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译在井
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1 009 年 8 月中国科技论文在线 Sciencepaper Online 543 车辆稳定性控制及硬件在环试验研究王其东, 章贵华 ( 合肥工业大学机械与汽车工程学院, 合肥 30009) 摘要 : 介绍了目前车辆稳定性控制系统的研究现状并详细分析了车辆动力学模型, 使用滑模变结构控制方法, 以提高车辆在危险工况下的稳定性和可控性最后应用基于 LabVEW 的硬件在环试验平台, 进行汽车稳定性控制系统的硬件在环的试验, 验证了该控制策略的正确性和试验平台的有效性, 也为实际设计车辆稳定性控制系统提供了理论基础关键词 : 车辆稳定性 ; 滑模变结构 ; 控制 ; 硬件在环中图分类号 :U461.6 文献标识码 :A 文章编号 : (009) Stuy o vehicle stability control an HLS experiment Wang Qiong,Zhang Guihua (School o Mechanical an Automotive Engineering, Heei University o Technology, Heei 30009, China) Abstract: This paper introuces the state o art o vehicle stability control an analyses the ynamic moels o vehicle. Using variable structural control the vehicle stability an maneuverability in critical situation is enhance. Finally, the LabVEW platorm is use to carry the HLS experiment o vehicle stability control. The valiity o the strategy an the platorm are prove, which provie a ounation o theory to esign o vehicle stability control. Key wors: vehicle stability;variable structure;control;hls 0 引言汽车在进行高速转向转向加速等操作时, 尤其在低附着条件下, 对驾驶员的响应会进入非稳定区间, 甚至导致汽车失控车辆稳定性控制系统 (vehicle stability control,vsc) 能够通过主动制动调节车轮纵向力大小及匹配从而产生主动横摆力矩作用于车身, 改善车辆转向稳定性, 因此受到普遍重视, 是汽车电控技术的研究前沿 [1-] 国外一些学者和公司对车辆稳定性系统进行了较深入的研究, 并有相关产品面世 Shibahara 等采用 β 方法相平面法描述汽车操纵稳定性 [3] ;Van Zanten 等基于线性二次最优控制原理开发了车辆动力学稳定性控制系统 [4] ; 国内的研究也取得了一些有益的成果王德平教授提出了具体的车辆稳定性判定准则并结合实例进行了定量分析 [5] ; 宋健教授总结了 DSC 研究的关键问题, 提出了带有预瞄控制的车辆稳定性控制系统 [6] 硬件在环仿真 (harware-in-the-loop simulation, HLS) 是一种将硬件嵌入软件环境的仿真方式, 在产品的开发时期具有重要的作用, 它能缩短开发的周期减少资金的浪费本文先就建立的轮胎制动器和整车模型进行了计算机仿真, 再使用硬件在环试验的方法进行了试验验证基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 ( ) 作者简介 : 王其东 (1964- ), 男, 教授,qiongw@hut.eu.cn

2 544 中国科技论文在线 Sciencepaper Online 1 轮胎制动器和整车模型的建立在进行车辆稳定性控制时, 控制系统中首先需要实现的就是轮胎模型制动器模型和整车模型 1.1 轮胎模型轮胎对车辆行驶动态特性影响很大, 尤其是在动力学仿真中, 轮胎模型的精度很大程度上决定了整个仿真结果的正确性郭孔辉院士于 1988 年提出了轮胎侧偏特性的一般理论模型, 本文即采用以此理论为基础的轮胎模型如图 1 所示, 假设车轮为刚体, 车辆在行驶过程中, 由于路面的侧向倾斜侧向风或曲线行驶时的离心力等作用, 车轮中心沿 Y 轴方向将作用一个侧向力 F y, 相应地在地面上产生侧向反作用力 F y, 即侧偏力 F y 图 1 轮胎的侧偏特性那么, 当 F y 未超过附着极限时车轮按 V x 方向行驶 ; 当 F y 达到附着极限时, 车轮沿 V 方向行驶, 偏离 V x 方向但由于车轮是具有弹性的, 车轮存在侧向弹性, 即使 F y 没有达到附着极限, 车轮也会偏离 V x 方向行驶, 产生侧偏现象假设轮胎橡胶块横向弹性系数常数为 C, 并且假定 C 没有方向性, 近似认为滑动摩擦系数与静摩擦系数相等同时摩擦系数不随方向变化, 由于侧偏特性的存在, 轮胎具有如下受力特性 : Fx = cs(1 q) + P uq (3 q) hs, Fy = c(1 S)(1 q) sinα + P uq (3 q) h tanα, (1) C q = tan α + S, 3uP 1 h =, tan α + S 式中 :F x 为车轮纵向力 ;F y 为车轮侧向力 ;C 为侧偏刚度 ;S 为滑移率 ;P 为轮胎所受正压力 ;u 为摩擦系数 ; α 为轮胎侧偏角 1. 制动器模型以盘式制动器为例, 对于这种制动器, 由于摩擦片第 4 卷第 8 期 009 年 8 月紧紧压在制动盘上而产生制动力距, 制动力距的大小取决于制动器的几何尺寸制动管路压力和摩擦片材料的摩擦系数略去车轮惯性, 则在车轮未抱死的情况下, 一个车轮产生的制动力矩为 Mb = ( p p0) Aη BR, () b 式中 :p 为制动时瞬时油压 ;p 0 为使制动盘刚刚和制动鼓接触时所需要的油压 ;B 为制动器系数 ;A 为车轮制动分泵面积 ;η 相当于分泵摩擦损失的效率系数 ;R b 为制动鼓等效半径 1.3 整车模型整车模型能反映出整车的驱动特性和稳定性, 是衡量各控制子系统响应效果的工具四轮独立制动是车辆稳定性控制的一个核心, 所以应避免使用简单的二自由度车辆模型取整车的纵向位移侧向位移和横摆角位移 3 个运动和 4 个车轮的回转运动为自由度来建立整车模型整车的力学特性可简化为如图所示, 其中 :δ 为转向轮转向角 ;F w 为迎风阻力 ;m 为车辆质量 ;a,b 分别为车辆重心离前后轴的距离 ;, r 分别为前后轮距 ;V 为车速 ;u 为车体在固定坐标系下的纵向车速 ;v 为车体在固定坐标系下的侧向车速 ;β 为车辆质心侧偏角 ;ω 为车辆的横摆角速度 ; 为车辆绕过质心 Z 轴的转动惯量 ;F xl,f xr,f xrl,f xrr 分别为前左前右后左后右轮纵向力 ;F yl,f yr,f yrl,f yrr 分别为前左前右后左后右轮侧向力图整车模型 Fig. Full car moel

3 009 年 8 月车辆稳定性控制及硬件在环试验研究 545 动力学方程如下所示 : m( u& vω) =[F xl +F xr ]cosδ-f y -F w - [F xl +F xr ]sinδ-f xrl -F xrr, (3) 效 ; 同理, 在内后轮上施加制动力时, 对于纠正不足转向效果最好详细关系如图 3 所示 [] m(v+ωu)=[f yl +F yr ]cosδ+[ F xl +F xr ]sinδ-f yl +F yrr,(4) xω& =[F yl +F yr ]cosδ a+[f xl +F xr ]sinα a -[F yrl +F yrr ]b-[f xl -F xr ]cosδ +[F yl -F yr ]sinδ -[Fxrl -F xrr ] 车辆稳定性控制策略设计及仿真. (5).1 控制策略分析采用在单个车轮施加制动力的稳定性控制策略在单个车轮施加制动力, 可以获得一个绕车身的附加横摆力矩 Δ M, 从而改善车辆的稳定性但是在前轮和后轮分别施加相等的制动力所产生的绕质心的横摆力矩将有很大的差别, 这是因为在不同的车轮施加制动力的时候, 由制动力引起的附加横摆力矩和由侧向力降低引起的附加横摆力矩效果不同 [7] 在转向时, 外前轮由制动力引起的附加横摆力矩和由侧向力降低引起的附加横摆力矩方向相同, 均与转向方向相反, 在此轮施加制动力对纠正过度转向最为有图 3 单个车轮制动力所产生的力矩 Fig. 3 The torque o wheel braking orce 为了简化问题描述, 车辆在轮胎附着条件允许的情况下如果能按照线性二自由度车辆模型所描述的转向特性运动, 汽车将是比较理想的, 也是稳定的因此, 国内外很多学者也把线性二自由度车辆特性作为车辆动力学稳定性控制的主要控制目标 [4] ω mvak 1s + lk1k ( s) =. (6) δ 1 mv s + [ ( k1 + k ) + m( a k1 + b k )] s + [ k1k l (1 + KV )] V 式中 :k 1,k 分别为前后轴的等效侧偏刚度 ;a,b 分别为质心到前后轴的距离 ;l 为前后轴的轴距,K 为车辆稳定因数,m 为整车质量 ;V 为汽车的前进速度 ;δ 为前轮转角 ;ω 为横摆角速度 ; 为汽车绕 Z 轴的转动惯量 l = a + b, m( bk ak1) K =. k k l 1 进行车辆动力学稳定性控制的根本任务就是辅助驾驶员实现其转向意图, 所以控制程序所做出的决策不能与驾驶员的意图相违背, 因此需要准确判断任何时刻车辆所需的横摆力矩本文中采用前轮转角 δ 前轮转角速度 & δ 和车辆的实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值 e 等 3 个指标来判断车辆状态 ( 其中 e=ω-ω ), 进而做出决策, 选择制动车轮详细决策如表 1 所示, 为了与仿真软件标定一致, 表中各物理量都是以向左为正向如表 1 所示, 其中有种情况, 虽然横摆角速度存在偏差, 但是系统却不做出任何操作, 这是为了避免与驾驶员的意图冲突另外, 为了防止汽车对状态偏差 e 反应过于灵敏, 需要进行状态偏差的灵敏度设计, 使得只有在汽车的实际状态与理想状态的偏差达到一定的程度时车辆稳定性控制才起作用, 进行横摆力矩的调整因此, 可以如下重新定义车辆的状态偏差 : e e+, 当 e > e+ ; e = e e, 当 e < e+ ; 0, 其他

4 546 中国科技论文在线 Sciencepaper Online 第 4 卷第 8 期 009 年 8 月表 1 制动车轮选择 Table 1 The choose o braking tire ω-ω δ & δ 车辆状态制动车轮过多转向右前轮过多转向右前轮过多转向右前轮不操作不足转向右后轮不足转向右后轮过度转向右前轮不足转向右后轮不足转向左后轮不足转向左后轮不操作过多转向左前轮过多转向左前轮过多转向左前轮不足转向左后轮过多转向左前轮设 C=[c, 1], 误差向量为 E = e, 则切换函数为 e& s= CE = c( x(1) ω ) + x() & ω, s& = c( x& (1) & ω) + x& () && ω = slaw. 其中,slaw 为趋近律, 得控制律 Δ M = (slaw + && ω c( x() & ω ) + a K + b Kr ak x(1) Vx δ. (7) 其中,C=[5, 1].3 典型工况仿真.3.1 阶跃转向工况仿真车辆初始速度为 80 km/h, 转向盘在 0.5 s 时开始转向, 历时 0.5 s, 前轮最大偏转角为 4.5 在没有加入控制的情况下, 由于惯性力的作用, 车辆在 1 s 左右时即失去稳定性, 无法跟随正常转向轨迹如图 5 和图 6 所示, 带有稳定性控制的车辆对理想车辆横摆角速度的跟踪效果比较好, 在达到 0.3 ra/s 的峰值之后迅速稳定下来, 侧向加速度也没有变得很大, 很快稳定下来, 车辆保持了很好的稳定性图 4 即横摆角速度有效偏差的示意图, 从中可以看出, 在 e 和 e + 之间的区域为稳定区域, 在此范围内控制器不起作用, 两侧为有效偏差区域, 控制器根据此时的状态偏差进行控制来减少横摆角速度的偏差值, 在实际控制中就用此偏差值来代替实际偏差图 5 横摆角速度仿真曲线 Fig. 5 Yaw rate 图 4 横摆角速度有效偏差示意图 Fig. 4 The eective warp o raw rate. 控制器设计本文将滑模变结构控制理论运用于车辆稳定性控制器的设计, 以横摆角速度 ω 为控制变量 [8] 令 x (1) = ω, x& (1) = x() 则 a K + b K ak r x&() = x (1) + 1 δ + Δ M. Vx 设指令信号为 ω, 则误差为 e= x(1) ω, 误差变化率为 e& = x() & ω 图 6 侧向加速度仿真曲线 Fig. 6 Lateral acceletation

5 009 年 8 月车辆稳定性控制及硬件在环试验研究单移线工况仿真 3 硬件在环试验的硬件及设计车辆初始速度为 80 km/h, 转向盘在 0.5 s 时开始转车辆稳定性控制系统的开发涉及到机械电子液向, 前轮最大转向角为 4.5, 历时 s, 先向左后向右, 压车辆建模软硬件的研制, 以及最终的实车试验验完成一个类似正弦的转向历程在没有进行控制的情况证等诸多方面, 其结构复杂, 非线性环节较多单纯采下, 转向盘左右交替变化产生极大的侧向加速度, 使得用理论分析或离线仿真的方法开发具有较高控制精度车辆无法正常完成移线工作, 且在 s 后发生了甩尾现和较好自适应能力的车辆稳定性控制逻辑, 是非常困难象, 车身激转而失去控制通过横摆力矩控制, 汽车的甚至是根本不可能的在车辆稳定性控制的硬件在环试横摆角速度在峰值达到 0.3 ra/s 左右迅速稳定下来, 继验中, 我们利用 N 公司的 LabVEW 开发工具, 采用续跟踪目标值, 侧向加速度也能很快减小, 使车辆保持 DAQ689 数据采集卡获取信号, 硬件在环试验方案如了很好的稳定性, 如图 7 和图 8 所示图 9 所示 [9] 图 7 横摆角速度仿真曲线 Fig.7 Yaw rate 图 8 侧向加速度仿真曲线 Fig. 8 Lateral acceletation 图 9 硬件在环试验方案 Fig. 9 The experimentation scheme o HLS PC 机主要用来在 Labview 下编写控制程序, 当运行程序时, 是通过网络把程序下载到 PX8196 控制器中 ;DAQ689 负责把来自各传感器信号采集进来, 送入控制器中进行相应的运算和处理, 经过控制算法的逻辑比较和判断, 发出控制信号, 并通过 DAQ 卡发出送往驱动电路, 以驱动制动压力调节机构的动作, 并最终实现对车辆的稳定性控制 3.1 电磁阀驱动方案电磁阀驱动电路主要完成把单片机发送的数字控制信号转换为驱动电磁阀工作的模拟电压信号, 如图 10 所示一般情况下, 由于电磁阀的工作电流为 1.5~.5 A, 而微控制器的输出电流远远达不到, 因此, 需要用功率驱动模块来实现电磁阀的驱动, 图 11 所示为电磁阀驱动电路板

.1 阶跃转向工况在阶跃转向工况下, 转向盘大约在 4 s 开始转动, 使转向轮偏转大约 5 左右, 此时车身的横摆角速度和侧向加速度如图 13 和图 14 所示图 11 电磁阀驱动电路板 Fig. 11 The PCB o solenoi valve 3.

6 548 中国科技论文在线 Sciencepaper Online 第 4 卷第 8 期 009 年 8 月图 10 电磁阀驱动电路图 Fig. 10 The circuit iagram o solenoi valve 分别模拟阶跃转向和单移线转向进行试验仿真分析工况为 : 仿真初始车速为 5 m/s, 路面附着系数约为 0.35 节气门开度为 40%, 车辆行驶在 4 档 3..1 阶跃转向工况在阶跃转向工况下, 转向盘大约在 4 s 开始转动, 使转向轮偏转大约 5 左右, 此时车身的横摆角速度和侧向加速度如图 13 和图 14 所示图 11 电磁阀驱动电路板 Fig. 11 The PCB o solenoi valve 3. 基于 LabVEW 的控制系统硬件在环试验制动力分配策略根据汽车行驶状态将控制横摆力矩分配到被控车轮, 转化为目标制动压力汽车稳定性控制系统通过电磁阀的开闭调节被控车轮的制动压力应用基于 LabVEW 的硬件在环试验平台 [10], 进行汽车稳定性控制系统的硬件在环的测试, 图 1 即为试验车及仪器设备图 13 横摆角速度行驶历程 Fig. 13 Yaw rate 图 1 试验车及部分仪器设备图 Fig. 1 The vehicle an some instrument 图 14 侧向加速度行驶历程 Fig. 14 Lateral acceletation

7 009 年 8 月车辆稳定性控制及硬件在环试验研究单移线工况在单移线工况下, 转向盘大约在 4 s 开始转动, 转向盘转角输入采用 0.5 H 左右的伪正弦输入, 转向轮最大偏转约 5, 此时车身的横摆角速度和侧向加速度如图 15 和图 16 所示图 15 横摆角速度行驶历程 Fig. 15 Yaw rate 图 16 侧向加速度行驶历程 Fig. 16 Lateral acceletation 试验结果表明, 车辆稳定性系统能够对车辆在转向过程的不足或过多转向进行干预, 能够提高车辆的行驶稳定性 4 结论本文通过对车辆稳定性控制基本原理的分析, 建立了车辆稳定性的控制逻辑, 设计了滑模变结构的控制器, 使用计算机仿真的方法验证了控制器的有效性并对车辆稳定性控制系统的硬件在环试验进行了研究, 主要基于 N 公司的 LabVEW 开发工具, 包括 DAQ689 数据采集卡进行控制系统信号的采集由试验结果可知 : 在阶跃转向和单移线工况下汽车的横摆角速度和侧向加速度得到了抑制, 从而提高了汽车的操纵稳定性, 同时也说明该仿真平台是有效的, 为以后实际设计车辆稳定性控制系统提供了理论基础 [ 参考文献 ](Reerences) [1] Schule Bg, Lissel E. Anti-slip regulator system [J]. nt J o Vehicle Design, 1987, 18(1): [] Dave Crolla, 喻凡. 车辆动力学及其控制 [M]. 北京 : 人民交通出版社,004. Dave Crolla, Yu Fan. Vehicle ynamics an control [M]. Beijing: China Communications Press, 004.(in Chinese) [3] Shibahata Y, Shimaa K, Tomari T. The improvement o vehicle maneuverability by irect yaw moment control [J]. Vehicle System Dynamics, 1993, (5/6): [4] Anton van Zanten, Rainer Erhart, Georg Pat. VDC, The vehicle ynamics control system o bosch [J]. SAE paper, No [5] 王德平, 郭孔辉. 车辆动力学稳定性控制的控制原理与控制策略研究 [J]. 机械工程学报,000,36(3): Wang Deping, Guo Konghui. Research on the principle an tactics o vehicle ynamics stability control [J]. Chinese Journal o Mechanical Engineering, 000, 36(3): (in Chinese) [6] 李亮, 宋健, 祁雪乐. 汽车动力学稳定性控制系统的研究现状与发展趋势 [J]. 农业机械学报, 006, 37(): Li Liang, Song Jian, Qi Xuele. nvestigation an evelopment o vehicle ynamics stabilitycontrol system [J]. Transactions o the Chinese Society or Agricultural Machiney, 006, 37(): (in Chinese) [7] 郭孔辉, 丁海涛. 轮胎附着极限下差动制动对汽车横摆力矩的影响 [J]. 汽车工程, 00, 4(): Guo Konghui, Ding Haitao. The eect o yaw moment through ierential braking uner tire ahesion limit [J]. Automotive Engineering, 00, 4(): (in Chinese) [8] 刘金琨. 滑模变结构控制 MATLAB 仿真 [M]. 北京 : 清华大学出版社, 005. Liu Jinkun. MATLAB simulation o the sliing moe variable structure control [M]. Beijing: TsingHua University Press, 005. (in Chinese) [9] N PX-8195/8196 User Manual [M]. National instruments corporation.march 005 Eition Part, Number A-01. [10] 杨乐平, 李海涛, 杨磊, 等. LabVEW 程序设计与应用 [M]. 版. 北京 : 电子工业出版社,005. Yang Leping, Li Haitao, Yang Lei, et al. The esign an application o Labview programme [M]. r e. Beijing: Electronics nustry Press, 005.(in Chinese)

4 6 ω m = θ m T m T L = K r θ m - Gθ e K r G - electric power steering EPS ECU 转矩转矩传感器电压车速 2 减速机构 EPS EPS 3 T h 兹 s T sen I T m PID a 兹 e T w EPS EP

4 6 ω m = θ m T m T L = K r θ m - Gθ e K r G - electric power steering EPS ECU 转矩转矩传感器电压车速 2 减速机构 EPS EPS 3 T h 兹 s T sen I T m PID a 兹 e T w EPS EP 6 9 22 9 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL Vol. 6 No. 9 Sep. 22 EPS 2. 23 2. 23 EPS PID 76% 7% 4 km /h 28% ~ 32% 4% PID TP 29 U 463. 4 A 7-449X 22 9-3- 6 Reverse assistance control and tests of electric vehicle