车辆底盘集成控制系统的电动机控制

1、2008年12月农业机械学报第39卷第12期车辆底盘集成控制系统的电动机控制牛礼民 陈 龙 赵又群 汪若尘*=摘要> 为协调车辆操纵稳定性和行驶平顺性,在分析半主动悬架和电动助力转向工作原理的基础上,研制出以嵌入式系统为平台的车辆底盘系统集成控制器。硬件上对悬架可调阻尼减振器的步进电动机和转向系统的直流电动机进行控制设计;软件上运用模糊控制和PID控制算法,在CodeWarrior集成开发环境下结合超级终端对软硬件进行联调。试验结果表明,控制器运行可靠,电动机控制正确、效果明显,集成控制下车辆的操纵稳定性和平顺性得到改善。关键词:车辆 半主动悬架 电动助力转向 集成控制中图分类号:TP2

2、73+15;U46311文献标识码:AMotorControlinVehicleChassisIntegratedControlSystemNiuLimin ChenLong ZhaoYouqun WangRuochen(11JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China1,212121NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)AbstractInordertoharmonizetheperformanceofvehiclehandlingstabilityandridin

3、gcomfort,anintegratedcontrollerofvehiclechassissystemwasdesignedbasedonembeddedsystemafteranalyzingtheprinciplesofsemi2activesuspension(SAS)andelectricpowersteering(EPS).SteppermotorofsuspensionadjustabledamperandDCmotorofEPSwerecontrolledrespectivelybyhardware.FuzzyandPIDarithmeticwereappliedinsoft

4、ware.UnitedadjustmenttohardwarewasdonewithHyperTerminalundertheconditionofCodeWarriorintegrateddevelopment.Experimentresultsprovedthecontrollerandmotorswererunningreliably,handlingstabilityandridingcomfortablywhenintegratedconditionwerebeingimproved.Keywords Vehicle,Semi2activesuspension,Electricpow

5、ersteering,Integratedcontrol盘集成系统重要组成部分,车辆悬架与动力转向的协调控制显得尤为重要。本文基于嵌入式系统SAMSUNGS3C44B0X设计半主动悬架(semi2activesuspension,简称SAS)和电动助力转向(electricpowersteering,简称EPS)集成控制器,采用模糊控制算法和PID算法分别控制SAS的步进电动机和EPS的直流电动机,并进行试验验证。 引言为了协调汽车操纵稳定性和行驶平顺性的矛盾,运用底盘集成控制技术提高主动安全性和驾驶舒适性,是当前汽车研究领域的热点,也是今后汽车底盘技术的发展方向。目前底盘集成控制研究较多的是

6、防抱死制动系统、驱动防滑转系统和自适应巡航系统的总成14,或是对悬架或转向的单独控制,对它们的集成研究尚不多见56。作为电控底收稿日期:2007212219*国家自然科学基金资助项目(项目编号:50475121)和江苏省高新技术资金资助项目(项目编号:BG2004025)牛礼民 江苏大学汽车与交通工程学院 博士生 博士后(南京航空航天大学),212013 镇江市陈 龙 江苏大学副校长 教授 博士生导师赵又群 南京航空航天大学能源与动力学院 教授 博士生导师,210016 南京市汪若尘 江苏大学汽车与交通工程学院 讲师28农 业 机 械 学 报 2008年1 集成控制方案图1是SAS/EPS集成

7、控制示意图。将半主动悬架和电动助力转向视为一个整体,考虑了二者部分状态变量的耦合,设计的集成控制器对悬架系统的步进电动机和转向系统的直流电动机进行协调控制,调节减振器阻尼和提供转向助力,以期改善转向时的车身姿态变化,协调操纵稳定性和平稳性之间的矛盾。可调减振器中的步进电动机要求步距精确、输出转矩稳定、振动噪声低,选用三相反应式步进电动机,步距角115b。驱动器电源由专用模块变压输出32V/3A直流来提供,采用三相六线制与电动机相连,如图3所示。图2 阻尼力与转角间的关系拟合曲线Fig.2 Fittingcurvesofrelationshipbetweendampingforceandangl

8、e图1 SAS/EPS集成控制框图Fig.1 BlockdiagramofSAS/EPSintegratedcontrol(a)拉伸行程 (b)压缩行程在控制软件开发方面,采用模糊控制+PID控制策略78。以转向盘转角和路面噪声作为系统输入,车身质心垂直加速度、横摆角速度、车身侧倾角作为输出,对EPS的助力电压进行PID控制,修正助力,改善横摆角速度的响应,提高转向灵敏度;根据反馈的状态变量模糊控制SAS系统,改善质心垂直加速度和悬架动挠度响应,提高车辆的行驶平顺性。图3 步进电动机控制示意图Fig.3 Sketchmapofstepmotorcontrol控制器根据车身垂直振动加速度信号和轮

9、胎跳2 硬件设计控制器硬件部分包括输入信号的采集调理模块、微处理器模块和执行机构的输出控制模块。车辆正常行驶时,传感器采集车身垂直振动加速度、转向轴转矩、车速等状态信号,经调理送到控制器电控单元ECU。ECU进行分析计算处理,产生控制信号传输给执行机构悬架减振器的步进电动机和转向系的直流电动机,实现SAS和EPS的集成控制。211 半主动悬架步进电动机控制本文研究的半主动悬架由执行机构步进电动机改变液压阻尼减振器的节流口,进而实现减振器阻尼的可调。在某微型轿车被动减振器的基础上进行了改进设计。根据我国汽车行业标准QC/T545)19995汽车筒式减振器台架试验方法6,对改进后的减振器进行了电动

10、机转角和阻尼力关系的台架试验。试验时,减振器的工作行程为?50mm,分别在5种激振频率(015、110、115、210、215Hz)下进行测试,电动机每转动715b作为一个工况,得到图2拟合的电动机转角与阻尼力的关系,为电动机控制提供动加速度信号,采用模糊控制算法推理出减振器应产生的阻尼力来衰减振动,根据前一时刻电动机的状态算出下一时刻电动机的转向和步距角,控制信号发送到步进电动机驱动器的CP步进脉冲端和DIR方向电平端,控制电动机按要求运转,实现对减振器阻尼力的调节。定义ARM处理器端口PF0、PF1分别输出脉冲信号和方向信号,接到驱动器的CP端和DIR端,处理器I/O电源端VDDIO接驱动

11、器的OPTO公共阳端,由ARM处理器输出CP脉冲和DIR脉冲,实现电动机的准确运转和定位。212 电动助力转向直流电动机控制EPS用直流电动机要求满足较好的机械特性和调速特性,具有尽可能宽的调速范围、较小的转动惯量和良好的低速平稳性。其控制方式分为调节励磁磁通和调节电枢电压。励磁调节存在磁路过饱和限制问题,因此采用单极性脉冲宽度调制(PWM)控制方式,用定频调宽法调整占空比控制电动机电枢电压9。图4所示为直流电动机的控制示意图,4个开关控制方式驱动的功率场效应晶体管IRFZ48N和电动机构成一个H桥,Q1、电动机、Q4构成一组桥臂,Q3、电动机、Q2构成另一组桥臂。、第12期 牛礼民等:车辆底

12、盘集成控制系统的电动机控制29集到的信号,在控制算法中运算处理,输出分别控制EPS直流电动机和减振器步进电动机,同时将输出信号反馈回算法处理环节。PID算法和模糊算法的实现是程序编写的关键。为便于在计算机中实现PID控制,当采样信号足够小时,用求和代替积分,用向后差分代替微分,将PID控制方程图4 直流电动机控制示意图Fig.4 SketchmapofDCmotorcontrolu(t)=Kpe(t)+Tite(t)dt+Tddt(1)机控制信号,经过4个驱动光耦TLP250分别加到MOS开关管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。当要求电动机正转时,Q1受ECU的PWM信号控制,Q4被ECU施加高电

13、平导通,Q2、Q3被施加低电平截止;当要求电动机反转时,Q3受PWM信号控制,Q2被高电平导通,Q1、Q4被低电平截止。这样,由两组桥臂的组合实现电动机转向的控制,由ECU改变占空比实现电动机转速的控制。离散化为差分方程,得到数字PID控制方程ku(k)=Kpe(k)+Kii=0Ee(i)+(2)Kd(e(k)-e(k-1)式中,比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd由离线仿真确定。在模糊控制子程序中,首先用一个二维数组定义模糊控制规则表,再对车身加速度偏差及其变化率进行模糊化,限定论域的饱和值后进行if2else的模糊推理10,最后用重心法反模糊化得到步进电动机的脉冲数,进而控制步距角。步

14、进电动机的转向是由每次记录的当前阻尼力对应的节流口位置和模糊推理计算的下一时刻节流口的位置来确定的。3 软件系统设计软件把系统的硬件资源、控制策略和算法联系起来,用来采集处理数据、实现算法、输出控制。ADS112(ARMDeveloperSuite)是由ARM公司提供的专门用于ARM相关应用开发和调试的综合性软件,用户可用它的集成开发环境CodeWarrior来开发、编译、调试C、C+和汇编语言编写的程序。集成控制软件流程示意图如图5所示。4 实车试验完成软硬件的设计联调,进行集成控制器的实车试验。为验证集成控制效果,采用某微型轿车进行了转向盘转角阶跃输入试验。汽车以45km/h的车速直线行驶

15、,先按输入方向轻轻靠紧转向盘,消除转向盘自由行程,经过012015s,以尽快的速度使转向盘转到90b,保持数秒。试验过程中使用数据采集装置WAVEBOOK记录了集成控制前、后的车身质心垂直加速度、横摆角速度、车身侧倾角和转向盘操纵转矩信号,如图68所示。图6 质心垂直加速度曲线Fig.6 CurveofCGverticalacceleration图5 软件流程示意图Fig.5 Sketchmapofsoftwareflow(a)集成控制前 (b)集成控制后图6所示为平顺性对比,集成控制后的加速度控制器上电,程序初始化后,进入循环等待中峰值和标准差比集成控制前的加速度峰值和标准差,7,30农 业

16、 机 械 学 报 2008年速度在集成控制前后的对比,可见横摆角速度在集成控制下稳定时间较短,且超调量大为减小,表明集成控制提高了转向的操纵稳定性。值和标准差减小了10106%和21124%,说明集成控制对车身姿态的抑制效果比较明显。表1为集成前后的性能参数对比。表1 集成控制前后性能参数对比Tab.1 Comparisonofperformanceparameters集成控制前参数峰值质心加速度/m#s-2集成控制后峰值2.218标准差0.490提高率/%峰值2.38标准差7.70标准差0.5322.272图7 横摆角速度曲线Fig.7 Curveofyawrate(a)集成控制前 (b)集

17、成控制后横摆角速度/rad#s-10.5800.2430.4980.20514.1415.64车身侧倾角/rad图8为车身侧倾角在集成控制前后的对比,集0.0540.0210.0470.01612.9623.81成后的车身侧倾角峰值和标准差分别比集成前的峰5 结束语集成控制后车辆的乘坐舒适性、行驶平顺性得到改善,操纵稳定性得到提高。其中横摆角速度的峰值、标准差比控制前提高了14114%、15164%,车身侧倾角的峰值、标准差比控制前提高了12196%、图8 车身侧倾角曲线Fig.8 Curveofbodyrollangle(a)集成控制前 (b)集成控制后23181%,表明在抑制转向工况下的车

18、身姿态时,集成控制效果尤其显著。说明底盘集成系统的电动机控制获得成功,研究方案有效可行。参考文献1 张景波,刘昭度,齐志权,等.基于信息融合技术的ABS/ASR/ACC系统仿真J.计算机仿真,2004,21(6):155158.ZhangJingbo,LiuZhaodu,QiZhiquan,etal.SimulationofABS/ASR/ACCintegratedsystembasedoninformationfusiontechnologyJ.ComputerSimulation,2004,21(6):155158.(inChinese)2 冯金芝,喻凡,李君,等.车辆防抱制动系统与主动悬

19、架联合控制J.农业机械学报,2002,33(2):1519.FengJinzhi,YuFan,LiJun,etal.Aninvestigationonintegratedcontrolofvehicleanti2lockbrakingsystemandactivesuspensionJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2002,33(2):1519.(inChinese)3 MaYuefeng,LiuZhaodu,QiZhiquan,etal.Adaptivenoisecancellationmethodusedf

20、orwheelspeedsignalofintegrateABS/ASRsystemJ.JournalofBeijingInstituteofTechnology,2006,15(2):144147.4 黄锦川,何乐,夏群生,等.集成化仿真系统在气制动TCS控制器开发中的应用J.汽车技术,2007(1):1619.HuangJinchuan,HeLe,XiaQunsheng,etal.Applicationofintegratedsimulationsystemforair2brakeTCScontroldevelopmentJ.AutomobileTechnology,2007(1):161

21、9.(inChinese)5 应艳杰,方敏,张增年,等.汽车EPS与ASS的H/PID集成控制J.农业机械学报,2007,38(1):611.YingYanjie,FangMin,ZhangZengnian,etal.IntegratedcontroloftheEPSandASSofanautomobilebasedonH/PIDschemeJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(1):611.(inChinese)6 王其东,吴勃夫,陈无畏.基于预测控制的主动悬架与电动助力转向集成控制J.农业机械学报

22、,2007,38(1):15.WangQidong,WuBofu,ChenWuwei.IntegratedcontrolofautomobileactivesuspensionandelectricalpowersteeringsystembasedonpredictivecontrolJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(1):15.(inChinese)7 赵君卿.汽车主动悬架与电动助力转向结构/控制集成优化研究D.合肥:合肥工业大学,2005.ZhaoJunqing.Simultaneousop

23、timizationofmechanicalandcontrolparametersforintegratedcontrolsystemofactivesuspensionandEPSD.Hefei:HefeiUniversityofTechnology,2005.(inChinese)44农 业 机 械 学 报 2008年图10 转向过程中车身侧倾角速度和侧倾角变化曲线Fig.10 Changingcurvesofbodylateralinclineanglespeedandinclineanglewhilesteering(a)后三轴不转向时 (b)后三轴转向时胎垂直力、侧向力、纵向力、滚

24、动阻力矩和回正力矩的计算;在此基础上建立了整车的动力学方程,并利用LabVIEW编制了仿真模型,进行了仿真。证明参考在汽车高速行驶时,采用同相位全轮转向,可以使后轴车轮较早地参与转向,从而提高了汽车的转向响应速度,并降低了车身的转向侧倾角度。文献1 杨新明.多轴转向汽车运动分析与仿真D.武汉:武汉理工大学,2003.YangXinming.Analysisandsimulationofmulti2axlesteeringvehiclemovementD.Wuhan:WuhanUniversityofTechnology,2003.(inChinese)2 王超.多轴汽车转向特性及其操纵稳定性研

25、究D.西安:长安大学,2006.WangChao.Thecharacteristicandcontrolstabilityanalysisofmulti2front2axlesteeringsysteminheavytruckD.Xi.an:Chang.anUniversity,2006.(inChinese)3 石永林.多轴汽车分组转向系统机构参数的优化设计D.武汉:华中科技大学,2003.ShiYonglin.Optimizationofmulti2axlevehiclegroupingsteeringsystemmechanismparameterD.Wuhan:HuazhongUniv

26、ersityofScienceandTechnology,2003.(inChinese)4 史文库.现代汽车新技术M.北京:国防工业出版社,2005.5 姚永建,韩强.四轮转向汽车的非线性模型及其动力方程J.华南理工大学学报:自然科学版,2003,31(11):4952.YaoYongjian,HanQiang.Nonlinearmodelanditsdynamicequationsfor4WSvehiclesJ.JournalofSouthChinaUniversityofTechnology:NaturalScienceEdition,2003,31(11):4952.(inChines

27、e)6 熊坚,曾纪国,宋健.汽车操纵稳定性虚拟仿真的研究J.汽车工程,2002,24(5):430433.XiongJian,ZengJiguo,SongJian.AresearchonthevirtualsimulationofvehiclehandlingstabilityJ.AutomotiveEngineering,2002,24(5):430433.(inChinese)7 赵治国.车辆动力学及其非线性控制理论技术的研究D.西安:西北工业大学,2002.ZhaoZhiguo.Researchonvehicledynamics,itsnonlinearcontrolstrategiesandrelatedtech