汽车理论三级项目论文-汽车牵引力控制原理

三 级 项 目 项目题目 汽车牵引力控制原理 作者姓名 吉人他手 学科专业 车辆工程 指导教师 吉人他手 2017 年 6 月 汽车理论三级项目报告 汽车牵引力控制原理 学 院 车辆与能源学院 专 业 车辆工程 1 班 姓 名 吉人他手 指导老师 吉人他手 完成日期 2017 年 7 月 0 摘要摘要 牵引力控制系统 Traction Control System 简称 TCS 也称为 ASR 或 TRC 它的作用是使汽车在各种行驶状况下都能获得最佳的牵引力 牵引力控制系统的 控制装置是一台计算机 利用计算机检测 4 个车轮的速度和方向盘转向角 当汽 车加速时 如果检测到驱动轮和非驱动轮转速差过大 计算机立即判断驱动力过 大 发出指令信号减少发动机的供油量 降低驱动力 从而减小驱动轮的滑转率 计算机通过方向盘转角传感器掌握司机的转向意图 然后利用左右车轮速度传感 器检测左右车轮速度差 从而判断汽车转向程度是否和司机的转向意图一样 关键词关键词 牵引力 制动 电子节气门 i 目录 摘要 0 一 课题研究背景及意义 1 二 汽车牵引力控制原理 2 三 汽车牵引力控制方案 3 1 方案一 调节发动机的输出转矩控制驱动力矩 3 1 1 电子节气门结构组成 3 1 2 电子节气门系统的工作原理 4 1 3 模拟仿真 4 1 4 各种路面 PID 控制汽车纵向车速对比 7 2 方案二 调节制动力矩控制驱动力矩 9 2 1 传感器介绍 9 2 2 汽车主动安全装置 11 2 3 主要电路 13 2 4 相关参数 16 2 5 不足之处 17 四 项目收获 17 五 参考文献 18 小组自评分表 错误错误 未定义书签 未定义书签 1 一 课题研究背景及意义一 课题研究背景及意义 随着社会的进步和生活水平的提高 人们对汽车的要求已经不仅仅限于代步工 具 而对其动力性 操纵稳定性 舒适性 行驶安全性等性能的要求不断提高 并且 随着汽车电子技术的飞速发展 汽车电子化程度已经被看作是衡量现代汽车水平的 重要标志 是用来开发新车型 改进汽车性能的最重要的技术措施 汽车安全系统是 当今汽车研究领域的一个重要组成部分 而主动安全技术更是安全系统中的关键技 术 因此 深入研究主动安全技术 提高汽车在复杂路面上加速及转弯时的操纵稳定 性及平顺性 成为我国汽车行业一个重要的研究方向 牵引力控制系统 Traction Control System 简称 TCS 也称为驱动防滑转控 制技术 Acceleration Slip Regulation 简称 ASR 是上世纪 80 年代中期发展的一种 实用性汽车主动安全技术 作为制动防抱死系统 Anti lock Brake System 简称 ABS 技术的延伸和扩展 TCS 能够根据驾驶员意图 汽车运动状态以及路面状况 及时有效的进行主动控制 当汽车在起步和加速过程中 遇到附着系数较低的路面 时 容易出现驱动轮打滑的现象 导致汽车驱动能力下降 失去侧向力并发生侧滑 后驱动轮侧滑 车辆容易甩尾 前驱动轮侧滑 车辆容易方向失控 TCS 通过控制发 动机扭矩和对驱动轮施加主动制动的方式 保持驱动轮处于最优滑转率附近 充分利 用路面纵向附着和横向附着 使得汽车在任何路面上都具有较高的驱动力和横向力 从而提高了汽车的动力性 操纵稳定性和行驶安全性 减少了过度滑转造成的轮胎磨 损和事故风险 当汽车在低附着路面上加速转弯时 驱动轮过度滑转会使得车辆向一侧偏移 此 时 TCS 通过控制车轮滑转 保证车辆具有较高的侧向力 使车辆沿着正确的路径转 向行驶 总之 TCS 确保车辆在均一附着 对开附着路面上进行原地起步 急加速 坡道起步 加速转向时维持较大驱动性能并具有较高的横向稳定性 2 二 汽车牵引力控制二 汽车牵引力控制原理原理 牵引力控制系统 Traction Control System 简称 TCS 也称为 ASR 或 TRC 它 的作用是使汽车在各种行驶状况下都能获得最佳的牵引力 牵引力控制系统的控制 装置是一台计算机 利用计算机检测 4 个车轮的速度和方向盘转向角 当汽车加速 时 如果检测到驱动轮和非驱动轮转速差过大 计算机立即判断驱动力过大 发出指 令信号减少发动机的供油量 降低驱动力 从而减小驱动轮的滑转率 计算机通过方 向盘转角传感器掌握司机的转向意图 然后利用左右车轮速度传感器检测左右车轮 速度差 从而判断汽车转向程度是否和司机的转向意图一样 如果检测出汽车转向不 足 或过度转向 计算机立即判断驱动轮的驱动力过大 发出指令降低驱动力 以便 实现司机的转向意图 牵引力控制系统能防止车辆的雪地等湿滑路面上行驶时驱动轮的空转 使车辆 能平稳地起步 加速 尤其在雪地或泥泞的路面 牵引力控制系统均能保证流畅的加 速性能 防止车辆因驱动轮打滑而发生横移或甩尾 3 三 三 汽车牵引力控制方案汽车牵引力控制方案 1 方案一方案一 调节发动机的输出转矩控制驱动力矩调节发动机的输出转矩控制驱动力矩 调节发动机的输出转矩控制驱动力矩发动机输出力矩调节是最早应用的驱动防 滑控制方式 在附着系数较小的冰雪路面上或在高速下 驱动轮发生过度滑转时 该 控制方式十分有效 发动机输出力矩调节主要有三种方式 点火参数调节 燃油供给 调节和节气门开度调节 点火参数调节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 点火参数调节是比较迅速的一种驱动防滑控制方式 反应时间为 30 100ms 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 调节装置自动减小供油量 甚至中断供油 以减小发动机输出力矩 燃油供给调节是 现代电控内燃机中比较容易实现的一种驱动防滑控制方式 需要指出的是点火参数 调节和燃油供给调节都将引起发动机工作不正常 节气门开度调节是指改变节气门的闭合程度 它有两种调节方式 一种是机械式调 节 另一种是电子式调节 机械式调节是串联一个副节气门 由传动机构 如步进电 机 控制其开度 例如 LS400 汽车既采用该种控制方式 电子式调节是在微信号处 理器 ECU 控制下由电动机来操纵副节气门开度的 节气门开度调节工作比较平稳 但它响应较慢 需要和其它方式配合使用 1 1 电子节气门结构组成电子节气门结构组成 电子节气门是牵引力控制系统的执行机构之一 它的工作特性会对发动机输出 力矩产生影响 进而影响汽车的整车动力性 因此在设计牵引力控制系统的控制逻辑 时 必须针对具体的执行机构 考虑电子节气门的组成结构和功能特性 我们这里所 用的电子节气门系统主要由加速踏板 驱动电机 减速齿轮组 节气门 节气门位置 4 传感器 复位弹簧 电控单元及数据总线等部分组成 其结构示意图如下图所示 1 2 电子节气门系统的工作原理电子节气门系统的工作原理 当驾驶员踩下加速踏板时 加速踏板位置传感器将加速踏板位移量信号转换为 电压信号传给 ECU ECU 通过对当前所处工况进行分析和逻辑处理后发出控制信号 控制节气门驱动电机 使电机按照 ECU 给定的角度驱动节气门运转并达到所需的开 度 同时节气门体上的节气门位置传感器将测得的当前节气门位置信反馈给 ECU 通过反馈控制实现对节气门的最佳闭环控制 1 3 模拟模拟仿真仿真 图一给出了低附着路面直线加速时 无 TCS 控制 发动机节气门控制 发动机 节气门和轴间转矩分配联合控制的仿真结果 由图一可知 无 TCS 控制时 驱动轮 驱动力下降 前 后轮转速差较大 驱动轮轮速均值超过目标车速而发生过度滑转 与无 TCS 控制相比 采用发动机节气门控制后 可较好地抑制驱动轮的过度滑转 5 将驱动轮轮速均值控制在目标车速附近 前 后轮驱动力分别提高了 10 1 和 16 5 车速提高了 5 6 与无 TCS 控制相比 采用发动机节气门控制和轴间转 图一 低附着路面仿真结果 矩分配控制的联合控制后 消除了前 后驱动轮转速差 前 后轮驱动力得到合理分 配 驱动力分别提高了 16 8 和 20 4 车速提高了 7 2 汽车动力性得到明显改 善 图二给出了对接路面直线加速时 无 TCS 控制 发动机节气门控制 发动机节 6 气门和轴间转矩分配联合控制的仿真结果 由图二可知 无 TCS 控制时 驱动轮从 高附着系数路面进入低附着路面过程中 驱动轮发生过度滑转 前后轮转速差迅速增 大 后轮驱动力未得到充分利用 汽车行驶 30m 所需时间为 4 3743s 与无 图二 对接路面仿真结果 TCS 控制相比 采用发动机节气门控制能有效消除驱动轮过度滑转 汽车行驶 30m 所需时间为 4 3053s 缩短了 1 6 与无 TCS 控制相比 采用发动机节气门 和轴间转矩分配联合控制后 明显抑制了驱动轮的过度滑转 减少了前后轮转速差 7 合理分配了前后轮驱动力 使处于高附着路面的后轮驱动力得到充分利用 同时 汽 车在 TCS 作用下能快速地适应路面变化 汽车行驶 30m 所需时间为 4 2702s 缩 短了 2 44 汽车动力性得到了改善 1 4 各种路面各种路面 PID 控制汽车纵向车速对比控制汽车纵向车速对比 图三为低附着路面无 PID 控制 节气门开度 PID 控制 轴间扭矩分配 PID 控制 的汽车纵向车速对比 节气门开度控制可以明显提高车辆加速性能 在控制策略上作 为主要控制方法 无 PID 控制 轴间扭矩分配 PID 控制的 2 条车速曲线几乎重合 车辆在低附着路面直线加速 由于附着系数很小 路面驱动力的大小主要取决于路面 可以提供轮胎的附着力 通过轴间扭矩分配控制系统调节分配到前 后轴发动机转矩 是徒劳的 无法改善车辆加速性能 在控制策略上标记为关闭 图四为高 低附着对接路面无 PID 控制 节气门开度 PID 控制 轴间扭矩分配 PID 控制的汽车纵向车速对比 节气门开度 PID 控制对于车速的提高幅度并不明显 其 主要针对车辆在低附着路面 而车辆在低附着路面加速时间较短 故可将其标记为辅 助性调节 轴间扭矩分配控制主要工作在高 低附着过渡区域 因此在控制策略上属 于主要控制方法 8 图五为分离路面无 PID 控制 节气门开度 PID 控制 驱动轮制动 PID 控制 轴 间扭矩分配 PID 控制的汽车纵向车速对比 无 PID 控制 节气门开度 PID 控制的 2 条车速曲线基本重合 但在分离路面 节气门开度调节通常作为辅助控制手段 以减 小低附着侧路面的车轮滑转程度 提高整车的侧向稳定性 驱动轮制动 PID 控制中 车辆加速性能小幅度提升 为减小低附着侧路面的车轮滑转程度和保证高附着侧路 面的车轮具有一定转速 所以驱动轮制动调节是主要的控制方法之一 轴间扭矩分配 9 PID 控制主要作用于路面附着系数变化较大的阶段 车辆加速性能明显提升 也是分 离路面牵引力控制的主要方法之一 2 2 方案二方案二 调节制动力矩控制驱动力矩调节制动力矩控制驱动力矩 2 1 传感器介绍传感器介绍 轮速传感器是用来测量汽车车轮转速的传感器 对于现代汽车而言 轮速信息是 必不可少的 汽车动态控制系统 VDC 汽车电子稳定程序 ESP 防抱死制动系统 ABS 自动变速器的控制系统等都需要轮速信息 所以轮速传感器是现代汽车中 最为关键的传感器之一 磁电式轮速传感器是利用电磁感应原理设计的 其主要部件如下图所示 图 1 磁电式轮速传感器 它具有结构简单 成本低 不怕泥污等特点 在现代轿车的 ABS 防抱死制动系 统中得到广泛应用 但是磁电式轮速传感器也有一些缺点 1 频率响应不高 当车速过高时 传感器的频率响应跟不上 容易产生误信 号 2 抗电磁波干扰能力差 尤其是输出信号振幅值较小时 10 磁电式轮速传感器一般由磁感应传感头和齿圈组成 传感头由永磁铁 极轴 感 应线圈等组成 齿圈是一个运动部件 一般安装在轮毂上或轮轴上与车轮一起旋转 轮速传感头是一个静止部件 传感头磁极与齿圈的端面有一定间隙 如下图示 图 2 磁电式轮速传感器安装图 汽车车轮转速传感器通常安装在车轮处 但在有些车型上则设置在主减速器或 变速器中 极轴根据形状的不同分为凿式 柱式 菱形三种类型 如下图所示 不同形状的 传感头相对于齿圈的安装方式也不同 菱形极轴车速传感器头一般径向垂直于齿圈 安装 凿式极轴车速传感器头轴向相切于齿圈安装 柱式极轴车速传感器头轴向垂直 于齿圈安装 安装时应牢固 为避免水 灰尘对传感器工作的影响 在安装前须将传 感器加注润滑脂 轮速传感器霍尔式轮速传感器 霍尔式轮速传感器利用霍尔效应原理制成 如下图所示 霍尔式轮速传感器在汽 车上也获得了较多应用 图 3 霍尔式轮速传感器 霍尔式轮速传感器具有如下特点 1 输出信号电压振幅值不受转速的影响 11 2 频率响应高 3 抗电磁波干扰能力强 制动防抱死系统简称 ABS 作用就是在汽车制动时 自动控制制动器制动力的大 小 使车轮不被抱死 处于边滚边滑 滑移率在 20 左右 的状态 以保证车轮与地 面的附着力在最大值 2 22 2 汽车主动安全装置汽车主动安全装置 ASR 各种名称的英文缩写 比如驱动 轮 防滑系统 全称 Acceleration Slip Regulation 它属于汽车主动安全装置 又称牵引力控制系统防止车辆尤其是大马力 车在起步 在加速时驱动轮打滑现象 以维持车辆行驶方向的稳定性 12 ASR 全称 Acceleration Slip Regulation 驱动 轮 防滑系统 它属于汽车主动安全装置 又称牵引力控制系统防止车辆尤其是大马力车在起 步 在加速时驱动轮打滑现象 以维持车辆行驶方向的稳定性 另 自动服务器恢复 可监视服务器性能 并在发生关键故障后使服务器恢复到 正常运行状态 ASR 的作用 它的主要目的是防止汽车驱动轮在加速时出现打滑 特别是下雨下 雪冰雹路冻等摩擦力较小的特殊路面上 当汽车加速时将滑动率控制在一定的范围 内 从而防止驱动轮快速滑动 它的功能一是提高牵引力 二是保持汽车的行驶稳定 行驶在易滑的路面上 没有 ASR 的汽车加速时驱动轮容易打滑 如是后驱动的车辆 容易甩尾 如是前驱动的车辆容易方向失控 有 ASR 时 汽车在加速时就不会有或 能够减轻这种现象 在转弯时 如果发生驱动轮打滑会导致整个车辆向一侧偏移 当 有 ASR 时就会使车辆沿着正确的路线转向 最重要的是车辆转弯时 一旦驱动轮打滑 就会全车一侧偏移 这在山路上极度危险的 有 ASR 的车辆一般不会发生这种现象 ECU Electronic Control Unit 电子控制单元 又称 行车电脑 车载电脑 13 等 从用途上讲则是汽车专用微机控制器 驱动力控制器我们组选择自励式电涡流缓速器 自励式缓速器是一种无需外 接电源 具有自发电功能的车辆辅助制动装置 其结构包括发电装置和涡电流缓速 装置两部分 车辆减速或制动时 发电装置把汽车行驶的惯性能量转化为电能 并 用自发电能给涡电流缓速装置供电达到缓速制动目的 由于发电装置输出的正弦交 流电压随车速而变化 因此 自励式缓速器的制动力矩控制方法有别于以蓄电池恒 定直流电压为电源的普通电涡流缓速器 国外生产自励式缓速器的厂家主要是日本泽藤电机株式会社 国内尚无厂家 生产而且对自励式缓速器的研究也很少 国外生产的自励式缓速器驱动控制器大多采 用继电器作为控制元件 继电器频繁吸合 触点寿命较低等因素造成了这种驱动控 制器的易损性 在制动力矩控制上 采用了 高 低 和 停 3 个档位 选用 高档时 所有涡电流缓速装置线圈都参入工作 选用低档时 一部分涡电流缓速装 置线圈参入工作 而另一部分不工作 这种控制方法简单易行 但导致了制动力矩 呈现较大的阶跃变化 无法连续均匀地调节制动力矩 影响了车辆的制动平稳性和 乘坐舒适性 同时 涡电流缓速装置线圈老化不均匀 在一定程度上缩短了缓速器 的使用寿命 针对国外产品的缺陷 作者拟研制开发无触点自励式缓速器驱动控制 器并提出相应制动力矩控制方法 以避免继电器触点频繁吸合造成的拉弧现象 实 现制动力矩的连续调节 使制动更加柔和 平稳 并延长自励式缓速器的使用寿命 2 3 主要电路主要电路 1 涡电流缓速装置线圈驱动电路 涡电流缓速装置线圈驱动电路由单相桥式可控硅整流电路 可控硅保护电路 可 控硅驱动电路 线圈短路检测电路以及双向可控硅开关电路构成 4 5 其简化电路如 图 1 所示 其中 A B 连接发电装置的输出电压 E F 是来自微处理器的可控硅导电 角脉冲信号 D 是双向可控硅控制信号 14 图 1 励磁线圈驱动电路 微处理器根据手控档位信号 刹车踏板信号及电压检测电路输出电压判断缓速 器应该选择的档位 并输出控制信号到 D 使双向可控硅 U5 导通 当发电装置输出 正弦交流电压的正半周期时 微处理器从 E 为 SCR1 输入相应的导电角脉冲信号使 SCR1 导通 使 SCR2 处于截至状态 当发电装置输出正弦交流电压的负半周期时 微处理器从 F 为 SCR2 输入相应的导电角脉冲信号使 SCR2 导通 使 SCR1 截止 2 可控硅导电角触发电路 可控硅导电角触发电路有两路 这两路触发电路的输出信号互为反相 当发电 装置输出的正弦电压处于正 负 半周期时 可控硅导电角触发电路输出高电平 微处 理器利用其上升沿触发可控硅导电角中断子程序 根据档位 检测电压计算可控硅导 电角并输出导电角脉冲信号 电路如图 2 所示 正弦交流电中 vi 是发电装置输出的 正弦波交流电压 u1 u2 为可控硅导电角触发脉冲 1 2 为可控硅导电角脉冲 信号 1 wt1 2 wt2 iL 为流过涡电流缓速装置线圈的电流 图 2 可控硅导电角触发电路 15 图 3 时序图 3 电压检测电路 电压检测电路选用桥式整流电路和滤波电路 如图 4 所示 输出电压 VL 反映 了图 1 中 A B 两端的交流电压经过桥式整流后所包含的直流电压 缓速器工作时 VL 等于可控硅的管压降与涡电流缓速装置线圈端电压之和的平均值 图 4 电压检测电路驱动力控制部分的工作原理 产生滑移时 通过轮速传感器将行车信号传给 ECU ECU 控制执行机构对发动 机和驱动轮制动器发出指令 使二者执行各自部分的工作 制动驱动控制则是在接受 信号之后 对需要进行制动处理的车轮进行制动 减小驱动力 牵引力控制系统的控制装置是一台计算机 利用计算机检测 4 个车轮的速度和 转向盘转向角 当汽车加速时 如果检测到驱动轮和非驱动轮转速差过大 计算机立 16 即判断驱动力过大 降挡或制动车轮 降低驱动力 从而减小驱动轮轮胎的滑转率 2 4 相关参数相关参数 附着力 Ft Fz 附着系数 Fz垂直载荷 驱动力 F Tt r Tt作用于车轮上转矩 r车轮半径 驱动力大于附着力 即产生打滑现象 S为滑移率 为车轮角速度 v为车轮转速 实际使用中 驱动车轮出现打滑时 直接向该车轮施加制动力矩 使车轮转速降 低至最佳的滑动率范围内 由于制动力直接施加到打滑的车轮上 因此 响应时间是 最短的 17 与发动机转矩控制联合使用 当汽车两侧车轮的地面附着系数有较大差别时 可 通过对处于低附着系数路面上的驱动车轮施加一定的制动力矩 使处于高附着系数 路面上的驱动轮产生更大的驱动力矩 从而提高汽车的总驱动力 2 5 不足之处不足之处 需要对制动时间进行限制以免制动器过热 产生热衰退 不适合长时间使用 如果汽车处于两侧附着系数不同的路面上时 只对打滑驱动轮施加制动 可能导 致两侧驱动轮驱动力相差较大 从而产生一个横摆力矩 在车辆高速行驶时 这种情 况对车辆稳定性不利 因此这种方法适用于车速较低的工况 四四 项目收获项目收获 通过此次汽车理三级项目让我更深刻的认识到团队分工协作的重要性 我们齐心 协力完成了这次三级项目 三级项目离不开课本上的知识 我通过三级项目对课本 上的内容有了更为深刻的理解 18 五 参考文献五 参考文献 1 邹长庚 现代汽车电子控制系统构造原理与故障诊断 M 北京 北京理工大学出 版社 2000 2 李东江 张金龙 现代汽车用微机结构原理与检修 M 北京 北京理工大学出版 社 1999 3 庄继德 汽车电子控制系统工程 M 北京 机械工业出版社 1998 4 张金龙 赵芙生 基于虚拟仪器的电控发动机测试仪的研制 J 仪表技术与传感 器 2004 4 6 7 5 夏群生 刘训忠 ABS 数据采集与算法仿真软件开发 J 汽车电器 1999 3 1 3 6 朱占胜 彭美春 曹华林 等 汽车 ABS 控制器模拟测试系统硬件接口设计与实现 J 农业机械学报 2006 37 5 144 6 钱伟康 李峰 钱建秋 等 汽车电子节气门的控制策略研究 测控技术 2010 29 2 47 51 7 高金源 夏洁 计算机控制系统 北京 清华大学出版社 2007 156 161 8 林静 林振宇 等 LabVIEW 虚拟仪器程序设计从入门到精通 北京 人民邮电出 版社 2010 329 343 9 胡明慧 朱冬升 邵惠