新一代線控底盤集成控制策略研究

魏青楊建森李飛

（1.天津公安消防總隊，天津 300000；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

新一代線控底盤集成控制策略研究

魏青1楊建森2李飛2

（1.天津公安消防總隊，天津 300000；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

針對汽車穩(wěn)定性控制，提出了一種基于線控轉(zhuǎn)向和線控制動的新一代底盤集成控制策略。分別設(shè)計制造了線控制動、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)樣機(jī)，建立了相應(yīng)的動力學(xué)模型。應(yīng)用模型預(yù)測控制，設(shè)計了基于主動前輪轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)和主動制動力調(diào)節(jié)的底盤集成控制系統(tǒng)。設(shè)計了針對目標(biāo)汽車的底盤集成控制硬件在環(huán)試驗臺，并進(jìn)行了典型工況測試試驗。結(jié)果表明，本文所設(shè)計的控制策略可有效使汽車跟隨期望狀態(tài)，保證車輛行駛的穩(wěn)定性，提升車輛的綜合性能。

1 前言

研究表明，汽車側(cè)滑失穩(wěn)是造成交通事故的主要原因之一[1～4]。為此，各大汽車廠商、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，先后設(shè)計生產(chǎn)了許多穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，如DSC[5～7]、ESP、VSC[8]等。目前廣泛應(yīng)用的汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)大多采用單一控制方式進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，這種單一的控制方式對于提高汽車穩(wěn)定性有一定幫助，但是受系統(tǒng)自身特性的影響，此種控制方式存在某些局限：基于主動轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)在輪胎側(cè)向力達(dá)到飽和狀態(tài)時便會失去控制作用；基于主動制動控制的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)會顯著影響車輛質(zhì)心側(cè)偏角，增加汽車側(cè)傾危險。因此，將多種控制方法集成，通過協(xié)調(diào)控制的方式，充分發(fā)揮各控制方式的優(yōu)點、彌補(bǔ)其不足是目前汽車穩(wěn)定性控制研究的重點[9～10]，其中，基于主動制動與主動轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的制動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制是一大研究熱點。

但隨著穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的不斷升級，控制系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對控制執(zhí)行器的要求也越來越高，而傳統(tǒng)汽車的制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性限制了穩(wěn)定性系統(tǒng)的發(fā)展，出現(xiàn)許多無法克服的問題：傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度、控制精度都難以滿足現(xiàn)代控制的要求，且其液壓油對溫度敏感，穩(wěn)定性差；傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比固定，不易于實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向控制；在傳統(tǒng)汽車上集成穩(wěn)定性控制系統(tǒng)會導(dǎo)致汽車結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，增加了汽車設(shè)計、制造、裝配、維修等多方面的難度。

采用線控制動及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車則可以完全避免上述問題的出現(xiàn)。線控系統(tǒng)的兼容性強(qiáng)，只需在中央控制器中加入相關(guān)的穩(wěn)定性控制算法，即可輕松實現(xiàn)對汽車穩(wěn)定性的控制。另外，線控系統(tǒng)具有的優(yōu)越特性決定了它能夠使控制變得更加迅速、精確。因此，針對線控制動及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成控制的研究具有重大意義。

2 新一代線控底盤執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 線控制動系統(tǒng)設(shè)計

針對線控制動系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計要求，本文設(shè)計了一款線控制動系統(tǒng)硬件，由執(zhí)行器和控制器組成。

圖1所示為線控制動系統(tǒng)執(zhí)行器，包括動力裝置、傳動裝置、制動鉗體和傳感器4個部分。

圖1 線控制動系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

動力裝置將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能為執(zhí)行器提供能量，是執(zhí)行器的主要部件，采用137LWX無刷直流電機(jī)。

傳動裝置包括兩部分：減速裝置，用于降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、提高輸出轉(zhuǎn)矩，在保證輸出轉(zhuǎn)矩要求的條件下滿足線控制動執(zhí)行器的尺寸、質(zhì)量要求，選用自行設(shè)計的行星齒輪機(jī)構(gòu)作為減速裝置；運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，用于將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，以實現(xiàn)驅(qū)動制動鉗對制動盤的夾緊、放松，采用滾珠絲杠副作為運動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

傳感器用于為線控制動系統(tǒng)控制器實時采集相關(guān)信號。電流傳感器用于測量電機(jī)電流，本文電流傳感器集成在電機(jī)驅(qū)動電路中；轉(zhuǎn)速傳感器用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用長春華特光電技術(shù)有限公司E2040型光電編碼器；壓力傳感器用于測量制動鉗施加給制動盤的正壓力，采用德國HBM公司的C9B型壓力傳感器及AE101型放大器，量程0～20 kN，響應(yīng)頻率1 kHz。

線控制動系統(tǒng)控制器需要快速響應(yīng)上級控制器的目標(biāo)制動力信號，通過準(zhǔn)確的分析計算，輸出穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動信號，驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生目標(biāo)制動力。本文設(shè)計的線控制動控制系統(tǒng)包括控制電路和驅(qū)動電路兩部分，工作原理如圖2所示。

圖2 線控制動系統(tǒng)控制器工作原理

控制電路采用美國Microchip公司專門針對電機(jī)控制而推出的16位數(shù)字信號控制DSP芯片dsPCI 30F4011作為中央處理器。

驅(qū)動電路是線控制動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，用于根據(jù)控制電路輸出的PWM信號向電機(jī)輸出相應(yīng)三相電流，以驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)矩。本文結(jié)合三相無刷直流電動機(jī)的特點，開發(fā)了基于IR2130的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，主要包括IR2130驅(qū)動電路、逆變電路和電流檢測電路。

2.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和中央控制單元，總體方案如圖3所示。

圖3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體方案

轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、路感電機(jī)及其減速器，如圖4所示。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖傳遞給中央控制單元，同時接受中央控制單元向路感電機(jī)發(fā)送的控制信號，驅(qū)動路感電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩，為駕駛員提供路感信息。

圖4 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)

路感電機(jī)采用北京勇光高特微電機(jī)有限公司生產(chǎn)的90LWX型永磁無刷直流力矩電機(jī)，減速器采用湖北傳動設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PL060型減速器。

轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向阻力傳感器和直線位移傳感器，如圖5所示。轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)采集轉(zhuǎn)向阻力傳感器和直線位移傳感器信號，并將其發(fā)送給中央控制單元，同時接受中央控制單元發(fā)送的轉(zhuǎn)向控制信號，驅(qū)動轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動齒輪齒條轉(zhuǎn)向器產(chǎn)生相應(yīng)前輪轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

圖5 線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3 新一代線控底盤動力學(xué)建模

3.1 底盤動力學(xué)模型總體方案

對帶有本文自主設(shè)計的線控制動與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的某輕型汽車進(jìn)行動力學(xué)分析，建立針對該目標(biāo)車輛的汽車動力學(xué)模型，該車型為傳統(tǒng)機(jī)械傳動、前輪轉(zhuǎn)向、四輪驅(qū)動的輕型汽車。

汽車動力學(xué)模型結(jié)構(gòu)方案如圖6所示，圖中i=fl，fr，rl，rr，分別表示左前、右前、左后、右后車輪。汽車動力學(xué)模型主要包括駕駛員模型、發(fā)動機(jī)模型、傳動系及車輪動力學(xué)模型、車輪滑動率及側(cè)偏角計算模塊、輪胎模型、整車模型、車輪動載荷計算模塊、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計算模塊以及線控制動系統(tǒng)模型和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。

3.2 線控制動系統(tǒng)模型

線控制動系統(tǒng)模型包括電機(jī)模型、傳動機(jī)構(gòu)模型和負(fù)載模型。

電機(jī)模型如圖7所示，表1為該模型相關(guān)符號說明。該電機(jī)模型描述了電機(jī)內(nèi)部機(jī)電轉(zhuǎn)化關(guān)系，即輸入電壓與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

電機(jī)工作時：

式中，k為電機(jī)力矩系數(shù)；θm為電機(jī)轉(zhuǎn)軸角位移；Tf為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；kb為線控制動系統(tǒng)電機(jī)反饋電動勢系數(shù)；ωm為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖6 基于線控制動和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車動力學(xué)模型總體結(jié)構(gòu)

圖7 電機(jī)模型工作原理

表1 電機(jī)模型符號說明

傳動機(jī)構(gòu)模型：

式中，Lm為絲杠螺紋導(dǎo)程；im為減速裝置傳動比；θl為絲杠角位移；sl為絲杠水平位移。

負(fù)載模型：

線控制動系統(tǒng)絲杠輸出壓力與絲杠位移存在某確定關(guān)系，查閱相關(guān)資料并進(jìn)行大量試驗后，得出絲杠輸出壓力與位移的關(guān)系為[11]：

式中，cl為擬合系數(shù)，需要通過試驗測量得到；Fl為絲杠輸出壓力。

由絲杠輸出壓力得到車輪制動力矩為：

式中，μl為制動器摩擦因數(shù)；Rb為制動器有效半徑。

3.3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)模型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)工作原理如圖8所示，圖中符號含義如表2所示，操縱機(jī)構(gòu)模型由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、減速器和路感電機(jī)組成。轉(zhuǎn)向盤通過轉(zhuǎn)向軸及減速器與路感電機(jī)相連。轉(zhuǎn)向盤輸入力矩與路感電機(jī)輸出力矩形成相互作用力。

圖8 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)工作原理

表2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)符號說明

系統(tǒng)模型為：

式中，Tsw為轉(zhuǎn)向盤輸入力矩；Ksw為轉(zhuǎn)向柱扭轉(zhuǎn)剛度；Tn為路感電機(jī)輸出力矩。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理如圖9所示，圖中符號含義如表3所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型由轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、減速器、齒輪齒條機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪組件組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的輸出力矩通過減速器作用于齒輪齒條機(jī)構(gòu)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動。

系統(tǒng)模型為：

式中，ηp為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向器正效率；Tl、Tr分別為左、右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向阻力矩。

圖9 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

表3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)符號說明

4 新一代線控底盤集成控制策略

4.1 線控底盤集成控制總體結(jié)構(gòu)

本節(jié)研究的線控底盤集成控制系統(tǒng)，是為保證車輛行駛穩(wěn)定性而對汽車的線控制動系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要包括用于采集和估算汽車狀態(tài)信息的汽車狀態(tài)感知器、輸出汽車狀態(tài)目標(biāo)值的汽車參考模型、制動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制算法、主動橫擺力矩分配策略以及包括線控制動和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中，δz為主動前輪轉(zhuǎn)角；Fzbi為各車輪主動制動力；Fd為制動踏板力；為各車輪主動制動力目標(biāo)值；β為汽車質(zhì)心側(cè)偏角；γ為汽車橫擺角速度；μ為路面附著系數(shù)；βref為汽車質(zhì)心側(cè)偏角目標(biāo)值；γref為汽車橫擺角速度目標(biāo)值；為主動前輪轉(zhuǎn)角目標(biāo)值。

圖10 底盤集成控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4.2 基于MPC的線控底盤集成控制算法

采用模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）進(jìn)行線控底盤集成控制算法設(shè)計。MPC算法在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[12～15]。

本文將MPC控制應(yīng)用到橫擺穩(wěn)定性方面，通過預(yù)測車輛未來的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，并根據(jù)預(yù)測值，實時地對車輛加以控制?？刂破骼貌杉降臄?shù)據(jù)，判斷車輛將處于不足轉(zhuǎn)向還是過度轉(zhuǎn)向狀態(tài)，系統(tǒng)再根據(jù)不同的狀態(tài)對車輛進(jìn)行主動線控轉(zhuǎn)向控制和主動線控制動控制?；贛PC的線控底盤集成控制原理如圖11所示。圖中，xref（t）為本時刻車輛期望狀態(tài)；x（t）為本時刻車輛實際狀態(tài)；u（t-1）為上一時刻的控制量；為下一時刻預(yù)測狀態(tài)量；Δu（t）為本時刻控制量增量。MPC預(yù)測控制模型通過x（t）和u（t-1）預(yù)測，通過優(yōu)化性能指標(biāo)并結(jié)合期望狀態(tài)量xref（t）計算出最優(yōu)的Δu（t）。

圖11 基于MPC的底盤集成控制原理

MPC預(yù)測控制模型通過二自由度車輛參考模型得到。為了描述最終的空間優(yōu)化控制問題，首先通過歐拉法將二自由度車輛狀態(tài)方程離散化：

式（13）和式（14）為MPC穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制器中使用的預(yù)測模型。

優(yōu)化指標(biāo)中的第1項用于保證狀態(tài)軌跡對目標(biāo)軌跡的跟蹤，即預(yù)測軌跡要盡可能地接近目標(biāo)軌跡；第2項用于限制轉(zhuǎn)向和制動的控制幅度，希望其變化量盡可能?。坏?項用于限制轉(zhuǎn)向力和制動力，在車輛自身條件限制下，輸出的轉(zhuǎn)向力和制動力必須在車輛能夠滿足的范圍內(nèi)。

利用上面的MPC穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制器可以求得所需的控制量前輪轉(zhuǎn)角Δδw和橫擺力矩ΔMz，其中，Δδw發(fā)送至線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接控制車輛的前輪轉(zhuǎn)角，ΔMz需要通過一定的分配策略，求解出4個車輪的縱向力，并運用輪胎逆模型求解目標(biāo)滑移率，最后根據(jù)目標(biāo)滑移率與實際滑移率之差求解各輪胎的目標(biāo)制動力。由ΔMz求得目標(biāo)制動力的流程圖如圖12所示。其中，ΔFxi為車輪縱向力；為目標(biāo)滑移率；為各輪胎的目標(biāo)制動力（i=fl，fr，rl，rr，分別表示左前、右前、左后、右后）。

圖12 求解目標(biāo)制動力流程

5 測試驗證與分析

5.1 硬件在環(huán)試驗臺搭建

基于線控制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的新一代線控底盤集成控制硬件在環(huán)試驗臺分為硬件、軟件、實時平臺和信號處理4個部分，其結(jié)構(gòu)方案如圖13所示。

硬件在環(huán)試驗臺軟件采用Matlab/Simulink建立相應(yīng)的模型。利用RTW（Real-Time Workshop）對替代模型進(jìn)行編譯，將其轉(zhuǎn)化為可以在Matlab/xPC Target實時內(nèi)核上運行的實時代碼，即汽車動力學(xué)實時模型。

實時平臺由3臺計算機(jī)組成，其中1臺作為主機(jī)，另外2臺作為目標(biāo)機(jī)。主機(jī)運用Matlab/Simulink編寫汽車動力學(xué)模型及控制算法，進(jìn)行離線仿真，并將車輛模型和控制算法編譯成可以在目標(biāo)機(jī)運行的實時代碼；目標(biāo)機(jī)作為實時平臺，運行車輛模型和控制算法的實時代碼，并作為I/O板卡的載體，完成信號的采集、輸出。主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的通信可以采用PC串口通信或TCP通信。

圖13 硬件在環(huán)試驗臺結(jié)構(gòu)方案

硬件在環(huán)試驗臺信號處理部分由若干I/O板卡、采集模塊和CANoe總線開發(fā)工具組成。

5.2 雙移線工況試驗

仿真工況參考ISO 3888-1雙移線工況，汽車初始速度130 km/h，路面附著系數(shù)0.8，轉(zhuǎn)向盤角輸入如圖14所示，仿真時間7 s，仿真參數(shù)選擇如表4所示，測試試驗結(jié)果如圖15所示。

圖14 駕駛員轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入

表4 仿真參數(shù)

圖15 測試試驗結(jié)果

由圖15可知，沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)向、制動集成控制的情況下，汽車不能沿規(guī)定路線行駛，第2.5 s起汽車實際橫擺角速度與目標(biāo)橫擺角速度分離且偏差迅速增大，汽車質(zhì)心側(cè)偏角也迅速增大，汽車側(cè)滑失穩(wěn)，發(fā)生危險。在加入了制動、轉(zhuǎn)向集成控制后，通過主動制動和主動前輪轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)能夠使汽車實際橫擺角速度始終嚴(yán)格跟隨目標(biāo)橫擺角速度，二者間基本無偏差，汽車能夠安全平穩(wěn)地沿試驗規(guī)定路線行駛。

6 結(jié)束語

本文以某輕型汽車為研究對象，針對新一代底盤集成控制策略開展研究，制造了線控制動和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)樣機(jī)并建立了其動力學(xué)模型，應(yīng)用MPC算法，設(shè)計了基于主動前輪轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)和主動制動力調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，硬件在環(huán)試結(jié)果表明，該控制策略可有效使汽車跟隨期望狀態(tài)，保證車輛的行駛穩(wěn)定性。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年10月12日。

Research on New Generation Drive-by-Wire Integrated Chassis Control Strategy

Wei Qing1,Yang Jiansen2,Li Fei2
（1.Tianjin Public Security Fire Corps,Tianjin 300000;2.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300）

A new generation integrated chassis control strategy based on brake-by-wire and steer-by-wire is presented for vehicle stability control.The prototypes of brake-by-wire system and steer-by-wire system were designed and made,and corresponding dynamics model was built.An integrated chassis control system based on active steering regulation of front wheels and active regulation of braking force was designed using model predictive control.A hardwarein-the-loop test bench for integrated chassis control was built for target vehicle.Tests were conducted in typical working conditions.Results showed that the designed control strategy can keep the vehicle in the desired state,ensure the driving stability and enhance the performance of the vehicle.

Brake-by-wire system,Steer-by-wire system,Stability control,Integrated chassis control,Model predictive control

線控制動系統(tǒng) 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 穩(wěn)定性控制 底盤集成控制 模型預(yù)測控制

U463.1

A

1000-3703（2017）03-0001-07