汽车底盘集成控制系统组成和工作原理分析-副本

自从20世纪80年代以来，为了提高汽车性能，人们开发了各种各样的底盘主动控制系统。这些系统按汽车运动方向可以分为3类:纵向的制动和驱动控制、横向的转向和横摆力矩控制以及垂直的悬架控制。目前汽车底盘的电子控制系统几乎毫无例外地围绕某一功能来开发，并通过轮胎与地面间的接触力产生作用。

由于汽车各个方向的运动并非独立，而是相互联系,相互影响，因此具有以下特征：（1）各个控制系统的控制目标不一致，如主动悬架的主要控制目标是舒适性，四轮转向的主要控制目标是操纵稳定性，将两者集成时会由于控制目标不一致而冲突；（2）各个控制系统对执行器的控制存在干涉，如制动器同时受到驾驶员、防抱死系统ABS和电子稳定程序ESP 等的控制；⑶同一控制目制可以由多个控制系统完成，如转向时的操纵稳定性可以由主动前轮转向AFS、主动后轮转向ARS和ESP等来实现。此外还存在基于反馈的控制存在时间和相位的滞后，系统的冗余度较大，尤其是传感器冗余。底盘集成控制是当前底盘的研发热点，因为它有着传统控制无法比拟的优点，具体如下。（1）消除各系统间的冲突如四轮转向可以改变汽车的横向运动，同样通过制动力控制也可以改变汽车的横向运动，集成控制能实现两个系统各自以合适的幅度向同一个方向作用,消除可能存在的冲突。（2）改善车辆性能如在装有ABS的车辆上若安装形式为“高选择”则在分离附着系数路面上会产生横摆力矩,导致车辆失稳；若安装形式为“低选择”又没有充分利用路面附着系数导致制动距离延长。通过ABS和4WS的集成控制既能充分利用路面附着系数，缩短制动距离,又能保证车辆稳定性。（3）减少传感器很多控制系统所需要的传感器信号是相同的，可以通过集成实现传感器共享，还可以充分利用状态估计等方法来估计一些车辆的状态参数，减少传感器的数量，降低控制系统的成本。（4）降低系统复杂性。随着底盘电控系统数量的不断

增加，控制器、传感器和执行器都大大增多，造成电子线路复杂，布局混

乱, 成本上升,还造成检修和维护的困难。集成控制从系统工程的角度，

整合现有的控制器，简化系统结构,大大降低系统的复杂性。

丰田的FXV2II研究实验车上装备有主动悬架AS、四轮驱动4WD、四轮转向4WS、ABS和牵引力控制系统TCS,控制器按照驾驶员意图，根据一定的控制规律控制执行器，以达到优化整车性能的目的。Continentai 公司在ESP的基础上增加主动转向系统，开发了ESP II,其中集成了ABS、TCS、DYC( direct yaw moment control) 和AFS 等控制系统。最基础的控制能力如制动防抱死、驱动防滑及转向功能依然由底层的ABS、TCS和AFS独立完成。汽车的转向稳定性功能则由ESP II控制层统一管理，ESP II通过网络获得AFS、ABS、TCS和ESP的所有信息，并通过网络向这些系统传达控制指令。ESP II比ESP有着更好的性能，在附着系数分离路面上能缩短制动距离，减少驾驶员转向输入；在换道试验时也减小了驾驶员输入，提高了车辆的稳定性。

在底盘集成控制中通常采用两种结构，一种是集中控制，另一种是协调控制。集中控制用一个控制单元汇总所有的信息，包括传感器信息和状态估计信息，通过多目标的全局优化算法统一控制所有的执行器，如图4所示。这种控制方式的集成度很高，用一个集中控制器取代了原有的各个子系统的控制器。。通过仿真和试验，这些集中控制能减小车辆的侧偏角，缩短制动距离，也减少了驾驶员的输入，取得了较独立控制更好的效果。但集中控制存在以下缺点：(1)车辆的数学模型复杂，在设计控制器时存在困难，为了降低设计难度，常常采用简化的线性模型，这样设计出来的控制器在线性范围里是可行的，但当车辆状态超出线性范围时，控制效果难以保证；⑵集中控制完全抛弃了原来的控制器，重新设计，开发周期长，不便于分工协作，这不利于汽车工业的发展。

汽车底盘的集成控制是一个多系统相互影响，相互作用的复杂系统工程，具有以下特征。（1）不同的控制系统经常共用同一传感器、执

行机构、甚至电子控制单元。如轮速传感器的信号几乎被所有的底盘控制系统所使用。或者共同来控制。如汽车在离散型路面上制动时方向稳定性可通过ABS、ESP、AFS和RWS来控制。（3）同一个控制系统可能会对多个变量同时进行控制，并且拥有多个执行机构。如TCS的控制变量有车轮的滑转率和车轮的角加速度，其执行机构有

发动机节气门开度的调节器和轮缸里制动液压的调节装置。（4）同一个控制变量同时受不同的控制系统所控制。如车轮滑动率同时受

ABS和ESP的控制。

汽车底盘集成控制系统主要由：汽车防抱死制动系统ABS、牵引力控制系统TCS、汽车动力学电子稳定控制系统、主动前轮电动助力转向系统、主动前轮叠加转向系统、后轮转向系统、汽车悬挂系统、主动横向稳定器等组成。

1、汽车防抱死制动系统ABS : ABS基本上都是由电子控制单元（ECU）、轮速传感器和制动压力调节装置等组成。新型的ABS基本上都使用由2位2通道电磁阀、低压储液室、电动泵组成的压力调节装置。

根据不同工况阶段，压力调节装置可进入4种不同的压力调节模式：普通制动、保压制动、减压制动和增压制动。新型的ABS基本上都使用由2位2通道电磁阀、低压储液室、电动泵组成的压力调节装置。根据不同工况阶段，压力调节装置可进入4种不同的压力调节模式：普通制动、保压制动、减压制动和增压制动。新ABS是在传统的制动系统里串联进去了制动压力调节装置，传统的制动系统不需改动。即使ABS发生故障，传统制动性能照常工作。

2、牵引力控制系统TCS:当汽车驱动轮的驱动力矩过大时，驱动轮会相对地面作滑转运动。一般希望驱动轮的滑转率不要超过20% ,这样不仅能获得最大的地面驱动力，而且驱动轮还能承受一定的侧向力。这种对驱动轮滑转率进行控制的系统称为TCS系统。TCS同ABS共用同一个ECU。只是

在软件部分增加了TCS的运算、监测和控制模块。TCS 的ECU根据传感器的输入信号，来识别和判断汽车的行驶状况。如发现汽车驱动轮的滑转率超出相应的门限值，TCS系统将对执行机构发出相应的控制调节指令。其执行机构分为发动机节气门调节机构和驱动轮制动压力调节装置两部分TCS制动压力调节装置（图4）是在ABS制动压力调节装置的基础上，对每个制动回路增加2个电磁阀（隔离阀和低压阀）。在进行BTCS控制时，隔离阀断开，低压阀连通，低压油从制动主缸由电动泵输送到驱动轮制动轮缸里，产生所需要的轮制动压力。

3、汽车动力学电子稳定控制系统：ESP是通过调节车轮纵向力大小及匹配来控制汽车的横摆运动，使汽车具有良好的操纵性和方向稳定性的主动安全控制系统。ESP的基本原理是通过传感器和运算逻辑来识别驾驶员对汽车的期望运动状态，同时测量和估算出汽车的实际运动状态。当两者之间的差大于给定的门限值时，按一定的控制逻辑对车轮的纵向力大小进行相应的控制和调节，使作用在汽车上的横摆力矩发生变化。附加的横摆力矩迫使汽车作相应的横摆运动，让汽车的实当汽车在弯道行驶时，如果汽车行驶轨道和驾驶员所期望的轨道不一致，ESP系统会通过制动压力的干预或者发动机输出转矩的调节，来改变汽车的运动。当汽车的实际运动曲线半径小于驾驶员所期望的轨道半径时，汽车有过度转向的特征。此时，ESP在汽车的前外轮施加一个制动力。一方面，制动力对汽车产生一个横摆回正力矩；另一方面，由于制动力的增加，作用在此车轮上的侧向力会相应减小，从而产生另一个横摆回正力矩。汽车在这两个附加回正力矩的作用下会返回到驾驶员所期望的轨道上来。当汽车有不足转向时，ESP有两种干预方法。其一是在汽车的后内轮施加一个制动际运动状态更接近驾驶员对汽车的期望运动状态。力，使汽车的横摆运动加剧，让汽车返回到驾驶员所期望的轨道上来；另一种是减小发动机输出转矩，相应的驱动力也随之减小，汽车将作减速运动。此时，前轴的法向力增大，后轴的法向力