1、汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,第7章驅(qū)動(dòng)控制,7.1概述 隨著交通量的增加和車速的提高,駕駛員對(duì)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(guò)操縱油門、方向盤及制動(dòng)踏板,使汽車按照他的意圖行駛。汽車作為被控對(duì)象,由路面條件和駕駛員的控制作用決定了它的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。汽車真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否與駕駛員的意圖一致，則取決于兩個(gè)條件：,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,(1)駕駛員的動(dòng)作和他的意圖是否能達(dá)到一致,這通常由駕駛員的經(jīng)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dá)不到要求,于是采用比人工響應(yīng)速度快,精度高的自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、主動(dòng)安全性的必然的趨勢(shì)。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,ABS是防止制動(dòng)過(guò)程中車輪被抱死,保持方向穩(wěn)定性、操縱性并縮短制動(dòng)距離的裝置。而驅(qū)動(dòng)控制裝置(Anti-Skidding Restraint，Traction Control,Acceleration Slip Regulation,簡(jiǎn)稱ASR或TRC)的作用是防止汽車在加速、起步過(guò)程中的滑轉(zhuǎn),特別防止汽車在非對(duì)

3、稱路面或在轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的空轉(zhuǎn),是保持方向穩(wěn)定性、操縱性和最佳驅(qū)動(dòng)力的裝置?？梢哉f(shuō)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(jī)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(dòng)輪滑轉(zhuǎn)。 (1)制動(dòng)控制方式。對(duì)將要空轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)輪施加制動(dòng)力,把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的多余轉(zhuǎn)矩在制動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方式。調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸人到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩,使車輪的滑轉(zhuǎn)率在合適的范圍。 制動(dòng)控制方式比發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式響應(yīng)速度快,能有效地防止汽車起步時(shí)或者從高路面突然躍變到低路面

4、時(shí)車輪的空轉(zhuǎn)。制動(dòng)控制方式還能對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行獨(dú)立控制,與差速器鎖止裝置具有同樣的功能。發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式則是根據(jù)路面狀況輸人給驅(qū)動(dòng)輪最佳的驅(qū)動(dòng)力矩,具體方法有改變?nèi)剂蠂娚淞?、點(diǎn)火時(shí)間和節(jié)氣門開(kāi)度。 兩種方法既可以單獨(dú)使用,也可以組合起來(lái)使用。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,5.2 ASR的原理,眾所周知,作用在車輪上的驅(qū)動(dòng)力和側(cè)向力是依賴于摩擦的存在,其合力不會(huì)超出摩擦圓。亦即驅(qū)動(dòng)力和側(cè)向力是相互制約的,若驅(qū)動(dòng)力增大,側(cè)向力就必然減小。若驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)時(shí),驅(qū)動(dòng)力和側(cè)向力就處在A區(qū),相應(yīng)的側(cè)向力很小。此時(shí)易使使車輪發(fā)生側(cè)滑。為了防止側(cè)滑,就必須適當(dāng)降低驅(qū)動(dòng)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(diǎn),只是減小驅(qū)動(dòng)力,提高側(cè)向力的極限能力,在這一點(diǎn)與ABS也是不同的。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,7.3ASR的控制方法,7.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)方式 l.控制燃油噴射和點(diǎn)火時(shí)間 對(duì)ASR非常重要的輸人信息是車輪的旋轉(zhuǎn)速度(驅(qū)動(dòng)輪和被動(dòng)輪)。當(dāng)采用燃油噴射和點(diǎn)火時(shí)間調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方式時(shí)，ABS/ASR-ECU和發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU可相互傳遞信息。由被動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率為:,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,設(shè)驅(qū)動(dòng)輪的期望滑轉(zhuǎn)率為e,則發(fā)動(dòng)機(jī)

6、轉(zhuǎn)矩控制的依據(jù)為 e減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 e增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的最簡(jiǎn)單方法是按一定的順序停止向氣缸噴射燃油,也可中斷對(duì)某一缸的點(diǎn)火。但中斷點(diǎn)火會(huì)把沒(méi)有燃燒的燃油排出氣缸,降低了燃料經(jīng)濟(jì)性并加劇了對(duì)空氣的污染。 供油中斷法和點(diǎn)火延遲控制組合起來(lái),可獲得更好的效果。但相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,(l)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)人ASR控制模式,下一個(gè)未進(jìn)行工作過(guò)程的氣缸就得中斷供油,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩盡快地下降。 (3)已經(jīng)進(jìn)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(jìn)氣管上有未燃燒的蒸發(fā)油膜。所以當(dāng)該缸重新進(jìn)人工作時(shí),應(yīng)對(duì)噴油量進(jìn)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(guò)量氧氣會(huì)使排放傳感器作出錯(cuò)誤的判斷。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,采用噴油中斷法減小發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩非常簡(jiǎn)單.不需要增添其它硬件設(shè)備。驅(qū)動(dòng)控制試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí),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(dòng)車輛,也適用于后輪驅(qū)動(dòng)車輛。但是這種方法在ASR工作模式下噪聲偏大,

8、振動(dòng)比較厲害,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)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(diǎn)火方法發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲大,運(yùn)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(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系ECU、驅(qū)動(dòng)控制ASR-ECU以及防抱死制動(dòng)ABS-ECU)之間也需耍相互傳輸信息。如輪速傳感器的信號(hào)由ABS-ECU可輸人到ASR-ECU,節(jié)氣門的位置傳感信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)速度信號(hào)也可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的ECU輸人到ASR-ECU。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,ASR系統(tǒng)的節(jié)

9、氣門總成由主、副節(jié)氣門組成,主節(jié)氣門由駕駛員通過(guò)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(jī)械回位彈簧維持在最大開(kāi)度。進(jìn)人ASR工作模式,副節(jié)氣門的開(kāi)度由一步進(jìn)電機(jī)控制。由于把副節(jié)氣門從全開(kāi)位置驅(qū)動(dòng)到全閉位置要花一定的時(shí)間(約為200ms),所以用節(jié)氣門調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)滯大,響應(yīng)也較慢。 (1)控制算法 (2)初始角ai的自適應(yīng)控制。 (3)階躍關(guān)閉節(jié)氣門開(kāi)度。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,(4)爬行轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)控制。 (5)自適應(yīng)反饋增益。 (6)總體控制策略。 (7)驅(qū)動(dòng)控制的性能。 7.3.2采用制動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)控制 l.ASR系統(tǒng)建模 (1)發(fā)動(dòng)機(jī)模型。研

10、究ASR制動(dòng)方式,并不涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的控制問(wèn)題,因而可把發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)作一個(gè)固定特性的動(dòng)力裝置。最常用的方法就是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用多項(xiàng)式擬合發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,一股采用三次多項(xiàng)式就可達(dá)到滿意的精度。 (2)傳動(dòng)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(jiǎn)單,可靠性強(qiáng),便于實(shí)現(xiàn)。另外防滑控制與防抱死制動(dòng)集成于-體,算法類似,可以大大簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,3.性能試驗(yàn),在混合模擬系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn), 在分離附著系數(shù)路面起步6s后,驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)使車速達(dá)到8.6924m/s,而不加驅(qū)動(dòng)控制車速僅為6.7702m/s,可見(jiàn)改善驅(qū)動(dòng)性能的效果明顯。 7.3.3組合控制 從上述的分析可知,采用制動(dòng)方式響應(yīng)速度快。但這種控制方式要把發(fā)動(dòng)機(jī)多輸出的功率以熱的形式在制動(dòng)器上消耗掉。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,因而制動(dòng)器發(fā)熱嚴(yán)重,影響它的使用壽命,不利于提高汽車的經(jīng)濟(jì)性。 而采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制,除了響應(yīng)速度比制動(dòng)方式較慢以外,另一個(gè)本質(zhì)問(wèn)題是在非對(duì)稱附著系數(shù)路面不能實(shí)現(xiàn)最佳驅(qū)動(dòng)控制,其效能和ABS控制系統(tǒng)低選的情

12、形相似。所以為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力最佳控制,即最大限度地提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、方向穩(wěn)定性及可操縱住,目前正在朝著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、車輪制動(dòng)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,7.3.4發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)立旋轉(zhuǎn)。安裝定比差速器鎖定裝置在非對(duì)稱路面有利于提高車輛的驅(qū)動(dòng)力。但在其它路面條件,則不利于ABS實(shí)現(xiàn)最佳控制,在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)也存在不利影響。 BOSCH研制了一種主動(dòng)式限滑差速鎖定裝置,通過(guò)主動(dòng)控制,可使鎖止程度在(0%l00%)范圍變化。當(dāng)限滑差速器不起作用時(shí),允許兩輪獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。當(dāng)完全鎖定時(shí),兩輪成為一個(gè)整

13、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(duì)稱路面條件具有較好的效果。但LSD在正常路面對(duì)驅(qū)動(dòng)控制并無(wú)明顯的作用,故它基本上不能單獨(dú)用作ASR控制,通常和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,5.3.5實(shí)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(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩; 在非對(duì)稱路面,對(duì)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)最佳分配,從而改善汽車的加速住、方向穩(wěn)定住和操縱性。 從這兩方面來(lái)看,實(shí)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(huì)產(chǎn)生有損于舒適性的副效應(yīng)等。實(shí)

14、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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,實(shí)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(jī)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(jiǎn)單,便于實(shí)現(xiàn),它不會(huì)對(duì)傳動(dòng)系帶來(lái)任何附加載荷,舒適性也好,但驅(qū)動(dòng)控制的效果不好。 單獨(dú)采用制動(dòng)方式,多余的功率都得以熱的形式在制動(dòng)器上消耗掉。因而發(fā)熱嚴(yán)重,不宜在高速下和長(zhǎng)時(shí)間使用。此外在制動(dòng)時(shí)對(duì)傳動(dòng)件和軸等產(chǎn)生附加動(dòng)載荷,引起傳動(dòng)軸的振動(dòng)和噪聲。 兩種綜合性能好的組合方式分別為發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)組合、發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)充到AS

15、R方式,不需耍添加更多的硬件設(shè)備。而采用發(fā)動(dòng)機(jī)與限滑差速器組合,需要不同的液壓驅(qū)動(dòng)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,所以,發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)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(dòng)機(jī)控制和制動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì),它完全可以滿足車輛在各種路面條件的驅(qū)動(dòng)控制的要求,使車輛的方向穩(wěn)定性、操縱性、舒適性和加速性達(dá)到最佳狀態(tài)。 這里需要再說(shuō)明的一點(diǎn)是:ASR控制與ABS控制類似的地方,就是在非對(duì)稱路面提高驅(qū)動(dòng)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(dòng)力,必然降低車輛的方向穩(wěn)定性。在這種工況,

16、既使車輛沒(méi)有轉(zhuǎn)向要求,也可能會(huì)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(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,為此駕駛員必須通過(guò)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(dòng)力之差產(chǎn)生)的影響。 當(dāng)車輛在高速行駛時(shí),駕駛員是否能作出及時(shí)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(wú)法保證的。從這一方面說(shuō),ASR系統(tǒng)只是通過(guò)它的控制作用,保證車輛處在一個(gè)可控的狀態(tài)。而能否準(zhǔn)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(dòng)實(shí)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(hào)傳感及導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),構(gòu)戚車輛行駛方向閉環(huán)自動(dòng)

17、控制系統(tǒng),在各種路面條件下就可實(shí)現(xiàn)車輛方向穩(wěn)定性的主動(dòng)控制。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,可以肯定,隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展,必然出現(xiàn)由當(dāng)前的單目標(biāo)(驅(qū)動(dòng))的控制逐步向多目標(biāo)(驅(qū)動(dòng)、方向穩(wěn)定性)的綜合控制方向過(guò)渡。 5.4ASR與ABS控制算法的比較 ASR控制與ABS控制相比,其控制算法有相同的地方,也有不同的地方,既有它簡(jiǎn)單的方面(對(duì)兩輪驅(qū)動(dòng)方式),又有它復(fù)雜的方面。它的簡(jiǎn)單方面就是:設(shè)車輛運(yùn)動(dòng)速度為V,期望的滑轉(zhuǎn)率為e,則驅(qū)動(dòng)輪的目標(biāo)速度為:VDR0=(1+ e)V,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,于是最佳驅(qū)動(dòng)控制間題就可簡(jiǎn)單地描述為:控制驅(qū)

18、動(dòng)輪的速度跟蹤目標(biāo)速度VDR0的變化,這就是伺服跟蹤控制問(wèn)題。 由于車速V是兩從動(dòng)輪速度的平均值,均是可測(cè)的。而ABS只能依據(jù)車輪的加減速度和參考 速度來(lái)進(jìn)行間接控制,為了實(shí)現(xiàn)最佳控制,就比ASR控制困難得多。當(dāng)ASR采用單獨(dú)的制動(dòng)方式,如采用魯棒伺服跟蹤,只要制動(dòng)器的效能是足夠的,從理論上來(lái)說(shuō),它可使驅(qū)動(dòng)控制的加速性、方向穩(wěn)定性和操縱性達(dá)到最佳狀態(tài)。但由此必然導(dǎo)致許多副效應(yīng),如突然的強(qiáng)力制動(dòng)會(huì)在傳動(dòng)系產(chǎn)生很大的動(dòng)載荷及噪聲等,極限情況甚至?xí)鲕囕v的允許范圍,所以在現(xiàn)代年輛上通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)與制動(dòng)干預(yù)的組合控制方式。,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,ASR制動(dòng)干預(yù)采用邏輯門限條件與ABS算法類似。ASR控制系統(tǒng)由目標(biāo)速度VDR0和滑轉(zhuǎn)率門限值決定的五模式邏輯控制如下表：,汽車電子控制技術(shù),重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院汽車系 張偉,ASR和ABS雖然郁是最佳的利用路面附著系數(shù),但兩者所利用的區(qū)間不