（车辆工程专业论文）基于嵌入式系统的汽车底盘集成控制器的研究.pdf

t h er e s e a r c ho nin t e gr a t e dc o n t r o e r o fa u t o m o t i v ec h a s s i s b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n g n i n g s u p e i s e db y p r o f c h e nn a n s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a y2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人卢明所早交的学位论文足我个人住导师指导卜进i j ：的研究i ：作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得尔南大学或其它教育机构的学位或证书而使川过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任 何贡献均已往论文中作了明确的说明并表示j ，谢意。 研究生签名：琵守日期：户：哆12 汐 东南大学学位论文使用授权声明 尔南大学、中国科学技术信息研究所、国家图二侈馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主篚皇导师签名： 日期： l o ，d 2 黾 摘要 基于嵌入式系统的汽车底盘集成控制器的研究 硕士研究生：张宁 导师：陈南教授 东南大学 摘要 电子控制单元e c u 是汽车底盘集成控制系统g c c 实现的关键技术，在此基础之上才 能实现对汽车操纵稳定性的控制，以提高汽车的安全性能。本文提出并实现了一种基于现 代半导体制造技术的汽车底盘集成控制器电予控制单己的设计方案，初步实现了底盘集成 控制系统中的主动制动控制系统( 电子稳定性程序e s p ) 和主动转向控制系统( 四轮转向系统 4 w s l 的集成。 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 首先分析各类车载传感器的性能和输出信号，在此基础上设计e c u 的输入信号处 理电路，将各种信号转换为微控制器能够接收的数字信号； ( 2 ) 选用f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 单片机作为底盘集成控制器的微控制器， 进而结合输出信号处理电路的要求，分配微控制器的i o 接口，并选用汽车电子领域的专 用智能元器件设计执行元件的驱动电路，进而估算出系统的电源要求，选用电源芯片，设 计电源电路； ( 3 ) 根据硬件设计方案设计系统电路原理图，制造p c b ，装配电子元器件，并对各个 输入输出接口电路进行调试，实现传感器信号的采集和执行机构的驱动； ( 4 ) 针对本文设计的g c c 功能要求植入嵌入式多任务实时操作系统c o s i i ，在此 基础上提出控制系统的软件架构； ( 5 ) 将设计好的汽车电子控制单元e c u 安装在车辆实验台架上进行仿真试验，通过试 验结果来检验e c u 设计方案的正确性和可行性。 通过初步的实验结果表明，本文所设计的汽车底盘集成控制器基本满足了主动制动系 统和转向系统集成控制的要求，设计方案是正确且可行的。原型控制器具有一定的实用价 值，对汽车底盘集成控制器的进一步研究具有积极的指导意义。 关键词：汽车底盘集成控制器；电子控制单元；主动制动控制系统；主动转向控制系统； 嵌入式多任务实时操作系统c 0 s - i i a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ni n t e g r a t e dc o n t r o e ro fa u t o m o t i v ec h a s s i s b a s e do ne m b e d d e d s y s t e m m a s t e rs t u d e n t ：z h a n gn i n g s u p e i s e db yp r o f c h e nn a n s 0 u t h e a s tu n i v c r s i t y a b s t r a c t i h ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ti sak e yt e c h n o l o g yf o rt h er e a l j z a t i o no ft h ea u t o m o t i v e g l o b a lc h a s s i sc o n t r o ls y s t e m ，w h o s ea i mi st oe n h a n c ev e h i c l e sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n d s a f e t y b a s e do nt h em o d e ms e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，ad e s i g ns c h e m ef o rt h e e c uo ft h ei n t e g r a t e dc o n t r o u e ro fa u t o m o t i v ec h a s s i si sp r o p o s e da n da c h i e v e di nt h i sp a p e r t h i sc o n t m l l e ri sab a s i ci n t e g r a t i o nf o rt h ea c t i v eb r a k i n gc o n t m ls y s t e m ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t y p r o 伊a m )a n dt h ea c t i v es t e e r i n g c o n t r o ls y s t e m( f o u rw h e e ls t e e r i n gs y s t e m )i nt h e a u t o m o t i v eg l o b a lc h a s s i sc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri ss h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e “s t i c sa n do u t p u ts i g n a l so fa 1 1k i n d so fa u t os e n s o r sa r em e a s u r e da n d a n a l y z e db e f b r et h es y s t e md e s i g n o nt h i sb a s i sa sap r e p r o c e s s i n gp a r to fe c u ，s i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i tf o ra l ls i g i l a l sh a sb e e nd e s i g i l e dt 0g u a r a n t e et h a tm c u c o u l dr e c e i v et h e m ( 2 ) t h ec h i pm c 9 s 1 2 d g l 2 8 bf r o mt h ef r e e s c a l es e m i - c o n d u c t o rc o m p a n yh a sb e e n s e l e c t e da st h em c uo ft h es y s t e m t h em c uh a st h es u f ：f ：i c i e n ti 0p o n sf o rt h ei n p u ta n d o u t p u ts i g n a l s t h eu p t o d a t es m a np o w e rs w i t c h e sa r ea l s os e r v i c e di nt h i ss y s t e mt od r i v et h e a c t u a t o r sa n dm o t o r s b e s i d e s ，t h ep o w e rs u p p l yc i r c u i ti sd e s i g n e du n d e rt h ee s t i m a t i o no ft h e p o w e rc o n s u m p t i o n ( 3 ) t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r dw i t he l e c t r o n i ce l e m e n t si sg o ta r e rt h es c h e m a t i cd r a w i t j g ， m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l i n g w eh a v et e s t e de v e r yi op o na n dp r o g r a m m e dt oa c q u i r et h e i n p u ts i g n a l sa n dd r i v et h ea c t u a t o r s ( 4 ) ae m b e d d e dm u l t i t a s kr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( e m r 0 s ) c o s i i h a sb e e n t r a n s p l a n t e di no u rc o n t r o ls y s t e mt om a k et h ep r o g r a m m i n ge a s ya i l dg u a r a n t e et h er e a l t i m e a n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h es o f t w a r ea k h i t e c t u r ef o rt h ew h o l es y s t e mi sa l s op r o p o s e di n t h i se n v i r o n m e n t ( 5 ) s o m es i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v eb e e np r o c e e d e da f t e rt h ee c ud e s i 印e di s i n s t a l l e do nt h et e s tb e n c hi no u rl a b o r a t o r y ht h i sw a yw ec o u l dv e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n d f c a s i b i l i t yo ft h ed e s i 舯s c h e m eo ft h ee c u ， t h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e 伊a t e dc o n t r o l l e rd e s i g n e di nt h i s p a p e rb a s i c a l l ym e e t st h en e e d so ft h ea c t i v eb r a k i n gc o n t r o ls y s t e m 舳dt h ea c t i v es t e e r i n g c o n t r o ls y s t e m a n dt h ed e s 啦s c h e m eo ft h ee c ui sc 0 h e c ta n df e a s i b l e t h ep r o t o t y p e c o n t r o l l e rh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u ea n dt h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sa l s ov e r yh e l p f u lf o rt h en e x t s t e pi nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v eg l o b a lc h a s s i sc o n t r o ls y s t e m k e yw o 州s ：a u t o m o t i v eg l o b a lc h a s s i sc o n t r o l l e r ；e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) ；t h ea c t i v e b r a k i n gc o n t r o ls y s t e m ；t h ea c t i v es t e e r i n gc o n t r o ls y s t e m ；e m b e d d e dm u l t i - t a s kr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ( e m r o s ) c o s i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 前言1 1 2 汽车主动安全性系统发展的历史与现状一1 1 2 1e s p 技术发展的历史与现状。1 1 2 24 w s 技术发展的历史与现状。2 1 3 汽车底盘集成控制系统的发展3 1 4e c u 在汽车底盘集成控制系统中的重要性3 1 5 本论文的主要研究内容及其意义4 1 5 1 本论文的主要研究内容4 1 5 2 本论文的主要研究创新点5 1 5 3 本论文的主要研究意义5 第二章汽车操纵稳定性控制技术6 2 1g c c 系统基本技术6 2 1 1 汽车底盘电子控制的理论基础和特征6 2 1 2 汽车底盘常见的电子控制系统；：6 2 1 3 底盘电子控制网络化和全局协调化的发展趋势7 2 2e s p 系统基本技术8 2 2 1e s p 系统的控制原理8 2 2 2e s p 系统的基本结构1 2 2 34 w s 系统基本技术1 3 2 3 14 w s 系统的控制原理1 3 2 3 24 w s 系统的基本结构1 5 2 4 本章小结1 6 第三章汽车底盘集成控制器的硬件系统设计1 7 3 1 控制器e ( 的硬件系统设计方案1 7 3 1 1 设计方案一1 7 3 1 2 设计方案二1 8 3 1 3 设计方案三。1 9 3 2 微控制器最小系统设计2 0 3 3 系统电源设计2 4 3 4 输入信号外围处理电路设计品2 4 3 4 1 轮速信号采集电路2 4 l 目录 3 4 2 方向盘转角信号采集电路2 6 3 4 3 后轮电机转角信号采集电路2 8 3 4 4 横摆角速度和侧向加速度信号采集电路2 8 3 4 5 轮缸压力传感器信号、节气门位置信号采集电路2 9 3 5 输出信号外围处理电路设计3 0 3 5 1后轮转向电机驱动电路3 0 3 5 2 液压调节单元回油泵马达和电磁阀驱动电路3 2 3 6c a n 总线通信接口及其他端口电路设计3 4 3 7 本章小结3 6 第四章汽车底盘集成控制器的软件系统设计3 7 4 1 汽车底盘集成控制器的软件驱动程序设计3 7 4 1 1 轮速1 言号的采集与处理3 7 4 1 2 方向盘转角1 言号与后轮电机转角信号的采集3 9 4 1 3 车身横摆角速度和侧向加速度信号的采集3 9 4 1 4 电磁阀电机驱动4 0 4 1 5 ( a n 总线驱动4 1 4 2 嵌入式实时操作系统4 2 4 2 1 嵌入式实时操作系统简介4 2 4 2 2 肛c o s 嵌入式多任务实时操作系统的移植。4 3 4 2 3 多任务系统任务的划分、创建和调度4 4 4 3 基于j c o s i i 的汽车底盘集成控制器的系统架构设计。4 6 4 4 本章小结4 7 第五章基于d s p a c e 平台的汽车底盘集成控制器的硬件在环仿真4 8 5 1 硬件在环仿真系统4 8 5 2 硬件在环仿真实验及其结果5 0 5 2 1 轮速采集实验5 0 5 2 2 前轮转角和后轮转角采集实验51 5 2 3 横摆角速度和侧向加速度采集实验5 3 5 2 4 液压集成控制单元驱动实验5 4 5 3 本章小结5 5 第六章总结与展望5 6 6 1 总结。5 6 6 2 展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 作者简介6 1 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 汽车，这一标志现代文明的交通丁具每天都在给人们的工作和生活带来惊喜和变化， 但随着汽车普及率的大幅提高，交通事故却成了一大社会公害，给人们的生活蒙上了阴影。 近年米随着经济和汽车科技的大发展，公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员 非职业化的趋势，但伴随着的道路交通事故也直接造成了人类生命财产的巨大损失，己成 为世界性的社会问题。 早在1 9 7 9 年瑞士交通部统计，自汽车问世以束，全世界已有2 0 0 0 万人死于交通廖故， 比第二次世界大战死亡人数还多4 0 0 万人。此外加上几倍于死者的受伤者和家属以及各种 物质损失，这种损害是非常巨大的，人们已把它称之为“交通战争”，而这场“战争”一 直没有结束，此起彼伏。虽然这些年发达困家如美国，汽车的死亡率有了一定的下降趋势， 但是多数发展巾国家如我困，汽车的保有罩只r f 亍世界的2 ，而交通市故却占了1 5 ，已 连续数年是交通死亡人数最高的围家之一，严峻的现实使人们不得不重视汽车安全问题l l j 。 随着对汽车在行驶速度、舒适性、安全性以及功能上提出愈来愈严格的要求，随着电 子控制技术在汽车行业中愈来愈多的应用，汽车安全性能的提高越来越受到各个国家的重 视，而汽车电子控制系统的研发和应用也就成为了必然的趋势。 在汽车的安全性研究和现有的汽车安全技术中，汽车的安全性分为主动安全性和被动 安全性两大类。主动安全性是指通过对汽车内部结构进行更趋合理有效的设计，优化车辆 驾驶操纵系统的人机环境，主动预防事故的发生。被动安全性主要足指汽车在发生意外的 碰撞事故时，如何对驾乘者进行保护，尽量减少其所受伤害。早期汽车安伞性研究主要足 被动安全性的研究，常考虑汽车被动安全部件有：车身结构、汽牟内的安全带、安全气囊、 能量吸收式转向柱、座椅、头枕、乘座舱的设计、保险杠、内饰等。被动安全技术主要也 是围绕这些部件展开。但随着时代的进步，这些技术和措施已经远远不能满足现代道路交 通对汽车安全性的要求，把以碰撞安全为核心的传统被动安全技术发展为以预防为核心的 现代主动安全技术己经成为现代交通的迫切要求，而以先进电子、通讯及信息技术在汽车 上的应用为特征的新一轮汽车技术革命恰恰为此提供了可能。而汽车主动安全性是汽车具 有的在所有交通状况下尽可能安全地预防事故的一种性能。主动安全措施主要有：安装在车 身各部位的防撞雷达、多普勒雷达、红外雷达、盲点探测器等，在超车、倒车、换道、大 雾、雨天等易发生事故的情况下随时以声、光等形式向驾驶员提供车体周围的信息并自动 采取措施，有效预防事故的发生1 2 j 。汽车主动安全对策主要涉及汽车的制动性、动力性、 操纵稳定性、驾驶舒适性、信息性等方面。目前在汽车上安装的这类主动安全系统主要有 电子控制防抱死制动系统( a b s ) ，驱动防滑系统( a s r ) ，四轮转向( 4 w s ) ，电控悬架( e c s ) ， 直接横摆力矩控制( d y c ) 和电子稳定程序( e s p ) 等的综合控制系统系统。 底盘综合控制系统g c c ( g l o b a lc h a s s i sc o n t r 0 1 ) 本质上是目前电子稳定系统 e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 的逻辑功能扩展，其目的是在驾驶员正常的驾驶条件下， 最大限度地提高车辆的主动安全性、乘坐平顺性和驾驶员的开车兴趣；它使用车上已安装 的配置底盘电子控制子系统来实现其功能。该系统能够使车辆在极度危险的情况下更 容易控制，同时具有最好的乘坐舒适性，并能确保更灵敏的操纵性能【3 1 。 1 2 汽车主动安全性系统发展的历史与现状 1 2 1e s p 技术发展的历史与现状 汽车电子稳定程序e s p 是在a b s 和t c s 的基础上发展起来的。最初的汽车稳定性控 制的概念是在a b s 和t c s 的基础上在算法上加以改进，使之能部分解决汽车的稳定性问 东南人学硕：卜学位论文 题，但此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统，它只是在a b s 和t c s 基础上的改 进。直至上世纪9 0 年代初，人们通过对车辆稳定性的理论分析，提出了直接对汽牟横摆 运动进行控制的概念( 如d y c ：d i r e c ty a wm o m e n tc o n t r 0 1 ) ，它通过采集方向盘转角的信 息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车的横摆运 动，以保障汽车的稳定性，这标志着汽车稳定性控制概念的出现1 4 5 j 。 1 9 9 5 年之后，随着b o s c h 、b m w 、f o r d 、t o y o t a 等公司相继推出了使用横摆角速 度和侧向加速度传感器的新一代汽车稳定性控制系统，汽车稳定性控制的基本形式才得已 确认。在这一时期，基于上述结构的汽车稳定性控制算法丌始人量出现，其巾b o s c h 的e s p 是其中比较典型的控制方法之一，它采川汽车实际运行状态与汽车理想运行状念的误差反 馈来摔制汽车的横摆力矩，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 1 6 ，7j ，这一控制方法也是现在汽车稳定一阽控制中较为常用的方法。由于在汽车稳定性控制中 所需要的车辆运行状态无法完全由传感器氲接测量得到，冈此如何通过传感器测量的车辆 状态信息推测出不易被测黾的车辆状态或路而的状念信息一直是近几年汽车稳定件控制 的研究热点，目前已经有不少的状态估计方法出现，一定程度上改善了控制系统的可靠性。 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必然趋势，汽车稳定性控制 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 高控制效果【7 1 。 国内对汽车稳定性控制系统的应用与研究起步较晚，到目前为止，只有少数汽车( 如奥 迪a 6 、帕萨特、上安装了汽车稳定性控制系统，并且没有自己的实际研发能力，而且由于 缺少试验条件，研究还不十分深入。现在吉林大学、清华大学、上海交通大学、西北工业 大学、东南大学等高校和中国重汽集团、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。日自i ，大多数学者也由最初的理论研究逐渐转到实践应用上来。 1 2 24 w s 技术发展的历史与现状 汽车发明以来，前轮转向一直是转向的主要方式，这种源于四轮马车的转向系统，被 作为理所当然的汽车转向形式。但是，传统的f j 轮转向汽车具有低速时转向响应慢、回转 半径大、转向不灵活，高速行驶时方向稳定性差等缺点。为改善汽车转向特性和操纵稳定 性，国外，l ：始研究开发四轮转向系统，即在日i 轮转向的基础上，通过动力装置控制后轮的 转向角，以改善低速时的操纵灵活性，提高高速时的操纵稳定性，提供小半径回转等优良 特性。 4 w s 系统按其发展过程可以大致分为以下三个阶段1 8 ，9 j ： ( 1 ) 2 0 世纪初至2 0 世纪8 0 年代 这一阶段主要是4 w s 系统的萌芽和初步应用。在上世纪初，人们就设想通过采用前 后轮同时转向的办法来减小汽车的转弯半径。1 9 0 7 年，r 本政府颁发了第一个关于四轮转 向系统的专利，这种结构通过一根轴将前后轮的转向机构连接起来。当车辆低速行驶转向 时，后轮与前转向轮反相转向来获得较小的转弯半径，以提高车辆的机动灵活性。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代后期至2 0 世纪9 0 年代 这一阶段主要是4 w s 系统的快速发展及应用。随着车辆动力学研究的深入，尤其是 认识到4 w s 系统对提高车辆高速行驶的操纵稳定性具有重要意义，各大汽车公司和科研 院所加大了对该项技术的研究，开发了形式各异的4 w s 系统，其中尤以r 本的研发引入 瞩目。1 9 8 5 年同产汽车公司开发的高性能主动调整式悬挂h i c a s 系统采用了四轮转向新 技术，以达到在不同的路况下都能有灵敏的转向反应以及优异稳定性，第2 代h i c a s 适 用于日产汽车的新式多连杆悬挂系统，命名为h i c a s l l o 】。4 w s 系统类型的划分也主要依 据这一阶段的有关产品。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代后期至今 该阶段主要是底盘综合控制系统的研究。由于近年来欧美和日本等国家对自动高速公 2 第一章绪论 路系统( a u t o m a t e dh i 曲w a ys y s t e m ，简称a h s ) 及智能汽车系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l es y s t e m ， 简称l v s ) 等重大项目的重视，各国科研人员从驾驶员一车辆一环境闭坏系统出发，综合研 究汽车的纵向、侧向和垂向的动力学控制1 1 1 ，1 2 j ，其核心技术即包括4 w s 、主动悬架摔制 ( a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r 0 1 ) 、t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，牵引力控制系统) 和e s p ( e l e c t r i c s t a b i l i t yp r o g r a m ，电子稳定程序) 等车辆动力学控制系统。毫无疑问，包含以上几项技术的 底盘综合系统将产生1 + 1 2 的效果，可以更有效地改善汽车的综合性能。 国内对于4 w s 系统的研究丰要集中在几所大学罩进行，包括北京理工大学、吉林大 学、一i ：海交通大学、天津大学、东南大学等高校，在围内的汽车企业中基本上还没有展丌 4 w s 的研究和= j i ：发工作。高校由于条件的限制特别是试验条件和试验经费的限制，对于 4 w s 的研究基本还处于实验聿阶段，研究的重点主要是4 w s 车辆主动转向控制的算法分 析为多。 1 3 汽车底盘集成控制系统的发展 汽车底盘集成控制系统g c c ( g l o b a lc h a s s i sc o n t m l ) 也称为全方位底盘控制，本质上是 目前电子稳定系统e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) 的逻辑功能扩展，其目的是在驾驶员j f 常的驾驶条件下，最大限度地提高车辆的主动安全性、乘坐平顺性和驾驶员的丌车兴趣； 它是使用车上已安装的配置电子控制底盘子系统来实现其功能。该系统能够使车辆在 极度危险的情况下更容易控制，同时具有最好的乘坐舒适性，并能确保更灵敏的操纵性能。 由德国c 0 n t i n e n t a lt e v e s 公司最新丌发的具有网络特性的底盘集成控制系统g c c ，它 将发动机、制动、转向和悬挂系统的功能进行集成，用来提高车辆的动态特性、乘坐舒适 性和稳定性等，所以各个子系统是其功能实现的前提，更是其关键技术所在1 3 】。 目前市场上，处理车辆在危险的情况下保持车辆稳定功能的产品大都是通过干预发动 机系统的管理和有选择性地对单个车轮进行单边制动来实现的，而没有将在危险情况f 其 他影响车辆稳定性的功能如转向和：悬挂系统等的影u 向增加到控制系统中。底盘集成控制系 统g c c 将车辆转向和悬挂系统的十预功能集成到了控制系统中，人大延伸了车辆能够实 现的、提高稳定性的可选择范围。 1 4 e c u 在汽车底盘集成控制系统中的重要性 由于g c c 是将电子控制底盘各子系统的功能集成到了一起，所以各个子系统是其功 能实现的前提，更是其关键技术所在。而各子系统功能要得以实现，电子控制单元( e c u ) 是其中的关键技术之一。因此，电子控制单元是g c c 功能实现的基础，e c u 的设计具有 极其重要的意义。 现代的电子控制单元一般使用一个微处理器来处理外部传感器的输入信号，然后根据 嵌入的控制算法计算出期望的输出值，再传递到输出接口，控制执行部件工作。由于汽车 产品的安全性，e c u 的稳定性和实时性要求很高。因此，e c u 可以说是汽车电子控制系 统的中枢神经，设计的好坏直接影响整个系统的性能。 e c u 主要包括硬件和软件两部分。硬件主要是一个印制电路板( p c b ) ，以陶瓷或者薄 层压多层板为板基，上面装配有设计电路需要的一系列电子元器件。电路包括微控制器和 输入输出( i o ) 接口电路等部分，电路板装在金属盒内，以起到保护和抗电磁干扰的作用。 e c u 主要由三大部分组成，如图1 1 所示。 3 东南大学硕上学位论文 拟信号 爿眄 ，一一。一、 模拟 a ，dii 传 信号转换 输输 输 l i 入 卜 c p u 出 ! 出 感 l 接 0 接 ：i 理 器 数字 信号 、l 输入l ! j 口口 i l 她理i ! 。 v r ! i刨刨i 圈l 嚣器三 幽1 1 汽乍电子控制系统的基本组成 ( 1 ) 输入接口电路 来自传感器的各种信号，在输出到微控制器( m c u ) 之前，一般都要进行预处理。例如 对于模拟信号，需要经过模数( d ) 转换器，将模拟信号转换为m c u 可以接受的数字信号 方可输入。对于数字或脉冲信号，一般也要做适当的输入处理，消除干扰信号的影响，在 输入到m c u 。 ( 2 ) 微控制器( m c u ) 微控制器( m c u ) 是e c u 的心脏部分，一般包括中央处理单元( c p u ) ，随机存储器r a m ， 只读存储器r o m 、输入输出接口等电路单元。微控制器将输入信号进行分析运算处理， 并根据处理的结果向执行器件发出相应的操作命令，控制汽车的姿态和行驶轨迹。微控制 器的存储器中不仪存放着专用处理程序，往往还有大量的数据表供系统使用。 ( 3 ) 输出接口电路 输入接口电路主要是隔离和驱动电路部分，其作用是：一方面，为了避免外部器件( 如 某些带有强电流的感性负载) 对e c u 工作产生干扰，需要利用隔离元件( 如光耦、磁耦隔离 元件) 将二者隔丌；另一方面，将微控制器发出的控制指令进行功率放大后，驱动被控的执 行器件( 如各类继电器、电磁阀和电动机等) 工作。 目前，得益于微电子技术和半导体制造技术的发展，汽车电子控制系统的接口电路越 来越趋向于智能化和集成化。某些半导体厂商已经生产出专门用于输入信号处理、电压调 节、功率驱动以及网络通信等方面的智能化接口电路或者芯片【1 3 j 。这也为汽车电子控制系 统的微型化和智能化提供了基础。 1 5 本论文的主要研究内容及其意义 1 5 1 本论文的主要研究内容 汽车电子控制单元e c u 是底盘集成控制系统g c c 实现的关键技术之一，在此基础之 上才能实现对汽车操纵稳定性的摔制，以提高汽车的安全性能。因此，在这一目标的指引 下，本文努力寻求一种基于现代半导体制造技术的汽车电子控制单元e c u 的设计方案， 来初步实现底盘集成控制系统g c c 的主动制动控制系统( e s p ) 和主动转向控制系统( 4 w s ) 的集成。 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 首先分析各类车载传感器的性能和输出信号，在此基础上设计e c u 的输入信号处 理电路，将各种信号转换为微控制器能够接收的数字信号； ( 2 ) 选用能够满足底盘集成控制系统工作要求的微摔制器，进而结合输出信号处理电 路的要求，分配微控制器的i o 接口，并选用汽车电子领域的专用智能元器件设计执行元 4 第一章绪论 件的驱动电路，进而估算出系统的电源要求，选用电源：占片，设汁电源电路； ( 3 ) 根据硬件设计方案制造p c b ，装配电子元器件，并对各个输入输出接口电路进行 调试，实现传感器信号的采集和执行机构的驱动； ( 4 ) 针对本文设计的g c c 功能要求植入嵌入式实时操作系统，在此基础上提出控制系 统的软件架构； ( 5 ) 将设计好的汽车电子控制单元e c u 安装在车辆底盘控制实验台架上进行仿真试 验，通过试验结果来检验e c u 设计方案的正确性和可行性。 1 5 2 本论文的丰要研究创新点 ( 1 ) 首先基于现有的电子元器件技术和半导体制造技术，提出所设计的底盘集成控制 系统e c u 的设计方案，采用了较新的智能功率半导体器件和汽车电子专用集成电路，最 大程度地提高e c u 的集成化和智能化； ( 2 ) 本文所设计的汽车底盘集成控制系统e c u ，实现了主动制动控制系统和主动转向 控制系统的基本功能要求，能够将二者集成控制，尽可能地提高汽车行驶的稳定性，并提 出了控制系统的基本的软件架构。 1 5 3 本论文的主要研究意义 在过去的2 0 年，汽车安全性产品的研究和丌发经历了一个蓬勃发展的时代。为了改 善车辆的行驶动力学和操纵稳定性，一些汽车安全控制系统相继问世，使得汽车产品的安 全性上升到了一个新的台阶。如今，汽车防抱死制动系统( a b s ) 和电子稳定程序( e s p ) 可以 说是最重要的和最有代表性的主动安全系统，已经在全世界范围内得到了应用和普及。德 国和同本的大学和汽车企业一直是此领域的领跑者，其中尤以德国博士公司( b o s c h ) 的产品 引人瞩目。我国汽车行业起步较晚，但近几年汽车制造业发展迅速，大学和企业研究有所 发展，但相比发达国家仍落后较多。在发达同家，汽车主动安全系统的丌发技术已经基本 成熟，产品逐渐系列化、产业化，汽车产品的装配率也占到很大的比例；而我罔的研究机 构和企业还基本不具备独立开发汽车主动安全系统的能力，技术比较落后，存在较大差距， 离产业化生产还有很长的路要走。 。 因此，丌发具有自主知识产权的汽车主动安全系统对于国内汽车行业的发展和提高国 产汽车的竞争力具有积极和长远的意义，而本文所研究的汽车底盘集成控制系统，虽然只 是一个实验室研究阶段的原型，但对国内汽车主动安全系统的未来发展仍具有一定的借鉴 价值和现实意义。 5 第二章汽车操纵稳定性控制技术 第二章汽车操纵稳定性控制技术 2 1g c c 系统基本技术 2 1 1汽车底盘电子控制的理论基础和特征 汽车底糯最丰要的功能就是让汽车按照驾驶员的意愿作相应的加速、减速和转向运 动。由图2 1 可见，驾驶员足通过汽车罩的可操纵元件( 转向盘、节气门和制动踏板) 来表 达其意图，相应的执行量是前轮转向角及车轮上的驱动力矩或制动力矩，真i 卜起作用的是 轮胎的纵向力和侧向力。汽车轮胎力的丰要影n 向冈素是路而的附着系数、车轮的法向力( 受 载) 、轮胎侧偏角和滑移率。因此，汽车底盘控制的基本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移牢和侧偏角进行适当的影响和控制，来帕j 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问的附着力，提高汽车的主动安伞性i l 4 。 汽车的运动状态： 汽车车速、 横摆角速度， 横向加速度、 纵向加速度、 质心侧偏角等 主要影响因素= ! 法向力， ： 路面附着系数 ； 滑动i 转) 率， ； ：竺佴角二一一一 图2 1 驾驶员、轮胎力和汽印运动的相互关系 汽车底盘电子控制是一个多系统相互影响和作用的复杂系统，有以下特征： ( 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控制。如汽车在离散型路面上 制动时方向稳定性可通过a b s 、e s p 、a f s 和4 w s 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t c s 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丌度的调节器 和轮缸里制动液压的调节装置。 h ) 同一个控制变量同时受不同的控制系统所控制。如车轮滑移率可能同时受到a b s 和e s p 的控制1 1 4 j 。 2 1 2 汽车底盘常见的电子控制系统 ( 1 ) 汽车制动和驱动的电子控制系统 a 汽车防抱死制动系统a b s ( a n t i l o c kb r a k es y s t e m ) b 牵引力控制系统t c s ( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ) c 汽车电子稳定程序e s p ( e l e c t m n i cs t a b i l i t yp r 0 掣锄)