ABS 制动系统试验台的研究搭建过程中应用了机械惯量

电模拟的方法。所搭建的 ABS 试验台装用桑塔纳 2000GSI 上的实物装置，为了实

现路面状况对车轮制动力的模拟，该试验台通过采用计算机的控制技术实现了对

磁粉离合器传递力矩的控制，而车辆行驶的速度则是通过对电动机的调速控制进

行模拟。该试验台如图 1.3 所示，但是其外观与实际桑塔纳 2000GSI 上的 ABS 系

统外观相差很大，并且该系统只可以模拟测试单个轮速的变化情况，尚无法模拟

测试 ABS 制动的全过程。

图1.3 ABS 制动系统试验台

§1.3 论文主要的研究内容和研究方法

§1.3.1 设计目标

本文的设计目标是设计开发基于机电混合模拟技术的 ABS 系统试验台。该试

基于机电混合模拟技术的帕萨特 ABS 试验台研究

验台模拟的车速和轮速的变化情况要符合汽车实际的制动过程，在 ABS 作用下不

同路面的制动时间与理论制动时间相吻合。利用设计的 ABS 系统软件，在计算机

上可以直观地显示汽车在制动过程中的各种参数，如轮速、轮减速度、车速等。

试验台应结构简单、操作方便、易于观察各种参数。

§1.3.2 主要研究内容

1、试验台系统简介

本文所设计的 ABS 试验台如图 1.4 所示。试验台的测控系统主要基于机电混

合模拟技术进行设计开发，其核心系统为磁粉离合器控制系统及电动机自动控制

系统。该试验台上的制动器、液压制动系统及 ABS 均采用帕萨特原车上的装置，

试验台的驱动方式采用交流电动机进行驱动，电动机转速的调整可用于实现对不

同车速的模拟，车辆的惯量通过安装的惯性飞轮进行模拟。通过计算机技术对磁

粉离合器传递力矩的控制，可以实现地面对车轮制动力及车辆转动惯量的模拟。

本系统的使用较为方便，在试验台开始工作前，松开制动踏板，保证制动器

处于不工作状态，计算机控制的调速电机经皮带传动带动磁粉离合器拖动车轮运

转。当制动试验开始后，踩下制动踏板，计算机会实时地采集试验台中车速和轮

速传感器信号，计算后得到实时的车轮速度、减速度及制动力，然后按在相同制

动力下汽车道路行驶过程中的车轮减速度值为目标，调节磁粉离合器所传递的扭

矩大小，再通过制动力的大小确定汽车行驶速度的目标值，从而调节电机的转速，

并通过控制系统中的执行元件对电动机进行控制，进而达到电动机的输出转速能

符合实际车速的变化情况。

图1.4 帕萨特 ABS 制动试验台

2、研究内容

本文以帕萨特轿车作为研究对象，通过对国内外汽车 ABS 试验台产品的原理

和性能进行系统的分析，提出基于机电混合模拟技术的帕萨特 ABS 试验台设计方

案，并进行试验台的系统测试及结果分析，其主要研究内容如下：

第一章绪论

（1）研究制动力电模拟的原理和方案

试验台中制动力的电模拟主要是依靠磁粉离合器的作用，通过它来传递扭矩，

并且通过调节激磁电流就可以控制其输出扭矩的大小，从而模拟不同路面对车轮

的制动力，来达到制动力电模拟的效果。

（2）研究机械惯量电模拟的原理和方案

在实际情况中，汽车制动时会具有相当大的惯量，为保证试验台上车轮的运

动状态与实际汽车道路行驶时的一致，在试验台中加装惯性飞轮，通过电机带动

飞轮以提供部分惯量，其他惯量由磁粉离合器传度力矩来进行补偿，来达到机械

惯量电模拟的效果。

（3）试验台的整体布置及各部分的设计

系统的整体布置从实际情况出发，针对原车上的装置进行研究分析，并对试

验台各部分器件进行设计，其参数均由理论计算得出。

（4）试验台测控系统软件的编程设计

测控软件选择 Labview 进行编程设计，试验台的各部分设计所用到的控件基

本都可以在 Labview 控件库中找到，而在程序设计过程中所用到的函数工具也可

在Labview 的功能库中找到，在编程过程中只需要用鼠标将图标以“连线”的方

式连接即可[14]。

（5）试验台系统测试及试验结果分析

当整个系统软件编程及硬件设计完成后，需要对系统进行测试。其主要的测

试任务是对 PID 环节进行参数整定，以减小试验台的静态误差，提高试验台的响

应速度，使试验台具有较高的测试精度。通过对系统的试验结果进行研究分析，

并与相同条件下理论的仿真曲线对比分析，从而验证试验台是否达到了设计目标

的要求。

§1.3.3 关键技术

1、试验台中车轮的运动和地面制动力的混合模拟技术，包括：通过对磁粉离

合器传递扭矩的控制来实现地面对轮胎作用力的模拟，即路面附着系数的模拟。

车辆运动惯量的电模拟补偿同样由控制磁粉离合器输出的扭矩来提供。

2、提出通过在试验台中加装两个磁粉离合器，进行分别模拟左右两前轮所处

不同路面的情况，更为缜密地考虑到了汽车实际的行驶情况。

3、应用调速电机随动控制技术，实时跟踪模拟车轮的实际运动情况，从而达

到惯量电模拟的目的。

§1.3.4 主要研究方法

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摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题研究的目的和意义汽车防抱死制动系统（ABS，Anti-lockBrakingSystem）实际上是一种采用电子控制技术自动调节制动力的装置。汽车采用传统的制动系统在紧急制动或者湿滑路面上制动时，经常会发生车轮抱死现象，因此车辆防抱死系统的采用可以有效地防止车辆在制动过程中发生车轮抱死，提高制动过程中驾驶者的操作稳定性，降低因车轮抱死制动而导致的交通事故率。根据汽车制动理论和已进行过的大量试验可知，在车辆制动过程中，当发生车轮抱死情况时，车轮与地面的纵向附着系数并非最大，并且车轮与地面的侧向附着系数几乎为零。所以，制动时车轮抱死不仅会造成车轮轮胎的局部严重磨损，...

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