汽車底盤電子控制系統(tǒng)的研究

汽車底盤電子控制系統(tǒng)的研究

1汽車底盤控制的基本原理及控制特征車輛底板的主要功能是根據(jù)駕駛員的意愿加速、減速和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。由圖1可見,駕駛員是通過汽車?yán)锏牟倏v元件(轉(zhuǎn)向盤、油門和制動(dòng)踏板)來表達(dá)其意向,相應(yīng)的執(zhí)行量是前輪的轉(zhuǎn)向角及車輪上的驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩,真正起作用的是輪胎的縱向力和側(cè)向力。汽車輪胎力的主要影響因素是路面的附著系數(shù)、車輪的法向力、車輪滑動(dòng)(轉(zhuǎn))率和車輪側(cè)偏角。因此,汽車底盤控制的基本思路和原理就是在給定的路面附著系數(shù)和車輪法向力的情況下對(duì)車輪滑動(dòng)(轉(zhuǎn))率和側(cè)偏角進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠绊懞涂刂?來間接調(diào)控輪胎的縱向力和側(cè)向力,最大限度地利用輪胎和路面之間的附著力,提高汽車的主動(dòng)安全性、機(jī)動(dòng)性和舒適性。汽車底盤的電子控制是一個(gè)多系統(tǒng)相互影響,相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)工程,具有以下特征。(1)不同的控制系統(tǒng)經(jīng)常共用同一傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、甚至電子控制單元。如輪速傳感器的信號(hào)幾乎被所有的底盤控制系統(tǒng)所使用。(2)同一個(gè)控制目標(biāo)可由不同的控制系統(tǒng)單獨(dú)或者共同來控制。如汽車在離散型路面上制動(dòng)時(shí)方向穩(wěn)定性可通過ABS、ESP、AFS和RWS來控制。(3)同一個(gè)控制系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)多個(gè)變量同時(shí)進(jìn)行控制,并且擁有多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如TCS的控制變量有車輪的滑轉(zhuǎn)率和車輪的角加速度,其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度的調(diào)節(jié)器和輪缸里制動(dòng)液壓的調(diào)節(jié)裝置。(4)同一個(gè)控制變量同時(shí)受不同的控制系統(tǒng)所控制。如車輪滑動(dòng)率同時(shí)受ABS和ESP的控制。2一般電子管理系統(tǒng)是車輛底部2.1基于車輛鎖和驅(qū)動(dòng)的電子控制體系2.1.1abs主要控制目標(biāo)汽車在制動(dòng)過程中,當(dāng)車輪滑動(dòng)率在30%左右時(shí),制動(dòng)力系數(shù)最大(見圖2)。此時(shí)車輪能獲得的地面制動(dòng)力也最大。當(dāng)制動(dòng)力矩進(jìn)一步增加,車輪滑動(dòng)率將快速增大,制動(dòng)力系數(shù)不但不再增大了,反而逐漸減小。顯然,車輪滑動(dòng)率在大于λ0時(shí),制動(dòng)力系數(shù)處于非穩(wěn)定區(qū)域。因此希望將車輪滑動(dòng)率控制在穩(wěn)定區(qū)域里。從側(cè)向力系數(shù)和滑動(dòng)率的關(guān)系曲線可以看出,滑動(dòng)率越小,側(cè)向力系數(shù)越大。當(dāng)車輪完全抱死時(shí),其側(cè)向力系數(shù)幾乎為零,完全失去了承受側(cè)向力的能力。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生在前輪時(shí),汽車失去轉(zhuǎn)向能力;如果發(fā)生在后輪,汽車將發(fā)生后軸側(cè)滑,失去穩(wěn)定性。把滑動(dòng)率保持在穩(wěn)定區(qū)域里就是ABS的主要控制目標(biāo)。ABS基本上都是由電子控制單元(ECU)、輪速傳感器和制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置等組成。輪速傳感器是ABS十分重要的部件。它要向電子控制單元(ECU)及時(shí)地提供可靠、精確的車輪轉(zhuǎn)速。輪速傳感器可分為電磁式、霍爾式和磁阻式。其中電磁式傳感器是一種被動(dòng)式輪速傳感器,因?yàn)樗恍枰獠侩娫淳湍墚a(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但是,當(dāng)車速很低時(shí),輸出信號(hào)太弱,ABS無法正常工作。當(dāng)車速過高時(shí),傳感器的頻率響應(yīng)跟不上,容易出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)。另外還有抗電磁波干擾能力較差和不能識(shí)別車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等缺點(diǎn)。目前,ABS系統(tǒng)越來越多地使用霍爾式或磁阻式主動(dòng)輪速傳感器,從而消除了電磁式輪速傳感器的不足。電子控制單元(ECU)是ABS系統(tǒng)的控制中心。它由硬件和軟件兩部分組成。其硬件部分包括輸入電路、運(yùn)算電路、電磁閥及電動(dòng)液壓泵控制電路和安全保護(hù)電路等。ECU軟件具有運(yùn)算控制和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)兩大功能。當(dāng)系統(tǒng)的各組成部分都運(yùn)行正常時(shí),ECU接收傳感器的輸入信號(hào),然后按一定的控制策略和運(yùn)算邏輯進(jìn)行處理和計(jì)算,從而形成相應(yīng)的控制指令,對(duì)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行控制。當(dāng)ECU監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)工作不正常時(shí),會(huì)自動(dòng)終止ABS系統(tǒng)工作,同時(shí)點(diǎn)亮ABS警示燈。此時(shí)傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)照常工作,不受任何影響。新型的ABS基本上都使用由2位2通道電磁閥、低壓儲(chǔ)液室、電動(dòng)泵組成的壓力調(diào)節(jié)裝置(圖3)。根據(jù)不同工況階段,壓力調(diào)節(jié)裝置可進(jìn)入4種不同的壓力調(diào)節(jié)模式:普通制動(dòng)、保壓制動(dòng)、減壓制動(dòng)和增壓制動(dòng)。ABS是在傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)里串聯(lián)進(jìn)去了制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置,傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)不需改動(dòng)。即使ABS發(fā)生故障,傳統(tǒng)制動(dòng)性能照常工作。ABS的另一特點(diǎn)是不依賴于其他系統(tǒng)。ABS是電子控制在汽車應(yīng)用中最成功的范例之一。2.1.2汽車動(dòng)力學(xué)控制當(dāng)汽車驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩過大時(shí),驅(qū)動(dòng)輪會(huì)相對(duì)地面作滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般希望驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率不要超過20%,這樣不僅能獲得最大的地面驅(qū)動(dòng)力,而且驅(qū)動(dòng)輪還能承受一定的側(cè)向力。這種對(duì)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制的系統(tǒng)稱為TCS系統(tǒng)。它是在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它不僅要對(duì)ABS的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行擴(kuò)展,而且還需要發(fā)動(dòng)機(jī)電子管理系統(tǒng)(EMS)的有機(jī)配合。在絕大多數(shù)汽車?yán)?TCS同ABS共用同一個(gè)ECU。只是在軟件部分增加了TCS的運(yùn)算、監(jiān)測(cè)和控制模塊。TCS的ECU根據(jù)傳感器的輸入信號(hào),來識(shí)別和判斷汽車的行駛狀況。如發(fā)現(xiàn)汽車驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率超出相應(yīng)的門限值,TCS系統(tǒng)將對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)指令。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置兩部分。發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是對(duì)汽車的2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行對(duì)稱式的控制和調(diào)節(jié)。要求發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減少的控制稱為ASR控制;而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大的控制則稱為MSR控制。當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率都超出相應(yīng)的門限值,這時(shí)需要減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),同步減小2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩,獲得所期望的驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率。當(dāng)汽車在低附著路面上作怠速行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力矩為負(fù)值,驅(qū)動(dòng)輪在發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)力矩作用下會(huì)產(chǎn)生一定的滑轉(zhuǎn)率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率過大時(shí),汽車將失去其方向穩(wěn)定性。此時(shí)TCS系統(tǒng)將通過EMS來增大發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,從而減小驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率。由此可見,TCS的正常工作離不開EMS的有機(jī)配合。TCS系統(tǒng)是通過CAN從EMS獲得有關(guān)信號(hào),并將控制指令通告給EMS。因此TCS系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了最初的汽車動(dòng)力學(xué)控制的電子化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置是對(duì)汽車的2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行非對(duì)稱式的控制和調(diào)節(jié)。當(dāng)左右驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率相差懸殊時(shí),對(duì)滑轉(zhuǎn)率較大的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行制動(dòng)力的控制來減小2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的輪速差。TCS系統(tǒng)的這種控制模式也叫做BTCS。主要應(yīng)用于汽車在μ-Split路面以及汽車在彎路上的加速行駛。在有些情況下TCS需要同時(shí)進(jìn)行ASR和BTCS控制,才能獲得最佳的驅(qū)動(dòng)力和汽車的方向穩(wěn)定性。TCS制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置(圖4)是在ABS制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置的基礎(chǔ)上,對(duì)每個(gè)制動(dòng)回路增加2個(gè)電磁閥(隔離閥和低壓閥)。在進(jìn)行BTCS控制時(shí),隔離閥斷開,低壓閥連通,低壓油從制動(dòng)主缸由電動(dòng)泵輸送到驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)輪缸里,產(chǎn)生所需要的輪制動(dòng)壓力。2.1.3汽車橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表現(xiàn)ESP是通過調(diào)節(jié)車輪縱向力大小及匹配來控制汽車的橫擺運(yùn)動(dòng),使汽車具有良好的操縱性和方向穩(wěn)定性的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)。ESP的基本原理是通過傳感器和運(yùn)算邏輯來識(shí)別駕駛員對(duì)汽車的期望運(yùn)動(dòng)狀態(tài),同時(shí)測(cè)量和估算出汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)兩者之間的差大于給定的門限值時(shí),按一定的控制邏輯對(duì)車輪的縱向力大小進(jìn)行相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié),使作用在汽車上的橫擺力矩發(fā)生變化。附加的橫擺力矩迫使汽車作相應(yīng)的橫擺運(yùn)動(dòng),讓汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更接近駕駛員對(duì)汽車的期望運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了識(shí)別駕駛員對(duì)汽車的期望和得知汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài),ESP系統(tǒng)需要比ABS和TCS更多的傳感器。它們是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、汽車橫擺角速度傳感器、橫向加速度傳感器和制動(dòng)主缸的液壓傳感器。ESP和TCS系統(tǒng)使用相同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)汽車在彎道行駛時(shí),如果汽車行駛軌道和駕駛員所期望的軌道不一致(圖5),ESP系統(tǒng)會(huì)通過制動(dòng)壓力的干預(yù)或者發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),來改變汽車的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線半徑小于駕駛員所期望的軌道半徑時(shí),汽車有過度轉(zhuǎn)向的特征。此時(shí),ESP在汽車的前外輪施加一個(gè)制動(dòng)力。一方面,制動(dòng)力對(duì)汽車產(chǎn)生一個(gè)橫擺回正力矩;另一方面,由于制動(dòng)力的增加,作用在此車輪上的側(cè)向力會(huì)相應(yīng)減小,從而產(chǎn)生另一個(gè)橫擺回正力矩。汽車在這兩個(gè)附加回正力矩的作用下會(huì)返回到駕駛員所期望的軌道上來。當(dāng)汽車有不足轉(zhuǎn)向時(shí),ESP有兩種干預(yù)方法。其一是在汽車的后內(nèi)輪施加一個(gè)制動(dòng)力,使汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)加劇,讓汽車返回到駕駛員所期望的軌道上來;另一種是減小發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力也隨之減小,汽車將作減速運(yùn)動(dòng)。此時(shí),前軸的法向力增大,后軸的法向力減小。相應(yīng)的前軸側(cè)向力增大,后軸側(cè)向力減小,從而加劇汽車的橫擺運(yùn)動(dòng),使汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更接近駕駛員的期望值,提高了汽車的方向穩(wěn)定性。2.2電子控制來實(shí)現(xiàn)電子控制來實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制是通過對(duì)車輪轉(zhuǎn)向角的電子控制來實(shí)現(xiàn)的。常見的系統(tǒng)有主動(dòng)前輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)、主動(dòng)前輪疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(AFS)和主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(RWS)。2.2.1微生物系統(tǒng)的組成及利用傳統(tǒng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向能使駕駛員操縱輕便,減小路面對(duì)轉(zhuǎn)向盤的沖擊,同時(shí)能讓轉(zhuǎn)向盤具有自動(dòng)回正的能力。EPS能更好地滿足以上要求。特別是在使駕駛員操縱輕便方面,電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)汽車的行駛速度,靈活地調(diào)節(jié)助力大小。在低速停車時(shí),所需要的轉(zhuǎn)向力矩最大。此時(shí)EPS能相應(yīng)地加大助力強(qiáng)度,提高汽車駕駛的舒適性。在裝有停車輔助系統(tǒng)的汽車?yán)?EPS在停車時(shí)能自動(dòng)回正轉(zhuǎn)向盤。EPS主要有3種不同的安裝方案:(1)安裝在轉(zhuǎn)向軸上;(2)安裝在轉(zhuǎn)向器的齒條上;(3)安裝在轉(zhuǎn)向器的橫拉桿上。但EPS的結(jié)構(gòu)和工作原理都大同小異。在此僅對(duì)第1種安裝方案的EPS作簡(jiǎn)單介紹。此方案已用于新型的寶馬BMWZ4車。EPS由電子控制器、電動(dòng)機(jī)及運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)向盤力矩傳感器等部分組成(圖6)。由于EPS可按需要給轉(zhuǎn)向盤施加一個(gè)額外力矩,這一力矩可用于對(duì)駕駛員的提示信號(hào),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向建議功能DSR(driversteeringrecommendation)。讓EPS系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)相互結(jié)合,來識(shí)別和判斷駕駛員的意向以及汽車的運(yùn)動(dòng)狀況。一旦發(fā)現(xiàn)汽車過度轉(zhuǎn)向或當(dāng)汽車在μ-Split路面制動(dòng)時(shí),DSR可及時(shí)地提示和建議駕駛員作出快速和正確的反應(yīng),從而提高汽車的安全性。2.2.2轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角與汽車共享AFS系統(tǒng)能在駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤施加給前輪的轉(zhuǎn)向角的基礎(chǔ)上,通過AFS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)給前輪疊加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)向角。此額外的轉(zhuǎn)向角由電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和汽車的一些運(yùn)動(dòng)變量計(jì)算。AFS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、自鎖式蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、行星齒輪機(jī)構(gòu)等組成。AFS一般串聯(lián)在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間(圖7)。轉(zhuǎn)向器的輸入角δV由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δS和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角δM線性疊加而成。為了得知和控制前輪轉(zhuǎn)向角,需要安裝一電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器。AFS電子控制單元通過CAN獲得轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角,汽車行駛速度等信息。同時(shí)將轉(zhuǎn)向器的輸入角δV及轉(zhuǎn)向器的輸入角速度傳遞給CAN網(wǎng)絡(luò)。由于前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)增加了一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,通過合適的前輪轉(zhuǎn)向角疊加能實(shí)現(xiàn)一些傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的新功能。其中最主要的功能是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變傳動(dòng)比和對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角的動(dòng)態(tài)干預(yù)和調(diào)節(jié),來影響汽車的動(dòng)態(tài)性能,從而使汽車的舒適性、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性得到一定的改善。AFS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比是根據(jù)汽車行駛速度來變化的。當(dāng)汽車低速行駛時(shí),AFS的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)疊加一個(gè)與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δS同向的電機(jī)轉(zhuǎn)角δM,使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)向角的比值變小。其轉(zhuǎn)向更直接、快速、舒適。當(dāng)汽車高速行駛時(shí),AFS疊加一個(gè)與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角δS反向的電機(jī)轉(zhuǎn)角δM,使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)向角的比值變大。其轉(zhuǎn)向變得更為間接,所需要的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變大,能提高汽車高速行駛的轉(zhuǎn)向精確度,從而改善汽車的操縱性。同ESP系統(tǒng)相配合,AFS能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行汽車的橫擺角控制。特別是當(dāng)汽車在μ-Split路面制動(dòng)時(shí),AFS能通過主動(dòng)的前輪轉(zhuǎn)向角來平衡制動(dòng)力所產(chǎn)生的橫擺力矩,使汽車的操縱穩(wěn)定性得到改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)向盤和汽車前輪仍然保持著機(jī)械式連接,其安全自保性能好。當(dāng)AFS出現(xiàn)故障時(shí),電動(dòng)機(jī)自動(dòng)鎖止,傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍然照常工作。2.2.3rws執(zhí)行機(jī)構(gòu)RWS能主動(dòng)讓汽車兩后輪的橫拉桿相對(duì)于車身作側(cè)向運(yùn)動(dòng),使兩后輪產(chǎn)生一轉(zhuǎn)向角。RWS也是由電子控制單元、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有整體式和分離式兩種。整體式是指汽車兩后輪的橫拉桿由同一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所調(diào)節(jié);而分離式則指汽車兩后輪的橫拉桿由兩個(gè)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)。對(duì)于整體式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu),用一個(gè)橫拉桿位移傳感器就能確定兩后輪的轉(zhuǎn)向角。但分離式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要至少兩個(gè)位移傳感器。由于分離式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)的元件多,兩后輪的控制和協(xié)調(diào)比較復(fù)雜,現(xiàn)在研發(fā)更多的是整體式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整體式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu)又分液壓式和機(jī)電式兩種類型。圖8所示是機(jī)電式RWS執(zhí)行機(jī)構(gòu),由電動(dòng)機(jī)、螺母螺桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安全鎖止機(jī)構(gòu)等組成。為了提高系統(tǒng)的可靠性,執(zhí)行機(jī)構(gòu)里安裝了一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器和一個(gè)螺桿位移傳感器。當(dāng)RWS出現(xiàn)故障時(shí),電動(dòng)機(jī)自動(dòng)鎖止,兩后輪的轉(zhuǎn)向角不再發(fā)生變化,直到故障排除。當(dāng)RWS正常工作時(shí),后輪的轉(zhuǎn)向角是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角和汽車行駛速度的函數(shù)。汽車低速行駛時(shí),當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤,RWS的執(zhí)行機(jī)構(gòu)給后輪一個(gè)相應(yīng)的方向相反的轉(zhuǎn)向角。從而使汽車在低速拐彎或停車時(shí),轉(zhuǎn)彎半徑變小,使汽車轉(zhuǎn)向和停車更方便、快速、舒適。當(dāng)汽車高速行駛時(shí),RWS給后輪一個(gè)與前輪轉(zhuǎn)向角方向一致的轉(zhuǎn)向角。汽車的前后輪同時(shí)向同一個(gè)方向轉(zhuǎn)向,可提高汽車的方向穩(wěn)定性。特別是汽車在高速行駛換車道時(shí),汽車不必要的橫擺運(yùn)動(dòng)會(huì)大大減小,從而增強(qiáng)了汽車的方向穩(wěn)定性。當(dāng)汽車在μ-Split路面制動(dòng)時(shí),RWS同ESP系統(tǒng)相配合,可及時(shí)地通過主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向角來平衡制動(dòng)力所產(chǎn)生的橫擺力矩,既能保持汽車的方向穩(wěn)定性,又能最大限度地利用前輪的制動(dòng)力,改進(jìn)汽車的制動(dòng)性能。2.3懸掛系統(tǒng)的電子控制懸掛系統(tǒng)的控制是通過對(duì)汽車懸掛元件特性進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的汽車動(dòng)力學(xué)控制。在此僅對(duì)2種常見的系統(tǒng)ADC和ARC作簡(jiǎn)單介紹。2.3.1垂直加速度傳感器的使用ADC系統(tǒng)(有時(shí)也稱為連續(xù)性阻尼控制系統(tǒng)CDC)由電子控制單元、CAN、4個(gè)車輪垂直加速度傳感器、4個(gè)車身垂直加速度傳感器和4個(gè)阻尼器比例閥組成。根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀況及傳感器的信號(hào),電子控制單元計(jì)算出每個(gè)車輪懸掛阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù),然后對(duì)阻尼器比例閥(圖9)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),獲得所期望的振動(dòng)性能(圖10),使汽車的懸掛系統(tǒng)能提供更好的汽車舒適性、安全性和穩(wěn)定性。為此,讓汽車車輪的動(dòng)載振幅和車身垂直加速度盡可能小。2.3.2主動(dòng)側(cè)傾穩(wěn)定桿當(dāng)汽車進(jìn)行彎道行駛時(shí),離心力會(huì)對(duì)汽車車身產(chǎn)生一個(gè)側(cè)傾力矩。這個(gè)側(cè)傾力矩一方面引起車身側(cè)傾,另一方面使車輪的載質(zhì)量發(fā)生由內(nèi)輪向外輪的轉(zhuǎn)移。對(duì)被動(dòng)橫向穩(wěn)定桿的汽車來說,車輪的載質(zhì)量在前后軸上轉(zhuǎn)移的分配比例是由前后軸的側(cè)傾剛度決定的。而主動(dòng)橫向穩(wěn)定桿則可以根據(jù)具體情況對(duì)每個(gè)橫向穩(wěn)定桿施加一個(gè)可連續(xù)變化的初始側(cè)傾角或者初始側(cè)傾力矩。主動(dòng)側(cè)傾穩(wěn)定桿有2種不同的結(jié)構(gòu)形式。第1種(圖11)是將被動(dòng)側(cè)傾穩(wěn)定桿從中間分開,通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)把穩(wěn)定桿的左右兩部分連接起來。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)能讓左右兩部分進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)。第2種(圖12)是在被動(dòng)穩(wěn)定桿其中一端安裝一個(gè)差動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)。差動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)一端與穩(wěn)定桿連接,另一端與同車輪的橫向擺臂連接。差動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)兩端的距離是可以調(diào)節(jié)的。ARC的工作原理是主動(dòng)地讓穩(wěn)定桿的左右兩端作垂直方向的相對(duì)位移,來平衡車身的側(cè)傾力矩,使車身的側(cè)傾角接近零。這樣減小了車身側(cè)傾運(yùn)動(dòng),提高了舒適性。由于汽車前后兩個(gè)主動(dòng)穩(wěn)定桿可調(diào)節(jié)車身的側(cè)傾力矩的分配比例,從而可調(diào)節(jié)汽車的動(dòng)力特性,提高了汽車安全性和機(jī)動(dòng)性。新型的寶馬BMW7系列轎車裝有液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)式的ARC系統(tǒng)。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電動(dòng)液壓泵、電磁調(diào)控閥體和液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)等組成。液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的調(diào)節(jié)和控制主要基于汽車的行駛速度、汽車的橫向加速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和橫擺角速度等。3基于高速局域網(wǎng)絡(luò)的汽車底盤控制汽車底盤各控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系、相互依賴、相互影響越來越大。為了優(yōu)化控制效果,節(jié)約資源,提高控制系統(tǒng)的可靠性,用高速局域網(wǎng)絡(luò)CAN將兩個(gè)或多個(gè)底盤電子控制系統(tǒng)結(jié)合起來,對(duì)底盤實(shí)現(xiàn)多層面控制,已成了現(xiàn)代汽車底盤技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了第二代ESP系統(tǒng)、GCC系統(tǒng)和AUTOSAR研發(fā)工程。3.1控制層的組成要獲得汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性,可以通過對(duì)車輪制動(dòng)力的控制,也可以通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制,還可以通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩控制來實(shí)現(xiàn)。如果讓3個(gè)控制系統(tǒng)獨(dú)立工作,很可能相互約束,相互干擾,事倍功半。第二代ESP系統(tǒng)用網(wǎng)絡(luò)讓這3個(gè)控制系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來,相互配合,相互補(bǔ)充,達(dá)到最佳的控制效果。ESPII的主要組成部分如圖13所示。為實(shí)現(xiàn)這3個(gè)控制系統(tǒng)和諧有效地工作,ESPII系統(tǒng)設(shè)立了更高一級(jí)的控制層。此控制層的計(jì)算軟件在ESP電子控制單元上運(yùn)行,但通過網(wǎng)絡(luò)擁有AFS、ABS、TCS和ESP的所有信息,并能通過網(wǎng)絡(luò)向AFS、ABS、TCS和ESP傳達(dá)控制指令。最基礎(chǔ)的控制功能如制動(dòng)防抱死,驅(qū)動(dòng)防滑轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變傳動(dòng)比仍然分別由低層面的ABS、TCS和AFS獨(dú)立完成。汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性功能則由ESPII的高級(jí)控制層面統(tǒng)一管理,綜合協(xié)調(diào),從而使汽車更安全、更機(jī)動(dòng)、更舒適,彎道行駛穩(wěn)定性更好。通過對(duì)ESP、TCS和AFS的網(wǎng)絡(luò)化,ESPII擴(kuò)展和改進(jìn)了ESP的功能。3.2gcc控制單元GCC的基本構(gòu)思是設(shè)立一個(gè)更高層面的底盤控制單元,即GCC控制單元如圖14所示。利用CAN網(wǎng)絡(luò)將駕駛員的操縱指令同汽車動(dòng)態(tài)特征有關(guān)的所有傳感器的信息都傳遞給GCC控制單元。同時(shí)GCC控制單元同所有的其它汽車底盤子控制系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來。底盤最高層的控制策略和控制邏輯在GCC控制單元中運(yùn)行。它要對(duì)駕駛員的意向進(jìn)行識(shí)別,對(duì)底盤控制子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督和檢測(cè),對(duì)汽車的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)汽車的運(yùn)動(dòng)狀況偏離駕駛員的意向時(shí)或者汽車出現(xiàn)了危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況,GCC控制單元將進(jìn)行綜合平衡,全面協(xié)調(diào),對(duì)汽車底盤各子控制系統(tǒng)進(jìn)行合理分工,用最佳的方法來完成汽車的動(dòng)態(tài)控制和穩(wěn)定。一旦其中某一個(gè)子控制系統(tǒng)發(fā)生故障,GCC控制單元會(huì)自動(dòng)地對(duì)汽車底盤各子控制系統(tǒng)的分工進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,以達(dá)到最佳的控制效果。由于GCC控制單元能全面了解駕駛員的意向、汽車的運(yùn)動(dòng)狀況和汽車底盤各子控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,因此能合理地分配各控制系統(tǒng)的任務(wù),使他們更和諧、更有效、更及時(shí)地相互配合,相互補(bǔ)充。不僅使汽車的主動(dòng)安全性、舒適性和機(jī)動(dòng)性更好,而且系統(tǒng)的可靠性也得到了提高。3.3汽車生產(chǎn)廠家要實(shí)現(xiàn)全方位底盤控制,就必須讓GCC控制單元能夠快速、可靠和正確地同汽車底盤所有子控制系統(tǒng)交換信息。到目前為止,汽車底盤各個(gè)系統(tǒng)和相應(yīng)的控制單元來自不同的生產(chǎn)廠家。他們有各自的標(biāo)準(zhǔn)體系,有各自的技術(shù)保密措施和對(duì)外信息封鎖措施。要實(shí)現(xiàn)GCC,必須要對(duì)所有的汽車生產(chǎn)廠家和汽配生產(chǎn)廠家制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系和系統(tǒng)接口。為此,全球范圍內(nèi)的汽車行業(yè)正在研究和探討建立汽車開放性系統(tǒng)構(gòu)架。其目的是要對(duì)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的接口制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系,使汽車系統(tǒng)和控制軟件具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、再用性能好、互換性好、維護(hù)性好等特征。全球范圍內(nèi)50多個(gè)汽車生產(chǎn)廠家和汽車配件生產(chǎn)廠家參與這一工程。其中核心成員是寶馬、奔馳、大眾、歐寶、標(biāo)致、豐田、福特、博世、大陸和西門子等10家公司。4x-b-wre汽車線程控制技術(shù)x-bi-wire的開發(fā)和實(shí)踐4.1操縱機(jī)構(gòu)的控制(1)操縱機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有機(jī)械聯(lián)結(jié)和機(jī)械能量的傳遞。(2)駕駛員操縱指令由傳感元件感知,以電信號(hào)的形式由網(wǎng)絡(luò)傳遞給電子控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用外來能源完成操縱指令及相應(yīng)的任務(wù),其執(zhí)行過程和結(jié)果受電子控制器的監(jiān)測(cè)和控制。X-by-wire的關(guān)鍵是線控轉(zhuǎn)向和線控制動(dòng)系統(tǒng)。圖15是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線控制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)架圖,它們由兩套控制系統(tǒng)所組成。一套是對(duì)操縱機(jī)構(gòu)的控制,即對(duì)轉(zhuǎn)向盤力矩或者制動(dòng)踏板力的控制。另一套是對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,即對(duì)前輪轉(zhuǎn)向角或者車輪制動(dòng)力的控制。這兩套控制系統(tǒng)都使用外來能源/電能,他們之間只有不斷的信息交換,但沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能量的傳遞。4.2轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向的控制部分按歐洲現(xiàn)有的法規(guī),線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車還不允許在公共交通道路上使用,所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于研制階段。系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向盤力矩模擬電機(jī)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、控制器單元(ECU)、電能供給系統(tǒng)、電能和信息管理系統(tǒng)以及車輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。由于它對(duì)汽車駕駛安全的特殊性,因此所有元件都是重復(fù)的,包括信息網(wǎng)絡(luò)電路、能源供給電路、執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器和控制器單元。當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向時(shí),一方面執(zhí)行電機(jī)要根據(jù)駕駛員的意向?qū)η拜喌霓D(zhuǎn)角進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制;另一方面轉(zhuǎn)向盤力矩模擬電機(jī)要根據(jù)汽車的運(yùn)動(dòng)狀況計(jì)算出轉(zhuǎn)向盤的回正力矩,為駕駛員模擬相應(yīng)的路感。4.3電制動(dòng)系統(tǒng)emb汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)車輪制動(dòng)壓力系統(tǒng)的不同可分為EHB(electrichydraulicbrake)和EMB(electro-mechanicbrake)兩大類。電液制動(dòng)系統(tǒng)(EHB)由電子制動(dòng)踏板模塊、電子控制單元(ECU)、液壓控制單元(HCU)、傳感器和信息網(wǎng)絡(luò)(CAN)等部分組成。EHB是在ESP成功地產(chǎn)品化之后開始研發(fā)的,其HCU的結(jié)構(gòu)和原理同ESP有許多相似之處。各車輪的制動(dòng)力矩仍然靠輪缸里的液壓產(chǎn)生,輪缸與EHB的HCU相連通。液壓控制單元的能量來源不再是駕駛員,而是由電動(dòng)液壓泵所產(chǎn)生的高壓油。為此,HCU有一個(gè)高壓儲(chǔ)油室。當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板時(shí),制動(dòng)踏板力和行程由傳感元件所測(cè)量,將其結(jié)果傳遞給ECU,然后ECU對(duì)HCU中不同的電磁閥門進(jìn)行相應(yīng)的控制來調(diào)節(jié)各輪缸的壓力。EHB集成了ESP、TCS、ABS和EBA的功能,但性能更優(yōu)越:能優(yōu)化制動(dòng)踏板特性,消除ABS工作時(shí)踏板振動(dòng)。EHB需要ESP所有的傳感器。另外,制動(dòng)踏板模塊裝有2個(gè)獨(dú)立的角位移傳感器和1個(gè)壓力傳感器。HCU中裝有5個(gè)壓力傳感器,分別測(cè)量4個(gè)輪缸和高壓儲(chǔ)油室的液壓。第一批安裝EHB系統(tǒng)的是奔馳E級(jí)轎車。同EHB系統(tǒng)相比,電制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化。它的車輪制動(dòng)壓力不再由液壓產(chǎn)生,而是來源機(jī)電一體式制動(dòng)器。4個(gè)獨(dú)立的高性能機(jī)電一體式制動(dòng)器在每個(gè)車輪上產(chǎn)生制動(dòng)力。EMB系統(tǒng)由電子制動(dòng)踏板模塊、中心電子控制單元(ECU)、4個(gè)包含電控模塊(WCU)的機(jī)電一體式制動(dòng)器、多種傳感器和網(wǎng)絡(luò)(CAN)等部分組成。剎車時(shí),電子制動(dòng)踏板模塊感知駕駛員的指令,通過網(wǎng)絡(luò)(CAN)同時(shí)向ECU和4個(gè)WCU發(fā)出信號(hào)。中心ECU計(jì)算出各個(gè)車輪期望制動(dòng)力,并將執(zhí)行指令傳遞給4個(gè)WCU。WCU對(duì)控制機(jī)電一體式制動(dòng)器作相應(yīng)的控制和調(diào)節(jié),來完成必要的制動(dòng)力矩響應(yīng)