汽车侧向稳定性控制器的设计论文

摘 要基于汽车主动制动侧向稳定系控制系统，使用的是汽车实际横摆角速度与驾驶员期望值的差值来判定汽车的稳态，同时引入了车辆质心侧偏角与经验值进行比较得到了另个一关于汽车转弯稳定的安全系数，希望由此改善和提高汽车在转弯过程中的操纵稳定性。侧向稳定性控制系统判定车身状态不稳定时，可能是转向不足或者是转向过多。当转向不足时系统将制动内侧后轮，转向严重不足时，同时制动多个车轮；当出现转向过多时，系统将制动外侧车轮，从而稳定车辆，保证驾驶员和乘客的安全。为了提高汽车侧向稳定性控制这个目标，在控制过程中使用了汽车轮速传感器、方向盘转角传感器、横摆角和 G 传感仪等信号源，控制部分包括制动增压电机、两个吸入电磁阀、两个隔离电磁阀、四个车轮的增压和减压电磁阀。通过相关算法，初步确定汽车稳定和各个信号之间的关系，并实现侧向稳定性的初步控制。关键词：侧向稳定性；横摆角；转向不足；转向过多；制动；电磁阀ABSTRACTActive braking lateral stability based on cars, use of control system is car actual yaw-rate expectations and drivers to determine the difference in value of car, and introduced the steady-state traffic PianJiao and experience value centroid side got another comparison about turning a stable security coefficient car, hope this improvement and improve automobile in turning process manipulation stability.Lateral stability control system determine body state unstable, may be understeering or move on to too much. When understeer medial rear brake system when will seriously insufficient, steering wheel, and braking when more than; When there is too much, the system will be steering wheels, and brake lateral stability vehicles, ensure the safety of drivers and passengers.In order to improve the car lateral stability control this goal, in process control the automobile wheel speed sensors will be uesd, steering wheel Angle sensor, yaw angles and G sensing devices such as signal source, the control part includes braking pressurization motor, two inhaled solenoid valve, two separate solenoid valve, four wheels of intensification and decompression solenoid valves. Through the related algorithm, preliminarily determined each signal car stability and the relationship between the lateral stability, and realize the preliminary control.Key words: Lateral stability; Yaw angles; Understeer; Steering overmuch; Braking; Electromagnetic valve目 录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 绪论 .11.1 侧向稳定性控制器的研究意义 .11.2 侧向稳定性控制器的优点 .11.3 国内、外的现状 .21.4 研究内容 .2第 2 章 侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法 .42.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成 .42.1.1 汽车侧向稳定性控制系统的工作原理 .42.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理 .62.1.3 质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系 .62.1.4 横摆角与汽车稳定性控制的联系 .72.2 横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略 .82.2.1 阀门值 和 Y+、 Y-的确定 .92.3 控制算法设定占空比 .112.4 本章小结 .11第 3 章 硬件系统的选择与设计 .123.1 控制器硬件系统概要 .123.2 传感器的选择与电路设计 .133.2.1 轮速传感器的选择与电路设计 .133.2.2 方向盘转角传感器的选择 .143.2.3 横摆角和 G 传感器总成的选择 .153.3 液压电磁阀回路系统 .153.3.1 液压控制单元结构 .153.3.2 液压电磁阀控制回路 .163.3.3 驱动电路的设计 .173.3.4 驱动电路图 .183.4 飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机 .183.4.1 飞思卡尔 S12 芯片 A/D 转化模块特点： .193.4.2 PWM 的主要特点 .193.5 本章小结 .20第 4 章 软件设计 .214.1 软件设计总体思路 .214.2 方向盘转角（前轮转角）信号的采集 .224.3 横摆角信号与侧向加速度信号的采集 .224.4 轮速信号采集 .234.5 PWM 寄存器设置 .244.6 判断稳定系控制程序的编写 .254.7 本章小 结 .28第 5 章 实验与分析 .295.1 程序的下载 .295.2 测试 A/D、PWM 和 I/O .325.3 侧向稳定性控制的实验 .325.4 实验分析和结论 .345.5 本章小结 .35结 论 .36参考文献 .37致 谢 .38第 1 章 绪论1.1 侧向稳定性控制器的研究意义在汽车数量急剧增长的今天，汽车安全性能越来中重要了，随着汽车使用率的增加，汽车交通事故率也随之直线上升。在很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控。例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。侧向稳定性控制器通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(简单理解为车身倾侧的程度)，当车辆出现失控趋势时，对特定的车轮给予额外的制运力，甚至通过调整车辆的牵引力，务求以最大的程度保持住车轮的附着力。在侧向稳定性控制器的默默工作下，车辆遇到险情时往往能够化险为夷。对于普通驾驶者而言，侧向稳定性控制器显得格外重要。当汽车进行蛇形线路测试的时候就可以有效避免汽车的翻转。侧向稳定性控制系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要侧向稳定性控制系统来拯救生命，减少、减轻意外交通事故的发生。1.2 侧向稳定性控制器的优点侧向稳定性控制系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度） 、车轮传感器（监测各个车轮的速度转动） 、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态） 、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令，侧向稳定性控制器能有效的增强了汽车的安全性能。(1)能控制启动防滑，有效加速启动，在加速阶段使汽车得到最大的驱动力。(2)制动防抱死，防止汽车出现因制动抱死而失去转向控制，有效减少制动距离。(3)横摆力矩的控制，有效避免超速时的转弯不足和过多转向，极大的减少了车辆因转向过多而侧翻以及因转向不足而冲出弯道引发的交通事故。1.3 国内、外的现状汽车侧向稳定性控制器的研究是从 ABS 开始的。ABS 在 20 世纪 80 年代开始得到广泛应用，目前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术。国内对 ABS 的研究始于80 年代初，国内研制 ABS 的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安 ABS 有限公司、陕西兴平 514 厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从 80 年代初就开始研究 ABS，是较早研究 ABS 的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收，如将德国瓦布科公司的 ABS 装于 EQl45 型汽车上进行各种试验。重庆公路研究所相继开发出了两代 ABS 产品，第一代 ABS 的 ECU 采用了280 芯片。第二代 ABS 产品为 FKXAC I 型，该装置的 ECU 中的 CPU 微处理器采用了美国 INTEL 公司的 MCS96 系列 8098 单片机，但距离满足实际应用仍有一定的差距。1998 年，重庆聚能汽车技术有限公司在国内首家推出适合中国国情的电子式 ABS 防抱装置，现已达到年产 50 万套的生产能力，是我国国内最大的 ABS 生产基地。电子稳定程序(ESP)是 90 年代初由德国奔驰公司开发的车辆稳定系统。从 1995年至今，伴随着理论研究的不断深入和电子技术的发展，汽车稳定性控制得到了很大的发展，并开始作为选装件安装在一些中高档轿车上。德国 BOSCH 公司一直是这方面技术的领先者，无论是 ABSASR 还是更先进的 ESP 系统，技术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应 ABSASRESP 系统。1995 年，博世成为首家把 ESP投入量产的公司，早在 1983 年，博世的工程师就通过优化的 ABS 控制系统来增强车辆在全力制动时的稳定性，博世在 1987 年注册了相关的专利，1991 年博世同戴姆勒-克莱斯勒公司开始联合开发该项目基地。1995 年 3 月电子稳定控制系统开始批量生产。同年，ESP 成功用于梅赛德斯-奔驰汽车的 S 级车型上。在接下来的数年里，博世不断优化 ESP 的设计使得 ESP 开始广泛占领了轿车市场。目前，全球有 6 家汽车零部件制造商生产 ESP，他们是德国的博世，日本电装，日本爱信精工，德国大陆 Teves,美国德尔福，美国 TRW。国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，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、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。1.4 研究内容本次研究的内容为汽车侧向稳定性控制器的设计，主要研究内容如下：（1）研究汽车侧向稳定性控制器的硬件结构和工作原理，了解各个传感器（横摆角速度传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、方向盘转角传感器） 、执行器（ABS 泵电磁阀）的功能、驱动方法（电压、电流、频率范围）等。（2）根据设计要求和硬件条件，设计合适的扩展电路，（3）针对汽车侧向稳定性控制器的设计要求，设计以单片机为核心的侧向稳定性控制系统，编写控制程序。（4）开发完成软件和硬件控制器,进行技术指标的针对性的试验。第 2 章 侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法2.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成信号输入 计算控制传感器控制输出执行器图 2.1 侧向稳定性控制器结构组成控制器主要包括三部分：信号输入、计算控制、响应输出三部分。信号输入包括：前轮或方向盘转角信号、横摆角速度信号、侧向角速度信号、4个车轮转速信号、主缸压力信号等。计算控制部分主要由飞思卡尔 S12xs128 单片机处理信号输入，做出分析，然后判断输出，达到控制的目的。输出响应部分包括：4 个增压阀（常开） 、4 个减压阀（常闭） 、2 个吸入阀（常闭） 、2 个隔离法（常开） 、2 个吸入泵、1 个电机。2.1.1 汽车侧向稳定性控制系统的工作原理汽车稳定性控制系统的 ECU 根据方向盘转角传感器和车速信号，通过计算来判断驾驶员的驾驶意图，计算出理想的车辆运行状态值。ECU 根据检测得到的实际车辆状态与理想车辆状态的误差，通过一定的控制逻辑计算出可以使车辆恢复稳定的汽车横摆力矩，然后通过控制液压调节器的电磁阀开关动作调节制动系统各制动轮缸的压力来实现所需要的汽车横摆力矩。改变后的车辆运行状态由传感器测量到 ECU，然后再进行下一循环的控制，从而使汽车保持稳定。这就是汽车稳定控制的一般工作原理。下面以在低附着路面上紧急换道时的情况为例进行详细说明。图 2.1 和图 2.2 分别为不施加稳定性控制和施加稳定性控制时车辆的运行情况。图 2.1 中，1 为汽车直线行驶，没有施加稳定性控制的车辆驾驶员向左打方向盘 2 进行换道操作，由于路面的摩擦系数不能提供足够的侧向力，于是在位置 3 时发生了过度转向。这时车辆急速沿逆时针方向旋转，为了弥补这种过度转向，驾驶员在位置 4 时向右急打方向盘作为补偿，由于补偿过度车辆又在位置 5 时发生了过度转向，使得车辆急速沿顺时针方向旋转。由于此时车辆的质心侧偏角很大，驾驶员通过方向盘对车辆的控制效果不明显，从而引起慌乱，于是车辆失去控制而甩出。图 2.1 不施加汽车稳定控制的车辆在低附着路面上紧急换道由图 2.2 中可以看出，施加稳定性控制的车辆驾驶员向左打方向盘 2 进行换道操作，同样在位置 3 时发生了过度转向，汽车稳定控制系统检测到车辆发生了不稳定状态，于是通过对液压调节器的调节使车辆产生抵消当前过度转向趋势的沿顺时针方向的横摆力矩，使车辆尽量按照驾驶员的操作来运行。在位置 4 时驾驶员向右打方向盘完成换道操作，在位置 5 时又发生了不稳定情况，汽车稳定控制系统通过施加逆时针方向的汽车横摆力矩纠正了不稳定趋势。因此，尽管路面附着系数比较低，但在汽车稳定控制系统的辅助下车辆还是比较好地依照驾驶员的意图完成了换道操作。可见，汽车稳定控制在保障汽车稳定方面具有很大的优势。一般认为，安装汽车稳定控制系统相对于没有安装在以下几种情况下具有明显效果：紧急移线或在低附着路面上移线；移线过程中突然制动；在幅值很大的方向盘转角下连续躲避障碍；转向时伴随着加速或制动。图 2.2 施加汽车稳定控制的车辆在低附着路面上紧急换道如上所述，当汽车行驶在路面摩擦系数较低或者紧急转向时是汽车最容易发生交通事故的工况，汽车稳定控制系统在这些比较极端的工况下具有明显的控制效果，因而可以大大提高汽车的主动安全性。2.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理如图 21 所示，车辆在制动时轮胎受到的受力分析。主要有地面对车轮产生的与车辆行进方向相反的摩擦力 ，地面对轮胎的法向反作用力 ，同时地面还对轮bFZF胎有侧向的侧滑摩擦力 。地面制动力 与地面对轮胎的法向反作用力 之间的比Sb z值称为纵向附着系数 。侧滑摩擦力和法向反作用力之间的比值为侧向附着系数 。b S图 2.3 制动时轮胎受力图由于法向作用力在车辆行驶的过程中保持不变，因此，车辆制动时的纵向制动力和侧向制动力与纵向附着系数 和侧向附着系数 成正比。 越大，纵向附着力越bSb大，刹车的距离越短， 大，侧向附着力越大，车辆在制动的过程中越容易控制方S向，保证车辆不会产生侧滑。2.1.3 质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系汽车在弯道时，由于本身就会产生横摆和质心侧偏而引起失去弯道的跟踪能力，从而跑出弯道失去控制稳定性，汽车在失去稳定的状态，受环境的影响很大，当达到极限附着力的时候，汽车的动力学性能将被改变。汽车的侧偏力是由于路面的侧向倾斜，侧向风或者汽车沿着曲线行驶时的离心力等作用，随之使侧偏角增加。路面情况不同，将会使车轮达到极限侧偏的时间也不同，汽车达到饱和的时候侧偏角的大小也不相同，高附着系数轮胎的侧向极限比低附着系数的轮胎的极限侧偏角要大。在本实验中，认定车轮的侧偏系数是不变的。因此汽车的质心侧偏只与车速相关。相关实验证明，汽车的不稳定状态出现的时候，汽车的质心侧偏角 增加很明显，所以将质心侧偏角 引入控制范围，相关数据表明，在低附着系数的路面，质心侧偏对车辆的稳定性状态有很大的影响。简单的说，车辆稳定运行时，地面的附着系数越低，车辆允许的质心侧偏角就越小。质心侧偏角的定义方法如下图 2.4 所示，OXY 为汽车车身坐标系，汽车的合速度与 X 轴的夹角就是质心侧偏角 。图 2.4 质心侧偏角示意图质心侧偏公式如下：xyarctn =（2.1）质心侧偏侧偏角速度公式：t=（2.2）是两个相邻控制周期质心侧偏角速度的差值， 是 ESP 控制的周期，在这里 t设置为 0.1 秒。如公式（2.3）t-=12（2.3）2.1.4 横摆角与汽车稳定性控制的联系与汽车稳定性紧密相关的另一个变量是横摆角速度，本设计主要就是基于横摆仪的信号来控制车辆的稳定性的，在此前，先引入二自由度汽车模型。为了方便控制，设计和分析中将忽略转向系统的影响，既方向盘的输入角度到前轮的转角，可以认为是等效的，同时特定的认为：汽车沿 x 轴的前进速度视为不变，汽车只有沿着 y 轴的侧向运动和绕着 z 轴的横摆运动。此外，汽车的侧向加速度限定在 0.4g 以下，忽略左右轮胎的因载荷不同变化而引起的轮胎特性变化以及轮胎的回正力矩。因此，可以说把汽车简化为摩托车的模型，整个系统概括为：一个由前后两个有侧向弹性轮的轮胎支撑地面，具有侧向及横摆运动的二自由度的汽车模型。如下图 2.5图 2.5 二自由度汽车模型通过二自由度汽车模型，引入理想横摆角速度:wNLY)k+(1=2ref（2.4） NY理想横摆角速度，单位(rad/s)ref参考车速,单位(m/s)； W前轮转角，单位(rad/s)；L轴距，单位 m，在这里取 2.55m；K系数取值范围 0.0030.004.其中方向盘转速与轮速之间的转换可认为是理想的，忽略方向转角与前轮转角的差值，横摆角速度直接表征的量就是汽车的转向不足与转向过多,如果定义汽车实际的横摆角速度为 Y,用实际横摆角速度 Y 与理想横摆角速度 的差值 公式如下：NYN-=（2.5）定义横摆角速度向左为正，向右为负。2.2 横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略在控制中，设置横摆角速度阀门值为 Y+ 和 Y- ,质心侧偏角速度 的阀门值设定为 +B 和 -B，控制策略如下表 2.1。表 2.1 控制策略参考变量 控制策略WY 右前 右后 左前 左后0+B+小增 小增 小增W -W+-B小增 - 小增 大增WY-B+小增 小增 小增 W -小增 大增 Y- 大增 小增WY-=255)Input_Num=0;轮速控制范围假设为 5m/s 到 30m/s，则轮速信号频率范围是 136Hz 到 820Hz,设定采样周期为 50ms,则在车速最低的时候，每个周期采集的轮速信号 6 个脉冲，有实际意义。将采集的轮速信号，相加取平均值作为车速信号。4.5 PWM 寄存器设置PWM 设置如下：void PWM_Init(void)PWME=0x00; /禁止PWMPRCLK=0x77; /时钟预分频 A=B=16M/128=125KPWMSCLA=125; /SA=A/2/125=500HZPWMSCLB=125; /SB=B/2/125=500HZPWMCTL=0x00; /控制寄存器设置PWMCLK=0xff; /时钟寄存器为 SBPWMPOL=0xff; /Duty=High Time 极性设置 1,高电平输出PWMCAE=0x00; / left-aligned 左对齐方式 PWMPER0=50; /Frequency=SB/50=10Hz 周期寄存器设置PWMPER1=50;PWMPER2=50;PWMPER3=50;PWMPER4=50;PWMPER5=50;PWMPER6=50; PWMPER7=50;4.6 判断稳定系控制程序的编写取读输入信号控制方法判断控制车轮控制输出延时控制返回图 4-3 控制流程图等待信号输入转换完成程序如下：while(!ATD0STAT2_CCF5);sum4=ATD0DR5L;while(!ATD0STAT2_CCF5);sum5=ATD0DR5L;while(!ATD0STAT2_CCF6);sum6=ATD0DR6L;while(!ATD0STAT2_CCF7);sum7=ATD0DR7L; ATD0STAT0_SCF=1;while(!ATD0STAT0_SCF); /转换 4，5，6，7 通道数据将数据换算赋值给相应的变量：cs=sum4/20.48;hx=sum7/20.48; / sum7横向加速度，m/s2 。加速度范围-25m/s2 到25m/s2hb=sum6/20.48; fx=sum5/17.07;其中： cs-车速； hx-横向加速度； hb-横摆角速度； fx-方向转角。将数据换算成最终比较值，程序代码如下：hbc=hb-cs/(1+cs*cs*0.003)*fx;zxcp0=cs*10/0hx-zxcp1*10;zxcp1=cs*10/hx;其中 hbc 是横摆角速度差值， zxcp0 是质心侧偏角速度， zxcp1 是质心侧偏角。下表是根据液压制动管路图 3.8 和控制策略表 2.1 得出下表。表 4.1 车轮制动时各电磁阀导通和截止状态制动轮 右吸入 左吸入 右隔离 左隔离 左前增 右前增 左后增 右后增 代码左后轮 导通 导通 截止 导通 截止 截止 导通 截止 ed右前轮 导通 导通 截止 导通 截止 导通 截止 截止 eb左前轮 导通 导通 导通 截止 导通 截止 截止 截止 d7右后轮 导通 导通 导通 截止 截止 截止 截止 导通 de右前后左后导通 导通 截止 截止 截止 导通 导通 导通 f8右前后 导通 导通 截止 截止 截止 导通 截止 导通 fa左前后 导通 导通 截止 截止 导通 截止 导通 截止 f5右前左前后导通 导通 截止 截止 导通 导通 导通 截止 f1右前后左前导通 导通 截止 截止 导通 导通 截止 导通 f2右后左前后导通 导通 截止 截止 导通 截止 导通 导通 f4四轮制动导通 导通 截止 截止 导通 导通 导通 导通 f0具体控制程序如下：if(fx30&zxcp112) /转向过多 PWME=0xf2; /(1111 0010) 参照制动表查看else if(hbc30&zxcp1-30&zxcp112) PWME=0xf7; /(1111 0111) else if(hbc-30&zxcp112) /转向不足PWME=0xf5; /(1111 0101)else if(hbc0) /向 zuo 转弯 if(hbc30&zxcp1=12) /转向过多PWME=0xf2; /(1111 0010) else if(hbc30&zxcp1-30&zxcp112) PWME=0xe7; /(1110 0111) else if(hbc-30&zxcp1=12) PWME=0xf5; /(1111 0101)else if(hbc右前轮制动-Y /* common defines and macros */#include /* derivative information */#pragma LINK_INFO DERIVATIVE mc9s12xs128unsigned int c_1=0,c_2=0,c_3=0,c_4=0;/声明计数变量 unsigned int counter_value4;void SetBusCLK_16M(void) CLKSEL=0X00;PLLCTL_PLLON=1;SYNR=0x00; REFDV=0x80; POSTDIV=0x00; _asm(nop); _asm(nop);while(!(CRGFLG_LOCK=1); /when pll is steady ,then use it;CLKSEL_PLLSEL=1; /engage PLL to system; void PWM_Init(void)PWME=0x00; /禁止PWMPRCLK=0x66; /时钟预分频 A=B=16M/64=250KHzPWMSCLA=125; /SA=A/2/125=1000HZPWMSCLB=125; /SB=B/2/125=1000HZPWMCTL=0x00; /控制寄存器设置PWMCLK=0xff; /PWM3-时钟寄存器为 SB PWMPOL=0xff; /Duty=High Time 极性设置 1,高电平输出PWMCAE=0x00; / left-aligned 左对齐方式 PWMPER0=100; /Frequency=SB/100=10 周期寄存器设置PWMPER1=100;PWMPER2=100;PWMPER3=100;PWMPER4=100;PWMPER5=100;PWMPER6=100