車輛底盤集成控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制

1、2008年12月農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)第39卷第12期車輛底盤集成控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制牛禮民 陳 龍 趙又群 汪若塵*=摘要> 為協(xié)調(diào)車輛操縱穩(wěn)定性和行駛平順性,在分析半主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向工作原理的基礎(chǔ)上,研制出以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的車輛底盤系統(tǒng)集成控制器。硬件上對(duì)懸架可調(diào)阻尼減振器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制設(shè)計(jì);軟件上運(yùn)用模糊控制和PID控制算法,在CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境下結(jié)合超級(jí)終端對(duì)軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)。試驗(yàn)結(jié)果表明,控制器運(yùn)行可靠,電動(dòng)機(jī)控制正確、效果明顯,集成控制下車輛的操縱穩(wěn)定性和平順性得到改善。關(guān)鍵詞:車輛 半主動(dòng)懸架 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 集成控制中圖分類號(hào):TP2

2、73+15;U46311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AMotorControlinVehicleChassisIntegratedControlSystemNiuLimin ChenLong ZhaoYouqun WangRuochen(11JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China1,212121NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)AbstractInordertoharmonizetheperformanceofvehiclehandlingstabilityandridin

3、gcomfort,anintegratedcontrollerofvehiclechassissystemwasdesignedbasedonembeddedsystemafteranalyzingtheprinciplesofsemi2activesuspension(SAS)andelectricpowersteering(EPS).SteppermotorofsuspensionadjustabledamperandDCmotorofEPSwerecontrolledrespectivelybyhardware.FuzzyandPIDarithmeticwereappliedinsoft

4、ware.UnitedadjustmenttohardwarewasdonewithHyperTerminalundertheconditionofCodeWarriorintegrateddevelopment.Experimentresultsprovedthecontrollerandmotorswererunningreliably,handlingstabilityandridingcomfortablywhenintegratedconditionwerebeingimproved.Keywords Vehicle,Semi2activesuspension,Electricpow

5、ersteering,Integratedcontrol盤集成系統(tǒng)重要組成部分,車輛懸架與動(dòng)力轉(zhuǎn)向的協(xié)調(diào)控制顯得尤為重要。本文基于嵌入式系統(tǒng)SAMSUNGS3C44B0X設(shè)計(jì)半主動(dòng)懸架(semi2activesuspension,簡(jiǎn)稱SAS)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(electricpowersteering,簡(jiǎn)稱EPS)集成控制器,采用模糊控制算法和PID算法分別控制SAS的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和EPS的直流電動(dòng)機(jī),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 引言為了協(xié)調(diào)汽車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的矛盾,運(yùn)用底盤集成控制技術(shù)提高主動(dòng)安全性和駕駛舒適性,是當(dāng)前汽車研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),也是今后汽車底盤技術(shù)的發(fā)展方向。目前底盤集成控制研究較多的是

6、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的總成14,或是對(duì)懸架或轉(zhuǎn)向的單獨(dú)控制,對(duì)它們的集成研究尚不多見56。作為電控底收稿日期:2007212219*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):50475121)和江蘇省高新技術(shù)資金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):BG2004025)牛禮民 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 博士生 博士后(南京航空航天大學(xué)),212013 鎮(zhèn)江市陳 龍 江蘇大學(xué)副校長(zhǎng) 教授 博士生導(dǎo)師趙又群 南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 教授 博士生導(dǎo)師,210016 南京市汪若塵 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 講師28農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2008年1 集成控制方案圖1是SAS/EPS集成

7、控制示意圖。將半主動(dòng)懸架和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向視為一個(gè)整體,考慮了二者部分狀態(tài)變量的耦合,設(shè)計(jì)的集成控制器對(duì)懸架系統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,調(diào)節(jié)減振器阻尼和提供轉(zhuǎn)向助力,以期改善轉(zhuǎn)向時(shí)的車身姿態(tài)變化,協(xié)調(diào)操縱穩(wěn)定性和平穩(wěn)性之間的矛盾?？烧{(diào)減振器中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求步距精確、輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、振動(dòng)噪聲低,選用三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),步距角115b。驅(qū)動(dòng)器電源由專用模塊變壓輸出32V/3A直流來提供,采用三相六線制與電動(dòng)機(jī)相連,如圖3所示。圖2 阻尼力與轉(zhuǎn)角間的關(guān)系擬合曲線Fig.2 Fittingcurvesofrelationshipbetweendampingforceandangl

8、e圖1 SAS/EPS集成控制框圖Fig.1 BlockdiagramofSAS/EPSintegratedcontrol(a)拉伸行程 (b)壓縮行程在控制軟件開發(fā)方面,采用模糊控制+PID控制策略78。以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和路面噪聲作為系統(tǒng)輸入,車身質(zhì)心垂直加速度、橫擺角速度、車身側(cè)傾角作為輸出,對(duì)EPS的助力電壓進(jìn)行PID控制,修正助力,改善橫擺角速度的響應(yīng),提高轉(zhuǎn)向靈敏度;根據(jù)反饋的狀態(tài)變量模糊控制SAS系統(tǒng),改善質(zhì)心垂直加速度和懸架動(dòng)撓度響應(yīng),提高車輛的行駛平順性。圖3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制示意圖Fig.3 Sketchmapofstepmotorcontrol控制器根據(jù)車身垂直振動(dòng)加速度信號(hào)和輪

9、胎跳2 硬件設(shè)計(jì)控制器硬件部分包括輸入信號(hào)的采集調(diào)理模塊、微處理器模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出控制模塊。車輛正常行駛時(shí),傳感器采集車身垂直振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩、車速等狀態(tài)信號(hào),經(jīng)調(diào)理送到控制器電控單元ECU。ECU進(jìn)行分析計(jì)算處理,產(chǎn)生控制信號(hào)傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)懸架減振器的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向系的直流電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)SAS和EPS的集成控制。211 半主動(dòng)懸架步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制本文研究的半主動(dòng)懸架由執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變液壓阻尼減振器的節(jié)流口,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減振器阻尼的可調(diào)。在某微型轎車被動(dòng)減振器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。根據(jù)我國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T545)19995汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法6,對(duì)改進(jìn)后的減振器進(jìn)行了電動(dòng)

10、機(jī)轉(zhuǎn)角和阻尼力關(guān)系的臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),減振器的工作行程為?50mm,分別在5種激振頻率(015、110、115、210、215Hz)下進(jìn)行測(cè)試,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)715b作為一個(gè)工況,得到圖2擬合的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角與阻尼力的關(guān)系,為電動(dòng)機(jī)控制提供動(dòng)加速度信號(hào),采用模糊控制算法推理出減振器應(yīng)產(chǎn)生的阻尼力來衰減振動(dòng),根據(jù)前一時(shí)刻電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)算出下一時(shí)刻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和步距角,控制信號(hào)發(fā)送到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP步進(jìn)脈沖端和DIR方向電平端,控制電動(dòng)機(jī)按要求運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)減振器阻尼力的調(diào)節(jié)。定義ARM處理器端口PF0、PF1分別輸出脈沖信號(hào)和方向信號(hào),接到驅(qū)動(dòng)器的CP端和DIR端,處理器I/O電源端VDDIO接驅(qū)動(dòng)

11、器的OPTO公共陽端,由ARM處理器輸出CP脈沖和DIR脈沖,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)和定位。212 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向直流電動(dòng)機(jī)控制EPS用直流電動(dòng)機(jī)要求滿足較好的機(jī)械特性和調(diào)速特性,具有盡可能寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和良好的低速平穩(wěn)性。其控制方式分為調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通和調(diào)節(jié)電樞電壓。勵(lì)磁調(diào)節(jié)存在磁路過飽和限制問題,因此采用單極性脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式,用定頻調(diào)寬法調(diào)整占空比控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓9。圖4所示為直流電動(dòng)機(jī)的控制示意圖,4個(gè)開關(guān)控制方式驅(qū)動(dòng)的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管IRFZ48N和電動(dòng)機(jī)構(gòu)成一個(gè)H橋,Q1、電動(dòng)機(jī)、Q4構(gòu)成一組橋臂,Q3、電動(dòng)機(jī)、Q2構(gòu)成另一組橋臂。、第12期 牛禮民等:車輛底

12、盤集成控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制29集到的信號(hào),在控制算法中運(yùn)算處理,輸出分別控制EPS直流電動(dòng)機(jī)和減振器步進(jìn)電動(dòng)機(jī),同時(shí)將輸出信號(hào)反饋回算法處理環(huán)節(jié)。PID算法和模糊算法的實(shí)現(xiàn)是程序編寫的關(guān)鍵。為便于在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID控制,當(dāng)采樣信號(hào)足夠小時(shí),用求和代替積分,用向后差分代替微分,將PID控制方程圖4 直流電動(dòng)機(jī)控制示意圖Fig.4 SketchmapofDCmotorcontrolu(t)=Kpe(t)+Tite(t)dt+Tddt(1)機(jī)控制信號(hào),經(jīng)過4個(gè)驅(qū)動(dòng)光耦TLP250分別加到MOS開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),Q1受ECU的PWM信號(hào)控制,Q4被ECU施加高電

13、平導(dǎo)通,Q2、Q3被施加低電平截止;當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),Q3受PWM信號(hào)控制,Q2被高電平導(dǎo)通,Q1、Q4被低電平截止。這樣,由兩組橋臂的組合實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的控制,由ECU改變占空比實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。離散化為差分方程,得到數(shù)字PID控制方程ku(k)=Kpe(k)+Kii=0Ee(i)+(2)Kd(e(k)-e(k-1)式中,比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd由離線仿真確定。在模糊控制子程序中,首先用一個(gè)二維數(shù)組定義模糊控制規(guī)則表,再對(duì)車身加速度偏差及其變化率進(jìn)行模糊化,限定論域的飽和值后進(jìn)行if2else的模糊推理10,最后用重心法反模糊化得到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù),進(jìn)而控制步距角。步

14、進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向是由每次記錄的當(dāng)前阻尼力對(duì)應(yīng)的節(jié)流口位置和模糊推理計(jì)算的下一時(shí)刻節(jié)流口的位置來確定的。3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件把系統(tǒng)的硬件資源、控制策略和算法聯(lián)系起來,用來采集處理數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、輸出控制。ADS112(ARMDeveloperSuite)是由ARM公司提供的專門用于ARM相關(guān)應(yīng)用開發(fā)和調(diào)試的綜合性軟件,用戶可用它的集成開發(fā)環(huán)境CodeWarrior來開發(fā)、編譯、調(diào)試C、C+和匯編語言編寫的程序。集成控制軟件流程示意圖如圖5所示。4 實(shí)車試驗(yàn)完成軟硬件的設(shè)計(jì)聯(lián)調(diào),進(jìn)行集成控制器的實(shí)車試驗(yàn)。為驗(yàn)證集成控制效果,采用某微型轎車進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)。汽車以45km/h的車速直線行駛

15、,先按輸入方向輕輕靠緊轉(zhuǎn)向盤,消除轉(zhuǎn)向盤自由行程,經(jīng)過012015s,以盡快的速度使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到90b,保持?jǐn)?shù)秒。試驗(yàn)過程中使用數(shù)據(jù)采集裝置WAVEBOOK記錄了集成控制前、后的車身質(zhì)心垂直加速度、橫擺角速度、車身側(cè)傾角和轉(zhuǎn)向盤操縱轉(zhuǎn)矩信號(hào),如圖68所示。圖6 質(zhì)心垂直加速度曲線Fig.6 CurveofCGverticalacceleration圖5 軟件流程示意圖Fig.5 Sketchmapofsoftwareflow(a)集成控制前 (b)集成控制后圖6所示為平順性對(duì)比,集成控制后的加速度控制器上電,程序初始化后,進(jìn)入循環(huán)等待中峰值和標(biāo)準(zhǔn)差比集成控制前的加速度峰值和標(biāo)準(zhǔn)差,7,30農(nóng) 業(yè)

16、 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2008年速度在集成控制前后的對(duì)比,可見橫擺角速度在集成控制下穩(wěn)定時(shí)間較短,且超調(diào)量大為減小,表明集成控制提高了轉(zhuǎn)向的操縱穩(wěn)定性。值和標(biāo)準(zhǔn)差減小了10106%和21124%,說明集成控制對(duì)車身姿態(tài)的抑制效果比較明顯。表1為集成前后的性能參數(shù)對(duì)比。表1 集成控制前后性能參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparisonofperformanceparameters集成控制前參數(shù)峰值質(zhì)心加速度/m#s-2集成控制后峰值2.218標(biāo)準(zhǔn)差0.490提高率/%峰值2.38標(biāo)準(zhǔn)差7.70標(biāo)準(zhǔn)差0.5322.272圖7 橫擺角速度曲線Fig.7 Curveofyawrate(a)集成控制前 (b)集

17、成控制后橫擺角速度/rad#s-10.5800.2430.4980.20514.1415.64車身側(cè)傾角/rad圖8為車身側(cè)傾角在集成控制前后的對(duì)比,集0.0540.0210.0470.01612.9623.81成后的車身側(cè)傾角峰值和標(biāo)準(zhǔn)差分別比集成前的峰5 結(jié)束語集成控制后車輛的乘坐舒適性、行駛平順性得到改善,操縱穩(wěn)定性得到提高。其中橫擺角速度的峰值、標(biāo)準(zhǔn)差比控制前提高了14114%、15164%,車身側(cè)傾角的峰值、標(biāo)準(zhǔn)差比控制前提高了12196%、圖8 車身側(cè)傾角曲線Fig.8 Curveofbodyrollangle(a)集成控制前 (b)集成控制后23181%,表明在抑制轉(zhuǎn)向工況下的車

18、身姿態(tài)時(shí),集成控制效果尤其顯著。說明底盤集成系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制獲得成功,研究方案有效可行。參考文獻(xiàn)1 張景波,劉昭度,齊志權(quán),等.基于信息融合技術(shù)的ABS/ASR/ACC系統(tǒng)仿真J.計(jì)算機(jī)仿真,2004,21(6):155158.ZhangJingbo,LiuZhaodu,QiZhiquan,etal.SimulationofABS/ASR/ACCintegratedsystembasedoninformationfusiontechnologyJ.ComputerSimulation,2004,21(6):155158.(inChinese)2 馮金芝,喻凡,李君,等.車輛防抱制動(dòng)系統(tǒng)與主動(dòng)懸

19、架聯(lián)合控制J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(2):1519.FengJinzhi,YuFan,LiJun,etal.Aninvestigationonintegratedcontrolofvehicleanti2lockbrakingsystemandactivesuspensionJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2002,33(2):1519.(inChinese)3 MaYuefeng,LiuZhaodu,QiZhiquan,etal.Adaptivenoisecancellationmethodusedf

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21、9.(inChinese)5 應(yīng)艷杰,方敏,張?jiān)瞿?等.汽車EPS與ASS的H/PID集成控制J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(1):611.YingYanjie,FangMin,ZhangZengnian,etal.IntegratedcontroloftheEPSandASSofanautomobilebasedonH/PIDschemeJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(1):611.(inChinese)6 王其東,吳勃夫,陳無畏.基于預(yù)測(cè)控制的主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向集成控制J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)

22、,2007,38(1):15.WangQidong,WuBofu,ChenWuwei.IntegratedcontrolofautomobileactivesuspensionandelectricalpowersteeringsystembasedonpredictivecontrolJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(1):15.(inChinese)7 趙君卿.汽車主動(dòng)懸架與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)/控制集成優(yōu)化研究D.合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2005.ZhaoJunqing.Simultaneousop

23、timizationofmechanicalandcontrolparametersforintegratedcontrolsystemofactivesuspensionandEPSD.Hefei:HefeiUniversityofTechnology,2005.(inChinese)44農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2008年圖10 轉(zhuǎn)向過程中車身側(cè)傾角速度和側(cè)傾角變化曲線Fig.10 Changingcurvesofbodylateralinclineanglespeedandinclineanglewhilesteering(a)后三軸不轉(zhuǎn)向時(shí) (b)后三軸轉(zhuǎn)向時(shí)胎垂直力、側(cè)向力、縱向力、滾

24、動(dòng)阻力矩和回正力矩的計(jì)算;在此基礎(chǔ)上建立了整車的動(dòng)力學(xué)方程,并利用LabVIEW編制了仿真模型,進(jìn)行了仿真。證明參考在汽車高速行駛時(shí),采用同相位全輪轉(zhuǎn)向,可以使后軸車輪較早地參與轉(zhuǎn)向,從而提高了汽車的轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度,并降低了車身的轉(zhuǎn)向側(cè)傾角度。文獻(xiàn)1 楊新明.多軸轉(zhuǎn)向汽車運(yùn)動(dòng)分析與仿真D.武漢:武漢理工大學(xué),2003.YangXinming.Analysisandsimulationofmulti2axlesteeringvehiclemovementD.Wuhan:WuhanUniversityofTechnology,2003.(inChinese)2 王超.多軸汽車轉(zhuǎn)向特性及其操縱穩(wěn)定性研

25、究D.西安:長(zhǎng)安大學(xué),2006.WangChao.Thecharacteristicandcontrolstabilityanalysisofmulti2front2axlesteeringsysteminheavytruckD.Xi.an:Chang.anUniversity,2006.(inChinese)3 石永林.多軸汽車分組轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)D.武漢:華中科技大學(xué),2003.ShiYonglin.Optimizationofmulti2axlevehiclegroupingsteeringsystemmechanismparameterD.Wuhan:HuazhongUniv

26、ersityofScienceandTechnology,2003.(inChinese)4 史文庫.現(xiàn)代汽車新技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.5 姚永建,韓強(qiáng).四輪轉(zhuǎn)向汽車的非線性模型及其動(dòng)力方程J.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,31(11):4952.YaoYongjian,HanQiang.Nonlinearmodelanditsdynamicequationsfor4WSvehiclesJ.JournalofSouthChinaUniversityofTechnology:NaturalScienceEdition,2003,31(11):4952.(inChines

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