（仪器科学与技术专业论文）基于自适应滑模控制方法的车辆防抱死制动系统的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 防抱死制动技术的一个核心问题就是控制方法的研究。自适应滑模控制是滑 模变结构控制与自适应控制的有机结合，是解决参数不确定或时变参数系统控制 问题的一种新型控制策略。自适应滑模控制方法克服了滑模控制方法在滑移面附 近的高频颤振和自适应方法鲁棒性较差的缺点，在汽车防抱死制动系统( a a s ) 中得 到了很好的应用。 本文的研究工作包括以下几个部分： 根据实际研究的需要，建立了九自由度整车制动模型、三自由度双轮制动 模型、二自由度单轮制动模型、轮胎与地面的附着系数滑移率模型和液压制动器 模型。 对汽车轮速信号的测量与处理做了详细地分析研究，阐述了基于加速度传 感器的车速的获取方法。 针对a b s 非线性控制模型，在分析零阶、一阶切换方式滑模变结构控制 算法的基础上，提出了参数自适应的滑模变结构控制算法，并对参数自适应滑模 控制算法的稳定性进行了数学论证，保证了在有限的时间内系统滑模条件的可达 性。应用m a a b 将滑模自适应算法与前两种算法进行了比较。仿真结果表明， 自适应滑模控制算法在制动性能、对控制系统输入要求方面均有一定优势。 构建了a b s 实时闭环模拟系统测试平台。应用i , a b v i e w 的m a t l a b 节 点，对模拟系统进行了软件设计，主要包括：m a l r i a b 节点整体算法、轮速信号 处理算法和自适应滑模控制方法制动过程迭代算法等。试验结果验证了论文中提 出的a b s 参数自适应滑模变结构控制算法的有效性和可行性。 论文基于自适应滑模控制方法的a b s 系统研究，对a b s 的进一步发展和完善 有一定的参考价值 主题词：防抱死制动系统滑模变结构控制自适应控制滑移率 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 t h es t u d yo ft h ec o n t r o lm e t h o d si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m so ft h e a n t i - l o c kb r a k i n gt e c h n o l o g i e s 。t h ea d a p t i v es l i d i n gm o d ec o n t r o l ，w h i c hc o m b i n e s s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o la n da d a p t i v ec o n t r o lr e a s o n a b l y , i san e w s t r a t e g ys o l v i n gc o n t r o lp r o b l e m sc o m p r i s i n gu n c e r t a i np a r a m e t e r so rt i m ev a r i a b l e p a r a m e t e r s t h ec o n t r o lm e t h o dh a ss u i t a b l ea p p l i c a t i o ni na n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a s s ) ，d u et oo v e r c o m i n gt h ed e f i c i e n c i e so ft h eh i g hf 托q u e n c yc h a t t e r i n gn c a rt h e s w i t c h i n gs u r f a c ea d o p t i n gs l i d i n gm o d ec o n t r o la n dt h ew e a kr o b u s ta p p l y i n ga d a p t i v e c o n t r 0 1 t h er e s e a r c hs c o p eo f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s , t h e9d e g r e e so ff r e e d o mv e h i c l e b r a k i n gm o d e l ，t h e3d e g r e e so ff r e e d o md u a l - w h e e l sb r a k i n gm o d e l ，t h e2d e g r e e so f f 瑚a i o ms i n g l e - w h e e lb r a k i n gm o d e l ，a d h e s i o nc o e f f i c i e n t - s l i p - r a t i om o d e l ，t h e h y d r a u l i cp r e s s u r ed e t e n tm o d e la r ef o u n d e d m e a s u r e m e n ta n dp r o c e s so f t h ew h e e l s p e e ds i g n a la r es t u d i e di nd e t a i l e d , a n d t h em e t h o do f a c q u i r i n gv e l o c i t yb a s e do nt h ea c c e l e r a t e ds e l g q o ri se l u c i d a t e d ( 萤砸st h e s i sp r e s e n t sap a r a m e t e ra d a p t i v es l i d i n gc o n 仃o la l g o r i t h mb a s e do nt h e a n a l y s i so fz e r o - o r d e ra n do n e - o r d e rs w i t c h i n gs l i d i n gm o d ec o n t r o la l g o r i t h m sf o rt h e n o n - l i n e a rc o n t r o lm o d e lo f a b s t h es t a b i l i z a t i o no f p a r a m e t e ra d a p t i v es l i d i n gc o n t r o l a l g o r i t h mi st e s t i f i e d , w h i c he n 翻卫雠t h er e a c h a b i l i t yo fs y s t e ms l i d i n gm o d ec o n d i t i o n d u r i n gr e s t r i c t e dh o u r s t h ea d a p t i v es l i d i n gc o n t r o la l g o r i t h mi sc o m p a r e dw i t ht h e o t h e rt w oa l g o r i t h m su s i n gm a t l a b n er e s u l t so fs i m u l a t i o n v e r i f yt h a tt h ea d a p t i v e s l i d i n gm o d ea l g o r i t h mh a st h em v a n t a g eo ft h ec a p a b i l i t yo fb r a k i n ga n dt h eo r d e ro f s y s t e mm p u t a na s sr e a l - t i m el o o pe x p e r i m e n tp l a t f o r mi sf r a m e d ，a n di t ss o f t w a r e , w h i c h m a i n l yc o n s i s t s o ft h ew h o l ea l g o r i t h mo ft h em a t l a bn o d e ，t h ev e l o c i t ys i g n a l p r o c e s sa l g o r i t h ma n dt h ei t e r a t i v ea l g o r i t h mo ft h ea d a p t i v es l i d i n gm o d ec o n t r o l m e t h o d , i sd e s i r e db ya p p l y i n gt h em a t l a bn o d eo fl a b v i e w t h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo fa s sp a r a m e t e ra d a p t i v es l i d i n gm o d ec o n t r o lm e t h o dp i d p o s e di n t h i s p a p e rh a sb e e nv a l i d a t e db ym e a n so f t h ea n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ei n v e s t i g a t i o no fa s sb a s e do na d a p t i v es l i d i n gm o d ec o n t r o lh a sr e f e r e n c e d v a l u et oac e r t a i ne x t e n tf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n di m p m v e m 钮to f a b s k e yw o r d s ： a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) ， s l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ， a d a p t i v ec o n t r 0 1 s l i p r a t i o ， 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l a b s 组成及工作原理 附着系数- 滑移率曲线 p l d 串级控制系统 各种a b s 系统控制流程框图 整车九自由度模型示意图。 整车模型运动和受力示意图1 0 利用固结于汽车的和车辆坐标系分析汽车运动。 双轮车辆模型 制动过程单轮车辆模型 轮速信号测量电路框图 轮速信号处理电路2 l 电路中测试点t o 、t 3 和t 6 处的电压波形 电路的幅频响应 。2 2 2 3 电路的相频响应2 3 温度分析结果2 3 电路的输入噪声和输出噪声2 4 电路的信噪比2 4 r 8 随机变化对t 6 脉冲上升沿影响的蒙特卡罗分析结果2 4 周期法测量原理图 加速度传感器数据测量部分电路。 滑模控制的几何意义。 2 7 3 l 单一路面零阶滑模控制器仿真结果3 6 突变路面零阶滑模控制器仿真结果3 6 一阶滑模变结构控制器的仿真结果 将图4 4 起始阶段局部放大的仿真结果4 0 质量两次突变所得仿真结果4 l 质量突变瞬间仿真结果 滑模自适应原理框图 4 1 4 6 毛o ) 分段近似后的函数。4 9 零阶、一阶切换方式滑模控制算法制动全过程仿真结果5 l 自适应滑模变结构控制算法制动全过程仿真结果 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 1a b s 实时闭环模拟系统。5 4 图5 2a b s 系统硬件构成框图5 5 图5 3m a t l a b 节点程序整体设计流图 图5 a 轮速信号处理流程图 5 7 图5 5自适应滑模算法对制动过程的迭代处理流图5 8 图5 6 高路面滑模控制器试验结果 图5 7 低路面滑模控制器试验结果 图5 8 路面突变路况下滑模控制器试验结果。 图5 9 高路面自适应滑模控制器试验结果 5 9 6 0 6 0 6 1 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 冬发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均巳在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题日：基王自堡廛扭搓揎剑左洼数主揸陵擅噩剑叠丕统垃盈窥 学位论文作者签名：i ：3 迤日期：矗胛g 年，月矽日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文教查阅和僭阅；可以将学位论文的全部或都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，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 基王自重廛盟搓揎剜左造盟主拯陵擅殛剑麴丞蕴鳗赶塞 学位论文作者签名：i3d 量 日期：跏占年j ，月矽日 作者指导教师签名： i1 4 圣日期：d l 0 6 年ic 月加日 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 1 课题来源 第一章绪言 1 1 课题概述 本课题来源于外协项目“基于自适应滑模控制方法的车辆防抱死制动系统 ( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 的研究” 1 1 2 课题产生盼背景及意义 凡驾驶过汽车的人都有一些体验，在被雨淋湿的柏油路上或在积雪道路上紧 急制动时，汽车会发生侧滑，严重时会掉头旋转。如果是在有车辙的雪路上行驶， 左右车轮分别行驶在雪地上和露出的地面上，产生剧烈旋转的危险性更大。在这 种路面上行驶时，若紧急制动，汽车方向会失去控制。若是弯道，就有可能从路 边滑出或闯入对面车道，即使不是弯道也无法躲避障碍物。防抱制动装置就是为 了防止这些危险状况的发生而研制的装置。 采用常规制动方式的汽车在行驶中紧急制动，虽然车轮能够迅速地减速并停 止转动，但在有些情况下因汽车的滑移而无法停住，这种现象叫做车轮与路面间 的滑移或叫做车轮抱死。出现这种情况后，汽车轮胎相对于路面的侧滑摩擦力基 本为零，从而可能导致下述闯题： 方向稳定性降低。即使操纵方向盘，汽车也会产生侧滑现象，严重时会旋 转掉头或产生折叠现象。半挂车、挂车会以联结轴为支点弯成“ 式中，_ ，；1 ，2 ， 为车体重心的高度。 转向行驶引起的左右载荷转移： 黜兰三：嚣h ：吖晒( l b , j 叫 a c ( _ ，2 ) = 千胁， ) 、 各个车轮总的垂直载荷： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 e i j = m g b ( 2 l ) 一m h , ( 2 l ) 一m a y h g b c l b j ) 最o = m 9 6 ( 2 l ) 一眇。矗( 2 工) + 胁，h p ( 三乃)。 e 2 j = m g a ( 2 l ) 4 - m h g , i ( 2 l ) - n , 】，h , a ( l b , ) ”一 易j = m g a ( 2 l ) + m h s f t ( 2 d + m a , h s a ( l b , ) 车轮是汽车与地面接触的部件，它的受力非常复杂，根据不同的情况，可以 考虑使用不同的模型，比如：当只考虑每个轮子绕其旋转轴转动自由度的时候， 综合上述内容就得到九自由度的模型；当考虑轮胎纵向、横向、旋转及侧偏自由 度时，四轮汽车就可得到二十个自由度的模型；当考虑轮胎纵向、横向、旋转及 侧偏自由度时，并且考虑绕x 轴的侧倾角速度时则形成二十一个自由度的模型。 2 1 2 双轮制动模型 为简化模型研究，忽略方向盘的转角位移和前轮的转向角( 吼，矿) ，及车 辆o y 轴上的速度分量v 和绕z 轴横摆角速度( 玑) ，并且因为左、右轮胎完全 对称，因而将四轮模型简化为双轮模型，从而得到具有三个自由度的双轮模型。 如图2 4 中所示： 图2 4 双轮车辆模型 车辆运动方程； m i , = - 2 - 2 e 2 一e e 前后两车轮的动力学微分方程： ，。西( 1 ) = c i 胄一m o ) 一瓦( 1 ) ，。毋( 2 ) = c 2 震一m ( 2 ) 一瓦( 2 ) 车轮纵向摩擦力： 晶= e 。产( 名) = 易卢( 五) 考虑加减速引起的前后载荷转移： 瓦= m g b l m h g g l l 易= m g a l + m h g f , l l ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 式中，v 表示车辆纵向的速度分量( 双轮、单轮模型中v 区别于整车模型中 o y 轴速度分量v ) 。 2 1 3 单轮制动模型 汽车实际制动过程非常复杂，为简化研究问题，只考虑车体纵向运动、车轮 转动、空气阻力和车轮滚动阻力，建立车辆单轮二自由度模型，如图2 5 图2 5 制动过程单轮车辆模型 假设震为车轮滚动半径，为车轮的转动惯量， ，为车辆行驶速度，搿为车轮 角速度，e 为车轮摩擦力，匕为车轮的滚动阻力，e 为空气阻力，e 为车轮对 地面的法向反力，瓦为制动力矩。由牛顿第二定律，列出整车和车轮动力学方程： m r , = _ 4 e 一只 ( 2 1 6 a ) ，西= r f x r 瓦一瓦 ( 2 1 6 b ) 车轮的纵向滑移率定义为：z = 一o r ) i v ，车轮的摩擦力由下式给出； e = e m ) ，式中的附着系数依赖着路面条件和滑移率的大小。定义状态变 量：而= v r ，x 2 = 口，而= 名，从而有： 矗；一石( 而) 一6 l ( ( 2 1 7 a ) 南= - a ( x 2 ) + b 2 , u ( a ) 一如瓦 ( 2 1 7 b ) 毛= 五= ( x l 一屹) ，毛 ( 2 1 7 c ) 南= 五= 石“，x 2 ) 一五( 屯跏( 句+ 以“况( 2 1 7 d ) 式中，z = e m k ，岛= e 艘， = 兄r ，b 2 = e r l s ，屯= v j ， 石= 屯t ，工= 眠一1 ) 石+ 疋i x 1 ，兀= 【( 1 一毛) 岛+ 屯】而 2 2 轮胎与路面的声一五模型 轮胎作为连接车身与路面的惟一部件，除空气阻力以外，车辆的其它外力几 乎都是通过它与路面的作用产生的。轮胎的力学特性对汽车的操纵稳定性、舒适 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 性、动力性和制动安全性起着极其重要的作用。车辆性能的定量分析与研究及先 进的底盘控制系统的设计开发，在很大程度上依赖于车辆动力学模型和轮胎动力 学模型的研究 5 4 1 。国外的许多汽车厂家对轮胎与汽车的合理配套提出了诸如包络 特性、操作稳定性和牵引附着性等各种要求。因此，简化与建立合理的轮胎动力 学模型对轮胎新产品的开发和汽车整车性能的分析都具有举足轻重的意义。 在车轮与地面的作用过程中，摩擦力主导着其它力的产生与变化，准确地把 握车轮摩擦特性对a b s 的研究至关重要。为了突出研究重点，将z 一名模型分为 静态模型和动态模型【5 5 1 。静态模型是z 一旯不显含车辆纵向前进速度村和车轮滚动 速度，而只与滑移率五相关的轮胎与路面的模型，如g i m 轮胎模型和m a g i c f o r m u l a 模型；动态模型中，z 的取值除与滑移率兄相关外，并显含前进速度甜和 车轮滚动口。一般来讲，动态模型可分为集总模型和分布模型。集总模型假设轮 胎和路面仅一点接触，它所对应的数学模型为一仅与时间相关的常微分方程；分 布模型认为车轮和路面间存在一压力不均衡分布的接触面，它的建模为与时间域 和空间域都相关的局部微分方程。 此外，轮胎还可以分为经验模型和物理模型。前者根据轮胎试验数据，通过 插值或函数拟合方法给出预测轮胎特性的公式；而后者则是根据轮胎与路面之间 的相互作用机理和力学关系建立模型，旨在模拟力或力矩产生的机理和过程。 在物理模型中，轮胎通常简化成一系列理想化、具有给定的物理特性的径向 排列的弹性单元体。此外，还要给出这些弹性单元体在道路表面的滑动能力，以 及由相邻单元体连接或包络的胎面而引起的约束。典型的轮胎物理模型主要有；( 1 ) 弦模型( t a u ts t r i n gm o d e l ) ：( 2 ) 梁模型( b e a mo na l le l a s t i cf o u n d a t i o n ) i ( 3 ) 刷子模型 ( b r u s hm o d e l ) ；( 4 ) 辐条模型( r a d i a ls p o k em o d e l ) 。 2 2 1 幂指数公式模型 郭孔辉在f i a l a 简化的轮胎理论模型的基础上，建立了半经验的幂指数公式轮 胎模型。该模型不考虑胎体形变的物理特征，从胎体的一般变形模式和垂直载荷 分布的一般模式出发，推导出侧向力和回正力矩的一般表达式，表示无量纲的侧 向力或回正力矩与无量纲的侧滑率之问的函数关系。单工况下幂指数公式为： 侧向力： e ( 肛) = l e 砸一力一日彩) 回正力矩； 鸠= e 见 见= d m 唰一d l 以一d 2 彬) + ( + 见，以) 纵向力： e ( 肛) = l 一吲一丸一髟彩) d m = 皿。一 ( 2 i s ) ( 2 1 9 a ) ( 2 1 9 b ) ( 2 2 0 a ) ( 2 2 0 b ) 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 牵l = k l s l | 0 沁3q 。2 0 c ) 式中， e ，为转折系数，皿为轮胎拖距，破。和p 。分别为侧偏角声= o 和 p = # 2 时的轮胎拖距，p 为摩擦因数，髟为纵r 句s j j 度，e ，、d m 、d l 和d 2 等 参数都可表示为垂直载荷( g ) 的多项式，即： 厂( 弭) = c r ( 1 + c l q r + g q ；)( 2 2 1 a ) q r = e f 0 一i( 2 2 1 b ) 式中，c r 、c l 和c 2 为计算系数，为轮胎的标称载荷。 2 。2 。2g i m 轮胎模型 ( 1 ) c a m 轮胎模型是一个纯理论模型【3 2 】，是以b e r g r n a n 的三维弹簧模型为基 础推导出来的，通过对轮胎和地面相互作用的微元求解动力学方程，推导出纯工 况和联合工况下的轮胎各种力学特性，具体公式如下。由于研究需要，下面仅介 绍c a m 模型中纯滑移下轮胎力学特性 ( 2 ) 摩擦因数 假定摩擦因数z 与滑移参数五为线性相关，即： a s 嚣兹帆 ， = ( 1 一l ，胁) 、 ( 3 ) 纯滑移下轮胎力学特性 印记内滑移临界点的参数为： 瓮i 2 m c s 3 乏：c 引3 峨 q 锄 五=缸= 旯3 熊 、 纵向力为： 当a 丸时，轮胎处于滚动状态： 置= g 卸一矗+ 4 3 ) ( 2 2 4 ) 当五屯时，轮胎处于滑动状态： e = 以 ( 2 2 s ) 其中，硒表示滑移率为零时的摩擦因数；4 表示摩擦因数减小因子；h 为滑 移率为 时的摩擦因数；c s 为轮胎纵向刚度；五表示纵向临界滑移率；以表示 滑移界限点。 2 2 3 m a g i cf o r m u l a 模型 m a g i c f o r m u l a 模型是用特殊正弦函数建立的轮胎纵向力、侧向力和自回正力 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 矩模型。由于只用一套公式就完整的表达了单工况下轮胎的力学特性，故称为魔 术公式。 j ，= y + 品 ( 2 2 6 a ) y = d s i c m c m s x - e ( b x - a r e t a n b x ) ( 2 2 6 b ) x = x + s hq 2 6 c ) 式中，】，表示侧向力、纵向力或自回正力矩，x 表示侧偏角( 口) 或滑移率 ( 名) 。以侧向力为例说明公式中各系数的意义：曰为刚度因子，c 为曲线形状因 子，d 为峰值因子，e 为曲线曲率因子。瓯为垂直漂移，瓯为水平漂移。除c 外， 该公式中的参数都是垂直载荷和侧偏角口的函数。 b u r e k h a r d t 在m a g i cf o r m u l a 模型基础上经过理论变形、仿真分析，得到 b u r c k h a r d t 模型口3 j 。在此模型中，摩擦力可表示为： 以厶妨= 【烈1 一口- c 4 ) 一丑名p 。“( 2 2 7 ) k i e n c k e 和d a i s s 忽略了上式对纵向速度的依赖，再经过一系列的推导近似 得到摩擦力和滑移率的近似关系如下： 2 f 似) 2 k ad a 2 + 4 c 2 + 1 ( 2 2 8 ) 其中，k 为，( d ，a i 枷的斜率。 2 3 制动器模型的建立 传统的a b s 存在许多缺陷，其中一个重要原因就是使用了开关阀而限制了连 续控制和现代控制理论的应用。开关电磁阀仅有开和关两个位置，因此不可能用 连续控制，而且当阀开启或者关闭的时候，轮缸压力会有较大的波动，对制动力 矩和车轮滑移率造成一定的影响。为了实现了连续控制，本文所用的试验装置采 用了电液比例阀，这是一种介于开关阀和伺服f 雕艺间的液压元件。从控制特性看， 它更接近伺服阀；从抗污染性、可靠性和经济性看，更接近开关阀。与伺服阀相 比，其优点是价廉、抗污染能力强，除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺 服阀之外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，且工作频宽又足以满足大 部分工业控制系统要求。此外，比例控制阀还具有流量、压力与方向三者之间的 多种复合控制功能，这使得电液比例阀和开关阀相比较不但控制性能高，而且使 系统更简化。用电液比例阀来代替前面的开关电磁阀，此时阀的开口度为阀控制 输入信号的连续函数，不但解决了压力波动较大的问题，而且为利用现代控制理 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 论方法提供了可能性。 在车轮的制动过程中，制动力矩的产生是使摩擦材料压在制动鼓或制动盘的 摩擦表面上，其大小取决于制动器的几何尺寸、制动管路压力以及衬片的摩擦系 数。 考虑单缸单阀液压制动系统，制动增压过程中，进入制动缸的流量为： q 2 q 4 ( x , ) 2 ( p , - p ) l p o 。鲁鲁 ( 2 2 9 ) 升压过程制动缸压力变化率： 睾= 墨耵 ( 2 3 0 ) 出 。 、 其中，墨2 鲁g 删后。 降压过程制动缸压力变化率： 粤= k a 可 ( 2 3 1 ) 出 其中，杨。鲁洲) 层 车轮制动器的制动力矩一般是制动压力的函数，可表示为： 瓦= k ，p ( f ) ( 2 3 2 ) 由于电磁阀的开关响应十分快，d p i d t 可近似为常数，进行线性化处理，可得 线性模型如下： 瓦= 墨p o ) = ，7 ( ) ( 2 3 3 ) 从而有，瓦= 刁( ) ( f f o ) + ，压力保持不变时，7 ( ) 为0 。 其中，见为油液密度；c d 为流量系数；为比例阀阀芯位移，4 ( ) 为控制 阀过流面积，4 ( ) = 专。，专。为阀口梯度；只为油源压力；0 为回油管路压 力；1 ：o 为制动缸及管路的总容积；尼表示油液的体积弹性模量；k i 、j 匕为与阀 结构参数有关的系数：k t 表示制动器效能因数；玎为增压或减压速率；t o 为制动 系数的滞后时间。 比例阀模型一般被简化为一个二阶系统，该系统的输出为阀芯位移墨，系统 的输入为a b s 作用在比例阀上的电压u ，系统的传递函数为： 祟：县 ( 2 3 4 ) u o ) j ，+ 甜+ k 式中的i n 、c 、量可由阶跃响应法测量得到删。 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 4 本章小结 依据课题研究目的，进行合理假设，采用牛顿力学建立了整车九自由度制动 模型，后逐步简化为车辆双轮制动模型和车辆单轮制动模型。在对比几种常用的 轮胎模型基础上，选择了更适合产品设计、汽车动态模拟及试验对比等要求的能 精确描述轮胎力学特性的魔术公式作为车辆制动模型中的轮胎模型 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章a b s 控制信号的获取 汽车防抱死制动系统是在制动时防止车轮抱死、并获得最短制动距离和制动 稳定性的一种电子装置，它对于汽车的主动安全性具有重要的作用。然而防抱死 制动控制作为一种汽车电子控制技术，是以汽车轮速和车速信号作为其控制信号。 因而轮速信号的测量与处理和车速信号的估取是防抱制动控制的基础，决定控制 质量的好坏，从而决定汽车的安全性。 3 1 轮速信号的测量与处理 目前，较为普遍的测定车轮转速信号的传感器是变磁阻式轮速传感器，它由 旋转的齿轮和相对静止的感应线圈组成，其工作原理如图3 1 所示。当齿轮在感应 线圈附近转动时，线圈因阻抗发生周期性变化而产生交流电压，交流电压的频率 与齿轮转速和齿数成正比。在齿轮齿数确定的情况下，传感线圈输出的电压频率 将正比于齿轮的转速。变磁阻式轮速传感器输出的脉冲电势幅度受磁阻变化速度 的影响比较大。磁阻变化快时输出电压高，而磁阻变化慢时输出电压低，一般在 几十毫伏到几十伏之间。变磁阻式轮速传感器结构简单、坚固，能够适应恶劣的 工作环境，如泥、水、飞雪、小石子等侵入的环境，也能适应冲击、振动、盐份 所引起的腐蚀、高温、低温等环境，在恶劣的工作环境下具有较高的可靠性。信 号测量电路的目标就是把传感器输出的幅度、频率都在变化的电压信号转变成 c p u 可以接受的脉冲信号( 一般为r r l 电平) ，以便 c p u 对脉冲进行计数从而求出轮速。 试验结果表明变磁阻式轮速传感器产生的信 号具有如下的特征【3 5 】： ( 1 ) 磁头与齿圈间的气隙控制在1 o m m 左右为 最理想。 ( 2 ) 传感器产生的信号为接近零均值的正弦波 信号。 ( 3 ) 正弦波信号的幅值受气隙间隔和车轮转速 的影响。气隙间隔越小，车轮速度越高，正弦波信 号的幅值越大。 3 i 轮速传感器 ( 4 ) 正弦波信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影响，为每秒钟经过磁头线 圈的齿数，即等于齿圈齿数乘以每秒钟的轮速。 轮速信号来自车轮上安装的轮速传感器，是随着车速变化的正弦波。为了使 第2 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 它成为c p u 能够接受的数字信号，必须把正弦波信号变换为脉冲信号。另外为防 止噪声的干扰，发生误动作，还需要进行滤波处理。同时调理电路还承担着传感 器故障检测的任务。轮速信号处理的好坏，直接影响到控制器的性能。因而需要 反复设计和实验验证。 为了准确测量轮速，轮速信号处理电路应具有下述功能： ( 1 ) 将正弦波转换为同频率的方波，方波的占空比应适中。 ( 2 ) 在车轮转速较低时，仍然能够输出与传感器输出信号同频率的方波信号。 ( 3 ) 在气隙因为振动在一定范围内变动时，仍然能够进行波形变换。 ( 4 ) 电磁兼容性好，能够抑制噪声干扰。 篁一 p x 十0 - s 3 0 臣鲴l 怔卦 c e x n ， l 故障检测电路l i 缓冲电路l + a d n 图3 2 轮速信号测量电路框图 图3 2 给出了单个轮速信号调理电路的组成框图。从图中可以看出，它主要由 前端预处理及保护电路、放大电路、整形电路以及故障检测电路构成。前端预处 理及保护电路主要用来对信号进行滤波和电压限幅，故障检测电路用来实时检测 传感器的开路和短路情况。 图3 3 轮速信号处理电路 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 1 1 轮速信号处理电路 应用p s p i c e 工具对轮速信号处理电路进行了深入研究，得到了一个性能比较 优良的波形变换电路。电路的带宽为1 0 比2 m z ，信噪比为1 5 0 d b ，输入信号幅度 变化范围大( 5 0 m v - 5 0 v ) ，完全满足了a b s 控制系统的需要。设计的轮速信号处理 电路如图3 3 所示，其中，v 1 是传感器等效电压源，r 1 是传感器电阻，t 1 到t 7 是测试标记。其中，t 6 方波信号送1 6 位四i u 的高速输入口，t 7 送c p u 的m d 采集口。 图3 3 所示电路中的各元器件在p s p i c e 中都有合适而精确的模型，因而 p s p i c e 便可根据电路理论，仿真出近乎真实的电路结果。设计者惯用的仪器，如 示波器、频谱仪、网络分析仪、扫频仪和通用测量仪器等也都可以用p s p i c e 工具 来仿真实现，避免了传统设计方法中因仪器仪表接入而引起的各种插入误差。利 用p s p i c e 强大的仿真功能对图3 3 电路进行了时域分析、频域分析、温度分析、 噪声分析及蒙特卡罗分析，分析结果如下。 ( 1 ) 电路的时域分析 图3 4 电路中测试点t o t 3 和t 6 处的电压波形 电路的时域分析是指在给定激励信号( 或没有任何激励) 的情况下计算电路 的时域响应。图3 3 电路的各测试点信号波形如图3 4 所示，t 4 和t 5 的波形和t 6 类似，故未在图中示出。t 0 是传感器信号，t 3 是经二极管限幅后的运放输入信号， t 6 就是整形后的电路输出，经缓冲后可直接连到c p u 的计数器端口。从图3 4 可 以看出，该电路实现了从正弦波到方波的波形变换功能。 ( 电路的频响 图3 5 和图3 6 给出了图3 3 电路中澳4 试点t 4 及t 7 的幅频响应、相频响应曲 线。1 7 是用来实时检测传感器开路和短路故障的一个二阶低通滤波器，其3 d b 带 宽约为5 0 h z 。t 4 是经过预处理和放大的轮速信号，t 6 是整形电路的脉冲输出信 号。t 4 信号的3 d b 带宽约为2 k h z ，对应的轮速约为2 0 0 k m h ，2 k h z 时的相位差 约为1 5 度。 第2 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 5 电路的幅频响应 ( 3 ) 电路的温度分析 u a 口 图3 6 电路的相频响应 o1 0 0z o o3 0 0t 嘶) 图3 7 温度分析结果 由于车辆运行时的实际温度并非p s p i c e 默认的2 7 ，因而在电路的仿真过 程中必须考虑温度的影响。图3 7 所示曲线就是在温度分别为o 、2 7 和4 0 时 整形电路同相输入端t 5 和反相输入端t 8 电压之差的时域曲线。随着温度的升高， 曲线斜率变小，响应滞后。 ( 4 ) 电路的噪声分析 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 v “n 工a 口 i a1 01 1 呱1 眠f o h ) 图3 8 电路的输入噪声和输出噪声 图3 8 和图3 9 是电路的噪声分析结果。随着频率的升高，系统的等效输入噪 声增大，输出噪声减小，信噪比也逐渐减小。从图3 3 的整形电路中可以计算出电 路的噪声容限为8 0 m v ，远远大于电路输出的噪声，因而电路不会误动作 ( 5 ) 电路的蒙特卡罗分析 图3 9 电路的信噪比 图3 1 0r 8 随机变化对t 6 脉冲上升沿影响的蒙特卡罗分析结果 蒙特卡罗( m o n t ec a r l o ) 分析是一种统计模拟方法，它是在给定电路元器件参数 容差的统计分布规律的情况下，用一组组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序 列，对这些随机抽样的电路进行分析，并通过多次分析结果估算出电路的性能。 应用蒙特卡罗分析可以得到元件误差对电路特性的影响程度。图3 1 0 所示是r 8 第“页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在士2 0 范围内随机变化时蒙特卡罗分析结果。图中表明图3 3 所示电路选用的元 器件误差应控制在更小的范围之内。 3 1 2 轮速信号计算方法研究 目前，常用的轮速计算方法有频率法和周期法。采用频率法测量，误差主要 来自脉冲个数的l 字误差，当轮速较低时，该方法计算误差很大。为提高精度， 需要增加传感器每转输出脉冲的密度，即增加齿圈齿数或缺口数。但由于工艺或 成本的限制，这种改善显得有限，所以a b s 轮速计算中很少采用频率法。周期法 对每个轮速脉冲都进行了轮速的计算，已经最大限度地利用了传感器所提供的轮 速信息，因而能最大程度地反映轮速的变化过程，故本文下面的分析都是针对周 期法进行的。所谓周期法就是用时标充填的方法测量轮速脉冲周期( 图3 1 1 ) ，然后 计算出轮速大小： 面( t ) - - - - r 辩一等一描( 3 a ) ； 三 一 - _ 一 轮速脉冲 i f 0 i 1 i l 一 | + 叫 ： 时标脉冲厂 厂 广 厂 m 厂 ：n ： 卜一 周期计数脉兰广 广 厂 厂厂一 图3 1 1 周期法测量原理图 式( 3 1 ) 中，为车轮半径，z 为齿圈齿数，以为每个齿的标称角度，气- - 2 z z ， a 善为实际角度与标称角度的差，为时标信号脉冲个数，f o 为时标信号周期，乙 为实际轮速脉宽，r 为实际轮速脉宽与测量脉宽的时间差。从式( 3 1 ) 可以看出， 轮速信号的测量误差主要由两部分构成，一是由于制造工艺及磨损的原因引起的 实际角度与标称角度的差善，二是时间测量误差a r 3 2 车速估计技术的研究 早期的a b s 产品中为节省成本和简化系统运算量，车速由轮速估算得出，因 而称为“参考车速”。前人在参考车速的确定方法上傲了很多研究工作，常用的 估取参考车速的方法有最大轮速法、斜率法和季节调整法p 6 l 。最大轮速法是在汽 车制动防抱死调节过程中，把所采集的4 个车轮轮速的最大值作为参考车速。优 点是无须路面识别，缺点是所确定的参考车速由于受到轮速调节的影响，与实际 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 车速偏差较大，导致滑移率计算误差较大。这种方式不能确定最大轮速的车轮的 运动状态，不适用于高选和低选控制方式及弯道的制动控制。前人对斜率法做过 很多研究工作。斜率法通过对大量试验数据的分析处理，确定车辆在各种制动工 况下所能达到的平均减速度。以此为依据，在a b s 控制过程中，采集制动初始速 度，进行路面状况和制动工况识别后，确定车辆减速度a ，根据公式y 0 = v 0 一a t 实时计算速度值作为参考车速。该方法的优点是若参数虼和a 确定准确，参考车 速可较好逼近实际车速。缺点是自适应性较差，若初速度采集误差较大或斜率值 选取不当，参考车速计算误差很大。在对接路面上，不能应用这种方法。 测量车速的主要方法有五轮仪、非接触式五轮仪、机械式加速度传感器、摄 影技术等测量。这些方法要么将仪器安装在汽车上，很不方便，要么成本过高， 都不适用于控制系统。随着电子集成芯片技术的发展，出现了单芯片传感器， a n a l o gd e v i c e 公司生产的a d x l 系列加速度传感器就是这类芯片传感器，它将传 感器封装在体积很小的芯片中，直接可以用于测试控制系统的产品中。系统简单 实用。 3 2 1 加速度传感器简介 a d x l 2 0 2 是基于单块集成电路的完善的双轴加速度测量系统。它是一个以多 晶硅为表面的微机电传感器和信号控制环路来执行操作的开环加速测量结构，对 每根轴而言，输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比可调的数字信号，这些数字 信号直接与微处理器接口。a d x l 2 0 2 可测量正负加速度，其最大测量范围为2 9 。 传感器采用在硅片上经表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑它， 并提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物 体上的中央极板组成的可变电容来测量的，固定极板通过方波的每7 个相位控制。 加速度计受到加速度力后改变了可变电容的平衡，使输出方波的振幅与加速度成