第七章驱动控制

汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 第7章驱动控制 7 1概述随着交通量的增加和车速的提高 驾驶员对汽车的起步性能和操纵性能的要求日益提高 根据路面条件 驾驶员通过操纵油门 方向盘及制动踏板 使汽车按照他的意图行驶 汽车作为被控对象 由路面条件和驾驶员的控制作用决定了它的真实运动状态 汽车真实的运动状态是否与驾驶员的意图一致 则取决于两个条件 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 1 驾驶员的动作和他的意图是否能达到一致 这通常由驾驶员的经验和反应速度决定 2 系统是否处在可控状态 导致汽车运动状态失控的主要因素是轮胎和路面间的摩擦系数 要使汽车处在可控的状态 车轮的滑转或滑移率必须控制在允许的范围之内 要及时精确控制车轮的滑转或滑移率在允许的范围之内 驾驶员的反应速度往往达不到要求 于是采用比人工响应速度快 精度高的自动控制系统已成为提高汽车的经济性 主动安全性的必然的趋势 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 ABS是防止制动过程中车轮被抱死 保持方向稳定性 操纵性并缩短制动距离的装置 而驱动控制装置 Anti SkiddingRestraint TractionControl AccelerationSlipRegulation 简称ASR或TRC 的作用是防止汽车在加速 起步过程中的滑转 特别防止汽车在非对称路面或在转弯时驱动轮的空转 是保持方向稳定性 操纵性和最佳驱动力的装置 可以说在利用 曲线的性质 并把滑转 移率控制在某一范围 这两者是一致的 ABS控制的是车轮的滑移率 而ASR控制是车轮的滑转率 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 目前通常采用以下两种方法防止驱动轮滑转 1 制动控制方式 对将要空转的驱动轮施加制动力 把发动机输出的多余转矩在制动器上消耗掉 控制车轮的滑转率在期望的范围内 2 发动机转矩控制方式 调节发动机输人到驱动轮上的转矩 使车轮的滑转率在合适的范围 制动控制方式比发动机控制方式响应速度快 能有效地防止汽车起步时或者从高 路面突然跃变到低 路面时车轮的空转 制动控制方式还能对每个驱动轮进行独立控制 与差速器锁止装置具有同样的功能 发动机控制方式则是根据路面状况输人给驱动轮最佳的驱动力矩 具体方法有改变燃料喷射量 点火时间和节气门开度 两种方法既可以单独使用 也可以组合起来使用 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 7 2ASR的原理 众所周知 作用在车轮上的驱动力和侧向力是依赖于摩擦的存在 其合力不会超出摩擦圆 亦即驱动力和侧向力是相互制约的 若驱动力增大 侧向力就必然减小 若驱动轮发生滑转时 驱动力和侧向力就处在A区 相应的侧向力很小 此时易使使车轮发生侧滑 为了防止侧滑 就必须适当降低驱动力 提高抵抗侧滑的能力 ASR和ABS都是为了增加汽车抗侧滑能力的装置 但ASR不是把车轮的滑转率控制在 曲线的峰值点 只是减小驱动力 提高侧向力的极限能力 在这一点与ABS也是不同的 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 7 3ASR的控制方法 7 3 1发动机转矩调节方式l 控制燃油喷射和点火时间对ASR非常重要的输人信息是车轮的旋转速度 驱动轮和被动轮 当采用燃油喷射和点火时间调节发动机转矩方式时 ABS ASR ECU和发动机的ECU可相互传递信息 由被动轮和驱动轮的转速可计算出驱动轮的滑转率为 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 设驱动轮的期望滑转率为 e 则发动机转矩控制的依据为 e减小发动机转矩 e增加发动机转矩减小发动机转矩输出的最简单方法是按一定的顺序停止向气缸喷射燃油 也可中断对某一缸的点火 但中断点火会把没有燃烧的燃油排出气缸 降低了燃料经济性并加剧了对空气的污染 供油中断法和点火延迟控制组合起来 可获得更好的效果 但相应的发动机管理系统应满足以下条件 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 l 发动机管理系统是燃油顺序喷射电子控制系统 SequentialFuelInjection 记为SEFI 2 一进人ASR控制模式 下一个未进行工作过程的气缸就得中断供油 以保证发动机输出转矩尽快地下降 3 已经进人工作状态的气缸 为了保证混合气的充分燃烧 不得中断供油 4 在气缸工作中断期间 由于在进气管上有未燃烧的蒸发油膜 所以当该缸重新进人工作时 应对喷油量进行调节以保证可靠燃烧 5 在气缸中断工作期间 应关闭环排放控制系统的作用 否则未燃烧缸排出的过量氧气会使排放传感器作出错误的判断 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 采用喷油中断法减小发动机的输出转矩非常简单 不需要增添其它硬件设备 驱动控制试验已经证实 借助于ASR控制软伴 在各种路面条件下 它都能保证车辆行驶的方向稳定性和操纵住 它不仅适用于前轮驱动车辆 也适用于后轮驱动车辆 但是这种方法在ASR工作模式下噪声偏大 振动比较厉害 发动机运转不平稳 并且 它只能适用于燃油顺序喷射电控发动机 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 2 节气门调节方式 采用喷油中断和延迟点火方法使发动机噪声大 运转不平稳 因此 目前更广泛采用的是节气门调节方式 在这种ASR系统中 汽车各电控系统的ECU 发动机和传动系ECU 驱动控制ASR ECU以及防抱死制动ABS ECU 之间也需耍相互传输信息 如轮速传感器的信号由ABS ECU可输人到ASR ECU 节气门的位置传感信号和发动机速度信号也可通过发动机和传动系的ECU输人到ASR ECU 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 ASR系统的节气门总成由主 副节气门组成 主节气门由驾驶员通过加速踏板控制 在主节气门的上流的副节气门通常由机械回位弹簧维持在最大开度 进人ASR工作模式 副节气门的开度由一步进电机控制 由于把副节气门从全开位置驱动到全闭位置要花一定的时间 约为200ms 所以用节气门调节发动机的输出转矩时滞大 响应也较慢 1 控制算法 2 初始角 i的自适应控制 3 阶跃关闭节气门开度 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 4 爬行转矩的驱动控制 5 自适应反馈增益 6 总体控制策略 7 驱动控制的性能 7 3 2采用制动方式的驱动控制l ASR系统建模 1 发动机模型 研究ASR制动方式 并不涉及发动机的控制问题 因而可把发动机当作一个固定特性的动力装置 最常用的方法就是根据发动机的试验数据 采用多项式拟合发动机的稳态转矩与转速之间的关系曲线 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 一股采用三次多项式就可达到满意的精度 2 传动系模型 3 车辆模型 4 ASR系统 2 ASR逻揖控制算法防滑控制系统也可采用类似于ABS的逻辑门限方式 这种控制算法简单 可靠性强 便于实现 另外防滑控制与防抱死制动集成于一体 算法类似 可以大大简化程序结构 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 ASR控制算法 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 3 性能试验 在混合模拟系统上进行试验 在分离附着系数路面起步6s后 驱动控制系统使车速达到8 6924m s 而不加驱动控制车速仅为6 7702m s 可见改善驱动性能的效果明显 见图24 图25 图26 图27 7 3 3组合控制从上述的分析可知 采用制动方式响应速度快 但这种控制方式要把发动机多输出的功率以热的形式在制动器上消耗掉 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 因而制动器发热严重 影响它的使用寿命 不利于提高汽车的经济性 而采用发动机转矩控制 除了响应速度比制动方式较慢以外 另一个本质问题是在非对称附着系数路面不能实现最佳驱动控制 其效能和ABS控制系统低选的情形相似 所以为了实现驱动力最佳控制 即最大限度地提高汽车的经济性 动力性 方向稳定性及可操纵住 目前正在朝着发动机转矩 车轮制动两者组合控制的方向发展 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 1 CrownASR控制系统 ToyotaCrown采用发动机转矩和制动组合的ASR TRC 控制系统的如图28 用于驱动控制的制动液压回路如图29 ASR控制和ABS控制采用同一液压系统 从ABS模式切换到ASR模式由控制阀实现 左右两驱动机采用非独立控制方式 控制逻辑如表2采用发动机节气门与制动组合控制方式 加快了驱动控制的响应速度和调节能力 驱动控制的效果如图31 在压实的雪地上进行方向行驶稳定性试验结果如图32 在S形弯道的可操纵性试验如图33 表明节气门与制动器组合的ASR驱动控制系统 能够更有效地改善车辆在低附着系数路面行驶的方向稳定性 可操纵性和加速性能 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 ToyotaCrown的电控装置如图34 中央处理单元是8位单片机 具有12kbROM 384字节RAM 16位可编程定时器和高速I O中断控制器 时钟频率12MHz ASR ECU的输入信号来自ABS ECU 发动机控制ECU及几个选择控制开关 根据输入信息 ASR ECU通过精确计算后输出控制指令 控制制动器与节气门的工作状态 并通过指示灯显示当前工作情况 一但ASR ECU检测到任何故障 ASR ECU立即关闭它的工作 车辆按常规方式行驶 检测出的错误信息存人由电池供电的RAM区 同时 诊断的故障代码输出到多功能显示ECU 并点亮闪烁警告指示灯 程序流程图如图35所示 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 2 LexusASR控制 CrownASR采用节气门与制动组合控制方式 比其中任意一个单独使用的效果更好 但CrownASR的制动系统仅有一个制动通道 两个驱动轮仅能同时控制 故在非对称路面 不能充分利用路面的附着系数 使车辆的加速性能与方向稳定性达到极限状态 为了更进一步提高车辆加速性和方向稳定性 必须把两驱动轮的滑转率同时控制在较小的范围 如图2右侧的阴影区 为此 LexusLs400型轿车在Crown的基础上 把两轮同时控制改为单轮独立控制 原理如见图36 在非对称路面 只要制动低 侧的车轮就可以取得与限滑差速器 LimitedSlipDifferential LSD 相同的效果 于是在高 侧的车轮可以有效地发挥它的驱动力 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 制动控制算法 制动控制采用逻辑门限方式 根据驱动轮速度和加速度分为快速增压 慢速增压 保压 快速减压和慢速减压5种控制模式 采用单轮控制与两轮同时控制的性能比较 在几种不同路面两种情形的驱动力和加速性见图37和图38 在非对称路面 两轮同时控制无论是它的加速性还是驱动力都与没有装备ASR的车辆相差不大 可见在此种情况 两轮同时控制的ASR系统失去了它应有的作用 在压雪路面的方向稳定性如图39 车的初始速度为10km h 方向盘转角保持不变 在压实雪地行驶时 LexusLS400比Crown的方向稳定性好 车辆的回转角速度变化小 方向稳定性也无明显的恶化 在S形弯道的可操纵性对比试验结果见 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 图40 显见采用单轮控制比两轮同时控制在S形弯道的加速转向的操纵性能好 ASR的性能与它的硬件配置有关 其中以发动机供油中断方式最为简单 对顺序喷射发动机 它不需要增加任何硬件设备 通过相应的控制软件就能达到较好的效果 但是这种驱动控制方式 ASR工作模式噪声较大 发动机运转也不平稳 在此基础上 再增加发动机节气门的控制 可更有效地降低发动机的多余转矩 提高汽车的加速性 经济性 方向稳定性和可操纵性 并克服单一供油中断法的不足之处 但节气门控制与供油中断组合方式不可避免存在发动机控制的固有缺陷 就是在非对称路面失去它的控制效能 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 为了最大限度地提高ASR的性能 显然 发动机转矩调节和驱动轮制动就成为自 然的组合 如Crown和LexusASR系统 CrownASR系统 把发动机转矩调节和驱动轮单通道控制组合起来 虽它可充分利用了制动控制的快速性 但却仍然解决不了发动机转矩调节方式的本质问题 在非对称路面的控制问题 综合各类ASR系统的特点 LexusASR系统采用了发动机节气门控制与驱动轮单轮控制方式 可以说 这种组合方式为ASR系统最完备的硬件配置 只要采用合理的控制算法 就可以解决各种路面条件的驱动控制问题 并使车辆的加速性 经济性 方向稳定性和操纵性达到最佳状态 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 7 3 4发动机转矩调节与限滑差速器组合方式 为了让ABS在最佳状态工作 希望各轮独立旋转 安装定比差速器锁定装置在非对称路面有利于提高车辆的驱动力 但在其它路面条件 则不利于ABS实现最佳控制 在车辆转向时也存在不利影响 BOSCH研制了一种主动式限滑差速锁定装置 通过主动控制 可使锁止程度在 0 l00 范围变化 当限滑差速器不起作用时 允许两轮独立旋转 当完全锁定时 两轮成为一个整体一起旋转 根据路面状况 可任意控制锁止程度 在非对称路面条件具有较好的效果 但LSD在正常路面对驱动控制并无明显的作用 故它基本上不能单独用作ASR控制 通常和发动机转矩调节方式组合使用 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 7 3 5实现ASR不同方式的性能比较 ASR系统的本质是 控制作用在驱动轮上的转矩 在非对称路面 对传到驱动轮上的转矩实现最佳分配 从而改善汽车的加速性 方向稳定住和操纵性 从这两方面来看 实际上还有其它的方法可满足上述的要求 但在车辆上 究竟采用哪些方式 则取决于许多因素 诸如汽车本身的结构 成本和可靠性 还是否会产生有损于舒适性的副效应等 实现ASR控制的各种不同方法的性能比较如下 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 实现ASR控制的各种不同方法的性能比较 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 采用单一的节气门控制 结构简单 便于实现 它不会对传动系带来任何附加载荷 舒适性也好 但驱动控制的效果不好 单独采用制动方式 多余的功率都得以热的形式在制动器上消耗掉 因而发热严重 不宜在高速下和长时间使用 此外在制动时对传动件和轴等产生附加动载荷 引起传动轴的振动和噪声 两种综合性能好的组合方式分别为发动机与制动组合 发动机与限滑差速器组合 由于现代车辆通常都有ABS系统 很容易就可把ABS扩充到ASR方式 不需耍添加更多的硬件设备 而采用发动机与限滑差速器组合 需要不同的液压驱动装置和控制系统 成本较高 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 所以 发动机与制动器组合是ASR TRC 系统的最佳组合方式和最完备的硬件配置形式 只要采用合理的控制算法 充分发挥发动机控制和制动控制的优势 它完全可以满足车辆在各种路面条件的驱动控制的要求 使车辆的方向稳定性 操纵性 舒适性和加速性达到最佳状态 这里需要再说明的一点是 ASR控制与ABS控制类似的地方 就是在非对称路面提高驱动力与方向稳定性是矛盾的 最大限度地利用高附着系数路面一侧的驱动力 必然降低车辆的方向稳定性 在这种工况 既使车辆没有转向要求 也可能会使车辆偏离期望的行驶方向 汽车电子控制技术 重庆大学机械工程学院汽车系张伟 为此驾驶员必须通过方向盘产生纠偏力矩以抵消非稳态力矩 由两侧驱动力之差产生 的影响 当车辆在高速行驶时 驾驶员是否能作出及时正确的反应 并把车辆的行驶方向控制在期望的状态 这是ASR控制系统无法保证的 从这一方面说 ASR系统只是通过它的控制作用 保证车辆处在一个可控的状态 而能否准确控制车辆的行驶方向 则取决于驾驶员的心理状态 技术的熟练程度等多种因数 要主动实现车辆行驶方向的稳定性 就必须采用综合控制系统 如增加方向盘转角信号传感及导向轮转角偏转驱动机构 构戚车辆行驶方向闭环自动控制系统 在各种路面条件下就可实现车辆方向稳定性的主动控制 汽车电子控制技