《驅(qū)動控制》PPT課件.ppt

1、汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,第7章驅(qū)動控制,7.1概述 隨著交通量的增加和車速的提高,駕駛員對汽車的起步性能和操縱性能的要求日益提高。 根據(jù)路面條件,駕駛員通過操縱油門、方向盤及制動踏板,使汽車按照他的意圖行駛。汽車作為被控對象,由路面條件和駕駛員的控制作用決定了它的真實運動狀態(tài)。汽車真實的運動狀態(tài)是否與駕駛員的意圖一致，則取決于兩個條件：,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,(1)駕駛員的動作和他的意圖是否能達到一致,這通常由駕駛員的經(jīng)驗和反應(yīng)速度決定。 (2)系統(tǒng)是否處在可控狀態(tài)。 導(dǎo)致汽車運動狀態(tài)失控的主要因素是輪胎和路面間的摩擦系數(shù)。要使汽車處在

2、可控的狀態(tài),車輪的滑轉(zhuǎn)或滑移率必須控制在允許的范圍之內(nèi)。要及時精確控制車輪的滑轉(zhuǎn)或滑移率在允許的范圍之內(nèi),駕駛員的反應(yīng)速度往往達不到要求,于是采用比人工響應(yīng)速度快,精度高的自動控制系統(tǒng)已成為提高汽車的經(jīng)濟性、主動安全性的必然的趨勢。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,ABS是防止制動過程中車輪被抱死,保持方向穩(wěn)定性、操縱性并縮短制動距離的裝置。而驅(qū)動控制裝置(Anti-Skidding Restraint，Traction Control,Acceleration Slip Regulation,簡稱ASR或TRC)的作用是防止汽車在加速、起步過程中的滑轉(zhuǎn),特別防止汽車在非對

3、稱路面或在轉(zhuǎn)彎時驅(qū)動輪的空轉(zhuǎn),是保持方向穩(wěn)定性、操縱性和最佳驅(qū)動力的裝置?？梢哉f在利用-曲線的性質(zhì),并把滑轉(zhuǎn)/移率控制在某一范圍,這兩者是一致的。ABS控制的是車輪的滑移率,而ASR控制是車輪的滑轉(zhuǎn)率。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,目前通常采用以下兩種方法防止驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)。 (1)制動控制方式。對將要空轉(zhuǎn)的驅(qū)動輪施加制動力,把發(fā)動機輸出的多余轉(zhuǎn)矩在制動器上消耗掉,控制車輪的滑轉(zhuǎn)率在期望的范圍內(nèi)。 (2)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制方式。調(diào)節(jié)發(fā)動機輸人到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩,使車輪的滑轉(zhuǎn)率在合適的范圍。 制動控制方式比發(fā)動機控制方式響應(yīng)速度快,能有效地防止汽車起步時或者從高路面突然躍變到低路面

4、時車輪的空轉(zhuǎn)。制動控制方式還能對每個驅(qū)動輪進行獨立控制,與差速器鎖止裝置具有同樣的功能。發(fā)動機控制方式則是根據(jù)路面狀況輸人給驅(qū)動輪最佳的驅(qū)動力矩,具體方法有改變?nèi)剂蠂娚淞?、點火時間和節(jié)氣門開度。 兩種方法既可以單獨使用,也可以組合起來使用。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,7.2 ASR的原理,眾所周知,作用在車輪上的驅(qū)動力和側(cè)向力是依賴于摩擦的存在,其合力不會超出摩擦圓。亦即驅(qū)動力和側(cè)向力是相互制約的,若驅(qū)動力增大,側(cè)向力就必然減小。若驅(qū)動輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)時,驅(qū)動力和側(cè)向力就處在A區(qū),相應(yīng)的側(cè)向力很小。此時易使使車輪發(fā)生側(cè)滑。為了防止側(cè)滑,就必須適當降低驅(qū)動力,提高抵抗側(cè)滑的能

5、力。ASR和ABS都是為了增加汽車抗側(cè)滑能力的裝置,但ASR不是把車輪的滑轉(zhuǎn)率控制在-曲線的峰值點,只是減小驅(qū)動力,提高側(cè)向力的極限能力,在這一點與ABS也是不同的。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,7.3ASR的控制方法,7.3.1發(fā)動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式 l.控制燃油噴射和點火時間 對ASR非常重要的輸人信息是車輪的旋轉(zhuǎn)速度(驅(qū)動輪和被動輪)。當采用燃油噴射和點火時間調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)矩方式時，ABS/ASR-ECU和發(fā)動機的ECU可相互傳遞信息。由被動輪和驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速可計算出驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率為:,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,設(shè)驅(qū)動輪的期望滑轉(zhuǎn)率為e,則發(fā)動機

6、轉(zhuǎn)矩控制的依據(jù)為 e減小發(fā)動機轉(zhuǎn)矩 e增加發(fā)動機轉(zhuǎn)矩 減小發(fā)動機轉(zhuǎn)矩輸出的最簡單方法是按一定的順序停止向氣缸噴射燃油,也可中斷對某一缸的點火。但中斷點火會把沒有燃燒的燃油排出氣缸,降低了燃料經(jīng)濟性并加劇了對空氣的污染。 供油中斷法和點火延遲控制組合起來,可獲得更好的效果。但相應(yīng)的發(fā)動機管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下條件：,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,(l)發(fā)動機管理系統(tǒng)是燃油順序噴射電子控制系統(tǒng)(Sequential Fuel Injection,記為SEFI)。 (2)一進人ASR控制模式,下一個未進行工作過程的氣缸就得中斷供油,以保證發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩盡快地下降。 (3)已經(jīng)進人工

7、作狀態(tài)的氣缸,為了保證混合氣的充分燃燒,不得中斷供油。 (4)在氣缸工作中斷期間,由于在進氣管上有未燃燒的蒸發(fā)油膜。所以當該缸重新進人工作時,應(yīng)對噴油量進行調(diào)節(jié)以保證可靠燃燒。 (5)在氣缸中斷工作期間,應(yīng)關(guān)閉環(huán)排放控制系統(tǒng)的作用,否則未燃燒缸排出的過量氧氣會使排放傳感器作出錯誤的判斷。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,采用噴油中斷法減小發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩非常簡單.不需要增添其它硬件設(shè)備。驅(qū)動控制試驗已經(jīng)證實,借助于ASR控制軟伴,在各種路面條件下,它都能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性和操縱住。它不僅適用于前輪驅(qū)動車輛,也適用于后輪驅(qū)動車輛。但是這種方法在ASR工作模式下噪聲偏大,

8、振動比較厲害,發(fā)動機運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。并且,它只能適用于燃油順序噴射電控發(fā)動機。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,2.節(jié)氣門調(diào)節(jié)方式,采用噴油中斷和延遲點火方法使發(fā)動機噪聲大,運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)。 因此,目前更廣泛采用的是節(jié)氣門調(diào)節(jié)方式, 在這種ASR系統(tǒng)中,汽車各電控系統(tǒng)的ECU(發(fā)動機和傳動系ECU、驅(qū)動控制ASR-ECU以及防抱死制動ABS-ECU)之間也需耍相互傳輸信息。如輪速傳感器的信號由ABS-ECU可輸人到ASR-ECU,節(jié)氣門的位置傳感信號和發(fā)動機速度信號也可通過發(fā)動機和傳動系的ECU輸人到ASR-ECU。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,ASR系統(tǒng)的

9、節(jié)氣門總成由主、副節(jié)氣門組成,主節(jié)氣門由駕駛員通過加速踏板控制,在主節(jié)氣門的上流的副節(jié)氣門通常由機械回位彈簧維持在最大開度。進人ASR工作模式,副節(jié)氣門的開度由一步進電機控制。由于把副節(jié)氣門從全開位置驅(qū)動到全閉位置要花一定的時間(約為200ms),所以用節(jié)氣門調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩時滯大,響應(yīng)也較慢。 (1)控制算法 (2)初始角i的自適應(yīng)控制。 (3)階躍關(guān)閉節(jié)氣門開度。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,(4)爬行轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動控制。 (5)自適應(yīng)反饋增益。 (6)總體控制策略。 (7)驅(qū)動控制的性能。 7.3.2采用制動方式的驅(qū)動控制 l.ASR系統(tǒng)建模 (1)發(fā)動機模型。研

10、究ASR制動方式,并不涉及發(fā)動機的控制問題,因而可把發(fā)動機當作一個固定特性的動力裝置。最常用的方法就是根據(jù)發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù),采用多項式擬合發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,一股采用三次多項式就可達到滿意的精度。 (2)傳動系模型。 (3)車輛模型。 (4)ASR系統(tǒng)。 2.ASR邏揖控制算法 防滑控制系統(tǒng)也可采用類似于ABS的邏輯門限方式。這種控制算法簡單,可靠性強,便于實現(xiàn)。另外防滑控制與防抱死制動集成于一體,算法類似,可以大大簡化程序結(jié)構(gòu)。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,ASR控制算法,汽車電子控制技術(shù),重慶大

11、學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,3.性能試驗,在混合模擬系統(tǒng)上進行試驗, 在分離附著系數(shù)路面起步6s后,驅(qū)動控制系統(tǒng)使車速達到8.6924m/s,而不加驅(qū)動控制車速僅為6.7702m/s,可見改善驅(qū)動性能的效果明顯，見圖24、圖25、圖26、圖27。 7.3.3組合控制 從上述的分析可知,采用制動方式響應(yīng)速度快。但這種控制方式要把發(fā)動機多輸出的功率以熱的形式在制動器上消耗掉。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,因而制動器發(fā)熱嚴重,影響它的使用壽命,不利于提高汽車的經(jīng)濟性。 而采用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制,除了響應(yīng)速度比制動方式較慢以外,另一個本質(zhì)問題是在非對稱附著系數(shù)路面不能實現(xiàn)最佳驅(qū)動控

12、制,其效能和ABS控制系統(tǒng)低選的情形相似。所以為了實現(xiàn)驅(qū)動力最佳控制,即最大限度地提高汽車的經(jīng)濟性、動力性、方向穩(wěn)定性及可操縱住,目前正在朝著發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、車輪制動兩者組合控制的方向發(fā)展。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,1Crown ASR控制系統(tǒng),Toyota Crown采用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和制動組合的ASR(TRC)控制系統(tǒng)的如圖28。用于驅(qū)動控制的制動液壓回路如圖29。ASR控制和ABS控制采用同一液壓系統(tǒng)，從ABS模式切換到ASR模式由控制閥實現(xiàn)，左右兩驅(qū)動機采用非獨立控制方式。 控制邏輯如表2 采用發(fā)動機節(jié)氣門與制動組合控制方式，加快了驅(qū)動控制的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)能力，驅(qū)動

13、控制的效果如圖31。在壓實的雪地上進行方向行駛穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖32，在S形彎道的可操縱性試驗如圖33。表明節(jié)氣門與制動器組合的ASR驅(qū)動控制系統(tǒng)，能夠更有效地改善車輛在低附著系數(shù)路面行駛的方向穩(wěn)定性、可操縱性和加速性能。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,Toyota Crown的電控裝置如圖34。中央處理單元是8位單片機，具有12kb ROM、384字節(jié)RAM、16位可編程定時器和高速IO中斷控制器，時鐘頻率12MHz。 ASRECU的輸入信號來自ABSECU，發(fā)動機控制ECU及幾個選擇控制開關(guān)。根據(jù)輸入信息，ASRECU通過精確計算后輸出控制指令，控制制動器與節(jié)氣門的工

14、作狀態(tài)，并通過指示燈顯示當前工作情況。一但ASRECU檢測到任何故障，ASRECU立即關(guān)閉它的工作，車輛按常規(guī)方式行駛，檢測出的錯誤信息存人由電池供電的RAM區(qū)。同時，診斷的故障代碼輸出到多功能顯示ECU，并點亮閃爍警告指示燈。 程序流程圖如圖35所示,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,2Lexus ASR控制,Crown ASR采用節(jié)氣門與制動組合控制方式，比其中任意一個單獨使用的效果更好。但Crown ASR的制動系統(tǒng)僅有一個制動通道，兩個驅(qū)動輪僅能同時控制。故在非對稱路面，不能充分利用路面的附著系數(shù)，使車輛的加速性能與方向穩(wěn)定性達到極限狀態(tài)。為了更進一步提高車輛加速性和

15、方向穩(wěn)定性，必須把兩驅(qū)動輪的滑轉(zhuǎn)率同時控制在較小的范圍，如圖2右側(cè)的陰影區(qū)。為此，Lexus Ls400型轎車在Crown的基礎(chǔ)上，把兩輪同時控制改為單輪獨立控制，原理如見圖36。在非對稱路面，只要制動低 側(cè)的車輪就可以取得與限滑差速器(Limited Slip Differential，LSD)相同的效果，于是在高側(cè)的車輪可以有效地發(fā)揮它的驅(qū)動力。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,制動控制算法：制動控制采用邏輯門限方式，根據(jù)驅(qū)動輪速度和加速度分為快速增壓、慢速增壓、保壓、快速減壓和慢速減壓5種控制模式。 采用單輪控制與兩輪同時控制的性能比較。在幾種不同路面兩種情形的驅(qū)動力

16、和加速性見圖37和圖38。在非對稱路面，兩輪同時控制無論是它的加速性還是驅(qū)動力都與沒有裝備ASR的車輛相差不大。可見在此種情況，兩輪同時控制的ASR系統(tǒng)失去了它應(yīng)有的作用。 在壓雪路面的方向穩(wěn)定性如圖39。車的初始速度為10kmh，方向盤轉(zhuǎn)角保持不變。在壓實雪地行駛時，Lexus LS400比Crown的方向穩(wěn)定性好，車輛的回轉(zhuǎn)角速度變化小。方向穩(wěn)定性也無明顯的惡化。在S形彎道的可操縱性對比試驗結(jié)果見,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,圖40。顯見采用單輪控制比兩輪同時控制在S形彎道的加速轉(zhuǎn)向的操縱性能好。 ASR的性能與它的硬件配置有關(guān)。其中以發(fā)動機供油中斷方式最為簡單。對

17、順序噴射發(fā)動機，它不需要增加任何硬件設(shè)備，通過相應(yīng)的控制軟件就能達到較好的效果。但是這種驅(qū)動控制方式，ASR工作模式噪聲較大，發(fā)動機運轉(zhuǎn)也不平穩(wěn)。在此基礎(chǔ)上，再增加發(fā)動機節(jié)氣門的控制，可更有效地降低發(fā)動機的多余轉(zhuǎn)矩，提高汽車的加速性、經(jīng)濟性、方向穩(wěn)定性和可操縱性，并克服單一供油中斷法的不足之處。但節(jié)氣門控制與供油中斷組合方式不可避免存在發(fā)動機控制的固有缺陷，就是在非對稱路面失去它的控制效能。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,為了最大限度地提高ASR的性能，顯然，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和驅(qū)動輪制動就成為自，然的組合。如Crown和Lexus ASR系統(tǒng)。Crown ASR系統(tǒng)，把發(fā)動

18、機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和驅(qū)動輪單通道控制組合起來，雖它可充分利用了制動控制的快速性，但卻仍然解決不了發(fā)動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式的本質(zhì)問題，在非對稱路面的控制問題。 綜合各類ASR系統(tǒng)的特點，Lexus ASR系統(tǒng)采用了發(fā)動機節(jié)氣門控制與驅(qū)動輪單輪控制方式?？梢哉f，這種組合方式為ASR系統(tǒng)最完備的硬件配置，只要采用合理的控制算法，就可以解決各種路面條件的驅(qū)動控制問題，并使車輛的加速性、經(jīng)濟性、方向穩(wěn)定性和操縱性達到最佳狀態(tài)。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,7.3.4發(fā)動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與限滑差速器組合方式,為了讓ABS在最佳狀態(tài)工作,希望各輪獨立旋轉(zhuǎn)。安裝定比差速器鎖定裝置在非對稱路面有利于提高車輛

19、的驅(qū)動力。但在其它路面條件,則不利于ABS實現(xiàn)最佳控制,在車輛轉(zhuǎn)向時也存在不利影響。 BOSCH研制了一種主動式限滑差速鎖定裝置,通過主動控制,可使鎖止程度在(0%l00%)范圍變化。當限滑差速器不起作用時,允許兩輪獨立旋轉(zhuǎn)。當完全鎖定時,兩輪成為一個整體一起旋轉(zhuǎn)。根據(jù)路面狀況,可任意控制鎖止程度。在非對稱路面條件具有較好的效果。但LSD在正常路面對驅(qū)動控制并無明顯的作用,故它基本上不能單獨用作ASR控制,通常和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式組合使用。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,7.3.5實現(xiàn)ASR不同方式的性能比較,ASR系統(tǒng)的本質(zhì)是: 控制作用在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩; 在非對稱路面

20、,對傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)最佳分配,從而改善汽車的加速性、方向穩(wěn)定住和操縱性。 從這兩方面來看,實際上還有其它的方法可滿足上述的要求。但在車輛上,究竟采用哪些方式,則取決于許多因素。諸如汽車本身的結(jié)構(gòu)、成本和可靠性,還是否會產(chǎn)生有損于舒適性的副效應(yīng)等。實現(xiàn)ASR控制的各種不同方法的性能比較如下：,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,實現(xiàn)ASR控制的各種不同方法的性能比較,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,采用單一的節(jié)氣門控制,結(jié)構(gòu)簡單,便于實現(xiàn),它不會對傳動系帶來任何附加載荷,舒適性也好,但驅(qū)動控制的效果不好。 單獨采用制動方式,多余的功率都得以熱的形式在制動

21、器上消耗掉。因而發(fā)熱嚴重,不宜在高速下和長時間使用。此外在制動時對傳動件和軸等產(chǎn)生附加動載荷,引起傳動軸的振動和噪聲。 兩種綜合性能好的組合方式分別為發(fā)動機與制動組合、發(fā)動機與限滑差速器組合。 由于現(xiàn)代車輛通常都有ABS系統(tǒng),很容易就可把ABS擴充到ASR方式,不需耍添加更多的硬件設(shè)備。而采用發(fā)動機與限滑差速器組合,需要不同的液壓驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng),成本較高。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,所以,發(fā)動機與制動器組合是ASR(TRC)系統(tǒng)的最佳組合方式和最完備的硬件配置形式。只要采用合理的控制算法,充分發(fā)揮發(fā)動機控制和制動控制的優(yōu)勢,它完全可以滿足車輛在各種路面條件的驅(qū)動控

22、制的要求,使車輛的方向穩(wěn)定性、操縱性、舒適性和加速性達到最佳狀態(tài)。 這里需要再說明的一點是:ASR控制與ABS控制類似的地方,就是在非對稱路面提高驅(qū)動力與方向穩(wěn)定性是矛盾的,最大限度地利用高附著系數(shù)路面一側(cè)的驅(qū)動力,必然降低車輛的方向穩(wěn)定性。在這種工況,既使車輛沒有轉(zhuǎn)向要求,也可能會使車輛偏離期望的行駛方向。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機械工程學(xué)院汽車系 張偉,為此駕駛員必須通過方向盤產(chǎn)生糾偏力矩以抵消非穩(wěn)態(tài)力矩(由兩側(cè)驅(qū)動力之差產(chǎn)生)的影響。 當車輛在高速行駛時,駕駛員是否能作出及時正確的反應(yīng),并把車輛的行駛方向控制在期望的狀態(tài),這是ASR控制系統(tǒng)無法保證的。從這一方面說,ASR系統(tǒng)只是通過它的控制作用,保證車輛處在一個可控的狀態(tài)。而能否準確控制車輛的行駛方向,則取決于駕駛員的心理狀態(tài)、技術(shù)的熟練程度等多種因數(shù)。要主動實現(xiàn)車輛行駛方向的穩(wěn)定性,就必須采用綜合控制系統(tǒng)。如增加方向盤轉(zhuǎn)角信號傳感及導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu),構(gòu)戚車輛行駛方向閉環(huán)自動控制系統(tǒng),在各種路面條件下就可實現(xiàn)車輛方向穩(wěn)定性的主動控制。,汽車電子控制