第一节硬件控制模型_车辆稳定控制技术-QQ阅读中文科幻网

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第一节硬件控制模型

一、结构设计模型

ECU是稳控系统的核心部件，它接收传感器传送来的各种信号，经过计算或逻辑判断，决定执行机构的动作、控制外围辅助设备的状态；此外，ECU还对稳控系统进行状态检测和检查，以免因系统故障造成错误的控制后果。ECU包括硬件和软件两部分，两者相辅相成，共同完成稳控系统的控制功能。从稳控系统的自身特点出发，对ECU提出了如下的要求。高速度、高性能CPU，准确处理输入信号，准确地发出控制信号。一个复杂单片机控制系统构成的ECU中，输入部分包含了模拟、数字信号量之间的相互转换、高频数字信号量的输入；输出部分包含了继电器控制、大功率电子开关的控制、其他警示信号的输出；对于ECU的核心部件CPU，采用了主从双CPU结构，使其分工合作，完成ECU的所有控制工作。其结构框图如图2-2所示。为了保证系统可靠性，设计思路上采用双CPU的设计构架，主CPU采用16位单片机，具有很高的运算速度和丰富的控制端口，完成参数的采集、运算和执行部件控制；从CPU采用8位单片机，着重工作可靠性，完成监控和诊断功能。

图2-2 ECU结构框图

二、轮速输入模型

图2-3 轮速传感器工作示意图

对于车轮的运动状态，一般都是采用轮速传感器，把车轮的转动状态转化为电信号，经过处理，再给ECU做分析。检测轮速信号时常用电磁感应式传感器，将传感器安装在车轮总成的非旋转部分（万向节或轴头）上，与随车轮一起转动的导磁材料制成的齿圈相对，当齿圈相对传感器转动时，由于磁阻的变化，在传感器上激励出交变电压信号，这种交变电压的频率与转子的速度成正比，所以通过测定频率就能检测出轮速。图2-3所示是传感器工作示意图。从传感器输出交变信号的幅值随传感器的不同而不同，但一个总的特点就是幅值随轮速的变化比较大，对齿圈与传感器之间的气隙大小比较敏感。图2-4和图2-5所示是在道路实验中测得的轮速传感器输出信号，图2-4为车速较低时测得的轮速信号，图2-5为车速较高时测得的轮速信号，可以看出，轮速信号（电压）基本上为正弦信号。当车速较高时，信号波动频率较高，电压幅值较大；而当车速较低时，信号的频率与幅值均较小。

图2-4 低速下传感器信号

图2-5 高速下传感器信号

由于传感器信号的频率只与车轮的转速有关，通常稳控系统的ECU采用专门的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波，再通过测量方波的频率或周期来计算车轮转速。为了能够准确测量轮速，轮速信号处理电路应该具有下述功能：将正弦波转换为同频率的方波，方波的占空比应适中；在车轮转速较低时，仍然能够输出与传感器输出信号同频率的方波信号；在气隙因为振动在一定范围内变动时，仍然能够正确进行波形变换；电磁兼容性好，能够抑制噪声干扰。如果只是简单地对轮速信号采用滤波和整形的手段，在车速较低、轮速传感器交变电压幅值较小时，有可能无法引起有效的触发，如此便限制了它有效轮速的范围，使低速稳控系统性能变差。

根据对轮速信号处理电路的要求，设计了高性能、高抗干扰的轮速信号处理电路。其特点是包括两级迟滞比较器和低通滤波部分。电路的第一级包括低通滤波和小回差过零迟滞比较器（图2-6）。其作用是在尽可能地保留有用的轮速信号的前提下滤去噪声。这一级迟滞比较器的回差较小（约0.1V），故而只要轮速传感器的原始信号正弦波的幅值大于0.1V就可被保留下来转换为方波；而幅值小于0.1V的噪声被滤去，只有当轮速传感器信号电压接近0时且幅值大于0.1V的噪声信号被转化为方波边缘的毛刺进入下一级。第二级的低通滤波环节和大回差迟滞比较器则可以有效地去除由于噪声干扰形成的毛刺。如图2-6所示，传感器原始信号U_i首先经过第一级低通滤波对中高频干扰进行一定的衰减得到信号U′；信号U′通过小回差迟滞比较器将信号变换为方波信号U″，可以看到仅当信号在零值附近时噪声可能进入信号U″，造成U″信号波形中的误触发脉冲，但噪声的总能量被显著衰减；U″通过第二级低通滤波得到U‴，误触发脉冲被显著衰减；信号U‴再通过一个回差较大的迟滞电压比较器转换为方波U_o，由于迟滞比较器采用正反馈接法，方波U_o的波形比较理想，可供给单片机进行轮速测量。

图2-6 处理电路的输出波形图

使用信号发生器在实验台上实验，不论是在波形比较规则的信号发生器上，还是在有很大杂波信号的实验台上，利用此处理电路均达到了理想的效果。轮速信号处理电路利用两级迟滞比较器达到了提高信噪比和整形的目的，并采用高阶低通滤波实现抑制噪声的功能。这种轮速信号处理电路充分发挥了电磁感应式被动传感器的潜力，可以满足要求。该电路并不局限于电磁感应式传感器，对于其他类型的轮速传感器也一样可以可靠工作，如磁敏电阻式、霍尔式等，具有很好的兼容性。在稳控系统中，电磁阀是重要的执行元件，通过它来控制制动轮缸中的液压大小，完成稳控系统功能。由于控制要求，电磁阀的响应必须是毫秒级的，从而要求电磁阀线圈中的电流很大，以保证电磁阀的开启和关闭时间。该模块选用了四通道功率驱动元件，具有过载保护、智能电流限制、短路保护、高温保护、过电压保护、自诊断功能和静电保护等功能，适合在车辆环境下作为大功率的驱动元件，可靠地抵抗外界振动和电磁干扰。

故障诊断模块是稳控系统可靠工作的保障。在该模块的设计中，对ECU进行了全面的检测，其中包括电磁阀驱动的检测、轮速输入电路的检测、警告灯的检测和电源的检测。另外，一部分检测任务由软件来完成，包括电磁阀驱动的检测和轮速传感器的检测。本模块不但诊断系统故障，还实现了复杂的数据流传输，通过外部诊断仪，可以有效地监控稳控系统各个部件的工作状态，如实时显示轮速、加速度、各个开关信号等的状态。通过硬件和软件滤波，信号品质非常理想，保证了四驱模式下的稳控系统控制效果。复位模块可使ECU在工作出现故障时，如受到强电磁干扰、电源电压受到冲击不稳定等，能及时复位，很快恢复到正常的工作状态下。继电器模块控制各个通道的所有电磁阀的供电以及其他回流泵电动机的供电，在稳控系统发生无法自恢复的故障时，会把故障码存储在非易失性的存储器中，然后使用故障诊断仪读出故障信息，帮助驾驶人或者修理人员迅速找到问题，及时解决问题。ECU的电源模块是ECU正常工作的基础。车辆电源受到发动机点火和充电机充电的冲击，非常不稳定，电压起伏大，因此需使用专用的集成电路芯片，以保证ECU稳定的电源供给。

三、仿真平台模型

车辆作为典型的机电系统，其模型是研究该系统的有效工具。为了对车辆稳控系统进行分析，搭建稳控系统仿真平台可为控制算法评价、调试、标定匹配和性能分析等提供良好的环境。稳控系统仿真平台是稳控系统控制方法和算法的基础，仿真平台由驾驶人模型、车辆动力学模型、轮胎模型、路面模型、制动系统模型、ECU模型和HCU模型等组成。图2-7所示为稳控系统仿真平台示意图。

图2-7 稳控系统仿真平台模型

在仿真平台中，驾驶人操作模型优先级最高，车辆的运行状态响应驾驶人的操作意图，根据驾驶人操作可以仿真不同的稳控系统制动工况。车辆的运动依赖于轮胎所受的力，如纵向力和侧向力等，轮胎、路面模型是车辆运动的基础，稳控系统仿真中的各种路面附着工况，如高附着路面制动、低附着路面制动、对接路面制动以及对开路面制动等，就是依靠轮胎、路面模型的合理设计来完成的。车辆动力学模型是研究稳控系统的载体，车辆动力学模型根据驾驶人操作、稳控系统控制的制动压力、地面的纵向力/侧向力等计算车辆的状态，如车身状态、车轮状态等。ECU模型可以用不同的控制方法来实现，如逻辑门限值方法、PID控制方法、模糊控制方法等，从而可以对控制方法和控制算法进行研究；在HCU模型和制动系统模型上可以进行制动压力动态特性的分析。以上各部分模型各自独立又相互关联，组合在一起构成了稳控系统仿真平台。为适用不同的稳控系统仿真目的，本章分别建立了2自由度和7自由度车辆动力学模型，如图2-8、图2-9所示。车辆动力学模型是典型的连续时间系统，可以用微分方程来描述。2自由度车辆动力学模型也称为1/4车辆制动模型或单轮模型，共有2个自由度，即沿X方向的平动和车轮的转动。

式中 m——车辆质量；

J——车轮转动惯量；

ω——车轮加速度；

μ_x——地面附着系数；

r——车轮半径；

T_μ——制动力矩；

u——车速。

图2-8 2自由度汽车模型

图2-9 7自由度汽车模型

1/4车辆制动模型只考虑了车辆的平动和车轮的转动，是研究稳控系统最简单的模型，它可以反映最基本的受力、运动和滑移率的关系，可以对控制方法进行原理的分析和设计。

采用2自由度车辆模型，考虑到大侧向加速度时的非线性，系统状态参量及观测量为

式中，x为系统状态参量，u为输入量，y为观测量，A为状态矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵，D为传递矩阵。

7自由度车辆动力学模型，也可称为1/2车辆制动力模型或双轮模型。其包括7个自由度：整车的前进方向运动自由度X，垂直运动自由度Z和俯仰运动自由度θ；前轮垂直运动自由度Z₁₁和旋转运动自由度ω₁₁；后轮垂直运动自由度Z₂₁和旋转运动自由度ω₂₁。

运动方程为

整车前进方向运动方程

车身垂直方向运动方程

车身俯仰运动方程

前轮垂直运动方程

后轮垂直运动方程

前轮旋转运动方程

后轮旋转运动方程

轮胎的纵向力

悬架所受的力

7自由度的1/2车辆制动模型可用于直线制动过程中稳控系统的控制仿真，它考虑了汽车制动过程中的载荷在前后轮上的转移，比单轮模型更加符合实际工况。相关参数说明见表2-1。

表2-17 自由度车辆动力学模型参数说明

（续）

轮胎纵侧向力F_x11，F_x12，F_x21，F_x22、Fy11，Fy12，Fy21，Fy22，需要利用轮胎模型进行计算，转向角自由度的方程需要根据实际仿真情况给出，如阶跃输入、正弦输入或实车测试值输入等。

四、轮胎稳定模型

轮胎纵、侧向力是车辆在运动过程中受到的最重要的外力之一，决定了车辆的响应结果，轮胎的力学特性对车辆的操纵稳定性、舒适性、动力性和制动安全性起着极其重要的作用。现代轮胎是一个复杂的粘性结构体，具有明显的非线性特性。通过对轮胎结构和形变的数学描述，建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系，并通过对轮胎力特性的实验数据进行回归分析，建立轮胎动力学模型与动态行驶状态，如图2-10、图2-11所示。