（车辆工程专业论文）基于主动制动的汽车稳定性控制系统开发研究.pdf

摘要 本文围绕基于主动制动的车辆稳定性控制系统开发研究这一主题，在借鉴国 p 勺# l - 研究成果的基础上，就车辆稳定性控制系统建模、车辆稳定性控制的力学原 理分析、控制算法设计、控制系统开发方法、车辆稳定性控制系统实车试验等方 面进行了研究。 基于主动制动的车辆稳定性控制系统是通过汽车液压制动系统的主动制动 实时调整车辆的运行状态，使车辆能够按照驾驶员的意图行驶，防止车辆失稳的 汽车主动安全控制技术，是当前国际上汽车主动安全领域的研究热点。随着控制 技术的发展和系统成本的降低，车辆稳定性控制系统将很有可能全面替代a b s 成为现代汽车的标准配置。在国外，最近几年该类车辆稳定性控制得到了快速地 发展，已经开始在中、高级轿车上大量装备；而我国在此领域的研究才刚刚起步， 仅有吉林大学、清华大学、北京理工大学、中国重汽集团等少数大学及科研单位 进行了控制方法的仿真研究，且研究不够深入。因此开展车辆稳定性控制系统实 车开发研究对我们来说具有重要的现实意义。 车辆稳定性控制系统开发研究涉及到机械、电子、液压、车辆建模、软硬件 的研制、人的驾驶行为，以及最终的实车试验验证等许多方面。针对汽车主动安 全控制系统传统开发方法所存在的开发周期长，实车试验耗时耗财且覆盖率低， 试验事故易发的缺点，本文系统的提出了基于模型的设计开发方法，并应用到车 辆稳定性控制系统实车开发中。该设计开发涵盖了控制系统概念设计、系统建模、 系统离线仿真、代码自动生成、硬件在环实时仿真以及最终产品试验等开发过程。 基于此设计开发思想，本文在以下几个方面开展了工作： 首先，本文第1 、2 章对车辆稳定性控制的组成、功能以及工作原理进行了 论述，对各种运行工况进行详细分析，并建立了既能反映所研究问题的本质，又 能满足实时仿真需要的车辆稳定性控制系统的动力学系统模型。动力学模型是基 于模型设计开发最重要的组成部分，直接关系到控制器的开发效率和精度，主要 包括整车模型，轮胎模型，控制器模型，液压系统模型以及制动器模型。为了验 证动力学系统模型的有效性和准确性，对仿真结果与实车试验结果进行了比较。 结果表明文中建立的动力学系统模型理论上是正确的，满足实时仿真的精度要 求。 接着，第3 章就基于模型的设计方法在车辆稳定性控制系统实车开发中的应 用进行了详细论述。以模型设计方法为指导，以v s c 系统实车开发为目标，从 仿真、软硬件开发、模块测试和实车试验等方面详细论述了v s c 系统设计和开 发的全过程。在车辆系统理论建模的基础上，编制了车辆v s c 系统仿真模型； 根据仿真测试台架建设的需要，设计了接口设备，驱动电路和电气系统；完成了 d s p a c e 控制原型实车试验、e c u 原代码自动生成与硬件开发、硬件在环测试、 标定以及实车试验。 第4 章提出了基于主动制动产生直接横摆力矩的车辆稳定性控制算法。它根 据横摆角速度和质心侧偏角误差，采用模糊鲁棒控制方法进行汽车横摆力矩的决 策，并根据轮胎工作点信息把决策得到的汽车横摆力矩合理分配到四个车轮上， 通过压力调节来实现所决策的汽车横摆力矩。在综合前人研究成果的基础上提出 了汽车运行状态综合估计法，并验证了其有效性。此外，本章还就v s c 系统的 失效模式分析、传感器失效识别与处理方法及其在v s c 实车开发中的应用进行 了初步探讨。最终的仿真和实车试验结果表明文中设计的车辆稳定性控制系统， 使车辆在高速变道和转向时能够迅速、准确、安全地按照驾驶员的意图行驶，且 在道路条件和行驶条件改变时具有较强的适应性和鲁棒性。 最后，本文第5 章详细论述了开发过程中涉及的仿真测试方案、控制原型试 验、实车试验以及各阶段试验结果。利用计算机实时仿真技术和虚拟现实技术搭 建了人与硬件在环仿真试验台，为车辆稳定性控制的理论研究和系统调试标定提 供了平台 基于模型的设计开发方法在车辆稳定性控制系统实车开发中的成功应用，有 力地证明了本文的研究工作使在较少的前期投入和较短时期内开发出合格的车 辆稳定性控制系统成为可能，为我国汽车电子技术进步和企业进行汽车电子控制 系统产品的自主开发，提供了有价值的帮助和重要的启示。 关键词：车辆稳定性控制系统快速控制原型技术实时仿真技术v 模式开发 a b s t r a c t t h ep a p e ri sa b o u tr e a l - c a rd e v e l o p m e n tf o rv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mb a s e do n a c t i v eb r a k i n g i td e s c r i b e sv e h i c l ed y n a m i cm o d e l i n g , v s cc o n t r o lp r i n c i p l ea n a l y s i s ， c o n t r o la l g o r i t h md e s i g n , d e b u gm e t h o da n dr e a l - e a rt e s to nt h eb a s i so ff o r m e r r e s e a r c h e r s p r o d u c t i o n t h ev s ci sas y s t e mt h a tr e l i e so nt h ev e h i c l e sb r a k i n gs y s t e ma sat o o lf o r “s t e e r i n g ”t h ev e h i c l e w h t h es t a b i l i t y - c o n t r o lf u n c t i o na s s u m e so p e r a t i o ni ts h i f t s t h ep r i o r i t i e s 廿l a tg o v e r nt h eb r a k es y s t e m v s cr e s e a r c hi sa ni n t e r n a t i o n a lf o c u si n t h ev e h i c l ea c t i v es a f e t yf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d d e c r e a s eo fc o n t r o ls y s t e mc o s t , v s ci sr e p l a c i n ga b st 0b et h es t a n d a r de q u i p m e n t o fm o d e r nv e h i c l e s i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ev s co re q u i v a l e n td e v i c e sw e r e u s e do nv e h i c l e si na b o a r d , w h i l ei nc h i i l a v s ci saw h o l en e w t h i n g 。n o tm e n t i o nt o d e e pr e s e a r c h s o m eu n i v e r s i t i e sa n di n s t i t u t e ss u c ha sj i l i nu n i v e r s i t y , t i n g h u a u n i v e r s i t y , b e i j i n gt e c h n o l o g yi n s t i t u t ea n dh e a v yt r u c kg r o u p ，d i ds o m er e s e a r c h o nt h ev s cs i m u l a t i o n , b u ti ti ss u p e r f i c i a l h e n c e ，i ti sq u i t es i g n i f i c a n tt os t u d yo n t h er e a l - c a rd e v e l o p m e n tf o rv s cn o t 咖l yo nt h eu n d e r s t a n d i n gb u ta l s oo nt h e a p p l i c a t i o np r o s p e c t r n l ed e v e l o p m e n to fv s cc o m p r i s e sm e c h a n i c s , e l e c t r o n i c 。h y d r a u l i c ，v e h i c l e d y n a m i c sm o d e l i n g , s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n , d r i v i n ga c t i o n s , f i e l dt e s ta n d v a l i d a t i o n f o rt h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lv e h i c l ea c t i v es a f e t ys y s t e m d e v e l o p m e n tm e t h o ds u c ha si o n gt c s tl e a dt i m e ，l o wt e s te 伍c i e n c ya n dt e s ta c c i d e n t s e a s i l yi n t r o d u c e d , an e wd e v e l o p m e n tm e t h o db a s e do nm o d e ld e s i g ni sp r o p o s e di n t h i sp a p e ra n di sp u ti n t oa p p l i c a t i o nf o rv s cd e v e l o p m e n t t h i sd e s i g nm e t h o d c o v e r st h ew h o l ep r o c e s so fc o n c e p ta n df u n c t i o nd e s i g n , s y s t e mm o d e l i n g , o f f - l i n e s i m u l a t i o n ,c o d ea u t o m a t i cg e n e r a t i o n , r e a l - t i m eh a r d w a r e i n - t h e 1 0 0 p ( h i e ) s i m u l a t i o na n df i n a lv a l i d a t i o no fv e h i c l et e s t i nt h eg u i d eo ft h i sn e wd e v e l o p m e n t m e t h o d , t h ew o r kf o rv s cd e v e l o p m e n ti sl i s t e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , i nt h ec h a p t e rla n d2 ，t h ec o n s t i t u e n t , f u n c t i o n , s y s t e mn a t u r ea n dw o r k i n g c o n d i t i o n sa r ei n t r o d u c e d n ed y n a m i c sm o d e li n c l u d i n gv e h i c l ed y n a m i c s ，t i r em o d e l , c o n t r o l l e rm o d e l ，h y d r a u l i cs y s t e mm o d e la n db r a k ea c t u a t o r s ，i st h eb a s eo f t h em o d e i b a s e dd e s i g na n dd e v e l o p m e n t , a n di ti sr e s p o n s i b l ef o rt h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no f t h ed e v e l o p m e n t s oas p c c i a lv s cs y s t e md y n a m i c sm o d e l ，w h i c hc a nd i s c o v e rt h e n a t u r eo ft h er e s e a r c hf o c u sa sw e l la ss a t i s f yr e a l - t i m es i m u l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，i s e s t a b l i s h e d i no r d e rt ov a l i d a t et h ev e h i c l ed y n a m i c sm o d e l ，av e h i c l ef i e l dt e s ti s i n t r o d u c e d f r o mt h er e s u l t so ft h r e et y p i c a lc o n d i t i o n s r e s u l t b r ak i n g , s t e e r i n ga n d b r a k i n gw h i l es t e e r i n g , w ec a ns e et h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sc o r r e c ta n dc a r lb eu s e d i i l 廿1 ev s cr e s e a r c h s e c o n d l y , d e s i g nm e t h o db a s e do nt h em o d e la n di t sa p p l i c a t i o n f o rt h ev s c d e v e l o p m e n ti sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ew h o l ep r o c e s so ft h i sd e v e l o p m e n tm e t h o di s s h o w e di nt h i sc h a p t e ri n c l u d i n gv d cs i m u l a t i o nm o d e ld e s i g n t e s tb e n c hi n t e r f a c e d e v i c ea n dd r i v ec i r c u i t , t h ev e h i c l ef i e l dt e s tf o rc o n t r o lp r o t o t y p i n go nd s a c e c c o d ea u t og e n e r a t i o na n dh a r d w a r ed e s i g nf o re c u ，e c u - i n - t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o nt e s t , e c uc a l i b r a t i o na n dt h ev e h i c l ef i e l dt e s t h i i nt h ec h a p t e r4 ，v s cc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h ed i r e c ti n t e r v e n t i o ny a wm o m e n t b ya c t i v eb r a k i n gi sp r o p o s e d t h ec o n t r o la l g o r i t h md e c i d e st h ev e h i c l ey a wm o m e n t b yu s i n gr o b u s t f u z z yc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h ee r r o r so fv e h i c l ey a wr a t ea n d v e h i c l es i d es l i pa n g l e t h et a r g e ty a wm o m e n ti sa c h i e v e db yi n d i v i d u a lw h e e la c t i v e b r a k i n g t h ev e h i c l ek e e po nt h et r a c ko fd r i v e rc o m m a n d e d 砀ec o m b i n e de s t i m a t i o n m e t h o di si n t r o d u c e do nt h eb a s i so ff o r m e rf r u i t s d e s i g nf a i l u r em o d ee f f e c ta n d a n a l y s i si sd i s c u s s e d t h es i m u l a t i o na n dr e a l - c a rt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l a w i se f f e c t i v ea n dr o b u s ti nk e e p i n gt h ev e h i c l et r a c k i n gt h ed e s i r e dr e s p o n s eq u i c k l ya n d c o r r e c t l ye v e nu n d e rs o m ep a r a m e t e r sc h a n g e ds u c ha ss t e e r i n ga n g l ei n p u t , r o a d f r i c t i o na n dv e h i c l es p e e d i nt h ee n d , c h a p t e r5 ，t h es c h e m eo fs i m u l a t i o nt e s t , c o n t r o lp r o t o t y p i n ge x p e r i m e n t , r e a l - c a rt e s ta n dt h er e s u i t so fa l ls t a g e si sd e s c r i b e di nd e t a i l h a r d w a r e & h u m a ni n t h el o o ps i m u l a t i o nt e s tb e n c hi sb u i l tw i t hc o m p u t e rr e a l - t i m es i m u l a t i o na n dv i r t u a l r e a l i t y , i tp r o v i d e sab e n c hf o rr e s e a r c ho fv s ct h e o r y , c a l i b r a t i o na n dd e b u gf o r c o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fm o d e lb a s e dd e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o df o rt h e v s cd e v e l o p m e n tp r o v e dt h a ti t i sas i m p l ea n de f f e c t i v ew a yt od e v e l o pv e h i c l e e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m t h ep r a c t i c ea n ds t u d yi n t h i sp a p e ri su s e f u lf o rn a t i v e v e h i c l ee l e c t r o n i cp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o ls y s t e mr a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g r e a l - t i m e s i m u l a t i o nv - m o d ed e v e l o p m e n t i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 一躲彤碧 日期：产p 日 上海交通大学 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。本人授权上海交通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。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 指导教师签名：乒织辽戡 日期：6 二蝠g日期：6 每蝠 日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义与历史背景 1 绪论 随着经济飞速发展、道路交通条件的改善以及汽车技术的进步，现代汽车的 行驶车速得到极大提高，但是车辆高速行驶时侧向失稳是恶性交通事故一个重要 致因，如何提高汽车行驶安全性是现代汽车研究的重要课题之一。汽车的安全包 括两个方面：主动安全性和被动安全性。主动安全性是指如何通过车辆设计尽量 减少或避免交通事故的发生；被动安全性是指通过车辆的设计使车辆在发生事故 时尽量减少对乘员的伤害。近年来，汽车主动安全技术领域中的汽车行驶稳定性 控制技术日益受到重视，并且逐步发展为汽车主动安全技术领域研究应用的热点 【l 】【7 】 主动安全控制技术中的汽车制动防抱系统( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m 或 a n t i s k i db r a k i n gs y s t e m 简称a b s ) 自从上世纪七十年代就开始在汽车上使用， 该系统一方面通过对车轮制动滑移率的控制来防止车轮抱死，另一方面还能提高 制动车轮的侧向附着能力，在很大程度上改善了汽车制动时的侧向稳定性。同时 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，a b s 的可靠性在不断增强的同时成本 也大大降低，汽车法规对汽车的安全性要求也更为严格，在发达国家a b s 已经 成为现代汽车的标准配置。随后与a b s 工作原理相似的汽车驱动防滑系统 ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m 简称t c s ) ，通过对驱动车轮滑转率的限制来提高汽车 的驱动能力，并改善汽车驱动时的行驶稳定性。a b s 和t c s 系统都不直接保证 汽车的侧向稳定性，仅是通过对轮胎纵向滑动率的限制提高车轮侧向附着力来间 接保证的，因此在汽车行驶的很多复杂工况下并不一定能保证汽车的稳定性。汽 车发生侧向失稳前的行驶状况往往比较复杂，此时的轮胎处于附着极限附近，仅 靠a b s t c s 的功能不一定能保证汽车按照驾驶员的意图行驶，这对行驶安全十 分不利。由于轮胎侧向力处于附着极限状态，车辆行驶处于强非线性状态，驾驶 员难以控制行驶方向，容易引发恶性交通事故【8 f 2 0 l 。 据统计【2 i 】网，车速在8 0 k m h 到1 0 0 k m h 之间行驶的车辆发生的交通事故中， 大约4 0 是与汽车侧向失稳有关。车速越高，由于汽车侧向失稳引发的交通事故 的比例越大，当车速超过1 6 0k m h 时，几乎每一起车祸都是由于侧向失稳而造 成的。汽车公司经过大量事故调查发现 2 3 1 ，由于车辆侧向失稳使得车辆不可控 而造成的恶性汽车事故，仅仅依靠a b s t c s 和其它传统的方法是不可能防止事 故发生的。 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 因此，一种全新的车辆动力学控制系统车辆稳定性控制系统应运而生。 该系统在特定条件下自动对车辆运动姿态进行干预，以防止汽车侧滑( 打转) ， 及时帮助驾驶员控制车辆，避免车祸的发生【研【堋。 1 2 车辆稳定控制系统发展演变过程及发展趋势 车辆稳定性控制系统发展历程大致可以分为三个阶段【4 3 1 1 2 1 第一阶段 这一阶段始于a b s 在汽车上的应用。a b s 是车辆在制动过程中防止车轮抱 死打滑的一种装置，a b s 可以提高制动过程中的操纵稳定性并同时缩短制动距 离，是主动安全性技术的代表。现今人们除了对汽车的动力性、经济性、舒适性 提出更高要求之外，对汽车的安全性也越来越关心，因此a b s 在汽车上的应用 也日益广泛。基于这种技术的系统( 以a b s t c s 为主) 仅能控制车轮纵向的 滑动率，侧向滑移的控制是间接得到考虑的，因而车辆侧向稳定性也是间接获得 控制的 2 9 h 3 4 。这种系统的主要目的是优化车辆制动和加速性能，同时车辆的侧 向稳定性和转向性不被破坏。根据对轮速的分析计算，系统也能在一定程度上辨 别汽车的转向状态，在制动时，通过适当调节内外侧和前后车轮的压力达到调整 整车转向特性的目的。 1 2 2 第二阶段 车辆稳定性控制系统应用了方向盘转角传感器。方向盘转角被用来确定驾驶 员想要得到的行车路线，然后将之与车辆的实际位置比较来改进发动机的输出力 矩和制动力，从而避免车辆在转弯时出现过多的不足转向或过度转向，加强了车 辆在拐弯时的动态稳定性。1 9 9 2 年b m w 公司和b o s c h 公司合作，在a b s 肥s 的基础上开发了汽车稳定控制系统并称之为d s c i ( 第一代d s c ) ，应用于b m w 8 5 0 c i 轿车上。1 9 9 4 年，b m w 公司和b o s c h 公司再次合作，在d s c i 的基础 上进一步发展为d s c 2 ，并引入c a n 总线与发动机管理系统通讯 3 5 - 3 7 1 。无论是第 一代还是第二代d s c 都相对比较简单，只是在a b s a s r 的基础上增加了方向 盘转角传感器，并未增加测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传 感器，汽车的横摆角速度是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，这在很多情 况下，尤其是在轮胎附着极限情况下是不准确的。 1 2 3 第三阶段 1 9 9 5 年，b o s c h 公司提出了v d c 的概念，b e n z 公司提出了e s p 的概念， 丰田公司也提出了v s c 的概念，真正意义上的汽车稳定性控制一般认为是这个 时间段出现的。但该阶段出现的v s c 系统向前更进了一步，是在a b s t c s 系 统上的一大飞跃，它是一个主动控制系统，能独立于驾驶员对车辆的动态特性进 2 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 行控制。该类系统要求更多的传感器( 如横摆角速度传感器、侧向加速度传感器 和压力传感器等) 来确定车辆的动态变量，还需要更复杂的控制算法和逻辑来对 车辆进行控制。1 9 9 6 年b m w 公司和b o s c h 公司再次合作推出的d s c 3 就是此 类稳定性控制系鲥3 1 1 。1 9 9 7 年v a n i t yk e l s e y h a y e s 和l u c a sp l c 合并，联手 开发v s c 。德国的大陆t e v e s 公司也以m k 6 0 液压调节器为基础进行v s c 的 研制与开发。 随着电子控制技术以及计算机软件技术的飞速发展，近1 0 年来汽车电子控 制系统的性能在不断改进提高的同时、成本也在不断降低。汽车稳定控制同样也 获得了飞速发展，并开始作为选装件装备于一些中、高档轿车上。从2 0 0 0 年德 国大众公司开始在其几乎所有轿车车型上配备了v s c 系统作为选装件，通用、 福特和戴姆勒一克莱斯勒公司也开始在其新车型中选装汽车稳定控制系统。目 前，国内许多中高级轿车也把v s c 系统作为标准配置。 在查阅文献过程中发现汽车稳定性控制系统在发展过程中出现了多种名称， 主要有：车辆稳定性控制( v s c ) 、车辆动力学控制( v 】x ：) 、动力学稳定性控制 ( d s c ) 、电子稳定性程序( e s p ) 等等，但其组成和功能原理基本相同，为了 方便起见，本文统一成车辆稳定性控制( v s c ) ，但在描述b o s c h 的车辆稳定性 控制系统时仍沿用其e s p 的名称。 1 2 4 发展现状与趋势 b o s c h 的e s p5 3 系统是车辆稳定性系统的典型代表，它采用车辆实际运行 状态与车辆理想运行状态的误差反馈来决策汽车的横摆力矩并通过差动制动或 对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节【4 2 】，这一控制方法也是现在汽车稳 定控制中比较常用的控制方法。由于在汽车稳定控制中所需要的车辆运行状态并 不能完全由传感器直接测量得到，因此如何通过测量的车辆状态推测不易测量的 车辆状态或路面的状态是近几年汽车稳定控制的研究热点。为此有大量的状态估 计方法出现，从而大大改善了控制系统的可靠性。同时随着汽车底盘动力学控制 的不断发展，集成控制是今后发展的方向，汽车稳定控制将综合考虑对制动系统、 悬架系统和转向系统的协调控制，并共享传感器信号，进一步提高汽车的稳定性。 在国内，汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者进行了控制 方法的仿真研究，但由于我国汽车领域的基础试验数据库不够完善，非线性动力 学模型中参数的获取比较困难，所以研究不够深入，且没有进行实车验证工作。 目前，国内从事此方面的研究除吉林大学、清华大学、上海交通大学、西北工业 大学等高校之外，中国重汽集团、上海汇众汽车制造有限公司等企业也正在开展 这方面的研究工作。 3 * 变a * # n * i 13 车辆稳定性控制系统原理与工况分析 i31 车辆稳定性控制系统简介 当作曲线运动的汽车所受侧向力接近附着极限或者达到饱和时，车辆将丧失 动力学稳定性1 3 6 闭j 。通过减小侧向力或者增大侧向力潜能就能实现对车辆动力 学稳定性的控制。增大侧向力潜能在不同的行驶状态下有不同的方式，如在驱动 行驶状态下，可通过减小驱动力( 如减小发动机节气门开度、延迟点火或减少燃 油供给等) 或在驱动轮上施加制动力来实现。在制动行驶状态下可通过减小制 动力来实现。 固匿匿匾 4p rp u m p f e m l p ：嚣：? ：；：a ”“”1 + 8 t a t e m b a c o a l e a b o ns e r 一 图i - 1 典型v s c 系统组成图 f i gl 1t h ec o m p o s ed i a g r a mo f t y p i c a lv s cs y s t e m 车辆稳定性控制( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l 简称v s c ，如图卜1 ) 系统是在兼 容了a b s t c s 优点的基础上发展起来的，它旨在改善车辆高速弯道行驶或受 太的侧向力作用时的操纵稳定性的又一项新型主动安全技术。通过在原来装有 a b s t c s 的车辆上加装侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动压力传感 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 器、方向盘转角传感器及相应控制器和液压阀，它不仅能控制车辆急转弯时的过 度转向，而且能控制转向不足，通过控制车辆的横向运动，使车辆处于稳定的运 行状态，即使在极限运动条件下能够更容易地操纵车辆。 图1 1 是现在比较典型的汽车稳定控制系统的结构，这种结构的v s c 系统 包括： 1 ) 传统制动系统：真空助力器、管路和制动器、制动主缸； 2 ) 传感器：4 个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横 摆角速度传感器、制动主缸压力传感器； 3 ) 其他：液压调节器、汽车稳定控制电子控制单元( e c 功、辅助系统和发 动机管理系统。 车辆稳定性控制系统主要包括以下三个子系统：a b s 控制系统、t c 系统、 y s c ( y a w s t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) 系统【4 3 1 ，系统的组成及子系统关系如图1 2 所示。 图1 2 车辆稳定性控制系统的组成 f i g 1 - 2t h ec o m p o s e o f c , o n t r o ls y s t e mo f v s c a b s 和t c s 分别在制动和加速时工作，它们直接控制车轮的纵向滑动，加 强车辆的制动和加速性能，同时达到间接控制车辆在减速和加速时的侧向稳定 性。y s c 主动控制在车辆行驶时的任何时刻都会起作用，它直接控制车辆的侧 向稳定性( 车轮侧偏和横摆角速度) v s c 系统主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作，它利用左右 两侧车轮制动力之差产生的横摆力偶矩来防止出现难以控制的侧滑现象，如在弯 道行驶中因前轴侧滑而失去路径跟踪能力的驶出( d r i f to u t ) 现象及后轴侧滑甩 尾而失去稳定性的激转( s p i n ) 现象等危险工况州。图1 3 为有无v s c 控制系 统情况下车辆前轴失稳和后轴失稳的车辆运行轨迹的结果比较。可以看出，v s c 的主动制动产生的附加力偶矩对纠正车辆运行状态效果非常明显，有v s c 控制 的车辆行驶路径无论是在过度转向工况还是不足转向工况下都维持在驾驶目标 路径。 5 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 磊彩。 蛉 。j 。磊 a ) 抑制前轮侧滑b ) 抑制后轮侧滑 图1 3 弯道行驶失稳工况 f i g 1 3t h eu n s t a b l ec o n d i t i o nd u r i n gc o r n e r i n g 1 3 2 汽车稳定控制系统的组成与功能 1 液压调节器 液压调节器是汽车稳定控制系统的主要执行机构，其基本结构与a b s 厂r c s 液压调节器相似，只是早期的v s c 液压阀为了提高响应速度，比a b s t c s 液压 调节器多了预压泵( p c p ：p r e c h a r g ep u m p ) 和压力生成器( p g a ：p r e s s u r eg e n e r a t o r a s s e m b l y ) ，但新型液压调节阀已经没有预压泵和压力生成器。汽车稳定控制系 统采用的液压调节阀结构由于知识产权以及采用的控制策略、算法不同等原因存 在一些差异，但基本结构和功能都相同。本文以b o s c h 公司的h u 5 0 、删5 3 为 例对早期和近期的e s p 液压阀予以介绍。 图l - 4 为b o s c h 公司的h u 5 0e s p 液压调节器【l 】，h u 5 0 液压调节器分为 m c l 和m c 2 两个独立的管路，分别控制前轮和后轮。每一制动轮缸通过两个电 磁阀e v 和a v 的通断来产生升压、降压和保压状态。当e v 和a v 都处于断电 状态时处于升压状态，都处于通电状态时处于降压状态，当e v 处于通电状态而 a v 处于断电状态时处于保压状态，e v 处于断电状态而a v 处于通电状态的组合 是禁止出现的。s p k 为低压蓄能器，用于维持低压状态；r f p 为回油泵，它把低 压蓄能器中的制动液送回主油路，用于补偿降压过程中损失的制动液，保持油路 的连续；d 为串联的阻尼器，用于吸收液压调节造成的压力脉动。以上部分与 a b s 液压调节器的结构基本一致。汽车稳定性控制的液压调节器要求在驾驶员 6 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 没有踩制动踏板时也要产生足够的轮缸压力，因此在a b s 液压调节器的基础上 又增加了两种控制电磁阀( v l v 和u s 以产生这种功能。当和u s v 均断电 的情况下，在p c p 未启动时e v 阀前端的压力就是由驾驶员通过踩制动踏板产 生的。当和u s v 均通电时，与主油路相连，u s v 切断与主油路通路， 这时回油泵r f p 启动，使得制动管路产生汽车稳定性控制所需要的压力。由于 在低温下制动液粘性很高，为了提高主动制动( 驾驶员不踩制动踏板) 时压力建 立的响应速度，引入了预压泵p c p ，p c p 启动后，由p g a 产生的压力通过v l v 阀施加到回油泵的吸油端，使之产生一定的预压，从而提高响应速度。p c p 运行 过程中会产生一些泡沫，为了防止这些泡沫进入制动系统而影响制动效果，于是 在p c p 与主油路间增加了压力生成器删) ，用于阻断泡沫并能传递p c p 产生的 压力。此外，p g a 还可以协调驾驶员踩下的压力与p c p 产生的压力之间的关系， 把二者中的较大的压力传递到主油路。 图l - 4b o s c he s p5 0 液压调节阀结构原理图 f i g 1 - 4t h es i m p l i f i e dc i r c u i td i a g r a mo f b o s c he s p 5 0h y d r a u l i cm o d u l a t o r 图1 5 为b o s c h 公司的h u 5 3e s p 液压调节器【4 5 】。由图l - 4 、图l - 5 可以 看出早期的e s p 液压阀与新型液压阀相比多出预压泵和压力生成器两个部件外， 其他的结构均相似。h u 5 0 液压阀的工作过程与h u 5 3 的差别仅在于其没有预 压泵和压力生成器。当和u s v 均断电的情况下，在p c p 未启动时e v 阀前 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 端的压力就是由驾驶员通过踩制动踏板产生的，与h u 5 0 相同。当v 和u s v 均通电时，l v 与主油路相连，u s v 切断与主油路通路，这时回油泵r f p 启动， 使得制动管路产生汽车稳定控制所需要的压力。 1m a s t e rc y l i n d e r , 2p r e s s u r e 3e v l pp r i m e rp u m p ，4h y 抽m l i cm o d u l a t o r5 - 3 ，sf l o a t i n gc 呲 6r o dc i r c u i t , 7s u c t i o nv a l v c s , 8c h 舢t g c o v c gv a l v e sw i t h 删l i e f f u n c t i o n , a t t e n u a t m - c h a m b e m 1 0s e l f - p r i m i n gr e t u r np 瑚“1 1n o n - r e t u r nv a l v e s , 1 2a c c u m u l a t o r s , 1 3s u p p l yv a l v e s , 1 4d i s c h a r g ev a l v e s , 1 5w h e e lb r a k e s 图1 5b o s c he s p5 3 液压模块结构原理图 f i g 1 - 5t h es i m p l i f i e dc i r c u i td i a g r a mo f b o s c he s p 5 3h y d r a u l i cm o d u l a t o r 2 传感器 与a b s t c s 相比，汽车稳定性控制系统除了具有4 个轮速传感器外还增加 了方向盘转角传感器、制动主缸压力传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传 感器等。这些传感器可分为两类，一类是感知驾驶员对车辆的操作，如方向盘转 角传感器和制动主缸压力传感器；另一类感知车辆的运行状态，如：轮速传感器、 侧向加速度传感器和横摆角速度传感器。 1 ) 轮速传感器 目前轮速传感器存在两种形式，一种是常用磁电式轮速传感器，这种轮速传 感器用于大多数a b s a s r 系统，由齿圈和永磁式传感头组成。齿圈旋转时通过 传感头线圈中的磁通量发生周期性的变化，在线圈内产生周期性的感应电动势， 8 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 以此来探测车轮的转速。另一种为霍尔式轮速传感器。该传感器的工作原理是磁 体的磁力线穿过霍尔元件，通向齿轮，这时的齿轮相当于一个集磁器。当齿隙对 正霍尔元件时，磁力线分散，穿过霍尔元件的的磁场较弱。当齿轮的齿正对霍尔 元件时，磁力线密集，穿