使用32位微控制器MPC5604的車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)仿真研究

楊家穎，吳光強,2，葉光湖

（1.同濟大學 汽車學院，上海 201804；2.東京大學 生產(chǎn)技術研究所，日本，東京 153-8505）

車輛電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（Electronic Stability Program，ESP）主要在大側向加速度、大側偏角的極限工況下工作，對提高車輛操縱穩(wěn)定性及主動安全性有著至關重要的作用。ESP通過讀取并處理傳感器收集的信息對駕駛員意圖、車輛行駛狀況及路面狀況進行識別，從而對液壓調節(jié)器進行調節(jié)，產(chǎn)生使車輛穩(wěn)定的橫擺力偶矩[1]。而具有高精度、高可靠性的ECU則是實現(xiàn)ESP功能的基礎。過往國內對ESP控制系統(tǒng)的研究大多基于16位微控制器，而隨著技術的發(fā)展及要求控制精度的提升，ESP系統(tǒng)的功能日趨復雜化。目前常用的8位、16位微處理器已經(jīng)難以滿足ESP對數(shù)據(jù)處理能力及執(zhí)行速度、可靠性等的要求。近年來，在處理能力、執(zhí)行速度及I/O功能上具有明顯優(yōu)勢的32位微控制器成本不斷下降，逐漸在汽車車身控制、底盤控制等領域被廣泛使用，在可預見的未來，32位微控制器必將成為汽車行業(yè)嵌入式系統(tǒng)的應用主流。Freescale公司的Qorivva/MPC5xxx系列32位微控制器采用了高性能PowerPC架構，為設計高質量、高可靠性的汽車電控系統(tǒng)提供了可拓展的集成解決方案[2]，在汽車電子領域得到了廣泛的應用。

基于上述內容，本文選擇了32位微控制器MPC5xxx系列中的MPC5604作為主控芯片，設計開發(fā)了ESP的電子控制系統(tǒng)ECU。建立了目標車輛的七自由度車輛模型，制定基于橫擺角速度門限值的控制策略，并選擇雙移線仿真工況進行離線仿真分析。最后以開發(fā)的中央控制單元為核心，結合ESP液壓調節(jié)單元，實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真，為進一步優(yōu)化模型及控制策略提供依據(jù)。

1 ESP系統(tǒng)中央控制單元組成

ECU作為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的核心，具備接收和處理通過傳感器和CAN總線輸入的信號并發(fā)出控制信號的功能。ECU芯片由內部電路實現(xiàn)各模塊功能，電路封裝后通過定義的接口和子系統(tǒng)進行連接。圖1是基于Freescale公司Qorivva/MPC5604的ECU結構圖。ECU需要對多項采集數(shù)據(jù)進行處理運算，同時還需保證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，而本文采用的32位微控制器可以滿足運算量大、實時性強的系統(tǒng)設計，為ESP系統(tǒng)中央控制單元的設計提供了理想的解決方案[3]，其所具有的CAN總線接口也可以實現(xiàn)與汽車其余行駛輔助系統(tǒng)及動力總成的信號共享以及控制信號的總線方式傳輸。同時，隨著汽車電子化的不斷深入，ESP的功能日趨豐富，集成度也越來越高，目前已有ESP產(chǎn)品集成了防抱死制動系統(tǒng)（Anti-lock Braking System，ABS）、電子制動力分配系統(tǒng)（Electronic Brake Force Distribution，EBD）、制動輔助系統(tǒng)（Brake Assist System，BAS）、電子差速鎖止系統(tǒng)（Electronic Differential Lock，EDL）、牽引力控制系統(tǒng)（Traction Control System，TCS）、驅動防滑系統(tǒng)（Acceleration Slip Regulation，ASR）等系統(tǒng)[4]，32位微控制器的強大擴展性也為后續(xù)的研究及開發(fā)更新提供了便利和空間。

通過Freescale公司專為Qorivva/MPC56xx開發(fā)的Codewarrior for MPC56xx編譯軟件，可使用C語言進行編程后通過JTAG模塊進行下載，同時對控制系統(tǒng)的運行過程進行跟蹤[5]。在MPC5604最小應用系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)對ESP系統(tǒng)所需信號的采集處理以及對執(zhí)行機構的控制。對信號的采集可分為兩部分：輪速信號以及其它如車速信號、橫擺角速度信號等。其中輪速信號經(jīng)過輪速信號調理電路進行信號處理后通過微控制器的輸入捕捉I/O來采集；而如橫擺角速度、縱向加速度、側向加速度、方向盤轉角及輪缸壓力等信號通過外部數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉換，并由外部電路進行打包處理后通過CAN總線與ECU共享。執(zhí)行機構主要通過自主開發(fā)的驅動模塊分別對12路電磁閥及回流泵實現(xiàn)控制，其中12路電磁閥的驅動使用3片意法半導體公司的功率開關電路L9349，而回流泵的驅動采用單片Infineon公司的高位開關芯片BTS5090實現(xiàn)。具體ECU布線及實物圖如圖2所示。

ECU通過CAN總線及輸入捕捉I/O接收目標信號，實時監(jiān)控車輛的行駛狀況，識別駕駛員意圖，從而根據(jù)控制策略控制12路電磁閥以及回流泵的工作狀態(tài)，分配制動輪缸壓力產(chǎn)生差動制動，保證車輛穩(wěn)定，提高車輛的主動安全性。

2 整車系統(tǒng)建模

2.1 七自由度整車模型

汽車行駛狀態(tài)主要由縱向速度、側向速度和橫擺角速度確定。其中縱向速度和側向速度共同決定了車輛行駛的質心側偏角，橫擺角速度的積分即可得到汽車的橫擺角，而橫擺角與質心側偏角疊加之和為汽車行駛的航向角。航向角增大，汽車的轉彎半徑會減少，反之轉彎半徑會增大，所以航向角的大小則決定了汽車的穩(wěn)定狀態(tài)。本文建立了七自由度車輛模型（縱向、橫向、橫擺、四車輪滾動，如圖3所示），建立該模型包括以下假設：

（1）假設車輛處于水平路面，不考慮縱向和橫向坡度。

（2）為簡化運算，忽略空氣阻力對車輛運動的影響。

（3）不考慮車身的側傾和俯仰運動。

（4）不考慮懸架引起各車輪載荷的瞬態(tài)變化。

（5）各車輪轉動慣量、滾動半徑及滾動阻力系數(shù)相同。

圖3中，將坐標原點固定于車輛的質心處，Vx為汽車縱向速度；Vy為汽車橫向速度；β為汽車質心側偏角；δ為前輪轉向角；dr為輪距；CG為整車質心；lf為前軸到質心距離；lr為后軸到質心距離。根據(jù)達朗貝爾原理，分別對車輛模型進行x軸受力、y軸受力、繞z軸轉動力矩建立平衡關系，從而得到以下七自由度車輛模型動力學方程。

整車縱向運動方程：

整車側向運動方程：

整車橫擺運動方程：

各車輪旋轉動力學方程：

至此，整車七自由度車輛動力學方程建立完畢。

2.2 輪胎模型

就ESP而言，汽車穩(wěn)定性控制就是在失穩(wěn)狀態(tài)下對不同車輪施加制動力，利用不同車輪的制動力差別產(chǎn)生橫擺力偶矩從而實現(xiàn)對車輛橫擺運動的控制。換言之，車輛的運動姿態(tài)主要是受到各車輪輪胎縱、側向力系及其橫擺力矩作用的影響。準確計算車輪的縱橫作用力是對車輛穩(wěn)定性制定控制策略的基礎，而得到正確的車輪載荷則是得到正確的車輪縱橫作用力的基礎。在車輛轉向時，由于側向力以及橫擺運動的原因，整車的載荷會在左右車輪間轉移。因此，本文建立以下公式來描述四輪載荷的穩(wěn)態(tài)分布。

式中，F(xiàn)z,ij分別為四車輪的載荷；L為軸距；hg為整車質心高度；ax與ay分別為車輛縱橫加速度。

同時，由于在極限工況下線性輪胎模型存在嚴重的誤差，因而在車輛狀態(tài)估計研究中，主要使用的是非線性輪胎模型。其中， Pacejka H.B.提出的“魔術公式”對輪胎力特性的表達式比較統(tǒng)一，擬合精度高，適用范圍廣，在車輛穩(wěn)定性研究中被廣泛使用。但該模型的局限性在于公式結構復雜、待定參數(shù)多而導致運算量大，而ESP系統(tǒng)對計算實時性的要求使車輛狀態(tài)估計需要在保證精度的同時降低運算量。因此本文采用簡化魔術公式輪胎模型[6]，在能較好反映輪胎非線性特性的同時提升運算的效率。以下即為簡化輪胎模型的基本形式。和魔術公式一樣，式中的D、C、B分別為峰值因子、形狀因子和剛度因子。以下使用式(6)分別對輪胎穩(wěn)態(tài)縱滑、側偏聯(lián)合工況進行分析。

2.2.1 縱向輪胎力

2.2.2 側向輪胎力

式中，α為車輪側偏角；f，r分別代表前輪和后輪。

2.3 制動器模型

ESP系統(tǒng)經(jīng)過控制策略決定車輛需要的橫擺力偶矩，控制液壓調節(jié)單元（Hydraulic Control Unit，HCU）以調節(jié)電磁閥開閉實現(xiàn)輪缸制動壓力的增壓、減壓與保壓。而車輪的制動力矩Tb與輪缸制動壓力油壓pw有著以下關系[7]。

式中，Tb(s)為制動力矩；Pw(s)為輪缸制動壓力；Kd為制動效能因素；AW為活塞橫截面積；rd為制動盤有效半徑；ωn為系統(tǒng)固有頻率；ξ為制動器阻尼系數(shù)。

經(jīng)推導，本文建立如下理論制動液壓調節(jié)系統(tǒng)輪缸壓力模型。

式中，t為作用時間；Ce為系統(tǒng)液容；Re為增壓時系統(tǒng)液阻；R'e為減壓時系統(tǒng)液阻；AP為輪缸活塞截面積；Xp為輪缸工作過程活塞位移；m與m'分別為增壓與減壓時的節(jié)流閥指數(shù)。

由于車輛制動液壓系統(tǒng)是一個很強的非線性系統(tǒng)，很難推導其精確模型。為得到比較完善并能反映實際狀態(tài)的液壓系統(tǒng)模型，對車輛液壓系統(tǒng)動態(tài)過程進行試驗研究，通過試驗及一元線性回歸得到辨識參數(shù)，得到制動液壓調節(jié)系統(tǒng)輪缸壓力模型為

式中，τ0，τ1分別為增壓、減壓滯后時間。

3 穩(wěn)定性控制策略制定

ESP系統(tǒng)通過對不同車輪施加不同的制動力進行差動制動，從而使車輛產(chǎn)生橫擺力偶矩，輔助駕駛員對車輛行駛狀態(tài)進行控制。同時，在極限工況下車輛達到附著極限而通過方向盤控制產(chǎn)生的側向力飽和導致無法改變車輛運動狀態(tài)時，差動制動產(chǎn)生的橫擺力偶矩能夠對恢復車輛穩(wěn)定性起決定性作用。因而，對于控制策略應該是在車輛即將失穩(wěn)時，通過ECU對駕駛員意圖進行識別，控制HCU調節(jié)制動力，從而實現(xiàn)對車輛行駛姿態(tài)的控制。

由于橫擺角速度可通過陀螺儀進行測量，本文基于橫擺角速度的控制策略是通過將汽車實際橫擺角速度與理想橫擺角速度的差值Δr對超出預設的橫擺角速度門限值的部分進行決策，其中預設的門限值為車輛在良好路面上以60 km/h車速行駛時，實際橫擺角速度與名義橫擺角速度的差值Δyaw，其差值約為0.08[8]。通過Δr與前輪轉向角δf共同判斷車輛的轉向特性，同時決策實現(xiàn)制動車輪?？紤]到由于車輛轉向時，各車輪產(chǎn)生的橫擺力臂不同導致產(chǎn)生橫擺力矩的效率不同，本文使用單輪控制的方式來產(chǎn)生差動制動力，具體策略見表1。

表2中，t1，t2為動態(tài)滑移率門限，由路面附著系數(shù)確定[7]。

表1 制動車輪決策策略

車輛制動壓力超過一定值時，會使車輪滑移率過高，從而使車輪附著系數(shù)下降，則車輪的縱向力及側向力都將有所下降，使可利用的橫擺力偶矩減小。因此，當已判斷出所需制動的車輪時，控制策略會依據(jù)該輪滑移率控制HCU以調整制動輪缸壓力。下面以右前輪制動工況為例，控制策略見表2。

表2 增(減)壓速率決策策略

4 硬件在環(huán)臺架搭建及仿真結果分析

4.1 硬件在環(huán)試驗臺搭建

本文建立了基于XPC Target開發(fā)平臺的硬件在環(huán)試驗平臺。應用Matlab/Simulink軟件編寫的整車動力學模型以及控制算法，通過RTW生成實時代碼，從而實現(xiàn)離線仿真與硬件在環(huán)仿真的結合，同時通過CAN把硬件反饋的工作信息反饋至用Labview編寫的子界面中，可以便于比對及分析離線仿真與硬件在環(huán)的結果。本文中硬件在環(huán)系統(tǒng)包括以下部分：XPC Target實時仿真系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、ECU、供電電源、液壓控制單元。系統(tǒng)連接及實物如圖4和圖5所示。

4.2 仿真結果分析

選擇ISO3888-1雙移線試驗工況作為仿真工況，車速為33 m/s，路面選用附著系數(shù)為0.9的B級路面，并參考使用最優(yōu)曲率駕駛員模型[8]，控制整車轉向輸入，形成人-車閉環(huán)系統(tǒng)以觀測整車模型以及控制策略對車輛穩(wěn)定性的影響。將有ESP控制與無ESP控制的仿真結果進行比較，圖例中以紅線表示無ESP控制的結果，黑線表示有ESP控制的結果，仿真結果如圖6～9所示。

分析圖6的汽車行駛軌跡可以看出，在有ESP控制的情況下，汽車基本能跟隨預定的軌跡運動，且基本能不觸碰試驗場地中的路障。而在無ESP控制的情況下，汽車出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象，從其行駛軌跡可以看出汽車不僅會沖撞路障，甚至在行駛后期失去方向穩(wěn)定。

分析圖7和圖8可以看出，在有ESP控制的條件下，駕駛員對方向盤操控的動作幅度更小，曲線變化更為平緩，證明駕駛員能夠更加從容地操縱方向盤；而在無ESP控制的情況下，駕駛員對方向盤的輸入幅度更大，且在個別時間點存在尖峰，證明在實際操作中已超出駕駛員的操縱能力。從質心側偏角的角度來評價車輛方向穩(wěn)定性可以看出，在有ESP的情況下，質心側偏角能更好地響應方向盤輸入，而在無ESP的情況下，由于行駛進入了非線性區(qū)域，汽車無法較好地根據(jù)方向盤輸入對預定軌跡進行跟隨，容易失去方向穩(wěn)定性。

圖9為汽車的橫向載荷轉移率，定義為左右兩側車輪載荷之差與兩側車輪載荷之和的比值。在靜態(tài)過程中，若比值為0，則車輛正沿直線行駛，并無發(fā)生載荷轉移，隨著載荷轉移增加，橫向載荷轉移率絕對值也隨之增加；若比值為1，則意味著有一側車輪離地，易發(fā)生側翻。而在汽車行駛過程中，一般認為0.85～0.9為側翻臨界值[10]。從圖9中可以看出，在有ESP控制情況下，橫向載荷轉移率絕對值基本保持在0.6以內，而在無ESP的情況下則達到了警戒值0.9，出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。

綜合以上分析可以看出，在極限工況下，通過ESP控制策略能夠有效提高汽車的軌跡跟隨能力及穩(wěn)定性。

通過搭建的硬件在環(huán)平臺，對所開發(fā)ESC系統(tǒng)各項功能的所用時間情況進行了測試，得到表3。

表3 ESP控制系統(tǒng)功能用時驗證

與基于微控制器MC9S12XDP512制作的16位ECU測試結果相比，多任務啟動過程用時從7 ms縮短為3.2 ms[7]，且32位控制器的作動器控制用時與16位控制器的控制用時相比也明顯縮短，可見使用32位微控制器設計的控制系統(tǒng)整體性能較使用16位控制器設計的系統(tǒng)有顯著的提升。

5 結論

綜上所述，本文通過建立七自由度車輛模型，應用橫擺角速度控制策略在雙移線仿真工況下進行了仿真分析，并且在具備離線仿真的基礎上，基于32位微控制器MPC5604開發(fā)了ESP的控制單元，結合硬件實現(xiàn)了從離線仿真到硬件在環(huán)仿真的過渡。仿真結果表明所制定的控制策略能夠在一定程度上提升車輛的駕駛穩(wěn)定性，并且由于控制策略邏輯并不復雜，只需要硬件響應足夠迅速即可做出相應的調節(jié)從而具備一定的可適用性，但本文存在以下不足以及日后可待拓展的地方。

（1）控制策略可以考慮質心側偏角的估計，通過調節(jié)基于橫擺角速度及基于質心側偏角的控制策略各自的權重使行駛穩(wěn)定性得到更好的提升，而在這方面，32位微控制器的強大處理能力也為控制策略精細化提供了擴展的空間。

（2）本文選擇的試驗工況只有雙移線工況，且路面附著系數(shù)只選擇了高附著的條件，可結合路面識別算法在不同的路面狀況，不同車速以及多種試驗工況條件下對控制策略進行調整，同時可考慮結合相平面分析來評估控制策略的有效性及魯棒性。

（3）本文硬件在環(huán)平臺暫時沒有加入制動盤及制動主缸等部件，故無法對制動過程中液壓調整的效果進行驗證，后期應將制動系統(tǒng)部件加入到臺架中。

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