汽车稳定性控制
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飞飞
【a)Under Steer
(b)Over Steer
图2 ESP的横摆力矩控制(a)防前轮侧滑(b)防后轮侧滑
一般来说,主要有三种情况ESP需要对驱动力矩进行控
制。
(1)在驱动工况下,为了产生稳定横摆力矩,必须控制驱
动轮的平均驱动力矩和所需的驱动轮间的制动力矩差(即锁止 力矩差值);
(2)在严重不足转向的情况下,因车速过快,仅仅用制动
万方数据
了直接对汽车横摆运动进行控制的概念,即DYC[13】【141。它判断 驾驶员的转向意图,并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来 调节汽车的横摆运动,来保障汽车的稳定性。
随着ABS和TCS的成熟,汽车的驱动力和制动力已经 比较容易控制。再说,驱动力和制动力的控制对汽车的具体设 计也没有特殊要求。即使轮胎侧偏力接近饱和,轮胎仍有一定 的裕度产生来产生纵向力。而主动转向系统则不能进一步产生 足够的侧向力控制汽车运动。因此,当侧偏角变得更大,轮胎 侧向力接近饱和时,尤其在低附着路面上,DYC比主动转向系 统有更高的有效性,即在汽车动力学和轮胎特性的非线性范围 内DYC是更有效的。所以,通过对驱动力和制动力的控制实现 稳定横摆力矩是最通用的方法,也是目前商业化ESP实现稳定 横摆力矩的方法。
可控悬架系统通过控制前后轴的侧倾力矩分布,改变车 轮上的垂直载荷分布,进而影响侧向力,这样可产生稳定横摆 力矩改善汽车操纵稳定性能【12】。它必须在很大的侧向加速度作 用下才有效,当侧向加速度小于0.59时,其控制效果不明显。再 者,控制效果也取决于垂直载荷分布。
在上世纪90年代初,通过对汽车稳定性进行分析,提出
由于车轮位置的不同,通过制动力所产生的稳定横摆力 矩的能力也不一样。一般来说,前外轮最能提供外向的横摆力 矩,对控制过度转向比较有效,而后内轮能最有效地给予内向 的横摆力矩,对控制不足度转向比较敏感。Bosch和Continental Teves公司的ESP就是利用这个原理。当不足转向时,施加制动 力于后内轮,当过度转向时,施加制动力于前外轮,如图2所 示。
力控制已超出其极限,这时,必须通过降低发动机的驱动力矩
来使汽车减速。这对于前轮驱动的汽车效果更好;
(3)在严重过度转向的情况下,也因车速过快,仅仅用制
动力控制已超出其极限,这时,必须通过降低发动机的驱动力
阿嚼F茎虱一汽车l P厂磊矿一j 矩来使汽车减速。这对后轮驱动的汽车效果更好。 ___________一一 J!—u二j_— 到—!l}
主动转向系统(如主动前轮转向,主动后轮转向,4WS): 控制前/后轮转向角;
可控悬架系统(如主动悬架,防侧倾稳定杆,可控阻尼减 振器):控制前后轴侧倾力矩的分布;
DYC(Directyaw control,直接横摆力矩控制):控制驱动 力和制动力。
受汽车本身的限制,前两种方式不普遍。要通过控制车轮 转向角来实现控制汽车的横摆稳定性,汽车必须具有主动转向 系统。要控制作用在车轮上的垂直载荷分布,汽车必须具备可 控悬架系统。
图4 ESP控制结构图 主回路横摆力矩控制器,控制整车的运动,它根据汽车行 驶时的动态变量,计算名义横摆角速度。如果实际测量值偏离 名义值,主控制器产生稳定横摆力矩,并将其转化为副回路的 设定值,即名义轮滑移率值。副回路是制动和驱动滑移率控制 器(即ABS和TCS),输出为执行机构的控制信号,包括轮的制 动压力和发动机输出力矩。这样通过控制轮滑移率产生制动力 和牵引力,获得汽车稳定横摆力矩,使横摆角速度和侧偏角跟 踪其名义值。 在驱动工况下,为了产生所需要的横摆控制力矩,从横摆 力矩控制器获得被控变量:驱动轮的平均驱动滑移率、驱动轮 间名义制动力矩差、驱动轮间所允许的滑移率差值的名义值。 驱动滑移率控制器的输出为驱动轮名义制动力矩,节气门开度 所调整的发动机名义驱动力矩,名义的点火延迟力矩,燃料喷 射应该切断的发动机的油缸数及其切断时间。 4.2控制算法 大量文献已经阐述针对ABS、TCS、4WS、主动悬架、DYC 等系统的高级控制算法。但由于汽车动力学的高度非线性和汽 车参数的不确定性,商业化的ESP控制逻辑还是主要基于实验 的知识。许多研究者提出非线性控制设计算法如自适应控制
h到100㈨之间行驶的汽车发生的交通事故中,大约40%是与
汽车侧向失稳有关。车速越高,由于汽车失稳引发的交通事故
与功能大体一致,本文统一用ESP。这些汽车生产商家有的把 ESP作为标准配置,有的作为选装设备。例如,自1999年, Mecedes—BeIlz就把EsP作为其生产的轿车标准配置。
于侧向失稳而造成的。如何提高汽车行驶安全性是现代汽车研
l
n丽磊i]+———一
图3 集成的底盘操纵稳定性控制 既然DYC不能用任何的侧向力为控制,它不能直接控制 侧向运动。这样DYC、主动转向系统和主动悬架的集成控制能 弥补彼此的缺陷,实现最有效的底盘的操纵控制[15][16】[17l【lsl。目 前汽车制造商和供应商己经开始联手研究和开发整体式底盘 控制系统。ESP、悬架控制系统、转向控制系统集成的底盘控制
l
;(BUICK,Cadillac),AdvanceTrac
l(Ford,LINCOLN),Vehicle Dyll锄.
i;icsCo’ntrol--VDC(NISSAN。),Ve- hicle stability cont r01一vsc
步,现代汽车的行驶车速得到极大提高。据统计,车速在80hIl/
主动转向系统在汽车的线性范围内(侧偏角和驱动/制动 力较小时),通过控制前后轮转向角能够影响轮胎的侧向力,减 小汽车的侧偏角,比较有效的改善汽车的侧向稳定性和操纵性 能【10】。但当汽车的运动处在很大的非线性状态时,如在高速大 转弯、猛烈刹车或加速时,车轮侧偏刚度迅速下降。汽车对转 向己没有响应或响应很有限,尤其是当车轮与路面的作用力达 到附着极限时,汽车就失去转向能力…]。
t隗er 川s
DSC3[6】。Continental Teves公司也以MK60液压调节器为基础 进行ESC(Electronic Stability Contr01)(昀研制与开发【71。Bosch和 Continental Teves是世界汽车技术的两个最大供应商,也是ESP
扩“”“”。
图1 不足转向(Under Steer,y‘’,d)与过度转向(OverSteer,y’y d)
汽车稳定性控制一般认为出现在1995年。1995年,Bosch 公司提出了VDC的概念【2】,后称ESpP]。TOYOTA公司也提出 了VSC的概念[41[51。1996年BMW公司和Bosch公司合作推出了
ESP可分为两类问题:一类是轨迹保持问题,可由汽车的 质心侧偏角来描述;另一类是稳定性问题,可由汽车的横摆角 速度来描述。ESP以横摆角速度和质心侧偏角作为被控变量,它 们之间是互相耦合的。Bosch的ESP以横摆角速度y为主要控制 目标,而TOYOTA的VSC以质心侧偏角∥为主要控制目标。
‘一。’…。 不同的汽车生产商~对1’汽’车’稳’定。性…控一制一系…统 ”有 ’’不’同’的’名
Key words:Vehicle stability control(Vsc);ESP;stabilizing§
yaw moment;integrated chassis control
§
1
..
1引言
2 ESP的基本原理
究的重要课题之一。 1986年12月,Bosch公司第一次将ABS(Anti—lock Brak.
ing System,制动防抱死系统)和TCS(TractionControl System, 牵引力控制系统)控制技术相结合应用于Mecedes S级轿车上 [1]。Ad3S和TCS都只是在加速和减速时工作,通过控制纵向滑 移率保证汽车在制动和驱动时的纵向动力学性能,防止制动时 轮抱死和驱动时轮打转,同时达到间接控制在减速和加速时的 侧向稳定性。在极限转向工况下,所受的侧向力接近轮胎与地 面的附着极限或达到饱和而引起的汽车不足转向和过度转向 时,汽车将丧失操纵稳定性,ABS和TCS对此无能为力。因此, 汽车稳定性控制系统不但要有ABS与TCS的功能,而且要在所 有行驶工况下,能够自动并及时地帮助驾驶员改善汽车侧向稳 定性,以防止汽车侧滑、甩尾、侧翻,这是时代对汽车提出的 一种新型的主动安全要求。
⑩ 关渣4舭棚.艨述-
文献标识码:A 文章编号:1003—0492(2005)04—0022—03 中图分类号:TP273
汽车稳定性控制
Vehicle Stability Control
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陵肇藏匿霹
关键词:汽车稳定性控制;电子稳定控制系统;稳定横摆力矩;
ii、j≯鹫峰鞘眵期嘲潺麴雾_||||囊睡攀i鹱獭攀i鎏簌精辩薹鬻懿蒺藏l 男,教授,博士生导师,主要研究方向为非线性控制,汽车电子等。
22 万j?方≯_数;?据i
匕案述.4彻琥Ⅵ渡关! ⑩
式中K:竺!生竺!二生:生!是稳定性因数,‘Cr一孵称作稳
u|CfC,
定裕度,v,为车辆纵向速度,6,为前轮转向角,,为轴距,I为 汽车重心到前轴的距离,,,为汽车重心到后轴的距离,o e分 别代表整个前轴、后轴的侧偏刚度。
收稿日期:2005—07—1l
基于驾驶员的转向输入和汽车速度,名义横摆角速度可
作者简介:郑水波(1977一),山东青岛人,博士生,主要研究方向为车 辆动力学稳定性wenku.baidu.com制算法,汽车电子等;韩正之(1947一),男,浙江宁波 人,教授,博士生导师,主要研究方向为非线性控制;唐厚君(1957一),
乃2葡 用下式计算【21: 攻万,1
当汽车前轮侧向力达到附着极限时,会产生汽车的“漂
移”(Drift.out)现象,在这种情况下,汽车的转弯半径比驾驶员 所期望的要大,导致不足转向(Under steer),这时横摆角速度y 小于名义横摆角速度y。。当后轮侧向力达到附着极限时,会产 生汽车的“激转”(Spin.out)现象,转弯半径比驾驶员期望的小, 导致过度转(Over Steer),这时横摆角速度y大于名义横摆角 速度y。,汽车产生较大的横摆角速度和侧偏角,驾驶员很难控 制汽车。汽车不足与过度转向如图1所示。
缸压力传感器的信号、油门踏板位置判断驾驶员的驾驶意图,
计算出名义的汽车运行状态值。Ecu根据检测得到的实际汽车
状态与名义汽车状态的误差,通过控制逻辑计算出稳定横摆力
矩,使汽车按驾驶员预定的轨迹行驶。
3稳定横摆力矩(Stabilizing Yaw Moment)
通过影响前后轴侧向力的平衡或差动制动力可产生稳定 横摆力矩。通常有如下几种方案可以实现:
23
⑨ 关渣4彻确加.蒙述-
睽艮嚼酴彭黢醪鬣
系统如图3所示。
4 ESP的控制逻辑
典型ESP是基于DYC原理的,它包括: (1)传统制动系统:真空助力器、管路和制动器; (2)传感器:4个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向 加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器; (3) 其它:液压调节器、汽车稳定控制电子控制单元 (ECU)和辅助系统发动机管理系统。 4.1 ESP控制结构 ABS系统和ESP系统的重要区别是:ABS以车轮作为被控 对象,通过控制轮速避免轮被抱死;而ESP系统以汽车作为被 控对象,通过控制汽车运动使其偏离名义运动尽可能小。 Bosch的ESP是其中比较典型的控制方法之一,采用多回 路控制方法(Multi.Loop Contr01),分为主回路和副回路,其结 构如图4所示。
值∥。必须控制在小的可允许的范围内,如果考虑为0,即为零 侧偏控制。
当轮胎侧向力接近附着极限时,汽车将丧失稳定性。但汽
车的中性转向(Neutral Steer)和稍微转向不足,就能使汽车具有
操纵稳定性。因此ESP的控制原理为:ESP的ECU(Electronic
ControlUnit,电子控制单元)根据方向盘转角传感器、制动主
如果路面附着系数足够高,4(1)这种关系表现出良好的
性能。但是在低附着路面上,采用式(1)计算的名义横摆角速度 已不可取。当汽车的侧向加速度不能大于最大的附着系数时,
名义横摆角速度可用如下界定吲:
|九Isl∥。g/匕|
(2)
为了降低成本,目前商业化的ESP没安装传感器直接测量
质心侧偏角∥,只能通过估计算法得到其估计值【9】。名义侧偏角