車輛底盤集成控制系統(tǒng)的電動機控制

1、2008年12月農(nóng)業(yè)機械學(xué)報第39卷第12期車輛底盤集成控制系統(tǒng)的電動機控制牛禮民 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,在分析半主動懸架和電動助力轉(zhuǎn)向工作原理的基礎(chǔ)上,研制出以嵌入式系統(tǒng)為平臺的車輛底盤系統(tǒng)集成控制器。硬件上對懸架可調(diào)阻尼減振器的步進電動機和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流電動機進行控制設(shè)計;軟件上運用模糊控制和PID控制算法,在CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境下結(jié)合超級終端對軟硬件進行聯(lián)調(diào)。試驗結(jié)果表明,控制器運行可靠,電動機控制正確、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 半主動懸架 電動助力轉(zhuǎn)向 集成控制中圖分類號:TP2

2、73+15;U46311文獻標識碼: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)計半主動懸架(semi2activesuspension,簡稱SAS)和電動助力轉(zhuǎn)向(electricpowersteering,簡稱EPS)集成控制器,采用模糊控制算法和PID算法分別控制SAS的步進電動機和EPS的直流電動機,并進行試驗驗證。 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,運用底盤集成控制技術(shù)提高主動安全性和駕駛舒適性,是當前汽車研究領(lǐng)域的熱點,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、防抱死制動系統(tǒng)、驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)系統(tǒng)和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的總成14,或是對懸架或轉(zhuǎn)向的單獨控制,對它們的集成研究尚不多見56。作為電控底收稿日期:2007212219*國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號:50475121)和江蘇省高新技術(shù)資金資助項目(項目編號: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 教授 博士生導(dǎo)師趙又群 南京航空航天大學(xué)能源與動力學(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 械 學(xué) 報 2008年1 集成控制方案圖1是SAS/EPS集成

7、控制示意圖。將半主動懸架和電動助力轉(zhuǎn)向視為一個整體,考慮了二者部分狀態(tài)變量的耦合,設(shè)計的集成控制器對懸架系統(tǒng)的步進電動機和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直流電動機進行協(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。可調(diào)減振器中的步進電動機要求步距精確、輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、振動噪聲低,選用三相反應(yīng)式步進電動機,步距角115b。驅(qū)動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機相連,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EPS的助力電壓進行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撓度響應(yīng),提高車輛的行駛平順性。圖3 步進電動機控制示意圖Fig.3 Sketchmapofstepmotorcontrol控制器根據(jù)車身垂直振動加速度信號和輪

9、胎跳2 硬件設(shè)計控制器硬件部分包括輸入信號的采集調(diào)理模塊、微處理器模塊和執(zhí)行機構(gòu)的輸出控制模塊。車輛正常行駛時,傳感器采集車身垂直振動加速度、轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩、車速等狀態(tài)信號,經(jīng)調(diào)理送到控制器電控單元ECU。ECU進行分析計算處理,產(chǎn)生控制信號傳輸給執(zhí)行機構(gòu)懸架減振器的步進電動機和轉(zhuǎn)向系的直流電動機,實現(xiàn)SAS和EPS的集成控制。211 半主動懸架步進電動機控制本文研究的半主動懸架由執(zhí)行機構(gòu)步進電動機改變液壓阻尼減振器的節(jié)流口,進而實現(xiàn)減振器阻尼的可調(diào)。在某微型轎車被動減振器的基礎(chǔ)上進行了改進設(shè)計。根據(jù)我國汽車行業(yè)標準QC/T545)19995汽車筒式減振器臺架試驗方法6,對改進后的減振器進行了電動

10、機轉(zhuǎn)角和阻尼力關(guān)系的臺架試驗。試驗時,減振器的工作行程為?50mm,分別在5種激振頻率(015、110、115、210、215Hz)下進行測試,電動機每轉(zhuǎn)動715b作為一個工況,得到圖2擬合的電動機轉(zhuǎn)角與阻尼力的關(guān)系,為電動機控制提供動加速度信號,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,根據(jù)前一時刻電動機的狀態(tài)算出下一時刻電動機的轉(zhuǎn)向和步距角,控制信號發(fā)送到步進電動機驅(qū)動器的CP步進脈沖端和DIR方向電平端,控制電動機按要求運轉(zhuǎn),實現(xiàn)對減振器阻尼力的調(diào)節(jié)。定義ARM處理器端口PF0、PF1分別輸出脈沖信號和方向信號,接到驅(qū)動器的CP端和DIR端,處理器I/O電源端VDDIO接驅(qū)動

11、器的OPTO公共陽端,由ARM處理器輸出CP脈沖和DIR脈沖,實現(xiàn)電動機的準確運轉(zhuǎn)和定位。212 電動助力轉(zhuǎn)向直流電動機控制EPS用直流電動機要求滿足較好的機械特性和調(diào)速特性,具有盡可能寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)動慣量和良好的低速平穩(wěn)性。其控制方式分為調(diào)節(jié)勵磁磁通和調(diào)節(jié)電樞電壓。勵磁調(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)整占空比控制電動機電樞電壓9。圖4所示為直流電動機的控制示意圖,4個開關(guān)控制方式驅(qū)動的功率場效應(yīng)晶體管IRFZ48N和電動機構(gòu)成一個H橋,Q1、電動機、Q4構(gòu)成一組橋臂,Q3、電動機、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)的電動機控制29集到的信號,在控制算法中運算處理,輸出分別控制EPS直流電動機和減振器步進電動機,同時將輸出信號反饋回算法處理環(huán)節(jié)。PID算法和模糊算法的實現(xiàn)是程序編寫的關(guān)鍵。為便于在計算機中實現(xiàn)PID控制,當采樣信號足夠小時,用求和代替積分,用向后差分代替微分,將PID控制方程圖4 直流電動機控制示意圖Fig.4 SketchmapofDCmotorcontrolu(t)=Kpe(t)+Tite(t)dt+Tddt(1)機控制信號,經(jīng)過4個驅(qū)動光耦TLP250分別加到MOS開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4控制端。當要求電動機正轉(zhuǎn)時,Q1受ECU的PWM信號控制,Q4被ECU施加高電

13、平導(dǎo)通,Q2、Q3被施加低電平截止;當要求電動機反轉(zhuǎn)時,Q3受PWM信號控制,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現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向的控制,由ECU改變占空比實現(xiàn)電動機轉(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,首先用一個二維數(shù)組定義模糊控制規(guī)則表,再對車身加速度偏差及其變化率進行模糊化,限定論域的飽和值后進行if2else的模糊推理10,最后用重心法反模糊化得到步進電動機的脈沖數(shù),進而控制步距角。步

14、進電動機的轉(zhuǎn)向是由每次記錄的當前阻尼力對應(yīng)的節(jié)流口位置和模糊推理計算的下一時刻節(jié)流口的位置來確定的。3 軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件把系統(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 實車試驗完成軟硬件的設(shè)計聯(lián)調(diào),進行集成控制器的實車試驗。為驗證集成控制效果,采用某微型轎車進行了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗。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,保持數(shù)秒。試驗過程中使用數(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,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所示為平順性對比,集成控制后的加速度控制器上電,程序初始化后,進入循環(huán)等待中峰值和標準差比集成控制前的加速度峰值和標準差,7,30農(nóng) 業(yè)

16、 機 械 學(xué) 報 2008年速度在集成控制前后的對比,可見橫擺角速度在集成控制下穩(wěn)定時間較短,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。值和標準差減小了10106%和21124%,說明集成控制對車身姿態(tài)的抑制效果比較明顯。表1為集成前后的性能參數(shù)對比。表1 集成控制前后性能參數(shù)對比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標準差0.490提高率/%峰值2.38標準差7.70標準差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比,集0.0540.0210.0470.01612.9623.81成后的車身側(cè)傾角峰值和標準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、標準差比控制前提高了14114%、15164%,車身側(cè)傾角的峰值、標準差比控制前提高了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,集成控制效果尤其顯著。說明底盤集成系統(tǒng)的電動機控制獲得成功,研究方案有效可行。參考文獻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.計算機仿真,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.車輛防抱制動系統(tǒng)與主動懸

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

20、orwheelspeedsignalofintegrateABS/ASRsystemJ.JournalofBeijingInstituteofTechnology,2006,15(2):144147.4 黃錦川,何樂,夏群生,等.集成化仿真系統(tǒng)在氣制動TCS控制器開發(fā)中的應(yīng)用J.汽車技術(shù),2007(1):1619.HuangJinchuan,HeLe,XiaQunsheng,etal.Applicationofintegratedsimulationsystemforair2brakeTCScontroldevelopmentJ.AutomobileTechnology,2007(1):161

21、9.(inChinese)5 應(yīng)艷杰,方敏,張增年,等.汽車EPS與ASS的H/PID集成控制J.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,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)測控制的主動懸架與電動助力轉(zhuǎn)向集成控制J.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報

22、,2007,38(1):15.WangQidong,WuBofu,ChenWuwei.IntegratedcontrolofautomobileactivesuspensionandelectricalpowersteeringsystembasedonpredictivecontrolJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2007,38(1):15.(inChinese)7 趙君卿.汽車主動懸架與電動助力轉(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 械 學(xué) 報 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 (b)后三軸轉(zhuǎn)向時胎垂直力、側(cè)向力、縱向力、滾

24、動阻力矩和回正力矩的計算;在此基礎(chǔ)上建立了整車的動力學(xué)方程,并利用LabVIEW編制了仿真模型,進行了仿真。證明參考在汽車高速行駛時,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1 楊新明.多軸轉(zhuǎn)向汽車運動分析與仿真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)機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計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:國防工業(yè)出版社,2005.5 姚永建,韓強.四輪轉(zhuǎn)向汽車的非線性模型及其動力方程J.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,31(11):4952.YaoYongjian,HanQiang.Nonlinearmodelanditsdynamicequationsfor4WSvehiclesJ.JournalofSouthChinaUniversityofTechnology:NaturalScienceEdition,2003,31(11):4952.(inChines

27、e)6 熊堅,曾紀國,宋健.汽車操縱穩(wěn)定性虛擬仿真的研究J.汽車工程,2002,24(5):430433.XiongJian,ZengJiguo,SongJian.AresearchonthevirtualsimulationofvehiclehandlingstabilityJ.AutomotiveEngineering,2002,24(5):430433.(inChinese)7 趙治國.車輛動力學(xué)及其非線性控制理論技術(shù)的研究D.西安:西北工業(yè)大學(xué),2002.ZhaoZhiguo.Researchonvehicledynamics,itsnonlinearcontrolstrategiesandrelatedtech