典型车辆动力学稳定性控制系统及关键技术

控制地面切向反作用力可以控 制车辆的转向特性，如通过改变总 的切向反作用力的 ＴＣ Ｓ，电子控制前
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轻型汽车技术 ２００６（１１）总 ２０７
图 ２ Ｂ ｏｓｃｈ 公司 Ｖ Ｄ Ｃ 控制模块简图
后轮间切向力分配比例的四轮驱动控制（４Ｗ Ｄ ）。 通过调整内外侧车轮驱动力的分配比例侧向分配产 生的横摆力矩来提高汽车的操纵稳定性的控制方法 称为直接横摆力矩控制。通过调整前后轮间切向力 分配比例的控制方式称为间接横摆力偶矩控制。 Ｄ Ｙ Ｃ 可直接控制左右车轮上的驱动力和制动力，产 生横摆力矩来精确控制汽车的侧向运动，其最大优 点是产生所需横摆力矩时不受汽车运动状态的影 响，因此汽车的运动对外界干扰具有鲁棒性，是改善 汽车主动安全性能的最有前途的底盘控制方式［１６］。
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增量 ＰＩ算法［６］。王德平提出了基பைடு நூலகம்质心侧偏角的稳 定性判定准则，设计了发动机节气门和制动力矩调 节的逻辑门限值控制算法［７］。赵治国对 Ｖ Ｄ ＳＣ 控制算 法进行了较深入的研究，不考虑发动机控制，仅依赖 前后轴制动力分配对车辆进行横摆力矩控制，并设 计了对应 Ｖ Ｄ ＳＣ 变结构控制器［８］。
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设计·研究
轻型汽车技术 ２００６（１１）总 ２０７
典型车辆动力学稳定性控制系统及关键技术
朱忠伦
（安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系）
摘要 车辆动力学稳定性控制系统是在全工况下监控车辆的运行状态，极大限度地改善 车辆高速弯道行驶或受大的侧向力作用时的操纵稳定性，是一项新型主动安全技术。论 文基于典型车辆动力学稳定性控制系统介绍其结构及算法实现，并就控制变量的确定 及横摆力矩控制算法研究进展进行了详细分析，最后总结了 Ｖ Ｄ ＳＣ 实现的关键技术。 论文的研究对于促进和提高我国在这一领域的自主开发能力具有积极意义。 关键词：动力学 稳定性 控制系统 直接横摆 力矩 控制 关键技术
同时表示。在 Ｖ Ｄ ＳＣ 控制算法中不 同公司倾向于横摆角速度控制或质 心侧偏角控制或二者联合控制，如 Ｂ ｏｓｃｈ 的 Ｅ ＳＰ 主要采用横摆角速度 控制变量，估计的质心侧偏角在特 殊工况下才使用 ［２］；Ｔｏｙｏｔａ 和 Ｈ ｏｎｄａ 采用质心侧偏角控制，Ｔｏｙｏｔａ 在其新 产品中也开始考虑横摆角速度＋质 心侧偏角控制［１０］；其它的还有横摆角 速度控制＋质心侧偏角控制＋主动 转向控制［１３］－［１４］，横摆角速度控制＋质 心侧偏角控制＋侧翻控制［１５］等。
４ 关键技术
Ｖ Ｄ ＳＣ 关键技术包括 ① 汽车运动状态变量的 估计，包括实际运动状态变量和驾驶员行车意图即 车辆名义运动状态变量。横摆角速度和质心侧偏角 是表征车体运动的基本参数，其名义值基于路面附 着系数、转向角和车体速度估计得到，横摆角速度 实际值由传感器测得，质心侧偏角需观测器估计。 实际中采用较多的是利用 Ｋ ａｌｍ ａｎ 滤波构造系统观 测器对车辆动力学参数进行估计［２５］。② 控制力矩的 计算及 Ｄ Ｙ Ｃ 和 Ａ Ｂ Ｓ／ＴＣ Ｓ 的切换问题。名义附加控
图 １ Ｈ ｏｎｄａ Ｖ Ｓ Ｃ 控制系统框图
控制器根据方向盘转角、制动主缸压力、油门踏板 位置信号等判断驾驶员的行车意图并计算出名义 车辆运行状态参数值（常用横摆角速度和质心侧偏 角表征），然后根据传感器量测的横摆角速度、纵向 和侧向加速度、估计的路面信息、Ｃ Ａ Ｎ 总线传递过 来的发动机和传动系信息等计算车辆实际运行状 态参数并与名义计算值比较，如果偏离达一定程度 则根据控制逻辑算法计算出横摆力矩，并转化为内 循环车辆滑动率控制名义变量设定值。驱动滑转率 控制器应用在车辆起步或加速时驱动轮控制中，否 则应用制动滑移率控制器，其名义被控变量有驱动 轮的平均驱动滑转率、驱动轮间制动力矩差及允许 的驱动滑转率差值等；制动滑移率控制器也可作用 于驱动轮锁止力矩控制。通过 Ａ Ｂ Ｓ／ＴＣ Ｓ 控制器及其 执行机构，控制车轮滑动率产生制动力和牵引力获 得稳定横摆力矩，使横摆角速度和质心侧偏角跟踪 其名义值，汽车按驾驶员预定的轨迹行驶。
分布及幅度控制产生一横摆力矩使车辆保持在中 性转向稍偏过多转向的状态，由于减小了侧向力或 者增大侧向力潜能提高了稳定性，大大提高了汽车 的主动安全性。据欧洲事故调查中心对欧洲五国近 五年交通事故调查统计表明：Ｖ Ｄ ＳＣ 能够对 １８％的 交通伤害事故，３４％的致命交通事故产生一定的有 力作用［１］。
论文基于典型 Ｖ Ｄ ＳＣ 介绍车辆动力学稳定性控 制系统的结构及算法实现，并就控制变量的确定及 横摆力矩控制算法研究进展进行了详细分析，最后 总结了 Ｖ Ｄ ＳＣ 实现的关键技术。
１ ＶＤＳＣ 国内外研究进展
自 ９０ 年代初，国际上有影响的几个大汽车公 司一直致力于 Ｖ Ｄ ＳＣ 技术的开发和研究。通常认为 最早提出 Ｖ Ｄ ＳＣ 概念的是 Ｂ ｏｓｃｈ 公司在 １９９５ 年， Ｈ ｏｎｄａ 公司自 １９９４ 年也进行了直接横摆力矩控制 （Ｄ ｉｒｅｃｔＹ ａｗ Ｃ ｏｎｔｒｏｌ，Ｄ Ｙ Ｃ ） 系统方面的研究 。 ［２］－［４］ １９９６ 年 Ｂ Ｍ Ｗ 公司和 Ｂ ｏｓｃｈ 公司合作推出了 Ｄ ＳＣ ３［５］。 目前 Ｂ ｏｓｃｈ 公司和 Ｃ ｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ Ｔｅｖｅｓ 公司是 Ｖ Ｄ ＳＣ 的主要开发商和供应商。我国对 Ｖ Ｄ ＳＣ 的理论研究 才刚刚起步，程军采用相平面的分析方法分析了车 辆质心侧偏角和横摆角速度的稳定域以及 Ｖ Ｄ ＳＣ 与 Ａ Ｂ Ｓ 的结合与切换问题，其中 Ｖ Ｄ ＳＣ 控制算法采用
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制力矩通过车辆实际和名义状态变量差值计算得 到，最终体现在车轮纵向力的调整上，Ａ Ｂ Ｓ／ＴＣ Ｓ 需要 将车轮滑动率控制在稳定状态，所以存在 Ｄ Ｙ Ｃ 与 Ａ Ｂ Ｓ／ＴＣ Ｓ 的结合和切换问题。③ 道路识别，包括路 面－轮胎附着特性和道路倾角（Ｂ ａｎｋ Ａ ｎｇｌｅ）等。轮 胎的纵向力和横向力决定于滑移率、侧偏角和垂直 载荷，因此滑移率是 Ｖ Ｄ ＳＣ 中的基本变量。通常 Ｖ Ｄ ＳＣ 中布置两个垂直单轴 Ｍ Ｅ Ｍ Ｓ 加速度计与车体 纵轴成 ４５ 的车体 Ｘ －Ｙ 平面内，在道路倾斜时需要 对测量值进行修正，特别在低附着路面道路倾角对 控制器的性能影响较大。文献［２６］基于二自由度车辆 模型提出了实用的道路倾斜角的估计方法并进行了 试验对比。
二十世纪 ９０ 年代末，关于 Ｄ Ｙ Ｃ 控制的文章开 始大量发表，对 Ｄ Ｙ Ｃ 的研究开始成为汽车主动底盘 控制研究的热点。Ｓｈｉｂａｈａｔａ 讨论了由轮胎侧偏力产 生的横摆力矩随汽车质心侧偏角的变化关系［１７］。他 指出车辆质心侧偏角的增加和回复横摆力矩的降低 是导致汽车在临界条件下丧失稳定性的根本原因； 附加的横摆力矩会恢复汽车的稳定性，特别是在汽 车动力学的非线性区域内这种作用非常明显。基于 这一思想，一些通过横摆运动检测质心侧偏角，并通 过横摆力矩控制来改善汽车操纵稳定性的方法和硬 件解决方案陆续被研究出来。
３ 控制变量的确定及横摆力矩控制 算法研究进展
横摆角速度是描述车辆横向运动的基本状态 变量，横摆角速度控制就是使实际车辆的横摆角速 度等于名义横摆角速度。通常车辆在高附着系数路 面运动，侧向加速度（用重力加速度 ｇ 表示）小于路 面的附着系数时车辆能跟踪理想名义运动；而在低 附着系数路面，车辆不稳定时质心侧偏角迅速加 大，车辆的运动状态需要质心侧偏角和横摆角速度
汽车弯道行驶时，前驱车辆加速时由于前轴载 荷减轻，轮胎侧偏刚度减小，在提供相同侧偏力时的 轮胎侧偏角必然增大，以及悬架等的不足变形转向 设计等，车辆有强不足转向特性；同理对于制动车辆 有过多转向特性。特别在低附着系数路面或大曲率 半径路面受大的侧向干扰或加速、制动时车辆所受 侧向力接近附着极限或者达到饱和时，车辆会丧失 动力学稳定性。前轴达到侧向力附着极限时会产生 “漂移”现象，车辆转弯半径增大；后轴达到侧向力 附着极限时会产生“激转”现象，车辆转弯半径减 小。Ｖ Ｄ ＳＣ 通过控制四个车轮的纵向力和侧向力的
Ａ ｂｅ 通过台架试验轮胎模型研究了质心侧偏角 的估计方法；通过仿真指出在侧偏控制方面 Ｄ Ｙ Ｃ 比 ４Ｗ Ｓ 具有更高的稳定性控制能力，在补偿由于轮胎 非线性而引起稳定性丧失方面，以侧偏角作为控制 目标 ＤＹＣ 性能优于以横摆角速度为控制目标的 Ｄ Ｙ Ｃ 控制［１８］－［２０］。
Ｎ ｉｓｈｉｍ ａｋｉ设计了符合 Ｄ Ｙ Ｃ 控制要求的 具有降阶控制器的两自由度液压控制系统 。 ［２１］ Ｙ ｏｓｈｉｏｋａ 将滑模控制理论应用于 Ｄ Ｙ Ｃ 中，基于非线性轮胎模型和估计的车体绝对 速度、车轮侧偏角和滑移率等计算轮胎切向 力，并被用来估计车身侧偏角和轮胎路面附 着系数。仿真表明滑模控制比 ＰＤ 控制对于 横摆速率具有更强的鲁棒性；实车试验表明 滑模控制对车身结构、路面和车速等变化能 有效确定控制所需的附加横摆力矩［２２］。
车辆动力学稳定性控制系统（Ｖ ｅｈｉｃｌｅ Ｄ ｙｎａｍ ｉｃｓ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃ ｏｎｔｒｏｌ，Ｖ Ｄ ＳＣ ） 是在兼容了 Ａ Ｂ Ｓ／ＴＣ Ｓ 优点 的基础上发展起来的旨在改善车辆高速弯道行驶或 受大的侧向力作用时的操纵稳定性的又一项新型主 动安全技术。不同的研发机构对其命名有差别，结构 上也略有差异，但主要功能和原理是一致的。Ｂ ｏｓｃｈ 公司称之为汽车电子稳定程序 （Ｅ ｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｐｒｏｇｒａｍ ，Ｅ ＳＰ）或汽车动力学控制（Ｖ ｅｈｉｃｌｅ Ｄ ｙｎａｍ ｉｃ Ｃ ｏｎｔｒｏｌ，Ｖ Ｄ Ｃ ）；Ｂ Ｍ Ｗ 公 司 汽 车 动 力 学 稳 定 控 制 （Ｄ ｙｎａｍ ｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃ ｏｎｔｒｏｌ，Ｄ ＳＣ ）；Ｈ ｏｎｄａ 公 司 汽 车 稳 定 性 辅 助 系 统 （Ｖ ｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ａ ｓｓｉｓｔ，Ｖ ＳＡ ）； Ｇ ｅｎｅｒａｌＭ ｏｔｏｒ公司 Ｓｔａｂｉｌｉｔｒａｋ 或精确控制系统（Ｐｒｅ－ ｃｉｓｉｏｎ Ｃ ｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ ，ＰＣ Ｓ）等等。