（车辆工程专业论文）汽车底盘集成制动力控制系统研究与开发.pdf

摘要 随着社会的进步和工业技术的发展，人们对汽车提出了愈来愈严格的 要求，环境保护、节约能源、安全性、舒适性和智能性成为了汽车工业所 追求的目标。电子装置在汽车上的应用，使汽车的各项使用性能可以突破 传统机械装置的限制而趋近到最佳状念。汽车底盘电子控制装置，以改善 车辆系统动力学特性为主要途径，极大地提高了汽车的使用性能。汽车底 盘电子控制装置中有一类控制器以车辆制动力为控制手段，优化着车辆的 加速、制动及操纵性能，以保证车辆的行驶稳定性和安全性。本文以a b s 、 a s r 和e s p 等制动力控制装置为主要研究目标，设计相应的控制逻辑，并依 据电控装置的集成化和模块化思想，构建车辆底盘集成制动力控制系统。 在查阅大量国内外有关文献的基础上，本文综述了已经开发出来的汽 车底盘各控制系统的原理与特点，归纳了汽车电子控制产品的发展趋势， 并介绍汽车电子控制装置的丌发方法。最后提出了本文的主要研究思路和 研究内容。 车辆系统动力学模型的建立是整个研究工作的基础。为满足底盘集成 制动力控制系统研究的需要，本文建立了比较完整的车辆系统动力学模型， 包括整车的纵向、横向动力模型，液压制动系统模型、轮胎模型和驾驶员 模型等部分。为了便于进行数字仿真，本文建立相应的图形化车辆系统动 力学仿真模型。通过仿真结果的比较，表明所建立的模型具有一定的精度， 可以满足本文研究工作的需要。 a b s 、a s r 和e s p 控制逻辑的设计是本文主要研究解决的内容。在介绍 其基本原理的基础上，本文分析了各控制系统经典控制逻辑的优缺点。为 了发挥优点而克服其缺点，本文采用新的思路，设计了a b s 和a s r 的逻辑 门限状态控制算法和简化的e s p 控制算法。然后，根据集成化模块化理论， 为了使三大控制功能协调工作，本文设计了集成控制逻辑，即按定的规 则对其输出的p w m 控制信号进行逻辑运算，形成最后的控制指令。稳定性 是控制逻辑设计所必须解决的问题，本文使用相空 日j 轨迹和庞加莱映射证 明了a b s 逻辑门限状态控制算法的稳定性。为了找到合适的p w m 波形的占 空比，本文还利用有限元法对高速开关电磁阀的响应特性作了分析。大量 的仿真试验表明，本文所建立的控制系统逻辑算法j 下确，非常好地实现了 所规划的控制功能。 硬件在环仿真越来越多地被汽车电子产品丌发者所采用。本文以 s i m u l i n k x p c 目标环境为工具，建立了汽车底盘集成制动力控制器的硬件 在环仿真开发平台，定义了相关的硬件系统及其信号连接，并对开发平台 的实时仿真性能进行了分析。 底盘集成制动力控制系统e c u 设计是本文的最终目的。首先，本文以 m o t o r o l a 微控制器v i c 9 s 12 d p 2 5 6 b 为c p l 进行了相关的外围电路设计，并制 作了印刷电路扳，根掘控制器的输入输出信号定义了相应的硬件接口引脚 脚。然后，使用单片机c 语言，编制了完整的控制程序。通过把e c u 嵌入 到硬件在环仿真设计平台，并运行控制程序和车辆系统动力学实时仿真模 型，对各控制功能进行了仿真研究，结果表明，所开发的e c u 工作可靠， 性能稳定，效果理想。 模糊控制是在模仿专家经验的基础上利用模糊数学的基本原理建立起 来的一种智能控制方法，因为其鲁棒性和对非线性系统的适应性，模糊控 制非常适合应用在车辆a d s 系统。基于滑移率或者车轮加减速度的a b s 模 糊控制器，较多的文献已有论述。本文从实际工程应用的角度出发，详细 地建立了基于车轮加减速度的a b s 模糊控制方法，通过使用三维输入，较 好的克服了以往基于车轮加减速度模糊控制中轮速波动较大的缺点，获得 了较好的控制效果。 关键字：底盘集成控制制动力控制逻辑门限状态控制硬件在环仿真 模糊控制 a bs t r a c t w i t ht h er a p i ds o c i e t yi m p r o v e m e n ta n dt h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ， p e o p l ea r et h r o w i n gm o r ea n dm o r es t r i c tr e q u i r e m e n to na u t o m o t i v e t h e m o d e r na u t o m o t i v ei n d u s t r yi sa i m i n ga tp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，s a v i n ge n e r g y s o u r c e ，r i d i n gc o r n f o r t ，a n da u t o si n t e l l i g e n c e t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i c d e v i c e sm a k e si tp o s s i b l et h a tt h eu s eo fc a ro v e r c o m e st h em e c h a n i c a id e v i c e s l i m i t sa n dr e a c h e si t so p t i m u mp e r f o f i n a n c e t h ev e h i c l ec h a s s i se l e c t r o n i c c o n t r o ld e v i c e s w h i c hw o r kb ym e a n so fi m p r o v i n gv e h i c l es y s t e m sd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c s ，c a np u l lt h ev e h i c l et oi t ss u m m i to fd r i v ec a p a b i l i t y a m o n gt h e v e h i c l ec h a s s i se l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ，t h e r ei sak i n do fd e v i c ew h i c h o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c e so fa c c e l e r a t i o n ，b r a k e ，a n ds t e e r i n gb yr e g u l a t i n gt h e b r a k er e t a r d i n gf o r c e s t h em a i nr e s e a r c ho b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o nw a st o s t u d yt h ep r i n c i p l e so fa b s ，a s ra n de s p , t h e i rc o n t r o ll o g i c sw e r ed e s i g n e d ， a n d a c c o r d i n g l y ac o n t r o ld e v i c ec a l l e dv e h i c l ec h a s s i s i n t e g r a t e d b r a k e f o r c e c o n t r 0 1 s y s t e mw a sc o n s t r u c t e d a f t e rs y n t h e s i z i n gal o to fr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e ：r e n c em a t e r i a l sf r o m i n l a n da n do v q r s e ac o u n t r i e s i tw a ss u m m a r i z e dt h a tt h ep r i n c i p l e sa n d c h a r a c t e r so ft h ea l lk i n d so fc h a s s i sc o n t r o l l e r sw h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e d ，t h e d e v e l o p m e n tt r e n d so fa u t oe l e c t r o n i cp r o d u c tw e r es u m m e du p ，a n dt h e nt h e d e v e l o p m e n tm e t h o d so ft h e s ed e v i c e sw e r ei n t r o d u c e d a tl a s t i tw a sp r o v i d e d t h a tt h er e s e a r c ht h o u g h t sa n dc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o n t h eb a s i so ft h ew h o l er e s e a r c hw o r kw a st oc r e a t et h ev e h i c l es y s t e m d y n a m i c sm o d e l i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fs t u d y i n gt h ec h a s s i s i n t e g r a t e dc o n t r o ls y s t e m ，av e h i c l es y s t e md y n a m i c sm o d e lw a sw h ol ec r e a t e d w h i c hc o n s i s to ft h es u b m o d e l so fl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ld y n a m i c so f c a r ， h y d r a u l i cb r a k es y s t e m ，n o n l i n e a rt i r e ，d r i v e r , e t c t h e n ，ag r a p h i c a ls i m u l a t i o n m o d e lw a sc r e a t e dw h i c hm a d ei tm o r ec o n v e n i e n tt of u l f i l ls i m u l a t i o n b y c o m p a r i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h a to ft e s t ，i tw a sp r o v e dt h a tt h e d y n a m i c sm o d e lc o u l dr e a c hac e r t a i na c c u r a c ya n dm e e tt h e r e s e a r c h r e q u i r e m e n t t h em a i ng o a lo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a st od e s i g nt h ec o n t r o ll o g i c so fa b s ， a s ra n de sp a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e s ，t h em e r i t sa n ds h o r t a g e s o ft h et y p i c a lc o n t r o ll o g i c sw e r ea n a l y z e d i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g e s a n dt o c a r r yt h em e r i t sf o r w a r d 。an e wd e s i g n e dt h o u g h t w a sp r o p o s e d ， t h r o u g hw h i c ht h en e wc o n t r o ll o g i c so fa b s ，a s ra n de s pw e r ed e v e l o p e d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fi n t e g r a t i o na n dm o d u l a r i z a t i o nai n t e g r a t i n g a l g o r i t h mw a sm a d eo u tw h i c hc o u l dm a k et h et h r e es u b - m o d u l e sw o r kt o g e t h e r b yr e g u l a t i n gt h ep w m i n s t r u c t i o ns i g n a l s t a b i l i t yi st h ek e yp r o b l e m sw h i c h m u s tr e s o l v e dw h e nd e s i g nc o n t r o la l g o r i t h m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e p h a s e l o c u sa n dt h ep i o n c a r e - m a p p i n gw e r eu s e dt op r o v et h es t a b i l i t yo ft h e n e w l yd e v e l o p e da b sc o n t r o la l g o r i t h m o nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt od e c i d e t h er e a s o n a b l ed u t y c y c l eo ft h eo u t p u t t e dp w mw a v e f o r m ，t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st e c h n i q u ew a si n t r o d u c e d t o a n a l y z e t h es o l e n o i d v a l v e s c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i t i o n a l d y n a m i c sr e s p o n d s ，w h i c hm a d e o u tt h e r e s p o n d i n gc u r v e su n d e rd i f f e r e n td u t y c y c l e s b ya n a l y z i n gt h eg r e a td e a lo f s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tw a ss h o w nt h a tt h en e w l yd e s i g n e dc o n t r o ia l g o r i t h m sa r e v e r yc o r r e c t ，t h es y s t e mw o r k sw e l le n o u g ht or e a l i z ea l lt h ep u r s u e dc o n t r o l f u n c t i o n s n o w a d a y s ，t h et e c h n i q u eo ft h eh a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o ni sa d o p t e di n d e v e l o p i n g e l e c t r o n i cd e v i c eu s e di na u t o m o b i l e i nt h i sp a p e r ，t h e s i m u l i n k x p ct a r g e te n v i r o n m e n tw a su s e dt oc o n s t r u c tt h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mb a s e do n t h i s p o p u l a rt e c h n i q u e o nt h i sp l a t f o r m ，t h e r e l a t i v e h a r d w a r es y s t e ma n dt h es i g n a ll i n k sw e r ed e f i n e d ，a n dt h e nt h er e a l t i m e p e r f o r m a n c eo fi tw a sf u l ls t u d i e d t h ef i n a lt a r g e to ft h i sd i s s e r t a t i o nw a st od e v e l o paa d v a n c e dd e v i c eo f v e h i c l ec h a s s i si n t e g r a t e d b r a k e f o f e e c o n t r 0 1 s y s t e m i nt h el a s tp a r to fi t a e c uw a s d e s i g n e d w h i c hu s e dm o t o r o l a sm i c r o c o n t r o l l e r m c 9 s12 d p 2 5 6 ba st h ec p u ，t h er e l a t i v ep e r i p h e r a lc i r c u i t sw e r ed e s i g n e d ，a n d p r i n t e dc i r c u i tb o a r dw a sf i g u r e do u t i na c c o r d a n c ew i t ht h ei os i g n a lp l a n e d i nc o n t r o l a l g o r i t h md e s i g n ，t h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a lp i n s o ft h e m i c r o c o n t r o l l e rw e r ed e f i n e d t h ef o l l o w i n gw o r kw a sp r o g r a m m i n gw i t hc l a n g u a g e 。 t h r o u g he m b e d d i n g t h ee c ui n t ot h e h a r d w a r e - i n - - l o o p s i m u l a t i o n d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n d r e a l t i m e r u n n i n g t h es i m u l a t i o n s y s t e m i n c l o s e - l o o pm e t h o d ，t h er e s u l t so fd i f f e r e n to p e r a t i n gs c e n a r i o sw e r eo b t a i n e d ， w h i c hs h o w e dt h a tt h ed e s i g n e de c uw o r k sv e r yw e l la n dh a sh i g hr e l i a b i l i t y a n ds t a b l ep e r f o r m a n c e f u z z yc o n t r o li sak i n do fi n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o dw h i c ho r i g i n a t e d f r o mt h ec o m b i n a t i o no ft h ee x p e r te x p e r i e n c ea n dt h ef u z z yl o g i c sp r i n c i p l e b e c a u s eo ft h er o b u s tp e r f o r m a n c ea n dt h ea d a p t a b i l i t yi nn o n l i n e a rs y s t e m f u z z yc o n t r o li sv e r yc o m p a t i b l et ov e h i c l ea b sc o n t r o l l e r t h ed e s i g nm e a n s b o t hi ns l i p r a t i ow a ya n di nw h e e lr o t a t i o n a la c c e l e r a t i o nw a yw e r ed i s c u s s e d i ns om a n yr e f e f e n c em a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，aa b sf u z z yc o n t r o l l e r b a s e do nw h e e lr o t a t i o n a la c c e l e r a t i o nw e r ee s t a b l i s h e dd e t a i l e d l y i tw e l l g o t t e no v e rt h es h o r t a g eo fb i gf l u c t u a t i o no fw h e e ir o t a t i o n a ls p e e dt h r o u g h t h r e e d i m e n s i o n a l i n p u t s a n dt h em o r ep r e f e r a b l ec o n t r o lr e s u l t sw e r ea t t a i n e d k e y w o r d s ： i n t e g r a t e d c h a s s i s l o g i c a l t h r e s h o l d a n d s t a t ec o n t r o l ， c o n t r o l ， b r a k ef o r c e c o n t r o l ， h a r d w a r e - - i n - l o o ps i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文! 遗奎庭盘篡盛剑动力控剑丕 统婴究墨五蕉”o 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发 表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：；确虼 刎年，口月g 曰 同济大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。但同发达国家相比，我国 的汽车工业还相对落后。成功地加入w t o ，为我国汽车工业带来了挑战，却 同时也创造了很好的发展机遇。我们必须面对挑战，紧紧抓住机遇，不断 创新，寻找实现汽车工业飞跃的突破口。以信息技术为基础的高新技术在 汽车上的应用，为汽车工业提供了广阔的创新空间。我国的研究者必须精 心构思，深入研究，以促进我国汽车工业高起点、高速度地跨跃式发展。 随着工业技术的发展，人类生活节奏的加快，活动空间的迅速拓广， 人们对用于实现移动的主要交通工具一汽车提出了愈来愈严格的要求，环 境保护、节约能源、安全性、舒适性和智能性成为了汽车工业所追求的目 标。而电子技术和信息技术正成为汽车工业发展的最活跃最具革命性的因 素。自上世纪5 0 年代以来，各类以微控制器为核心的计算机控制系统先后 在汽车上的应用，从根本上改善了汽车的综合性能。各国政府及各大汽车 公司正不断加大投入进行汽车电子控制系统的研究与开发。发动机控制、 定位与导航、无线通信、主动悬架、制动防抱、电子稳定程序等电子系统 已进入实用化阶段，而各种新型的电子装置正以更快的速度被推向市场。 电子控制装置在汽车上的应用范围及发展趋势可概括为两点：1 、电子 产品在汽车上的应用领域不断拓宽：2 、电子控制装置的装车成本与整车的 比例逐年增加。当今电子产品在汽车上的应用包括发动机控制、汽车底盘 控制、安全舒适性控制、信息传送与诊断系统和娱乐与通讯系统等五大领 域。电子产品的装车成本占整车的比例逐年呈增加趋势，见图1 - 1 。如果 图1 - 1 汽车电子产品的增加 f i 2 1 - 1i n c r e m e n to f t h ea u t oe l e c t r i c a lo r o d u c t s 把电子产品按动力传动装置、底盘与安全、显示与通讯及舒适性与方便性 同济大学博士学位论文 第一章绪论 等四个方面进行分类，在不同时期，各类电子产品的比例都在持续上升。 其中底盘与安全方面的电子产品在汽车上的应用较晚，但在近年以更快的 速度递增。由于电子产品的应用，还使汽车出现了许多新的结构和辅助装 置，如主动悬架中的液压系统、电液控制阀、驱动油缸及各类传感器装置 等，把与电子产品配套的其它辅助装置计入，则电控装置占整车的成本还 会更高些。 1 1 车辆底盘电子控制系统【1 _ 5 ，3 1 , 3 4 ，6 7 _ 6 9 】 汽车的主要性能，除了动力总成外，更是与底盘的传动系、制动系、 转向系、行驶系关系密切。 传动系将发动机转矩变成汽车行驶驱动力，并可以根据道路和载荷变 化进行传动比调整。速比的变换，一方面能够充分发挥车辆的动力性，另 一方面也可以获得较好的燃油经济性。另外，通过调节驱动力，使之不超 过轮胎路面附着附着极限而打滑，可以防止汽车驱动侧滑，保证起步或加 速时汽车行驶安全。转向系使汽车能按驾驶员操纵指定的方向行驶，并保 持车辆行驶的方向稳定性。通常情况下，驾驶员希望车辆操纵轻便、有路 感，并在保证安全的前提下，能够获得较小的转弯半径以增加车辆的机动 性。悬架及走行系则用来支撑车身和实现车辆在道路上的移动，并保证车 辆与道路有良好的适应性，减少道路对汽车的冲击，提高汽车行驶安全性 和舒适性。制动系用来降低车速和实现停车，它也是关系汽车安全的关键 总成，制动过程的调节既要求获得良好的减速性能，又要防止车轮制动抱 死而导致失去方向操纵能力，或因后轴侧滑甩尾以导致侧翻危险。 对车辆底盘的任何一个予系统，如今都发展有相应的电子控制系统， 以保证车辆的行驶安全和提高车辆运行性能。 汽车行驶速度和负载在很大的范围内变化，汽车发动机的转速和输出 转矩变化的范围难于满足汽车行驶的要求，所以汽车装备有变速器以扩大 发动机转速和转矩的变化范围以满足行车要求。为了变速器能达到最佳的 换挡时机，发展了电子控制的自动变速器，以在正常的前进行驶状态下， 自动选择合适的挡位。其工作过程主要是通过把车速传感器和节气门开度 传感器的信号输入电子控制装置e c u ，经计算处理后输出信号，通过电磁阀 来控制油压回路，最后通过换档机构实现挡位变换。自动变速器使挡位变 换更合理、更及时、更精确，提高了车辆换挡品质，最终改善了车辆的行 驶性能。 转向系统发展起来的电子控制系统有动力转向和电子控制四轮转向系 统。转向力矩过大，驾驶时容易疲劳，甚至影响转向操作的准确性，及时 性。通常希望汽车转向力矩不超过2 0 - - - , 3 0 n m ，转向盘总的转向角不超过5 圈。当车辆转向力矩过大时，就可以采用助力或动力转向，以减少驾驶员 劳动强度，如车重超过4 0 k n 时，采用动力转向才能较好保证安全。现代轿 车采用动力转向，不仅可以减少转向操纵力矩，而且通过对转向动力系统 的控制，还可以获得更高的操纵稳定性。同样，四轮转向可以使汽车在高 速行驶时有满意的机动性和操纵稳定性。一般情况下都希望汽车有一定的 同济大学博士学位论文 第一章绪论 不足转向特性，保证车辆转向行驶时的稳定。高速时，因前后轮侧偏特性 改变，可能出现过多转向现象，这时，当车速超过临界点就会产生危险的 转向失控，丧失操纵性而产生危险。通过四轮转向控制，使后轮产生一个 与前轮转向相同的转角，可以保持汽车的不足转向特性，以到达高速行驶 操纵稳定。另外，在低速行驶时，四轮转向控制使后轮产生一个与前轮方 向相反的转角，可以减小汽车转向半径，增加车辆行驶的机动性。 汽车行驶过程中，由于道路不平的原因，引起车身的振动，会影响乘 员的舒适性和运载货物完好性。汽车的平顺性是汽车的重要使用性能。汽 车悬挂系统特性对汽车的平顺性的影响最重要。相同的路面，不同的悬挂 系统引起车身的振动是不一样的。为了改善汽车的平顺行，发展了主动悬 挂系统。主动悬挂系统采用参数可调的刚度和阻尼元件，其电子控制单元 e c u 通过分析从传感器输入的信号，然后输出指令改变悬挂系统的刚度和阻 尼，即根据路面状况改变汽车悬架系统特性，达到改善车辆行驶平顺性的 目的。 防抱死制动系统a b s ( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 更是对车辆安全起 着至关重要的作用。并且随着电子控制系统功能的不断完善，在a b s 的基 础上已经发展了诸多的扩充控制模块。 a b s 提供了车辆在危险工况下的制动安全性，保证汽车在任何路面条件 下( 突出表现在积水及冰雪等低附着路面上) 根据车轮滑移率的变化来调 节制动压力，避免紧急制动时的车轮抱死，使每个车轮产生尽可能大的地 面制动力，以得到更高的制动效率，并主要能保证车辆在紧急制动时仍具 有转向操纵能力，保持车辆的方向稳定性，避免侧滑和甩尾。 驱动防滑系统a s r ( a n t i s k i d d i n gr e s t r a i n t ) 是a b s 功能扩展，该 模块一般也集成在a b s 的控制软件中并利用a b s 的现成硬件进行工作。而 且a s r 控制器通过c a n 总线与发动机电子控制系统建立通讯联系，并通过 此两种调节功能的组合进行工作，即一方面调节制动力，另一方面进行发 动机扭矩调节来改善牵引性能。当车辆在低附着系数路面上行驶时，若发 动机发出的扭矩超过地面附着所允许的最大传递力矩，则会导致驱动轮产 生滑转。a s r 控制器即对滑转车轮施加制动力，或者通过控制发动机节气门 以减少其输出扭矩来消除车轮滑转现象，改善车辆牵引特性，同时也保证 了车辆在弯道行驶和交变路面行驶时的稳定性，明显提高了车辆的主动安 全性。 电子差速锁e d s 也是以a b s 为基础扩展而来，当车辆在单边滑溜路面 或坡道上起步加速时，地面附着系数较低侧的驱动轮容易打滑，e d s 控制 单元通过对两个驱动轮的转速并进行动态比较，如果轮速有差异，即其中 一边车轮产生滑转时，便自动对该车轮旄加制动力，直到其轮速与未产生 滑转的车轮接近为止。e d s 通过对产生滑转的驱动轮旌加制动力来提高另一 侧车轮的驱动力矩，这尤其能改善单边滑溜路面上车辆起步加速时的牵引 性能。 电子稳定性控制程序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 ) 在多种工 况下能明显改善车辆的行驶稳定性，这一系统的引入无疑会使交通事故发 同济大学博士学位论文 第一章绪论 生率大大降低。传统制动系统完全依赖于司机的操作，a b s 、e d s 和a s r 只 能改善轮胎和路面间的附着系数利用率，而e s p 除此之外还能识别并控制 车辆的横摆力矩，改善车辆的横向动力学性能，使车辆按预定轨迹稳定行 驶。现今车辆上使用的产品中，e s p 除了利用a b s 现有的传感器外，还增加 了方向盘转角传感器，制动压力传感器以及横摆角速度传感器和侧向加速 度传感器来感知司机给出的信号和车辆实际运动状态信号。e s p 对司机给出 的激励与车辆的响应不断比较，只要司机转动方向盘，e s p 即通过a b s 轮速 传感器以及方向盘转角传感器感知车轮转速和转向运动参数，如果实际行 驶轨迹与期望行驶轨迹发生偏差，则e s p 自动对某位置车轮施加制动，产 生一个抵消车辆不足和过渡转向的偏转力矩。如果通过车轮制动力仍不足 以抵消不稳定的趋势，则e s p 还另外关闭节气门来降低发动机的功率，通 过减小驱动力来进一步平衡车辆的不稳定趋势。因此，e s p 涵盖了a b s ，e d s 和a s r 的功能，能提高弯道或变道行驶等工况下的方向稳定性，并减小在 制动、加速及自由行驶等所有工况下甩尾的危险性。当然，e s p 也只能在车 辆和路面条件所限定的力学极限范围内发挥效果。 电子制动力分配系统e b d ( e l e c t r o n i cb r a k ed i s t r i b u t i o r l ) 是a b s 功能的可靠附加功能，它在车辆作常规制动时通过建立合理的制动压力来 避免后轮过渡制动。至今为止，通常在后桥安装制动比例阀来避免后轮过 渡制动。事实上出于安全原因后轮制动压力往往被调节得过低而导致制动 距离的延长。有了e b d ，这种机械液压式“制动力调节装置”可由集成在 a b s 控制器内的软件来实现的电子制动力分配功能所替代。e b d 通过滑移率 调节对后轮施加更大的制动力，在保证制动稳定性的前提下获得最短的制 动距离。e b d 的安全优势特别体现在弯道制动工况。传统的比例阀对后制动 压力限制得过早过大，而e b d 则通过a b s 对制动滑移率得合理调节允许后 轮产生更大得制动压力而又能避免后轮抱死。 a b s 的另一扩展功能是发动机阻力矩控制m s r ，该功能也集成在a b s 的 控制软件中，仅通过c a n 数据总线对发动机阻力矩进行控制。如果在低附 着系数路面条件下行驶时突然松开油门，或在发动机高转速下减挡，将产 生较大的发动机阻力矩，在不需要踩制动的情况下也会对车辆产生制动作 用，这种发动机制动作用会使驱动轮滑移率过高导致车辆不稳定，在积水 或冰雪路面上行驶时，这种情况也会经常发生。m s r 的作用是借助a b s 系统 对滑移率的识别，并借助c a n 总线自动降低发动机阻力矩，达到降低滑移 率的目的来保证车辆的行驶稳定性。 随着汽车技术和电子控制技术的发展，新式的汽车底盘电子控制系统 正在以飞快的速度不断被设计出来。 1 2 车辆电子控制系统的发展趋势2 ，3 1 首先，微型化、轻量化和模块化是车辆电控系统的主要发展趋势之。 目前汽车电子系统供应商正竞相努力，以使现有部件变小，变轻。例如防 抱死制动系统的电子控制装置的尺寸越来越小，制造还在日益缩小的外壳 内塞进更多的元件，以便增添更多的控制功能。 同挤大学博士学位论文第一章绪论 目前在国外正在采用一种新的微混技术，在陶瓷薄片上布嚣印刷电路， 将若干胸瓷薄片垂直地叠装起来，然后烧结成个剐度较大的薄片。利用 芯片和布线技术将集成电路安装到陶瓷片的前面，而电阻器则用加网印 刷技术装于陶瓷片的背面。博世公司利用这种多层的陶瓷技术，己向市场 推出了最小的a b s 控制装置a b s 5 3 s7 ，它比以往型号的产品重量减轻了 3 2 尺寸减小了一半。西门子电子公司业已开发出一种运用分层陶瓷技 术的发动机管理电子控制系统，这个装置投产以后将以模块化的形式直接 安装到发动机进气歧管上。 圈i - 2 模块化集成控制单元 f i g i 一2 m o d u l a r i z e da n d i n t e g r a t e d c o n t r o l 当前汽车电子控制系统的模块化趋势不可逆转。控制模块不仅可直接 安装在发动机上，也可装在变速器等其他总成上。例如，博世公司已经为 自动变速控制系统开发出一种采用微型混合电路技术、结构紧凑而功能强 大的电子控制单元该产品可以直接安装在变速器上。它集变速器控制和 发动机管理于一体，硬件和软件采用了模块化设计，可以匹配各种规格型 号的变速器。博世公司还将微混电路和用于变速器操纵执行器的液压模块 高度集成，成为如图i - 2 所示的电液模块。由于电液模块减少了连接器、 电气线路和安装载体的数量，所以有利于变速器制造商和整车厂进一步降 低变速控制系统的成本和重量。同时，由于零部件和接口数量的减少使 得系统简化、可靠性提高。 车辆电子控制系统发展的另一个趋势是集成化、智能化和网络化。 集成化系统的基本属性包括层次性、整体性和联系性。所以，汽车电 子系统的集成化趋势可以归纳为以下几个方面： - 由几个小系统集成为一个大系统。例如德尔福汽车系统公司把电子伺服 制动系统、转向系统、油门控制系统和电子伺服悬架系统等集合成一个 集成式电子伺服驾驶系统，通过导线、传感器、控制器和作动嚣控制制 动、转向、油门和悬架为将来的自动驾驶创造了条件。 同济大学博十学位论文 第一章绪论 一 由几个具有不同功能的系统集成为一个新的系统。例如，天合公司汽车 分部将a b s 和a s r 巧妙地组合在起，创造性地开发出车辆稳定性控制 系统v s c ( v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r 0 1 ) 这一革新产品，它用来防止由 于车辆转向能力限制而导致的不足转向，以及防止过度转向而引起车辆 侧倾。借助于减小发动机驱动力矩和将制动压力作用于一个和多个车 轮，在给定的条件安下，车辆的转向能力得到改善，并确保车辆稳定和 实现驾驶员想要行驶的路线。 一 由几个相互关联的子系统集成为一个完整的系统。例如博士公司集成了 电子锁合系统、中控闭锁系统、驻车系统和警报系统，从而构成一个完 整的车辆安全系统。在中央计算机控制下，各个子系统间可以实现信息 交流，从而进一步提高系统的安全性和可靠性，并为实现系统的小型化、 轻量化提供了技术基础。 汽车电子系统的智能化，使得电子系统可以部分地代替人的眼睛、手 和足，减少驾驶员的操作劳动。智能化实际上也就是电脑化，即让汽车电 子系统学会用“脑”思维，用“脑”判断。例如，瑞典a u t o liv 公司开发 的新型智能安全气囊系统，它通过超声波探测乘员的存在，并控制和调整 气囊的打开，以减轻对人的伤害。新的智能安全气囊系统可以识别前排座 椅上儿童安全座椅的朝向，以及乘员是否离仪表板距离较近。四个超声波 传感器放置在前排座椅的周围，与几个先进的重力传感器配合使用，可使 座椅产生一个三维的图象，传感器能够判断4 5 力中不同情况，包括前排座 椅上乘员的不同位置，据此控制安全气囊的打开时机和打丌过程，还能决 定它是否需要打开。一般来说，智能汽车电子系统都应该是集成的系统。 系统集成的设计方式把各种电子功能和性能集成到一个系统中，通过系统 工程和公共数据总线，使各子系统互相协调、互相连通、互相作用，从而 达到汽车电子系统的智能化目的。 从历史上看，汽车上一些电子控制系统，如发动机管理系统、汽车安 全系统等，它们的发展是增量式的，即在原有系统上不断地往上增添一些 新东西。这样就引出了一个问题，即刚开始设计时就要为接纳那些尚未开 发出来的技术留有余地。另外，电子系统的寿命较短，更新很快，因此为 了适应这种增量式的和不断变化的发展趋势，最好的办法是采用数据总线 技术和标准的即插式接口，以代替传统的线缆式硬件连接，也即将车辆电 子控制网络化，从而保证各控制系统之间的适配性和信息的共享。同时， 由于部分传感器元件和控制线路的共用，还可以实现控制系统的轻量化。 汽车电子系统的网络化实质就是把各种电子系统高度集成于一体，一 个完全集成了的车辆系统即为网络车辆。这种车辆最核心的东西将是一个 中央处理单元。这个处理单元能使汽车操作系统软件可靠地运行，并控制 车身、安全、通讯、娱乐等所有系统。 1 3 车辆电子控制系统的开发方法【4 ，6 1 一套完整、综合、精密的产品开发系统，已经成为现代化汽车企业的 核心组成部分。从客户出发，配以企业管理系统、产品开发系统、产品制 同济大学博士学位论文 第章绪论 造加工系统以及与零配件供应商的合作和产品售后服务，这样整套相互 衔接的网络才真正构成了一个现代化汽车企业集团的模式。高速度、低成 本、高效益地开发客户真f 满意的优质新车型，这就是个优秀产品开发 系统的目的之所在。 所以，汽车产品开发方法是一个需要不断创新的重大课题。 汽车电子产品在整车中所占的比重越来越大，电子控制系统的开发技 术成为现代汽车技术进步的关键影响因素，其开发方法越来越成为产品开 发者探索的重要领域。 汽车底盘动力学控制系统涉及到机械、电子、液压和e c u 软硬件开发 等诸多领域，是一个系统工程，需要参与设计的各个方面有效协调，密切 合作。另外，车辆和路面系统存在很多本质非线性和不确定因素，导致系 统复杂多变。再者，产品开发还必须考虑降低成本，节约费用，提高效率， 这样才能最终赢得市场。所以，最优的开发方法必须综合以上诸多因素， 在不断的实践中摸索规律。 目前，一种新颖的汽车电子控制系统开发理念f 在形成，并得到国际 汽车制造商的认可。这种新方法成为v 模式方法