汽车底盘控制技术的研究

汽车底盘控制技术的研究1汽车底盘电子控制的理论基础和特征汽车底盘最主要的功能就是让汽车按驾驶员的意愿作相应的加速、减速和转向运动。由图1可见，驾驶员是通过汽车里的操纵元件(转向盘、油门和制动踏板)来表达其意向，相应的执行量是前轮的转向角及车轮上的驱动力矩或制动力矩，真正起作用的是轮胎的纵向力和侧向力。汽车轮胎力的主要影响因素是路面的附着系数、车轮的法向力、车轮滑动（转）率和车轮侧偏角。因此，汽车底盘控制的基本思路和原理就是在给定的路面附着系数和车轮法向力的情况下对车轮滑动(转)率和侧偏角进行适当的影响和控制，来间接调控轮胎的纵向力和侧向力，最大限度地利用轮胎和路面之间的附着力，提高汽车的主动安全性、机动性和舒适性。汽车底盘的电子控制是一个多系统相互影响，相互作用的复杂系统工程，具有以下特征。图1驾驶员、轮胎力和汽车运动的相互关系(1)不同的控制系统经常共用同一传感器、执行机构、甚至电子控制单元。如轮速传感器的信号几乎被所有。的底盘控制系统所使用。(2)同一个控制目标可由不同的控制系统单独或者共同来控制。如汽车在离散型路面上制动时方向稳定性可通过ABS、ESP、AFS和RWS来控制。(3)同一个控制系统可能会对多个变量同时进行控制，并且拥有多个执行机构。如TCS的控制变量有车轮的滑转率和车轮的角加速度，其执行机构有发动机节气门开度的调节器和轮缸里制动液压的调节装置。(4)同一个控制变量同时受不同的控制系统所控制。如车轮滑动率同时受ABS和ESP的控制。2汽车底盘常见的电子控制系统2．1汽车制动和驱动的电子控制系统2．1．1汽车防抱死制动系统ABS(antilockbrakesystem)汽车在制动过程中，当车轮滑动率在30％左右时，制动力系数最大(见图2)。此时车轮能获得的地面制动力也最大。当制动力矩进一步增加，车轮滑动率将快速增大，制动力系数不但不再增大了，反而逐渐减小。显然，车轮滑动率在大于入时，制动力系数处于非稳定区域。因此希望将车轮滑动率控制在稳定区域里。从侧向力系数和滑动率的关系曲线可以看出，滑动率越小，侧向力系数越大。当车轮完全抱死时，其侧向力系数几乎为零，完全失去了承受侧向力的能力。当这种现象发生在前轮时，汽车失去转向能力；如果发生在后轮，汽车将发生后轴侧滑，失去稳定性。把滑动率保持在稳定区域里就是ABS的主要控制目标。图2制动力系数μB、侧向力系数μS，和滑动率λB的关系曲线ABS基本上都是由电子控制单元(ECU)、轮速传感器和制动压力调节装置等组成。轮速传感器是ABS十分重要的部件。它要向电子控制单元(ECU)及时地提供可靠、精确的车轮转速。轮速传感器可分为电磁式、霍尔式和磁阻式。其中电磁式传感器是一种被动式轮速传感器，因为它不需要外部电源就能产生相应的电信号。其结构简单、成本低。但是，当车速很低时，输出信号太弱，ABS无法正常工作。当车速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易出现错误信号。另外还有抗电磁波干扰能力较差和不能识别车轮的转动方向等缺点。目前，ABS系统越来越多地使用霍尔式或磁阻式主动轮速传感器，从而消除了电磁式轮速传感器的不足。电子控制单元(ECU)是ABS系统的控制中心。它由硬件和软件两部分组成。其硬件部分包括输入电路、运算电路、电磁阀及电动液压泵控制电路和安全保护电路等。ECU软件具有运算控制和系统监测两大功能。当系统的各组成部分都运行正常时，ECU接收传感器的输入信号，然后按一定的控制策略和运算逻辑进行处理和计算，从而形成相应的控制指令，对制动压力调节装置进行控制。当ECU监测到系统工作不正常时，会自动终止ABS系统工作，同时点亮ABS警示灯。此时传统的制动系统照常工作，不受任何影响。新型的ABS基本上都使用由2位2通道电磁阀、低压储液室、电动泵组成的压力调节装置(图3)。根据不同工况阶段，压力调节装置可进入4种不同的压力调节模式：普通制动、保压制动、减压制动和增压制动。图3ABS制动压力调节装置ABS是在传统的制动系统里串联进去了制动压力调节装置，传统的制动系统不需改动。即使ABS发生故障，传统制动性能照常工作。ABS的另一特点是不依赖于其他系统。ABS是电子控制在汽车应用中最成功的范例之一。2．1．2牵引力控制系统TCS(tractioncontrolsystem)当汽车驱动轮的驱动力矩过大时，驱动轮会相对地面作滑转运动。一般希望驱动轮的滑转率不要超过20％，这样不仅能获得最大的地面驱动力，而且驱动轮还能承受一定的侧向力。这种对驱动轮滑转率进行控制的系统称为TCS系统。它是在ABS的基础上发展起来的。它不仅要对ABS的制动压力调节装置进行扩展，而且还需要发动机电子管理系统(EMS)的有机配合。在绝大多数汽车里，TCS同ABS共用同一个ECU。只是在软件部分增加了TCS的运算、监测和控制模块。TCS的ECU根据传感器的输入信号，来识别和判断汽车的行驶状况。如发现汽车驱动轮的滑转率超出相应的门限值，TCS系统将对执行机构发出相应的控制调节指令。其执行机构分为发动机节气门调节机构和驱动轮制动压力调节装置两部分。发动机节气门调节机构是对汽车的2个驱动轮进行对称式的控制和调节。要求发动机输出转矩减少的控制称为ASR控制；而对发动机输出转矩增大的控制则称为MSR控制。当2个驱动轮的滑转率都超出相应的门限值，这时需要减小发动机的输出转矩。对发动机的节气门进行相应的调节，同步减小2个驱动轮的驱动力矩，获得所期望的驱动轮滑转率。当汽车在低附着路面上作怠速行驶时，发动机的输出力矩为负值，驱动轮在发动机的制动力矩作用下会产生一定的滑转率。当驱动轮的滑转率过大时，汽车将失去其方向稳定性。此时TCS系统将通过EMS来增大发动机输出转矩，从而减小驱动轮的滑转率。由此可见，TCS的正常工作离不开EMS的有机配合。TCS系统是通过CAN从EMS获得有关信号，并将控制指令通告给EMS。因此TCS系统已实现了最初的汽车动力学控制的电子化、智能化和网络化。驱动轮制动压力调节装置是对汽车的2个驱动轮进行非对称式的控制和调节。当左右驱动轮的滑转率相差悬殊时，对滑转率较大的驱动轮进行制动力的控制来减小2个驱动轮的轮速差。TCS系统的这种控制模式也叫做BTCS。主要应用于汽车在μ—Split路面以及汽车在弯路上的加速行驶。在有些情况下TCS需要同时进行ASR和BTCS控制，才能获得最佳的驱动力和汽车的方向稳定性。TCS制动压力调节装置(图4)是在ABS制动压力调节装置的基础上，对每个制动回路增加2个电磁阀(隔离阀和低压阀)。在进行BTCS控制时，隔离阀断开，低压阀连通，低压油从制动主缸由电动泵输送到驱动轮制动轮缸里，产生所需要的轮制动压力。图4TCS/ESP制动压力调节装置工作原理图2．1．3汽车动力学电子稳定控制系统ESP(elec-tronicstabilityprogram)ESP是通过调节车轮纵向力大小及匹配来控制汽车的横摆运动，使汽车具有良好的操纵性和方向稳定性的主动安全控制系统。ESP的基本原理是通过传感器和运算逻辑来识别驾驶员对汽车的期望运动状态，同时测量和估算出汽车的实际运动状态。当两者之间的差大于给定的门限值时，按一定的控制逻辑对车轮的纵向力大小进行相应的控制和调节，使作用在汽车上的横摆力矩发生变化。附加的横摆力矩迫使汽车作相应的横摆运动，让汽车的实际运动状态更接近驾驶员对汽车的期望运动状态。为了识别驾驶员对汽车的期望和得知汽车的实际运动状态，ESP系统需要比ABS和TCS更多的传感器。它们是转向盘转角传感器、汽车横摆角速度传感器、横向加速度传感器和制动主缸的液压传感器。ESP和TCS系统使用相同的执行机构。当汽车在弯道行驶时，如果汽车行驶轨道和驾驶员所期望的轨道不一致(图5)，ESP系统会通过制动压力的干预或者发动机输出转矩的调节，来改变汽车的运动。当汽车的实际运动曲线半径小于驾驶员所期望的轨道半径时，汽车有过度转向的特征。此时，ESP在汽车的前外轮施加一个制动力。一方面，制动力对汽车产生一个横摆回正力矩；另一方面，由于制动力的增加，作用在此车轮上的侧向力会相应减小，从而产生另一个横摆回正力矩。汽车在这两个附加回正力矩的作用下会返回到驾驶员所期望的轨道上来。当汽车有不足转向时，ESP有两种干预方法。其一是在汽车的后内轮施加一个制动力，使汽车的横摆运动加剧，让汽车返回到驾驶员所期望的轨道上来；另一种是减小发动机输出转矩，相应的驱动力也随之减小，汽车将作减速运动。此时，前轴的法向力增大，后轴的法向力减小。相应的前轴侧向力增大，后轴侧向力减小，从而加剧汽车的横摆运动，使汽车的实际运动状态更接近驾驶员的期望值，提高了汽车的方向稳定性。图5ESP对汽车运动的控制效应2．2汽车转向系统的电子控制汽车转向系统的电子控制是通过对车轮转向角的电子控制来实现的。常见的系统有主动前轮助力转向系统(EPS)、主动前轮叠加转向系统(AFS)和主动后轮转向系统(RWS)。2．2．1主动前轮电动助力转向系统EPS[2](electricpowersteering)传统的动力转向能使驾驶员操纵轻便，减小路面对转向盘的冲击，同时能让转向盘具有自动回正的能力。EPS能更好地满足以上要求。特别是在使驾驶员操纵轻便方面，电动助力转向系统可根据汽车的行驶速度，灵活地调节助力大小。在低速停车时，所需要的转向力矩最大。此时EPS能相应地加大助力强度，提高汽车驾驶的舒适性。在装有停车辅助系统的汽车里，EPS在停车时能自动回正转向盘。EPS主要有3种不同的安装方案：(1)安装在转向轴上；(2)安装在转向器的齿条上；(3)安装在转向器的横拉杆上。但EPS的结构和工作原理都大同小异。在此仅对第1种安装方案的EPS作简单介绍。此方案已用于新型的宝马BMWZ4车。EPS由电子控制器、电动机及运动传动机构、电动机转速传感器、转向盘转角传感器和转向盘力矩传感器等部分组成(图6)。由于EPS可按需要给转向盘施加一个额外力矩，这一力矩可用于对驾．驶员的提示信号，实现转向建议功能DSR(driversteeringrecommendation)。让EPS系统和ESP系统相互结合，来识别和判断驾驶员的意向以及汽车的运动状况。一旦发现汽车过度转向或当汽车在μ—Split路面制动时，DSR可及时地提示和建议驾驶员作出快速和正确的反应，从而提高汽车的安全性。图6EPS的主要组成部分2．2．2主动前轮叠加转向系统AFS[3](activefrontsteering)AFS系统能在驾驶员通过转向盘施加给前轮的转向角的基础上，通过AFS的执行机构给前轮叠加一个额外的转向角。此额外的转向角由电子控制单元根据转向盘转角和汽车的一些运动变量计算。AFS的执行机构由电动机、自锁式蜗轮蜗杆机构、行星齿轮机构等组成。AFS一般串联在转向盘和转向器之间(图7)。转向器的输入角δV由转向盘转角δS和电动机转角δM。线性叠加而成。为了得知和控制前轮转向角，需要安装一电机转角传感器。AFS电子控制单元通过CAN获得转向盘转向角，汽车行驶速度等信息。同时将转向器的输入角δV及转向器的输入角速度传递给CAN网络。由于前轮转向系统增加了一个运动自由度，通过合适的前轮转向角叠加能实现一些传统转向系统无法实现的新功能。其中最主要的功能是转向系统的变传动比和对前轮转向角的动态干预和调节，来影响汽车的动态性能，从而使汽车的舒适性、机动性和稳定性得到一定的改善。AFS转向系统的传动比是根据汽车行驶速度来变化的。当汽车低速行驶时，AFS的执行电动机叠加一个与转向盘转角δS同向的电机转角δM，使转向盘转角与前轮转向角的比值变小。其转向更直接、快速、舒适。当汽车高速行驶时，AFS叠加一个与转向盘转角δS反向的电机转角δM，使转向盘转角与前轮转向角的比值变大。其转向变得更为间接，所需要的转向盘转角变大，能提高汽车高速行驶的转向精确度，从而改善汽车的操纵性。同ESP系统相配合，AFS能在一定范围内进行汽车的横摆角控制。特别是当汽车在μ—Split路面制动时，AFS能通过主动的前轮转向角来平衡制动力所产生的横摆力矩，使汽车的