汽车底盘集成制动力控制系统研究与开发

摘要

随着社会的进步和工业技术的发展，人们对汽车提出了愈来愈严格的要求，环境保护、节约能源、安全性、舒适性和智能性成为了汽车工业所追求的目标。电子装置在汽车上的应用，使汽车的各项使用性能可以突破传统机械装置的限制而趋近到最佳状态。汽车底盘电子控制装置，以改善车辆系统动力学特性为主要途径，极大地提高了汽车的使用性能。汽车底盘电子控制装置中有一类控制器以车辆制动力为控制手段，优化着车辆的加速、制动及操纵性能，以保证车辆的行驶稳定性和安全性。本文以ABS、ASR和ESP等制动力控制装置为主要研究目标，设计相应的控制逻辑，并依据电控装置的集成化和模块化思想，构建车辆底盘集成制动力控制系统。在查阅大量国内外有关文献的基础上，本文综述了已经开发出来的汽车底盘各控制系统的原理与特点，归纳了汽车电子控制产品的发展趋势，并介绍汽车电子控制装置的开发方法。最后提出了本文的主要研究思路和研究内容。车辆系统动力学模型的建立是整个研究工作的基础。为满足底盘集成制动力控制系统研究的需要，本文建立了比较完整的车辆系统动力学模型，包括整车的纵向、横向动力模型，液压制动系统模型、轮胎模型和驾驶员模型等部分。为了便于进行数字仿真，本文建立相应的图形化车辆系统动力学仿真模型。通过仿真结果的比较，表明所建立的模型具有一定的精度，可以满足本文研究工作的需要。ABS、ASR和ESP控制逻辑的设计是本文主要研究解决的内容。在介绍其基本原理的基础上，本文分析了各控制系统经典控制逻辑的优缺点。为了发挥优点而克服其缺点，本文采用新的思路，设计了ABS和ASR的逻辑门限状态控制算法和简化的ESP控制算法。然后，根据集成化模块化理论，为了使三大控制功能协调工作，本文设计了集成控制逻辑，即按一定的规则对其输出的PWM控制信号进行逻辑运算，形成最后的控制指令。稳定性是控制逻辑设计所必须解决的问题，本文使用相空间轨迹和庞加莱映射证明了ABS逻辑门限状态控制算法的稳定性。为了找到合适的PWM波形的占空比，本文还利用有限元法对高速开关电磁阀的响应特性作了分析。大量的仿真试验表明，本文所建立的控制系统逻辑算法正确，非常好地实现了所规划的控制功能。硬件在环仿真越来越多地被汽车电子产品开发者所采用。本文以SIMULINK/xPC目标环境为工具，建立了汽车底盘集成制动力控制器的硬件在环仿真开发平台，定义了相关的硬件系统及其信号连接，并对开发平台的实时仿真性能进行了分析。底盘集成制动力控制系统ECU设计是本文的最终目的。首先，本文以MOTOROLA微控制器MC9S12DP256B为CPU进行了相关的外围电路设计，并制作了印刷电路板，根据控制器的输入/输出信号定义了相应的硬件接口引脚脚。然后，使用单片机C语言，编制了完整的控制程序。通过把ECU嵌入到硬件在环仿真设计平台，并运行控制程序和车辆系统动力学实时仿真模型，对各控制功能进行了仿真研究，结果表明，所开发的ECU工作可靠，性能稳定，效果理想。模糊控制是在模仿专家经验的基础上利用模糊数学的基本原理建立起来的一种智能控制方法，因为其鲁棒性和对非线性系统的适应性，模糊控制非常适合应用在车辆ABS系统。基于滑移率或者车轮加减速度的ABS模糊控制器，较多的文献已有论述。本文从实际工程应用的角度出发，详细地建立了基于车轮加减速度的ABS模糊控制方法，通过使用三维输入，较好的克服了以往基于车轮加减速度模糊控制中轮速波动较大的缺点，获得了较好的控制效果。关键字：底盘集成控制 制动力控制 逻辑门限状态控制 硬件在环仿真 模糊控制

目录

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声明

第一章绪论

1.1车辆底盘电子控制系统

1.2车辆电子控制系统发展趋势

1.3车辆电子控制系统的开发方法

1.4本文的基本思路和主要研究内容

第二章车辆系统动力学建模

2.1整车动力学模型

2.2车轮轮胎模型

2.2.1单一工况下轮胎力的计算

2.2.2联合工况下轮胎力的计算

2.2.3轮胎滑移率与侧偏角

2.2.4轮胎侧偏动特性

2.3液压系统建模

2.4制动器模型

2.5发动机模型

2.6驾驶员模型

2.7图形化仿真车辆模型

2.8车辆动力学模型的验证

2.8.1车辆模型纵向力动力学特性验证

2.8.2车辆模型横向动力学特性验证

2.9本章小结

第三章汽车底盘集成控制系统控制策略

3.1汽车底盘控制模块概述

3.1.1 ABS基本原理

3.1.2 ABS基本结构

3.1.3 ASR基本原理

3.1.4 ESP基本原理

3.2ABS控制算法设计

3.2.1现行ABS逻辑门限控制算法

3.2.2 ABS逻辑门限控制的优点和不足

3.2.3 ABS算法设计

3.2.3高速开关阀控制信号的占空比

3.2.4ABS逻辑门限状态控制仿真结果

3.2.5 ABS控制算法的稳定性分析

3.3 ASR控制算法设计

3.4 ESP控制算法设计

3.5复合控制

3.6本章小结

第四章硬件在环仿真设计系统

4.1基于硬件在环仿真平台的产品开发

4.2MATLAB\RTW\xPC目标环境

4.3硬件在环在环仿真设计系统总体方案

4.3.1硬件在环仿真设计系统的组成

4.3.2设计系统的主仿真程序

4.3.3仿真系统的实时性设计

4.4本章小结

第五章底盘集成控制ECU设计

5.1微控制器MC9S12DP256B

5.2 ECU硬件电路

5.3控制程序开发

5.4 ECU控制结果

5.5本章小结

第六章ABS模糊控制器设计

6.1基于车轮加、减速度的模糊控制系统

6.2隶属函数

6.3控制规则

6.4模糊控制结果分析

6.5本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文