（载运工具运用工程专业论文）汽车tcs控制器的嵌入式开发系统研究.pdf

摘要 汽车牵引力控制系统( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，简称t c s ) 是车辆在 起步、加速、爬坡时防止驱动轮发生过度滑转，以获得最大牵引力和最 佳操纵稳定性的一种新型主动控制系统。它的理论原理是控制汽车驱动 轮滑转率处于稳定区附近，这样既能充分发挥车辆的牵引力，又能保证 车辆具有一定的侧向稳定性。 本文试图避开传统的以大量实车道路试验为基础的t c s 控制器开发 方法，以一台工业控制计算机，一台以d s l 0 0 5 处理器板为核心的计算机 为平台，通过d s 2 2 1 0 和m a t l a b 接口函数连接软、硬件，建立一个t c s 控制器嵌入式开发系统，主要成果如下： ( 1 ) 结合d s p a c e 公司的a u t o b o x 内的d s l 0 0 5 处理器板和多通道 d $ 2 2 1 0 的i o 板；通过d s p a c e 自带的软件包，建立了一个t c s 控制器 的嵌入式开发软件系统。 ( 2 ) 根据t c s 系统车辆动力学数学模型建立了车辆和t c s 控制器的 s i m u l i n k 模型。 ( 3 ) 将车辆模型和t c s 控制器模型通过d s p a c e 的软件系统与硬件相 连，进行了快速控制原型的仿真试验，得出了产品的源代码，以此可以 方便地修改和优化控制器模型；优化后的s i m u l i n k 控制器模型可由 s i m u l i n k ，r t w 工具转换为可执行代码，该代码经过优化可在目标单片 机中运行。 采用该系统进行t c s 产品的开发，可以减少实车道路试验、缩短开 发周期和减低开发成本。该系统对于推动汽车t c s 控制器的开发研究， 提高t c s 控制器的自主研发能力，具有一定的现实意义和应用前景，同 时对于其他电子设备的开发，本系统也有一定的借鉴意义。 关键字：牵引力控制系统；控制器；嵌入式系统；建模：仿真 p , b s tr a o t t h et r a c t i o nc e n t r e ls y s t e m ( t c s ) iso n ek i n do fn e wi n i t i a t i v e c o n t r o ls y s t e mw h e nv e h i c l e ss t a r t ，a c c e l e r a t e ，h i l lc l i m bp r e v e n t e d d r i v e n - w h e e l sf r o me x t r e m es l i p ，o b t a i n st h el a r g e s tf o r c eo ft r a c t i o na n d t h eb es td r i v i n ga b i l i t ya n ds t a b i i i t y i tsc o n t r o lp r i n c i p i ei sp r e v e n t i n g d r i v e n w h e e l sf r o me x t r e m es l i pt ot h eb e s to fi t sa b i l i t yo nl o w pr o a d t h e s k i d d i n go ft h ew h e e l sr a t eo fr o t a t i o nn e a r b yt h es t a b i l i t yr e g i o n ，l i k et h i s b o t hc a nf u l l yd i s p l a yt h ev e h i c l e st h ef o r c eo ft r a c t i o n ，a n dc a ng u a r a n t e e t h ev e h i c l e sh a v et h ec e r t a i nl a t e r a ls t a b i l i t ya b i l i t y d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n ajm e t h o dw h e r et h ed e v e l o p m e n to ft h e t c sc e n t r e l l e ri sb a s e do nam a s so fv e h i c i er o a dt e s t t h i st h e s i sus e sa n e m b e d d e ds y s t e mt h i ss y s t e mc o m p r i s e sa ni n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e r ，a c o r ec o m p u t e ru s e st h ed s l 0 0 5p r o c e s s o rb o a r da st h ei st h ep l a t f o r mw h i c h c o n n e c t st h eh a r d w a r et h r o u g hd $ 2 210a n dt h em a t l a bc o n n e c t i o n f u n e t j o n e s t a b 】i s h e sat c sc o n t r oj l e re m b e d d e ds o f t w a r es ys t e mt oi n s e r t t h et y p i c a ld e v e l o p m e n ts y s t e m ， m a i no u t c o m e so ft h es t u d ya r ea s f o l l o w s ： 1 、u s e dd s p a c e c o r p o r a t i o n sa u t o b o xt h ed s10 0 5p r o c e s s o rb o a r d a n dt h em u l t i c h a n n e ld s 2 210i ob o a r d ；e s t a b l i s h e dae m b e d d e d s o f t w a r es y s t e m 2 、a nt c sc o n t r o l l e rs i m u l i n k ( a na d d i nt o o lo fm a t l a b ) m o d e lis d e v e l o p e db a s e do nt h ed y n a m i c sm o d e lo ft h ev e h i c l e 3 、t h r o u g ht h ed s p a c es o f t w a r es y s t e ma n dt h eh a r d w a r e ，v e h i c l e s m o d e la n dt h et c sc o n t r o 】1 e rm o d e iw e r ec o n n e c t e d h a sc a r r i e do nt h e r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p e ( r c p ) ，h a so b t a i n e dt h ep r o d u c ts o u r c ec o d e ，b y t h i sw a sa l l o w e dc o n v e n i e n t l yt h er e v i s ea n do p t i m i z e dt h ec o n t r o l l e r m o d e l ；a f t e rt h eo p t i m i z e ds i m u l i n kc o n t r o l l e rm o d e lm a yt r a n s f o r mb y t h es i m u l i n k r t wt o o lf o rm a yc a r r yo u tt h ec o d e ，t h isc o d em a ym o v e a f t e rt h eo p t i m i z a t i o ni nt h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t h ed e v e l o p e ds y s t e mc a nc a r r yo nt h et c sp r o d u c t ，r e d u c et h ev e h i c l e r o a dt e s t ，s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，a n dh e n c ed e c r e a s e st h e i i d e v e l o p m e n tc o s t t h i ss y s t e mi m p e t u s t c sc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t r e s e a r c h e n h a n c e st h ei n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta b i l i t yo ft h e t c sc o n t r o l l e r ，h a st h ec e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dt h ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t ，s i m u i t a n e o u s l yt oo t h e re l e c t r o n i cc o n t r o l l e r ，t h i ss y s t e ma ls oh a s ac e r t a i ns i g n i f i c a n c ee x a m p l e k e yw o r d s ：t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o l l e r , e m b e d d e ds y s t e m ， m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：f 司导日期：劢矽年岁月富日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 同守 磁驰 日期：力司年多月8 日 日期：z 0 0 7 年歹月g 日 第一章绪论 汽车牵引力控制系统( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，简记为t c s ) 是2 0 世纪8 0 年代( 若未经说明，本文中出现的年代均指2 0 世纪) 中期开始发展起来的新型电 子控制装置，它是根据车辆行驶状态建立性能要求准则，运用控制逻辑来操作执 行机构使车辆在各种路面或复杂输入条件下产生最佳纵向牵引力的控制装置【1 3 1 。 它是在汽车防抱制动控制( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简记为a b s ) 的基础上经 过不断的研究而产生的一种汽车电子控制装置。 1 1 汽车牵引力控制简介 1 1 1t c s 的发展历史和研究现状 随着微电子技术和控制技术的发展，越来越多的电子控制装置应用于汽车， 大大提高了汽车的主动安全性。在制动过程中，车轮滑动率的控制由制动防抱死 系统实现，而在驱动过程中，车轮滑动率的控制则由牵引力控制系统实现。牵引 力控制系统是2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的主动安全控制装置。 2 0 世纪初，汽车设计师们都把汽车在低附着路面上的牵引力控制着眼于轮胎 技术，所以在当时出现了大量有关防滑链、防滑轮胎的专利。但是由于当时汽车 发动机功率较小，行驶速度很低，驱动车轮发生过度滑转的情况并不多见，所以 一直没有引起人们的高度重视。但最近几十年以来，随着汽车功率质量比不断增 大，速度越来越高，使得驱动轮过度滑转现象经常出现。5 0 年代以后，专门用于 汽车的防滑控制系统开始受到广泛关注并逐渐在这个领域得到应用。这一时期的 各种防滑控制装置采用的都是机械式的车轮转速传感器和机械式的制动压力调节 装置，因此获取的车轮转速信号不够精确，控制系统的实时性和精确性也得不到 保证，控制效果并不理想。从6 0 年代后期到7 0 年代初期，在a b s 领域一些电子控 制的制动防抱死系统开始进入产品化阶段。而这一时期的各种防滑控制系统都是 采用模拟式电子控制装置，存在着反应速度慢、控制精度低、易受干扰等缺点。 进入至= j 7 0 年代后，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为防滑控制系 统走向实用化奠定了基础。别克( b u i c k ) 公司在1 9 7 1 年研制了通过电子控制装 置自动中断发动机点火。以减小发动机输出扭矩，从而防止汽车驱动轮发生滑转 的驱动防滑控制装置1 3 1 】，这可以说是现代牵引力控制系统t c s 的雏形。 1 9 7 2 年，日本首次登记了一种以停止发动机气缸点火为控制手段的汽车t c s 系统的专利。该专利所设计的装置是通过变速器从动轴上的传感器测定汽车驱 动轮加速度的瞬时值，然后与给定的轮胎和道路附着系数的某一个极限值进行比 较，确定加速时间和极限加速度，当测定的车轮加速度超过确定的极限加速度时， 发出停止气缸点火的信号。1 9 7 8 年德国注册了一种以减少气缸供油来实现汽车驱 动防渭控制的专利1 5 1 6 1 。它是把轮速传感器测得的信号经放大后送入一个运算装置 中，在运算装置中计算出驱动轮与非驱动轮的速度差，当二者的差值超过预先设 定的门限值时，控制器就发出控制指令，减少进入发动机气缸的浊量，直到滑转 现象消失。同年，美国注册了种在驱动轮上施加制动力矩的汽车驱动防滑装置 的专利睁，】。它是在车架上安装一个电动机，电动机的轴上装有一个曲柄，曲柄通 过钢丝绳与一个杠杆相连，杠杆上固定着与手制动操纵机构相连的钢丝绳。当司 机发现驱动轮发生过度滑转时，作用操纵机构，使钢丝绳拉紧，杠杆向前移动， 同时拉紧与驱动轮相连的钢丝绳，这时两后轮均制动，当汽车驱动轮接触低附着 路面时，司机接通电动机，曲柄向前和向后拉紧钢丝绳，并交替地向相反方向转 动杠杆，时而拉紧一个驱动轮的钢丝绳，时而又拉紧另一个驱动轮的钢丝绳，使 得驱动轮交替制动。1 9 8 1 年，日本又注册了一种以调节离合器接合程度来控制汽 车驱动轮滑转的汽车驱动防滑控制专利f s l 。此后，汽车牵引力控制系统的专利越 来越多。 进入到8 0 年代中期以后，由于a b s 技术在国际汽车界得到了长足的进步并有 了突破性进展，所以t c s 技术也不断地得到发展，世界上最早的产品化的汽车电 子驱动防滑装置是1 9 8 5 年由瑞典沃尔沃汽车公司试制生产的，并安装在v o l v o7 6 0 t u r b o 汽车上，该系统称为电子牵引力控制( e t c ) 嗍。它由车轮上的4 个转速传感 器、e t c 控制器和用来控制燃油喷射量的附加装置m o t r o n i c 组成。轮速传感器测 出的转速信息，e t c 控制器利用转速信息计算出车轮的滑转率，如果车轮上的驱动 滑转率超过给定值，那么首先断开涡轮增压器，并借助m o t r o n i c 逐级节制喷油。 在第1 级中对气缸1 每隔一工作冲程喷油一次，在第2 级中对气缸1 完全停止喷油。 e t c 逻辑系统计算轮胎与路面之间的摩擦状况，允许5 2 5 的滑转率，以达到 最大可能的牵引力。1 9 8 6 年在底特律汽车巡回展中，美国g m 汽车公司雪佛兰 ( c h o v e r o l e t ) 在其生产的克尔维特英迪牌轿车上安装了牵引力控制系统，为 t c s 的发展作了很好的宣传。同年1 2 月，b o s c h 公司率先将a b s 技术与t c s 技术结 合起来，推出了具有制动防抱死和驱动防滑转功能的防滑控制系统一a b s a s r 2 u ，并首先装备在m e r c e d e sb e n z 的s 级轿车上，并开始了小批量的生产，1 9 8 7 年， b o s c h 公司在原a b s a s r 的基础上开始大批量生产两种不同形式的汽车驱动防滑 转系统 ，一种是可保证方向稳定性的、完全通过发动机输出扭矩控制的 a b s ，a s r ；另一种是既可以保证方向稳定性，又可改善牵引力的驱动轮制动力调 节与发动机输出扭矩综合控制的a b s a s r 。同年9 月，日本t o y o t a 公司在其生产的 c r o w n 牌轿车上安装了t c s ，它采用了发动机副节气门调节和驱动轮液压调节相 2 结合的联合控制方式m 】【l - 】。后来，t o y a t o 公司又在l e x u sl s 4 0 0 轿车上发展了这一 技术。它通过对节气门和制动控制方式进行改进，使得轿车在低附着路面上获得 更好的加速性能，特别是当轿车行驶在附着性能不同( p s p l i t e ) 的路面上时， 该系统能够独立调节左右轮的制动压力，通过在阿拉斯加、加拿大、瑞典等地的 试验，系统运行效果良好，轿车在低附着的路面上( 冰雪路面) 转向稳定性得到 明显改善【u l 。1 9 8 9 年，德国a u d i 公司将驱动防滑调节装置安装在前置前驱动的a u d i 轿车上嗍【j ，这是世界上第一次将驱动防滑装置安装在发动机前置前轮驱动的轿车 上。 截至1 9 9 0 年底，世界上已有2 3 个厂牌的5 0 余种车型安装了驱动防滑装置，并 且许多厂家开始削减四轮驱动车型号，而改为发展t c s 系统d o 。 进入9 0 年代，许多新的技术和控制方法应用到了t c s 上。丰田公司开发出了 一种新型的牵引力控制系统i 】，它仅通过控制节气门开度和发动机输出，而不涉 及制动力调节。此系统有以下特征：节气门最初开度角自适应设定；节气门开度 角自动调节；有效控制输出扭矩。通过这些方式，系统实现了与制动压力调节几 乎相同的功能而其成本却大大降低。而且，由于这一系统既不影响转向，又不会 增加噪声和振动，从而减轻了驾驶员负担，增强了驾驶员在各种不同路面上的操 纵能力。1 9 9 3 年，b o s c h 公司又开发出了第5 代t c s 系统0 i i l ，j ，其结构更加紧凑， 可靠性有所增强，而且其成本也大大降低了。 另外，新的牵引力控制系统采用了模糊控制方式，它大大增强了汽车在各种 不同路面上行驶的稳定性m 】。由于车轮的滑转率随着不同路面和不同车速而不断 变化，采用模糊控制能够实时得到最佳滑转率，从而使得汽车制动性和加速性最 佳，并且减小轮胎磨损。以前这一技术存在两个问题，其一是机械部件结构复杂， 其二是当车轮滑移率超出限定值时，系统无法正常运行。而现在这些问题都得到 了很好地解决，因此该技术应用前景很好。 2 0 0 1 年，韩国汽车工程师开发出了一种用于牵引力控制的节气门调节器控制 系统1 这一系统仅由一个成本较低的单节气门阀体构成，并使用了可快速而精 确反应的直流伺服电动机。该系统基于节流阀角度逐步调节的不同参考模式，进 行时间延时控制，对于超调保护可做出快速而准确的瞬时反应，实车实验效果良 好。 到了二十一世纪，牵引力控制系统得到了空前的发展和普及【1 6 l 。一些高级轿 车均将牵引力控制系统作为标准装备，其中包括一些性能优良的牵引力控制系统， 如：b o s c h a b s a s r2 u ，装备于卡迪拉克多种型号的轿车上：宝马a b s a s c + t ， 装备于b m w8 5 0 i 轿车上：丰田a b s t r a c ，装备于l e x u s3 0 0 、l e x u s4 0 0 轿车 上；t e v e sm ki v ，装备于福特、别克、卡迪拉克、克莱斯勒等多种型号的汽车 l - 。 一些中级轿车如现代伊兰特、大众宝来1 8 i 5 v - g h 、1 8 i 5 v a g - 4 h 、1 8 1 t5 一g h 和1 8 i ta g 一4 h 以及一些高级s u v ：如丰田( r a v 4 、l a n dc r u i s e r 、 s e q u o i a ) 、大众t o u a r e g 、沃尔沃x c 7 0 等也均装备了牵引力控制系统。 由于牵引力控制系统能提高汽车的动力性、主动安全性，因而也受到了军队 的重视。如：美军在m 9 9 8 、m 1 0 4 3 、m 1 0 4 5 、m 1 0 9 7 等“h u m m e r ”系列军用越 野汽车上装备了牵引力控制系统；卡迪拉克公司的e s e a l a d e 越野汽车装备的 s t a b i l i t r a k 牵引力控制系统可使该车o 6 0 m p h 的加速时间降低到8 5 秒，最大 拖曳力达到8 5 0 0 磅。其它如：俄罗斯陆军的g a z 3 9 3 7 运输指挥车、g a z 3 9 3 7 1 0 装甲车，德国陆军的“m e r c e d e s b e n z g w a g o n ”军用越野汽车，英国陆军的“l a n d r o v e r 防卫者”军用越野汽车等均装备了牵引力控制系统 1 6 1 17 。 图1 1w a b c o 公司出品的 a b s a s r 电控单元 图1 2 双模式混和动力 系统牵引力控制系统 图1 1 是w a b c o 公司出品的旗下最先迸a b s a s r 电控单元，为多家汽车厂 商所采用。2 0 0 5 年通用汽车、戴姆勒克莱斯勒集团与宝马集团在混合动力技术 发展方面的技术联盟，携手发展最先进的双模混合动力技术。图1 2 是该双模式 混合动力系统中的牵引力控制系统的实物图。 国内对t c s 的研究，约始于2 0 世纪9 0 年代i - 1 9 ) ( o ) 13 1 1 1 1 。，】。一些科研单位如清华大 学、吉林工业大学、北京理工大学、同济大学、上海交通大学、济南重汽技术中 心等对t c s 技术的发展进行跟踪、研究并取得了阶段性进展。但是，由于我国在 a b s 独立自主的研究方面尚未取得突破，t c s 的研究工作亦没有充分的进展。我 国在t c s 技术的研究方面目前还处在初期的理论研究和探索阶段，还尚未有实用 化的t c s 产品的研究与开发。从有关资料来看，国内t c s 技术研究的侧重点目前 主要倾向于控制策略和控制算法、逻辑等方面的理论研究，期刊上也只有零星的 关于这方面的理论研究文章，还未见系统地研制和试验方面的报道。由于受电控 发动机的限制，我国在t c s 系统的控制理论研究方面大多侧重于采用以制动控制 4 篓彗纂竺嚣嚣嚣蕊鬈裟耋要毳嚣茎 的龇。要登掣亍篓登夏篱篱毳委2 翼毛；淼蒜磊- ；果路面 路哦骂鬃凳篡耋主要萋銎麓嚣磊磊搿荔蒜轮过 附着之较! 二乏篆是誓銎裟篡篙墨嚣篓嚣警三孟磊磊磊巍，而且 度滑转，这不但降低汽车的驱动性能，加剧午托托腑昭似1 。“4 粪；曼菇纵蔓：甜塞妻篓茎蠢喜羹耄窆奎，嚣：芸是车轮滑移率的函数。车轮滑 图1 3 为附着系数与滑移率的关系阳君系裂葸干“”广h 舯。未黧絮篡黧意蒜鬣蔫慧妥， 盟：要兰篓! 嬲嚣竺譬罴茹嚣i 盂：_ ；果s 继续 当s 达挈! 翌黧黧= 罢麓三纂淼磊着系数 增加i 鬈兰竺慧噪：麓：藩篓焉瓣磊赢御附 要远远能搿耄黧：紧戮篙茹茹焉磊蒜磊急剧 近的一三? ：蔫曼皇l 呈羔考翼翼茎霎罢暴篓姜篙鬈譬葚：墓i 凳磊；茹的最 减小：。要燮皇慧内黧嚣嚣呈蒿鬻取”“”“ 佳滑箜要套竺竺曩裟萋霎：黧菩翥巍篙；高车速的丛要黼这 甍黧髦耄髦? 黑勰篇蒜誓三差詈要主荔；磊磊载荷和 个篓戮墨慧黧篇淼芸飘鬻黼以通 控制驱动车轮滑转率使车轮与路面之间保持峰值阳蓿系鳅7 茅“。一 声甏鼻善看苫羹警摹 过调节发动机的输出转矩、变速器的传动比、差速器的扭矩分配系数和驱动车轮 的制动压力来满足驱动车轮不发生滑转的条件。具体的控制方法和控制方式在下 章介绍。 1 1 3t c s 对汽车性能的影响 牵引力控制系统是通过调节驱动轮上的滑转率用以实现驱动轮的最佳牵引性 能。它的原理是使汽车能够自动地将车轮控制在纵向和横向附着系数都很大的滑 转率范围内。 在硬路面上，驱动车轮的最佳滑转率一般为1 5 3 0 左右。t c s 是在起步、 加速、转弯、通过软地面等各种驱动过程中，使车辆充分利用地面的最大附着力， 防止驱动轮发生过度滑转，从而提高汽车的牵引通过性、方向稳定性、转向操纵 性的系统1 1 1 1 3 0 】。牵引力控制系统对汽车性能的影响如下： ( i ) 提高牵引性能 t c s 提高牵引性能的途径之一是将车轮的滑转率控制在一定范围内，从而保 证汽车具有良好的附着和牵引性能。之二是能起到柔性差速锁的作用。当有驱动 轮滑动时，它可以非等扭矩分配工作。当滑转驱动轮扭矩减小至某值时，t c s 对 其实施限滑控制，则另一侧车轮仍可有较高的驱动力工作。这种动力特性决定了 可以将发动机扭矩更多地传递给非滑转轮，从而提高扭矩利用率和整车驱动性能， 这在附着系数分离路面上或一侧驱动轮悬空耐显得非常重要。 ( 2 ) 提高加速和爬坡能力 汽车在冰路面、压实雪地、湿滑路面上加速或爬坡时，车轮的过度滑转会使 地面提供的牵引力迅速降低，使汽车加速或爬坡能力变差。牵引力控制系统能保 证汽车充分利用地面提供的最大附着力，使汽车获得更大的驱动力，从而提高了 汽车的加速性能和爬坡能力。 ( 3 ) 改善主动安全性能 t c s 可以增加汽车的侧偏力矩 这对汽车行驶在低附着路面上时，由于轮胎滑转或急剧减速时，对车辆主动 安全性的改善是明显的。 保持转向操纵能力 汽车在进行转向行驶时，需要通过偏转的转向车轮从路面获得足够的横向作 用力，如果转向车轮的横向附着力不足以提供汽车转向所需的横向作用力，此时， 即使转向车轮已经发生了偏转，汽车也不会按预期的方向行驶，汽车就丧失了转 向操纵能力。对于前轮驱动的汽车，如果作为转向和驱动车轮的前轮发生驱动滑 转，会导致前轮的横向附着力大幅度减小，此时会严重影响汽车在驱动过程中的 转向操纵能力，而t c s 系统可以保证车轮具有相当大的横向附着力。从而提高汽 6 车在驱动过程中的转向操纵能力。 保持稳态转弯和行驶方向稳定性 装备t c s 的汽车，可以保证在驱动过程中后轮具有足够大的横向附着力，使 汽车在驱动过程中也具有良好的方向稳定性。汽车在分离附着系数路面上行驶时 这点尤为重要。 1 2 嵌入式开发系统简介 1 2 1 嵌入式系统的定义 因为嵌入式系统应用广泛，在不同的领域都有渗透，对嵌入式系统的定义就 有不同的理解。根据i e e e 的定义，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是控制、监 视或者辅助设备、机器和车间运行的装置( d e v i c e su s e d t oc o m r 0 1 m o n i t o lo ra s s i s t t h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t ) 这主要是从应用上加以定义的，从 中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 不过，上述定义并不能充分体现嵌入式系统的精髓。目前国内把嵌入式系统 定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统】。这个定义强 调了嵌入式系统以应用为中心，并且强调了通用计算不会考虑的因素，如体积、 功耗以及对外界环境的反应能力等等。 1 2 2 嵌入式系统的组成 实际应用中，绝大多数嵌入式系统是用户针对特定任务定制的，但就其组成 而言，一般都是由嵌入式系统的硬件、软件、开发工具和开发系统这3 部分组成的 f 】i l 。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件：包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。其中 嵌入式核心芯片指嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器或 嵌入式可编程片上系统等；存储系统包括程序存储器( r o m ，e p r o m ，f l a s h ) 、 数据存储器( r a m ) 和参数存储器( e 2 p r o m ) 等；外部接口指嵌入式处理器的 外部设备接口。 ( 2 ) 嵌入式系统的软件；主要包括嵌入式操作系统和应用系统软件两部分。嵌 入式操作系统具有一定的通用性，目前使用的嵌入式操作系统有几十种，常用的 有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 和l i n u x 等；嵌入式应用软件的种类非常多，不同的嵌入 式系统具有完全不同的嵌入式应用软件。 ( 3 ) 。嵌入式系统的开发工具和开发软件：嵌入式系统的硬件和软件位于嵌入式 系统本身，开发工具则独立于嵌入式系统产品之外。开发工具一般用于开发主机， 包括语言编辑器、连接定位器、调试器等，这些工具一起构成了嵌入式系统的开 7 发系统和开发工具。 1 2 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统也可以理解为嵌入到对象体系中的专用计算机( 应用) 系统，它 有三个要素：嵌入性、专用性和有c p u 。嵌入式系统的众多特点都可以从这三个 要素出发来理解。嵌入性，就是说嵌入式系统要适应对象的环境要求，对象的环 境有时候和苛刻，如可能存在比较大的震动，温度变化或许会很大。要求系统持 续工作的时间可能很长等。专用性，强调嵌入式系统要求按对象的要求裁剪软、 硬件，这体现了嵌入式系统的灵活性，没有通用的嵌入式系统，嵌入式系统的软 件和硬件不可能毫无改变地在不同对象体系中应用。能够根据不同的计算需求， 选择不同的硬件平台，开发相应的软件，这是嵌入式系统不同于通用系统的特点 之一。嵌入式系统有了c p u ，能实现对象的智能化功能，比如完成复杂的控制， 支持良好的用户界面以及提供网络功能。在组成结构上，嵌入式系统有一些共同 点：都有c p u 和存储区，一般具有某种输入和输出。 。 1 2 4 汽车嵌入式系统发展历程 嵌入式系统诞生于微型机时代，经历了漫长的独立发展的单片机时代p 2 l 。嵌 入式系统的核心是嵌入式微处理器。与嵌入式微处理器的发展类似，汽车嵌入式 系统也可以分为三个发展阶段m 】。 第一代汽车嵌入式系统s c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 系统。以4 位和低 档8 位微处理器作为核心，将c p u 和外围电路集成到一个芯片上，配置了外部并行 总线、串行通讯接口、s f r 模块和布尔指令系统。这一代的嵌入式系统硬件结构 和功能相对单一，处理效率低下，存储容量小，软件结构也比较简单，不需要嵌 入操作系统。这种底层的汽车s c m 系统主要用于任务相对简单，数据处理量小和 实时性要求不高的控制场合，如车灯系统、仪表盘以及电动门窗等。 第二代汽车嵌入式系统m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 系统。以高档的8 位和 1 6 位处理器为核心，集成了较多外部接口功能单元，如a d 转换、p w m 、p c a 、 w a t c h d o g 、高速i o 口等等，配置了芯片间的串行总线。第二代汽车嵌入式系统能 够完成简单的实时任务，在汽车电控系统中得到了目前最广泛的应用，如a b s 系 统，智能安全气囊，主动悬架以及电控发动机管理系统等。 第三代汽车嵌入式系统s o d ( s y s t e mo fc h i p ) 系统。以性能极高的3 2 位甚 至6 4 位嵌入式处理器为核心，在对离散实际爱你信号要求快速处理的场合使用 d s p 作为协处理器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求，不断提高处理 速度，增加存储容量和集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任务处理 能力，同时与网络的耦合更为紧密。汽车s o c 系统是嵌入式技术在汽车上的高端 应用，满足了现代汽车电控系统功能不断扩展、逻辑渐趋繁多复杂和子系统间通 8 讯频率不断提高的要求，代表着汽车电子技术的发展趋势。 1 2 5 研究t c s 控制器嵌入式开发系统的必要性 当今进行t c s 研究主要采用试验与模拟仿真相结合的方法逐步推进而完成的。 模拟仿真是研究t c s 这类非线性系统常用的工具，也是初期研究和系统分析必不 可少的方法：试验方法在t c s 设计与研究整个阶段中的作用更不能忽视，它既能 进行控制方法验证，又能进一步修正仿真模型，最终为理论研究打下坚实的基础。 前人的经验告诉我们，只有通过仿真方法和试验方法两个环节密切结合才能高效 地开发出性能优良的t c s 系统【2 2 儿2 9 i t 3 0 】【3 4 。3 7 1 。 在t c s 产品的开发过程中，从提出设计恩想到产品，往往至少需要两年的时 间，在这期间主要是通过实车道路试验，得到在各种不同路面上最佳的控制参数。 因此可以认为现有t c s 产品实用化的关键技术是匹配过程中的经验问题，试验 过程中，往往调整一个或几个参数就需要耗费很长时间。虽然实车试验是t c s 匹 配过程中最终验证控制逻辑的最有效手段，也是进行t c s 开发和性能评价的有 效方法，但这一研究手段在实际应用中受到了很大的限制，主要原因如下： ( 1 ) 实车试验需要花费大量的人力、物力，尤其是所需的专用试验场地，使 得进行全面的试验评价的成本高、周期长，并且有时会受到时间限制。例如，在 积雪覆盖的路面上进行牵引力控制系统( t c s ) 的低附着路面的测试就只能在冬 季有雪的天气进行； ( 2 ) 由于试验工况的复杂多变性，决定了在实车试验中必须针对各种不同工况 分别进行试验，这包括不同的路面条件、不同的车辆载荷及不同的行使条件等。 实车试验中，影响试验效果的因素较多并难以把握，所以试验参数的可控性差， 这导致试验结果的重复性不好，不利于t c s 动力学特性的深入研究； ( 3 ) 某些极限工况的危险性大，在实车试验中根本无法实施； 基于以上原因，单纯依赖实车试验进行t c s 产品的开发、研究。无疑会大大增 加成本和周期，这一点在日趋激烈的市场竞争中显得尤为重要，因此单纯通过实 车试验开发的方法已很少采用。建立一个科学的、拥有自己知识产权的t c s 控制 器开发系统显得尤为迫切，嵌入式开发系统应运而生。 1 3 本文研究的主要内容 传统的e c u 开发都是依靠比较多的道路试验来调试控制程序，但近几年国内 外在开发手段上有了大的发展，采用模拟计算，实时硬件仿真等方法，从而大大 提高了车辆电子控制系统的开发效率。 9 图1 4 控制系统开发过程 图1 4 为一种近几年流行的开发过程。车辆控制系统开发过程目前流行的作 法是采用v 型过程，它包括五个阶段的内容d 1 4 1 。 ( 1 ) 功能设计和离线模拟 在这一阶段根据系统要求可以使用m a t l a b ，s i m u l i n k 软件建立控制器和 车辆模型，在这一环境进行离线模拟，研究各种控制算法，寻求适当的算法。 ( 2 ) 快速控制原型模拟以实现控制器调节 在这一阶段将s i m u l i n k 模块产生实时c 代码，并在比较高档的计算机上运 行，也可将系统的i o 端口加入到模拟系统中。采用m a t l a b 中的实时工作间 工具箱( r e a l t i m ew o r k s h o p ) 来实旌，生成工控机机上执行的代码。这样研究人 员可以检查实时算法存在的问题。如果从s i m u l i n k 模块图直接生成可用于目标 c p u 的程序代码，就可以使每一阶段的开发过程无缝地连接起来。在这一阶段将 s i m u l i n k 模块生成用于微控制器的c 代码，通过d s p a c e 的r t i 工具箱将算法 装载到微控制器硬件中。 ( 3 ) 生成产品代码以及硬件的制作 这一阶段可以将控制器拿到实车上进行试验验证，对控制参数进行标定与调 整，以弥补实际车辆与车辆模型之间的差别而导致的控制参数及算法的差别。与 此同时，可以进一步在嵌入式开发系统下修改控制算法和车辆模型。使实际控制 器基本达到批量生产的水平。 ( 4 ) 实时硬件闭环模拟：在这一系统中将控制器接入实时硬件模拟系统中，通 过硬件信号来实现模拟系统控制器之问的数据交换。 ( 5 ) 校正和标定：产品的参数校正和标定可以提前到设计早期和仿真过程中 进行，实车试验也有专门的数据采集分析系统相辅助，大大减轻了标定和测试的工 1 0 作量。 本文紧密围绕该v 型开发过程，进行了前面4 个阶段的研究，研究的主要内 容包括： ( 1 ) t c s 控制系统s i m u l i n k 模型的建立：建立了汽车整车、发动机、传动 系、电子油门、t c s 控制器的数学模型以及在此基础上建立了s i m u l i n k 的仿真 模型。 ( 2 ) 嵌入式p c 的硬件设计和软件设计：在查阅了众多参考文献的基础上，选 择了使用德国的d s p a c e 系统中的a u t o b o x 做为硬件，d s p a c e 自带的软件作为 软件平台进行嵌入式系统的开发。 ( 3 ) 进行了快速控制原型( r c p ) 模拟：利用了t c s 嵌入式开发系统对t c s 控制器进行了快速控制原型模拟，并做出了仿真结果的分析和可执行代码的生成。 ( 4 ) 分析了硬件在回路仿真( h i l ) ，并对今后的校正和标定做出了展望和分 析。 第二章t c s 系统的理论原则 经过国内外t c s 相关工作人员几十年的研究，t c s 的工作原理已经基本定型， 但是控制技术却在不断发展，控制方式也是多种多样。由于t c s 的基本原理于绪 论已作阐述，故本章重点讨论牵引力控制系统的理论原则。 2 1 汽车牵引力控制的主要控制方式 汽车驱动轮的过度滑转是由于发动机输出的扭矩传到驱动轮后使驱动力矩超 过了轮胎与路面之间的附着极限而产生的，所以合理地减小或降低汽车发动机的 输出扭矩或动力传动系统的传递扭矩都可以实现驱动防滑控制的目的。目前主要 采用以下四种控制方式【2 6 ”：】。 ( 1 ) 发动机输出扭矩调节 发动机是汽车的动力源泉，通过调节发动机扭矩，就可以控制传递到驱动轮 上的驱动扭矩，从而调节驱动轮的滑转率。发动机输出扭矩调节主要有三种方式 洲：点火参数调节、燃油供给调节和节气门开度调节。 调节点火参数多是指减小点火提前角，如果此时驱动轮滑转仍然持续增长， 则可暂时中断点火( 但此时也要暂停供油，以避免排放超标) 。点火参数调节是一 种响应迅速的控制方式，对于保证车辆方向性较为有效，但舒适性较差，所以对 于性能要求不高的车辆可以单独使用该控制方式。 燃油供给调节是指减少供油或暂停供油，即当发现驱动轮发生过度滑转时， 电子调节装置将自动减少供油量，甚至中断供油，以减小发动机输出扭矩，燃油 供给调节是现代电控内燃机中比较易于实现的一种驱动防滑控制方式，对车辆的 方向性控制较好，但易于引起发动机爆震，损害发动机和传动系的寿命。该控制 方式可对性能要求不高的车辆单独使用。 节气门开度调节是指改变节气门的闭合程度，它有两种方式：一种是机械式 调节，另一种是电子式调节。机械式调节的节气门是在原节气门体的基础上，串 联一个副节气门，由传动机构控制其开度，从而使其有效节气门开度得到调节： 电子式调节的节气门是在微信息处理器控制下由电动伺服机构来操纵的，具体地 说它是通过传感器感知驾驶员和t c s 的控制信息，并将该信息送入e c u ，e c u 中 有大量预编程序( 如运算程序，优先发出t c s 控制指令的控制逻辑等) ，经e c u 处 理后，发出控制电压，控制电压驱动作动电机，作动电机带动作动机构调节节气 门开度。节气门开度调节方式工作平稳，控制车辆方向性较好，易于与其他控制 方式配合使用，但它响应较慢，不能保证后轮驱动车的稳定性，所以只有对操纵 性和稳定性要求不太严格的前轮驱动车或四轮驱动车单独使用。 1 2 发动机输出扭矩调节是应用最广泛的驱动防滑控制方式，它对牵引性的改善 并不显著，但对操纵性和稳定性的改善十分明显。这种控制方式主要应用在两侧 驱动轮都发生过度滑转或在高速下只有一侧驱动轮发生过度滑转的工况下。 ( 2 ) 驱动轮制动力矩调节 驱动轮制动力矩调节是在发生打滑的驱动轮上施加制动力矩，将车轮的滑转 率控制在最佳的滑转率范围内 h 2 i ，制动力矩调节的主要功用是产生差速作用。 由于制动力矩直接作用在驱动轮上，所以驱动轮制动力矩调节的响应时间较 短，但作用时间不宜过长，以免摩擦片过热，考虑到舒适性，制动力矩变化率不 宜过大，另外，驱动轮制动力矩调节一般与发动机输出扭矩调节结合起来应用， 即于预制动后要紧接着调节发动机输出扭矩，否则可能会出现制动力矩和发动机 输出扭矩之间无意义平衡引起的功率消耗。 驱动轮制动力矩调节的应用要受到作用时间与车速的限制，所以该控制方式 适合于应用在低速时( 小于4 5 k m h ) 只有一个车轮打滑的工况下。对于发动机输 出功率不太大的前轮驱动汽车在起动或低速时也可