汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全 套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 本科學生畢業(yè)設計 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 院系名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程 07-2 班 學生姓名： 劉平藝 指導教師： 張金柱 職 稱： 教授 黑 龍 江 工 程 學 院 二一一年六月 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全 套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 The Graduation Design for Bachelors Degree Lateral Stability Controller Design for A Car Candidate： Liu Pingyi Specialty： Vehicle Engineering Class： B07-2 Supervisor： Prof. Zhang Jinzhu Heilongjiang Institute of Technology 2011-06 Harbin 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全 套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 I 摘 要 基于汽車主動制動側向穩(wěn)定系控制系統(tǒng)，使用的是汽車實際橫擺角速度與駕駛員期望值的差值來判定汽車的穩(wěn)態(tài)，同時引 入了車輛質心側偏角與經(jīng)驗值進行比較得到了另個一關于汽車轉彎穩(wěn)定的安全系數(shù)，希望由此改善和提高汽車在轉彎過程中的操縱穩(wěn)定性。 側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng) 判定 車身狀態(tài)不穩(wěn)定時，可能是轉向不足或者是轉向過多。當 轉向不足 時系統(tǒng)將 制動內(nèi)側后輪， 轉向嚴重不足時，同時制動多個車輪；當出現(xiàn)轉向過多時，系統(tǒng)將制動外側車輪， 從而穩(wěn)定車輛 ，保證駕駛員和乘客的安全。 為了提高汽車側向穩(wěn)定性控制這個目標，在控制過程中使用了汽車輪速傳感器、方向盤轉角傳感器、橫擺角和 G 傳感儀等信號源，控制部分包括制動增壓電機、兩個吸入電磁閥、兩個隔離電磁閥、四 個車輪的增壓和減壓電磁閥。通過相關算法，初步確定汽車穩(wěn)定和各個信號之間的關系，并實現(xiàn)側向穩(wěn)定性的初步控制。 關鍵詞 ：側向穩(wěn)定性；橫擺角；轉向不足；轉向過多；制動；電磁閥 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 II ABSTRACT Active braking lateral stability based on cars, use of control system is car actual yaw-rate expectations and drivers to determine the difference in value of car, and introduced the steady-state traffic PianJiao and experience value centroid side got another comparison about turning a stable security coefficient car, hope this improvement and improve automobile in turning process manipulation stability. Lateral stability control system determine body state unstable, may be understeering or move on to too much. When understeer medial rear brake system when will seriously insufficient, steering wheel, and braking when more than； When there is too much, the system will be steering wheels, and brake lateral stability vehicles, ensure the safety of drivers and passengers. In order to improve the car lateral stability control this goal, in process control the automobile wheel speed sensors will be uesd, steering wheel Angle sensor, yaw angles and G sensing devices such as signal source, the control part includes braking pressurization motor, two inhaled solenoid valve, two separate solenoid valve, four wheels of intensification and decompression solenoid valves. Through the related algorithm, preliminarily determined each signal car stability and the relationship between the lateral stability, and realize the preliminary control. Key words: Lateral stability； Yaw angles； Understeer； Steering overmuch； Braking； Electromagnetic valve 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1章 緒論 . 1 1.1 側向穩(wěn)定性控制器的研究意義 . 1 1.2 側向穩(wěn)定性控制器的優(yōu)點 . 1 1.3 國內(nèi)、外的現(xiàn)狀 . 2 1.4 研究內(nèi)容 . 3 第 2章 側向穩(wěn)定性控制器的結構原理和控制方法 . 4 2.1 汽車側向穩(wěn)定性控制器的結構組成 . 4 2.1.1 汽車側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作原理 . 4 2.1.2 側向穩(wěn)定性控制車輪制動原理 . 6 2.1.3 質心側偏角速度與汽車穩(wěn)定性控制的聯(lián)系 . 6 2.1.4 橫擺角與汽車穩(wěn)定性控制的聯(lián)系 . 7 2.2 橫擺角速度、質心側偏角與汽車穩(wěn)定性的控制策略 . 9 2.2.1 閥門值 和 Y+、 Y-的確定 . 9 2.3 控制算法設定占空比 . 11 2.4 本章小結 . 11 第 3章 硬件系統(tǒng)的選擇與設計 . 12 3.1 控制器硬件系統(tǒng)概要 . 12 3.2 傳感器的選擇與電路設計 . 13 3.2.1 輪速傳感器的選擇與電路設計 . 13 3.2.2 方向盤轉角傳感器的選擇 . 14 3.2.3 橫擺角和 G 傳感器總成的選擇 . 15 3.3 液壓電磁閥回路系統(tǒng) . 15 3.3.1 液壓控制單元結構 . 15 3.3.2 液壓電磁閥控制回路 . 16 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3.3.3 驅動電路的設計 . 17 3.3.4 驅動電路圖 . 18 3.4 飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機 . 18 3.4.1 飛思卡爾 S12 芯片 A/D 轉化模塊特點： . 19 3.4.2 PWM 的主要特點 . 19 3.5 本章小結 . 20 第 4章 軟件設計 . 21 4.1 軟件設計總體思路 . 21 4.2 方向盤轉角（前輪轉角）信號的采集 . 22 4.3 橫擺角信號與側向加速度信號的采集 . 22 4.4 輪速信號采集 . 23 4.5 PWM 寄存器設置 . 24 4.6 判斷穩(wěn)定系控制程序的編寫 . 25 4.7 本章小結 . 28 第 5章 實驗與分析 . 29 5.1 程序的下載 . 29 5.2 測試 A/D、 PWM 和 I/O . 32 5.3 側向穩(wěn)定性控制的實驗 . 32 5.4 實驗分析和結論 . 34 5.5 本章小結 . 35 結 論 . 36 參考文獻 . 37 致 謝 . 38 附 錄 . 39 附錄 A 外文文獻 . 39 附錄 B 外文文獻中文翻譯 . 45 附錄 C 程序 . 50 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 買文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 第 1 章 緒論 1.1 側向穩(wěn)定性控制器的研究意義 在汽車數(shù)量急劇增長的今天，汽車安全性能越來中重要了，隨著汽車使用率的增加 ，汽車交通事故率也隨之直線上升。在很多重大交通事故中，車輛往往由于在極端環(huán)境下車輪失去與地面的附著力而導致失控。例如在緊急避讓過程中，突然遇到濕滑、油污路面，或者在過彎當中車速過快而導致的轉向不足和轉向過度，都有可能讓車輛失控。 側向穩(wěn)定性控制器通過傳感器得知車輛的抱死情況、車輛的橫擺慣量 (簡單理解為車身傾側的程度 )，當車輛出現(xiàn)失控趨勢時，對特定的車輪給予額外的制運力，甚至通過調(diào)整車輛的牽引力，務求以最大的程度保持住車輪的附著力。在側向穩(wěn)定性控制器的默默工作下，車輛遇到險情時往往能夠化險為夷。對于普通駕駛者 而言，側向穩(wěn)定性控制器顯得格外重要。 當汽車進行蛇形線路測試的時候就可以有效避免汽車的翻轉。側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)不僅僅是在干燥路面上提高了汽車的穩(wěn)定性，還可以在路面附著性比較差的時候，諸如結冰、濕滑，以及碎石等情況下起作用。在上述不利狀況下，車輪與路面之問的附著力降低，即使是最好的駕駛員也很難將高速行駛的汽車保持在預定的路線上，汽車容易發(fā)生側滑和跑偏，失去方向穩(wěn)定性，甚至在急轉彎的時候發(fā)生翻車事故，這時就需要側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)來拯救生命，減少、減輕意外交通事故的發(fā)生。 1.2 側向穩(wěn)定性控制器的優(yōu)點 側向穩(wěn)定 性控制 系統(tǒng)由控制單元及轉向傳感器（監(jiān)測方向盤的轉向角度）、車輪傳感器（監(jiān)測各個車輪的速度轉動）、側滑傳感器（監(jiān)測車體繞垂直軸線轉動的狀態(tài)）、橫向加速度傳感器（監(jiān)測汽車轉彎時的離心力）等組成?？刂茊卧ㄟ^這些傳感器的信號對車輛的運行狀態(tài)進行判斷，進而發(fā)出控制指令 ，側向穩(wěn)定性控制器能有效的增強了汽車的安全性能。 (1)能控制啟動防滑，有效加速啟動，在加速階段使汽車得到最大的驅動力 。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 (2)制動防抱死，防止汽車出現(xiàn)因制動抱死而失去轉向控制，有效減少制動距離。 (3)橫擺力矩的控制，有效避免超速時的轉彎不足和過多轉 向，極大的減少了車輛因轉向過多而側翻以及因轉向不足而沖出彎道引發(fā)的交通事故。 1.3 國內(nèi)、外的現(xiàn)狀 汽車側向穩(wěn)定性控制器的研究是從 ABS 開始的。 ABS 在 20 世紀 80 年代開始得到廣泛應用，目前在國外已經(jīng)發(fā)展成為一種非常成熟的技術。國內(nèi)對 ABS 的研究始于 80年代初，國內(nèi)研制 ABS 的單位主要有東風汽車公司、交通部重慶公路研究所、重慶宏安 ABS 有限公司、陜西興平 514 廠、西安公路學院等單位和部門。東風汽車公司從 80年代初就開始研究 ABS，是較早研究 ABS 的廠家之一，現(xiàn)研究工作的主要目標是對國外的產(chǎn)品進行消化吸收， 如將德國瓦布科公司的 ABS 裝于 EQl45 型汽車上進行各種試驗。重慶公路研究所相繼開發(fā)出了兩代 ABS 產(chǎn)品，第一代 ABS 的 ECU 采用了 280 芯片。第二代 ABS 產(chǎn)品為 FKX AC I 型，該裝置的 ECU 中的 CPU 微處理器采用了美國 INTEL公司的 MCS 96 系列 8098 單片機，但距離滿足實際應用仍有一定的差距。 1998 年，重慶聚能汽車技術有限公司在國內(nèi)首家推出適合中國國情的電子式 ABS 防抱裝置，現(xiàn)已達到年產(chǎn) 50 萬套的生產(chǎn)能力，是我國國內(nèi)最大的 ABS 生產(chǎn)基地。 電子穩(wěn)定程序 (ESP)是 90 年代初由德國奔馳公司開發(fā)的車 輛穩(wěn)定系統(tǒng)。從 1995年至今，伴隨著理論研究的不斷深入和電子技術的發(fā)展，汽車穩(wěn)定性控制得到了很大的發(fā)展，并開始作為選裝件安裝在一些中高檔轎車上。德國 BOSCH 公司一直是這方面技術的領先者，無論是 ABS ASR 還是更先進的 ESP 系統(tǒng)，技術上都一直處于領先地位，為國際大多數(shù)汽車廠商供應 ABS ASR ESP 系統(tǒng)。 1995 年，博世成為首家把 ESP 投入量產(chǎn)的公司，早在 1983 年，博世的工程師就通過優(yōu)化的 ABS 控制系統(tǒng)來增強車輛在全力制動時的穩(wěn)定性，博世在 1987 年注冊了相關的專利， 1991 年博世同戴姆勒 -克萊斯勒公 司開始聯(lián)合開發(fā)該項目基地。 1995 年 3 月電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)開始批量生產(chǎn)。同年，ESP 成功用于梅賽德斯 -奔馳汽車的 S 級車型上。在接下來的數(shù)年里，博世不斷優(yōu)化 ESP的設計使得 ESP 開始廣泛占領了轎車市場。 目前，全球有 6 家汽車零部件制造商生產(chǎn) ESP，他們是德國的博世，日本電裝，日本愛信精工，德國大陸 Teves,美國德爾福，美國 TRW。 國內(nèi)汽車穩(wěn)定性控制的研究還處在起步階段，只有少數(shù)學者從事控制方法的仿真研究，而且由于缺少試驗條件，研究還不十分深入，現(xiàn)在吉林大學、清華大學、上海交大、西北工大等高校和中國重汽集團、 上海匯眾汽車制造公司等企業(yè)也在開展相關的研究工作。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 1.4 研究內(nèi)容 本次研究的內(nèi)容為汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計，主要研究內(nèi)容如下： （ 1） 研究 汽車側向穩(wěn)定性控制器 的 硬件 結構 和工作 原理 ，了解各個傳感器（橫擺角速度傳感器、車速傳感器、車輪角速度傳感器、方向盤轉角傳感器）、執(zhí)行器（ ABS泵電磁閥）的功能、驅動方法（電壓、電流、頻率范圍）等。 （ 2）根據(jù)設計要求和硬件條件，設計合適的擴展電路， （ 3） 針對汽車 側向穩(wěn)定性控制器的設計要求， 設計以單片機為核心的 側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，編寫控制程序。 （ 4） 開發(fā)完成 軟件和硬 件 控制器 ,進行技術指標的針對性的 試驗 。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 第 2 章 側向穩(wěn)定性控制器的結構原理和控制方法 2.1 汽車側向穩(wěn)定性控制器的結構組成 圖 2.1 側向穩(wěn)定性控制器結構組成 控制器主要包括三部分：信號輸入、計算控制、響應輸出三部分。 信號輸入包括：前輪或方向盤轉角信號、橫擺角速度信號、側向角速度信號、 4個車輪轉速信號、主缸壓力信號等。 計算控制部分主要由飛思卡爾 S12xs128 單片機處理信號輸入，做出分析，然后 判斷輸出，達到控制的目的。 輸出響應部分包括： 4個增壓閥（常開）、 4個減壓閥（常閉）、 2 個吸入閥（常閉）、2 個隔離法（常開）、 2個吸入泵、 1 個電機。 2.1.1 汽車側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的工作原理 汽車穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)的 ECU 根據(jù)方向盤轉角傳感器和 車速信號，通過計算來 判斷駕駛員的駕駛意圖，計算出理想的車輛運行狀態(tài)值。 ECU 根據(jù)檢測得到的實際車輛狀態(tài)與理想車輛狀態(tài)的誤差，通過一定的控制邏輯計算出可以使車輛恢復穩(wěn)定的汽車橫擺力矩，然后通過控制液壓調(diào)節(jié)器的電磁閥開關動作調(diào)節(jié)制動系統(tǒng)各制動輪缸的壓力來實現(xiàn)所需要的汽車橫擺 力矩。改變后的車輛運行狀態(tài)由傳感器測量到 ECU，然后再進行下一循環(huán)的控制，從而使汽車保持穩(wěn)定。這就是汽車穩(wěn)定控制的一般工作原理。 下面以在低附著路面上緊急換道時的情況為例進行詳細說明。圖 2.1 和圖 2.2 分信號輸入 計算控制 傳感器 控制輸出 執(zhí)行器 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 別為不施加穩(wěn)定性控制和施加穩(wěn)定性控制時車輛的運行情況。圖 2.1 中， 1 為汽車直線行駛，沒有施加穩(wěn)定性控制的車輛駕駛員向左打方向盤 2 進行換道操作，由于路面的摩擦系數(shù)不能提供足夠的側向力，于是在位置 3 時發(fā)生了過度轉向。這時車輛急速沿逆時針方向旋轉，為了彌補這種過度轉向，駕駛員在位置 4 時向右急打方向盤作為補償，由 于補償過度車輛又在位置 5 時發(fā)生了過度轉向，使得車輛急速沿順時針方向旋轉。由于此時車輛的質心側偏角很大，駕駛員通過方向盤對車輛的控制效果不明顯，從而引起慌亂，于是車輛失去控制而甩出。 圖 2.1 不施加汽車穩(wěn)定控制的車輛在低附著路面上緊急換道 由圖 2.2 中可以看出，施加穩(wěn)定性控制的車輛駕駛員向左打方向盤 2 進行換道操作，同樣在位置 3 時發(fā)生了過度轉向，汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)檢測到車輛發(fā)生了不穩(wěn)定狀態(tài)，于是通過對液壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使車輛產(chǎn)生抵消當前過度轉向趨勢的沿順時針方向的橫擺力矩，使車輛盡量按照駕駛員的操作來運行。 在位置 4 時駕駛員向右打方向盤完成換道操作，在位置 5 時又發(fā)生了不穩(wěn)定情況，汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過施加逆時針方向的汽車橫擺力矩糾正了不穩(wěn)定趨勢。因此，盡管路面附著系數(shù)比較低，但在汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)的輔助下車輛還是比較好地依照駕駛員的意圖完成了換道操作?？梢?，汽車穩(wěn)定控制在保障汽車穩(wěn)定方面具有很大的優(yōu)勢。一般認為，安裝汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)相對于沒有安裝在以下幾種情況下具有明顯效果：緊急移線或在低附著路面上移線；移線過程中突然制動；在幅值很大的方向盤轉角下連續(xù)躲避障礙；轉向時伴隨著加速或制動。 圖 2.2 施加汽車穩(wěn)定 控制的車輛在低附著路面上緊急換道 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 如上所述，當汽車行駛在路面摩擦系數(shù)較低或者緊急轉向時是汽車最容易發(fā)生交通事故的工況，汽車穩(wěn)定控制系統(tǒng)在這些比較極端的工況下具有明顯的控制效果，因而可以大大提高汽車的主動安全性。 2.1.2 側向穩(wěn)定性控制車輪制動原理 如圖 2 1 所示，車輛在制動時輪胎受到的受力分析。主要有地面對車輪產(chǎn)生的與車輛行進方向相反的摩擦力bF，地面對輪胎的法向反作用力ZF，同時地面還對輪胎有側向的側滑摩擦力SF。地面制動力bF與地面對輪胎的法向反作用力 zF 之間的比值稱為縱向附著系數(shù)b。側滑摩擦力和法向反作用力之間的比值為側向附著系數(shù)S。 圖 2.3 制動時輪胎受力圖 由于法向作用力在車輛行駛的過程中保持不變，因此，車輛制動時的縱向制動力和側向制動力與縱向附著系數(shù)b和側向附著系數(shù)S成正比。b越大，縱向附著力越大，剎車的距離越短，S大，側向附著力越大，車輛在制動的過程中越容易控制方向，保證車輛不會產(chǎn)生側滑。 2.1.3 質心側偏角速度與汽車穩(wěn)定性控制的聯(lián)系 汽車在彎道時，由于本身就會產(chǎn)生橫擺和質心側偏而引起失去彎道的跟蹤能力，從而跑出彎道失去控制穩(wěn)定性，汽車在失去穩(wěn)定的狀態(tài)，受環(huán)境的影響很大，當達到極限附著力的時候，汽車的動力學性能將被改變。 汽車的側偏力是由于路面的側向傾斜，側向風或者汽車沿著曲線行駛時的離心力等作用，隨之使側偏角增加。路面情況不同，將會使車輪達到極限側偏的時間也不同，汽車達到飽和的時候側偏角的大小也不相同，高附著系數(shù)輪胎的側向極限比低附著系數(shù)的輪胎的極限側偏角要大。 在本實驗中，認定車輪的側偏系數(shù)是不變的。因此汽車的質心側偏只與車速相關。黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 相關實驗證明，汽車的不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)的時候，汽車的質心側偏角 增加很明顯，所以將質心側偏角 引入控制范圍 ，相關數(shù)據(jù)表明，在低附著系數(shù)的路面，質心側偏對車輛的穩(wěn)定性狀態(tài)有很大的影響。簡單的說，車輛穩(wěn)定運行時，地面的附著系數(shù)越低，車輛允許的質心側偏角就越小。質心側偏角的定義方法如下圖 2.4 所示， OXY 為汽車車身坐標系，汽車的合速度與 X 軸的夾角就是質心側偏角 。 圖 2.4 質心側偏角示意圖 質心側偏公式如下： xy arc tan =xy （ 2.1） 質心側偏側偏角速度公式： t= （ 2.2） 是兩個相鄰控制周期質心側偏角速度的差值， t 是 ESP 控制的周期，在這里設置為 0.1 秒。如公式（ 2.3） t-=12 （ 2.3） 2.1.4 橫擺角與汽車穩(wěn)定性控制的聯(lián)系 與汽車穩(wěn)定性緊密相關的另一個變量是橫擺角速度，本設計 主要就是基于橫擺儀的信號來控制車輛的穩(wěn)定性的，在此前，先引入二自由度汽車模型。 為了方便控制，設計和分析中將忽略轉向系統(tǒng)的影響，既方向盤的輸入角度到前輪的轉角，可以認為是等效的，同時特定的認為：汽車沿 x 軸的前進速度視為不變，汽車只有沿著 y軸的側向運動和繞著 z軸的橫擺運動。此外，汽車的側向加速度限定在 0.4g以下，忽略左右輪胎的因載荷不同變化而引起的輪胎特性變化以及輪胎的回正力矩。因此，可以說把汽車簡化為摩托車的模型，整個系統(tǒng)概括為：一個由前后兩個黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 8 有側向彈性輪的輪胎支撐地面，具有側向及橫擺運動的二自由度的汽車 模型。如下圖2.5 圖 2.5 二自由度汽車模型 通過二自由度汽車模型，引入理想橫擺角速度 : wN LY )k+(1= 2r e fr e f（ 2.4） NY 理想橫擺角速度，單位 (rad/s) ref 參考車速 ,單位 (m/s)； W 前輪轉角，單位 (rad/s)； L 軸距，單位 m，在這里取 2.55m； K 系數(shù)取值范圍 0.003 0.004. 其中方向盤轉速與輪速之間的轉換可認為是理想的，忽略方向轉角與前輪轉角的差值， 橫擺角速度直接表征的量就是汽車的轉向不足與轉向過多 ,如果定義汽車實際的橫擺角速度為 Y,用實際橫擺角速度 Y 與理想橫擺角速度NY的差值 Y 公式如下： NY-Y=Y（ 2.5） 定義橫擺角速度向左為正，向右為負。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 9 2.2 橫 擺角速度、質心側偏角與汽車穩(wěn)定性的控制策略 在控制中，設置橫擺角速度閥門值為 Y+ 和 Y- ,質心側偏角速度 的閥門值設定為 +B和 -B，控制策略如下表 2.1。 表 2.1 控制策略 參考變量 控制策略 WY 右前 右后 左前 左后 0W +YY B + 小增 小增 小增 0W +YY -BW +Y- YY B + 小增 0W +Y- YY -BW -Y + 小增 大增 0W -YY B + 小增 小增 小增 0Y -B + 大增 小增 0W -YY -B 小增 小增 小增 +Y- YY BB- + 大增 大增 大增 大增 2.2.1 閥門值 和 Y+、 Y-的確定 通過查閱想過資料，得出橫擺角速度與時間的關系。由下圖可以看出，在橫擺角速度在 1rad/s 時，可以作為汽車側向穩(wěn)定性控制的一個門限值。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 10 圖 2.6 橫擺角速度與時間的關系 質心側偏角速度為 0.2rad/s 時是控制的一個閥門值，當質心側角速度超過0.2rad/s 還不給予控制超過時間 1S 后，汽車的可能性能極大的降低了，因此設定 的閥門值為 0.2rad/s。如下圖 2.7 圖 2.7 質心側偏角速度與時間的關系 圖 2.8 質心側偏角速度和橫擺角速度 由上圖 2.8 可以看出，質心側偏角速度和橫擺角速度有密切的聯(lián)系，這兩者同時控制，將極大的提高汽車的安全性能和可控性能。因此同時控制橫擺角速度和質心側偏角速度是正確的選擇。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 11 2.3 控制算法設定占空比 在汽車行駛過程中，車速與汽車的側向穩(wěn)定性有很大的關系，基本呈線性上升，簡而言之，汽車的速度越高，汽車失去穩(wěn)定性控制的機會就越大。因此要求在汽車高速行駛時，對汽車的控制更加快和準，而在汽車低速時，對駕駛員而言，控制可以相對較 慢，如果高占空比高頻控制，可能降低汽車的舒適性，因此設定占空比和車速成線性控制，在控制算法中稱為比例控制。 具體控制流程如下圖 2.9： 圖 2.9 車速控制 PWM 流程圖 具體公式如下： 0uD u t y 2)V-K v ( V=1 01 tyDD u t y + （ 2.6） Duty2 在初始時為 0，0V的初始值也為 0，在控制算法完成后，將本周期的 Duty1賦值給 Duty2，同時將本周期的 1V 的結果賦值給0V。 Duty0 是占空比的初始值，在表 2.1 中設置車速為 0時，小增時占空比為 20%，大增設置為 40%。 Kv 的初選值具體看第 4章程序設置。 2.4 本章小結 本章主要介紹了側向穩(wěn)定性控制器的組成、原理和工作過程，還介紹了車輪制動控制的原理和主要控制的理論方法和控制策略。為第四章軟件編程做了鋪墊。 控制算法 控制 PWM 占空比 Duty0 車速1V Duty2, 0VDuty1 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 12 第 3 章 硬件系統(tǒng)的選擇與設計 3.1 控制器硬件系統(tǒng)概要 圖 3.1 硬件連線 上圖是本設計的主要硬件關系連接圖，主要硬件以及功能如下： 1、電腦，用于編程設計 ；2、 BDM,用于連接電腦與單片機之間的通信，下載電腦的程序到單片機； 3、飛A/D I/O 筆記本電腦 BDM 飛思卡爾 S12XS128 單片機 信號放大除雜 橫向拉桿位移尺 橫擺角和 G 傳感儀 輪速傳感器x4控制信號 信號放大隔離電路 右吸入閥 左前輪減壓閥 左后輪減壓閥 右前輪減壓閥 右后輪減壓閥 左前輪增壓閥 右前輪增壓閥 左后輪增壓閥 右后輪增壓閥 左隔離閥 右隔離閥 左吸入閥 泵電機 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 13 思卡爾單片機，功能如下：（ 1）采集信號，有 16 路 A/D 轉換功能，可產(chǎn)生 8 位、 10位轉換結果，有 40 路 I/O 輸入輸出端口。（ 2）有 8 路 PWM 波形輸出端口。（ 3）有多個時鐘功能，總線頻率 16MHZ。 4、橫擺角和 G 傳感儀，能測量汽車的橫擺角、橫向和 縱向加速度； 5、電子尺式前輪轉角信號，等同于方向盤轉角信號； 6、 4 個輪速傳感器，供給單片機輪速信號，通過相關控制算法，得到車身狀態(tài)信息； 7、 12 個制動回路電磁閥，分別是 4個車輪的制動增壓、減壓電磁閥 ,2 個隔離閥， 2個吸入閥， 9、制動泵。 3.2 傳感器的選擇與電路設計 3.2.1 輪速傳感器的選擇與電路設計 目前，測量車輪轉動速度的一般方法是將變磁阻式磁電傳感器安裝在車輪總成的非旋轉部分上，與隨車輪一起轉動的由導磁材料制成的齒圈相對。當齒圈隨車輪一起轉動時，由于齒圈與傳感器之間氣隙的的交替變化，導致兩者間磁 阻的變化，從而在傳感器內(nèi)的線圈上感生出交變的電壓信號。 輪速傳感器 是由永久磁鐵、磁極、線圈和齒圈組成。齒圈 5 在磁場中旋轉時，齒圈齒頂和電極之間的間隙就以一定的速度變化，則使磁路中的磁阻發(fā)生變化。其結果是使磁通量周期地增減，在線圈 1 的兩端產(chǎn)生正比于磁通量增減速度的感應電壓，并將該交流電壓信號輸送給電子控制器 。如下圖 3.2 圖 3.2 輪速傳感器結構原理圖 1-線圈； 2-磁鐵； 3 磁極； 4-磁通； 5-齒圈 當齒圈的齒數(shù)一定時，傳感器信號的頻率只與車輪的轉速有關。因此， 硬件 系統(tǒng)的電控單元通常是經(jīng)過專門的信號處理電 路將傳感器正弦波信號轉換為同頻率的方波信號，通過檢測方波信號的頻率或周期來計算車輪的轉速。 輪速傳感器信號處理電路圖如下： 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 14 圖 3.3 輪速信號采集電路 6、 7 為信號輸出端口，接往單片機 I/O 口進行信號采集。 輪速信號轉換流程如下圖 3.3： 圖 3.4 輪速信號處理流程 為了提高測量輪速度精度，輪速信號處理電路應具有如下功能： （ 1）將正弦波信號轉換為同頻率的方波信號時，方波的占空比應當適中； （ 2）由于振動，氣隙在一定范圍內(nèi)變動時，仍然能正確地進行波形變換； （ 3）電磁兼容性好，能抑制噪聲干擾。 由以上信息得出，輪速傳感器基本可以滿足設計要求，可以選用該傳感器和信號處理電路。 3.2.2 方向盤轉角傳感器的選擇 在本設計當中，使用電子尺測量轉向橫拉桿的位移測量，電子尺的采集信號為0-5V的電壓信號 。 圖 3.5 電子尺 由方向盤轉角信號輸出的信號時方波信號，通過集成電路信號處理端口，將方向輪速傳感器 濾波電路 產(chǎn)生方波信號 ivv0v單片機 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 15 盤信號 -720 +720的信號轉換為 0 5v 電壓信號，當信號為 2.5v 時，表征方向盤無轉角，電壓信號可以直接輸入到單片機的 A/D 端口，可隨時取讀電壓信號作為判斷方向盤的轉角信號，同時理想的認為是前 輪轉角信號。 側向范圍和側向精度均可以達到設計要求，因此可以選用電子尺代替方向轉角傳感器和前輪轉角傳感器。 3.2.3 橫擺角和 G 傳感器總成的選擇 橫擺角和 G 傳感器總成包括 橫擺角速度、縱向 以及 橫向加速度傳感器，輸出 的信號 都是 0V-5V 的模擬量，由于汽車顛簸造成的信號波動特性一致，故封裝在同一模塊中。汽車運行過程中，在較好路面上行駛時，信號較好，而在顛簸路面上行駛，故需要在軟件中設計數(shù)字濾波環(huán)節(jié)。數(shù)字濾波常用的有維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預測器、自適用濾波器等。在 笨設計中，采用短時間連續(xù)取值求和，再取平均值 的方法，來減少雜波和無效信號的干擾。硬件實物如下圖 3.6： 圖 3.6 BOSCH 的橫擺角與 G 傳感儀 1-空； 2-空； 3-5V輸入電壓； 4-橫擺角速度信號； 5-橫向加速度信號； 6-接地 3.3 液壓電磁閥回路系統(tǒng) 3.3.1 液壓控制單元結構 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 16 圖 3.7 液壓控制單元結構 3.3.2 液壓電磁閥控制回路 圖 3.8 未制動時管路電磁 閥圖 如圖所示 1為右吸入閥， 2為左吸入閥， 3 為右隔離閥， 4 為左隔離閥， 5 為右吸入泵， 6為左吸入泵， 7為左后增壓閥， 8為左后減壓閥， 9 為右前增壓閥， 10 為右前減壓閥， 11 為電機， 12為左前增壓閥， 13為左前減壓閥， 14為右后增壓閥， 15為右后減壓閥。 ECU 北京現(xiàn)代 ESP 制動回路圖 1 2 4 3 14 15 13 12 9 6 10 8 7 5 11 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 17 圖 3.9 左轉彎轉向不足時 ESP 制動 此時工作的電磁閥為右吸油電磁閥，右隔離電磁閥，右前增壓閥，左吸油閥，高壓油路為工作油路，低壓油路為回油油路，此時電機工作，帶動左、右吸油泵工作。此時制動的車輪為左 后輪。 3.3.3 驅動電路的設計 對于驅動電路的設計，需要電磁閥通過的最小電流為 2A， ABS 泵需要驅動的電流為 20A 最小。同時要求 12v 大電流電路和控制信號電路之間有良好的隔離效果。 信號輸出為單片機 PWM 信號，電壓范圍 0 5V，電流極小，不超過 25mA，控制 ESP電磁閥工作的是開關電路。在設計電路時，選用光耦 P521 作為信號隔離元件，選用IRFP250 作為大電流承擔元件， IRFP 引腳如圖 3.11，分別為 G、 D、 S，當保持 Ugs 為10V 時， IRFP250 可通過最大電流為 22A。 光耦一般由三部分組成：光的發(fā) 射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電 光 電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。 光耦結構原理如下圖 3.10,1H 為信號輸入高電壓端口， 2L 為信號輸入的地電位端口， 3H 為信號輸出的高電位端口， 4L 為信號輸出的地電位端口。信 號電流由 1H流向2L，發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生的光信號，激發(fā)光敏三極管，使 3H 和 4L之間單向導通。 高壓回路 低壓回路 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 18 圖 3.10 光耦原理圖 3.3.4 驅動電路圖 對于驅動回路，由于有帶鐵芯的電感線圈，因此在高頻斷電的時候，會產(chǎn)生高壓感應電動勢，因此在斷電的時候，必須給電磁閥回路短路處理，消耗掉線圈的感應電流，在初期制作電路板的時候，由于沒有短路回路，繼電器直接就被高壓電火花吸引而不斷開，或者直接被擊穿了。因此在電路改進的過程中，將繼電器換成了汽車上常用的三極管 IRFP250，在 Ugs=10V 的時候能經(jīng)受最大電流為 22A,為 了防止長時間工作導致三極管溫度上升，在三極管上安裝了散熱裝置。在三極管 D端口和 12V 之間，制作一個單向回路，用單相管 IN4007 隔斷， IN4007 的擊穿電壓高達 1000V,工作電流為1A，在 IN4007 后串聯(lián)的是主要的耗能電阻 100 /1W，可經(jīng)受住 30A 電流沖擊。由以上措施，確保了在光耦回路斷電后，電磁閥的感應電流和電壓不干擾三極管的工作，而直接消耗在由電磁閥 電阻 電磁閥的這個循環(huán)回路，由于電磁閥的電阻小，因此只承擔了很小的一部分能量的消耗。如下圖 3.11 圖 3.11 電路圖局部視圖 3.4 飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機 本文中采用 Freescale MC9S12XSl28B 單片機作為汽車穩(wěn)定性控制器的主控制單元， Freescale 單片機在汽車電子領域應用的非常廣泛。 MC9S12XSl28 是以 CPUl2 為核心的單片機，其 CPU 芯片內(nèi)部頻率為 16MHz，有 128Kb 的 ROM，采用 5V電壓供電，輸入輸出引腳的電壓為 5V。（附單片機電路圖） 單片機外圍功能模塊如下： （ 1）串行外接設備（ SPI）； （ 2）串行通信設備（ SCI）； 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 19 （ 3）總線接口； （ 4）增強型捕捉定時器（ ECT）； （ 5）模數(shù)轉換器（ ATD）； （ 6）脈寬調(diào)制模塊（ PWM）； （ 7） CAN 控制器。 3.4.1 飛思卡爾 S12 芯片 A/D 轉化 模塊特點： 8/10 位精度； 7 us, 10-位單次轉換時間 .；采樣緩沖放大器；可編程采樣時間； 左 /右對齊 , 有符號 /無符號結果數(shù)據(jù)；外部觸發(fā)控制；轉換完成中斷；模擬輸入 8 通道復用；模擬 /數(shù)字輸入引腳復用； 1 到 8 轉換序列長度；連續(xù)轉換模式；多通 道掃描方式。 ATD 模塊有模擬量前端、模擬量轉換、控制部分及結果存儲等四部分組成。其中模擬前端包括多路轉換開關、采樣緩沖器、放大器等，結果存儲部 分主要有 8個 16 位的存儲器和反映工作狀態(tài)的若干標志位。 飛思卡爾 S12 單片機的 PWM 調(diào)制波有 8 個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。每 一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)），一個周期控制寄存器 和兩個可供選擇的時鐘源。每一個 PWM 輸出通道都能調(diào)制出占空比從 0 100% 變化的波形。 3.4.2 PWM 的主要特點 1、它有 8 個獨立的輸出通道，并且通過編程可控制其輸出波形的周期。 2、每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器。 3、每一個通道的 PWM 輸出使能都可以由編程 來控制。 4、 PWM 輸出波形的翻轉控制可以通過編程來實現(xiàn)。 5、周期和脈寬可以被雙緩沖。當通道關閉或 PWM 計數(shù)器為 0 時，改變周期和脈寬才起作用。 6、 8 字節(jié)或 16 字節(jié)的通道協(xié)議。 7、有 4 個時鐘源可供選擇（ A、 SA、 B、 SB），他們提供了一個寬范圍的時 鐘頻率。 8、通過編程可以實現(xiàn)希望的時鐘周期。 9、具有遇到緊急情況關閉程序的功能。 10、每一個通道都可以通過編程實現(xiàn)左對齊輸出還是居中對齊輸出。 PWM寄存器的設置 （ 1）禁止 PWM PWME = 0 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 20 （ 2）選擇時鐘 PWMPRCLK， PWMSCLA， PWMSCLB， PWMCLK （ 3）選擇極性 PWMPOL （ 4）選擇對齊方式 PWMCAE （ 5）選擇占空比和周期 PWMDTYx， PWMPERx （ 6）使能 PWM PWME = 1 3.5 本章小結 本章主要介紹了控制器的硬件部分的選擇和結構原理，控制器的硬件部分包括信號輸入部分，信號處理部分和執(zhí)行器三部分，還介紹了自主設計和制作的電路。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 21 第 4章 軟件設計 4.1 軟件設計總體思路 汽車側向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，根據(jù)采集到的各種數(shù)據(jù)，通過加速 度的計算，確定汽車是否處于主動減少狀態(tài)，決定是否經(jīng)行制動控制，通過滑移率的計算，確定車輪是否處于最大滑移率范圍內(nèi)，通過控制相應的電磁閥的開啟和閉合，達到最優(yōu)制動的結果。通過一定的