第一節 硬件控制模型

一、結構設計模型

ECU是穩控系統的核心部件，它接收傳感器傳送來的各種信號，經過計算或邏輯判斷，決定執行機構的動作、控制外圍輔助設備的狀態；此外，ECU還對穩控系統進行狀態檢測和檢查，以免因系統故障造成錯誤的控制后果。ECU包括硬件和軟件兩部分，兩者相輔相成，共同完成穩控系統的控制功能。從穩控系統的自身特點出發，對ECU提出了如下的要求。高速度、高性能CPU，準確處理輸入信號，準確地發出控制信號。一個復雜單片機控制系統構成的ECU中，輸入部分包含了模擬、數字信號量之間的相互轉換、高頻數字信號量的輸入；輸出部分包含了繼電器控制、大功率電子開關的控制、其他警示信號的輸出；對于ECU的核心部件CPU，采用了主從雙CPU結構，使其分工合作，完成ECU的所有控制工作。其結構框圖如圖2-2所示。為了保證系統可靠性，設計思路上采用雙CPU的設計構架，主CPU采用16位單片機，具有很高的運算速度和豐富的控制端口，完成參數的采集、運算和執行部件控制；從CPU采用8位單片機，著重工作可靠性，完成監控和診斷功能。

圖2-2 ECU結構框圖

二、輪速輸入模型

圖2-3 輪速傳感器工作示意圖

對于車輪的運動狀態，一般都是采用輪速傳感器，把車輪的轉動狀態轉化為電信號，經過處理，再給ECU做分析。檢測輪速信號時常用電磁感應式傳感器，將傳感器安裝在車輪總成的非旋轉部分（萬向節或軸頭）上，與隨車輪一起轉動的導磁材料制成的齒圈相對，當齒圈相對傳感器轉動時，由于磁阻的變化，在傳感器上激勵出交變電壓信號，這種交變電壓的頻率與轉子的速度成正比，所以通過測定頻率就能檢測出輪速。圖2-3所示是傳感器工作示意圖。從傳感器輸出交變信號的幅值隨傳感器的不同而不同，但一個總的特點就是幅值隨輪速的變化比較大，對齒圈與傳感器之間的氣隙大小比較敏感。圖2-4和圖2-5所示是在道路實驗中測得的輪速傳感器輸出信號，圖2-4為車速較低時測得的輪速信號，圖2-5為車速較高時測得的輪速信號，可以看出，輪速信號（電壓）基本上為正弦信號。當車速較高時，信號波動頻率較高，電壓幅值較大；而當車速較低時，信號的頻率與幅值均較小。

圖2-4 低速下傳感器信號

圖2-5 高速下傳感器信號

由于傳感器信號的頻率只與車輪的轉速有關，通常穩控系統的ECU采用專門的信號處理電路將傳感器信號轉換為同頻率的方波，再通過測量方波的頻率或周期來計算車輪轉速。為了能夠準確測量輪速，輪速信號處理電路應該具有下述功能：將正弦波轉換為同頻率的方波，方波的占空比應適中；在車輪轉速較低時，仍然能夠輸出與傳感器輸出信號同頻率的方波信號；在氣隙因為振動在一定范圍內變動時，仍然能夠正確進行波形變換；電磁兼容性好，能夠抑制噪聲干擾。如果只是簡單地對輪速信號采用濾波和整形的手段，在車速較低、輪速傳感器交變電壓幅值較小時，有可能無法引起有效的觸發，如此便限制了它有效輪速的范圍，使低速穩控系統性能變差。

根據對輪速信號處理電路的要求，設計了高性能、高抗干擾的輪速信號處理電路。其特點是包括兩級遲滯比較器和低通濾波部分。電路的第一級包括低通濾波和小回差過零遲滯比較器（圖2-6）。其作用是在盡可能地保留有用的輪速信號的前提下濾去噪聲。這一級遲滯比較器的回差較?。s0.1V），故而只要輪速傳感器的原始信號正弦波的幅值大于0.1V就可被保留下來轉換為方波；而幅值小于0.1V的噪聲被濾去，只有當輪速傳感器信號電壓接近0時且幅值大于0.1V的噪聲信號被轉化為方波邊緣的毛刺進入下一級。第二級的低通濾波環節和大回差遲滯比較器則可以有效地去除由于噪聲干擾形成的毛刺。如圖2-6所示，傳感器原始信號U_i首先經過第一級低通濾波對中高頻干擾進行一定的衰減得到信號U′；信號U′通過小回差遲滯比較器將信號變換為方波信號U″，可以看到僅當信號在零值附近時噪聲可能進入信號U″，造成U″信號波形中的誤觸發脈沖，但噪聲的總能量被顯著衰減；U″通過第二級低通濾波得到U?，誤觸發脈沖被顯著衰減；信號U?再通過一個回差較大的遲滯電壓比較器轉換為方波U_o，由于遲滯比較器采用正反饋接法，方波U_o的波形比較理想，可供給單片機進行輪速測量。

圖2-6 處理電路的輸出波形圖

使用信號發生器在實驗臺上實驗，不論是在波形比較規則的信號發生器上，還是在有很大雜波信號的實驗臺上，利用此處理電路均達到了理想的效果。輪速信號處理電路利用兩級遲滯比較器達到了提高信噪比和整形的目的，并采用高階低通濾波實現抑制噪聲的功能。這種輪速信號處理電路充分發揮了電磁感應式被動傳感器的潛力，可以滿足要求。該電路并不局限于電磁感應式傳感器，對于其他類型的輪速傳感器也一樣可以可靠工作，如磁敏電阻式、霍爾式等，具有很好的兼容性。在穩控系統中，電磁閥是重要的執行元件，通過它來控制制動輪缸中的液壓大小，完成穩控系統功能。由于控制要求，電磁閥的響應必須是毫秒級的，從而要求電磁閥線圈中的電流很大，以保證電磁閥的開啟和關閉時間。該模塊選用了四通道功率驅動元件，具有過載保護、智能電流限制、短路保護、高溫保護、過電壓保護、自診斷功能和靜電保護等功能，適合在車輛環境下作為大功率的驅動元件，可靠地抵抗外界振動和電磁干擾。

故障診斷模塊是穩控系統可靠工作的保障。在該模塊的設計中，對ECU進行了全面的檢測，其中包括電磁閥驅動的檢測、輪速輸入電路的檢測、警告燈的檢測和電源的檢測。另外，一部分檢測任務由軟件來完成，包括電磁閥驅動的檢測和輪速傳感器的檢測。本模塊不但診斷系統故障，還實現了復雜的數據流傳輸，通過外部診斷儀，可以有效地監控穩控系統各個部件的工作狀態，如實時顯示輪速、加速度、各個開關信號等的狀態。通過硬件和軟件濾波，信號品質非常理想，保證了四驅模式下的穩控系統控制效果。復位模塊可使ECU在工作出現故障時，如受到強電磁干擾、電源電壓受到沖擊不穩定等，能及時復位，很快恢復到正常的工作狀態下。繼電器模塊控制各個通道的所有電磁閥的供電以及其他回流泵電動機的供電，在穩控系統發生無法自恢復的故障時，會把故障碼存儲在非易失性的存儲器中，然后使用故障診斷儀讀出故障信息，幫助駕駛人或者修理人員迅速找到問題，及時解決問題。ECU的電源模塊是ECU正常工作的基礎。車輛電源受到發動機點火和充電機充電的沖擊，非常不穩定，電壓起伏大，因此需使用專用的集成電路芯片，以保證ECU穩定的電源供給。

三、仿真平臺模型

車輛作為典型的機電系統，其模型是研究該系統的有效工具。為了對車輛穩控系統進行分析，搭建穩控系統仿真平臺可為控制算法評價、調試、標定匹配和性能分析等提供良好的環境。穩控系統仿真平臺是穩控系統控制方法和算法的基礎，仿真平臺由駕駛人模型、車輛動力學模型、輪胎模型、路面模型、制動系統模型、ECU模型和HCU模型等組成。圖2-7所示為穩控系統仿真平臺示意圖。

圖2-7 穩控系統仿真平臺模型

在仿真平臺中，駕駛人操作模型優先級最高，車輛的運行狀態響應駕駛人的操作意圖，根據駕駛人操作可以仿真不同的穩控系統制動工況。車輛的運動依賴于輪胎所受的力，如縱向力和側向力等，輪胎、路面模型是車輛運動的基礎，穩控系統仿真中的各種路面附著工況，如高附著路面制動、低附著路面制動、對接路面制動以及對開路面制動等，就是依靠輪胎、路面模型的合理設計來完成的。車輛動力學模型是研究穩控系統的載體，車輛動力學模型根據駕駛人操作、穩控系統控制的制動壓力、地面的縱向力/側向力等計算車輛的狀態，如車身狀態、車輪狀態等。ECU模型可以用不同的控制方法來實現，如邏輯門限值方法、PID控制方法、模糊控制方法等，從而可以對控制方法和控制算法進行研究；在HCU模型和制動系統模型上可以進行制動壓力動態特性的分析。以上各部分模型各自獨立又相互關聯，組合在一起構成了穩控系統仿真平臺。為適用不同的穩控系統仿真目的，本章分別建立了2自由度和7自由度車輛動力學模型，如圖2-8、圖2-9所示。車輛動力學模型是典型的連續時間系統，可以用微分方程來描述。2自由度車輛動力學模型也稱為1/4車輛制動模型或單輪模型，共有2個自由度，即沿X方向的平動和車輪的轉動。

式中 m——車輛質量；

J——車輪轉動慣量；

ω——車輪加速度；

μ_x——地面附著系數；

r——車輪半徑；

T_μ——制動力矩；

u——車速。

圖2-8 2自由度汽車模型

圖2-9 7自由度汽車模型

1/4車輛制動模型只考慮了車輛的平動和車輪的轉動，是研究穩控系統最簡單的模型，它可以反映最基本的受力、運動和滑移率的關系，可以對控制方法進行原理的分析和設計。

采用2自由度車輛模型，考慮到大側向加速度時的非線性，系統狀態參量及觀測量為

式中，x為系統狀態參量，u為輸入量，y為觀測量，A為狀態矩陣，B為控制矩陣，C為輸出矩陣，D為傳遞矩陣。

7自由度車輛動力學模型，也可稱為1/2車輛制動力模型或雙輪模型。其包括7個自由度：整車的前進方向運動自由度X，垂直運動自由度Z和俯仰運動自由度θ；前輪垂直運動自由度Z₁₁和旋轉運動自由度ω₁₁；后輪垂直運動自由度Z₂₁和旋轉運動自由度ω₂₁。

運動方程為

整車前進方向運動方程

車身垂直方向運動方程

車身俯仰運動方程

前輪垂直運動方程

后輪垂直運動方程

前輪旋轉運動方程

后輪旋轉運動方程

輪胎的縱向力

懸架所受的力

7自由度的1/2車輛制動模型可用于直線制動過程中穩控系統的控制仿真，它考慮了汽車制動過程中的載荷在前后輪上的轉移，比單輪模型更加符合實際工況。相關參數說明見表2-1。

表2-17 自由度車輛動力學模型參數說明

（續）

輪胎縱側向力F_x11，F_x12，F_x21，F_x22、Fy11，Fy12，Fy21，Fy22，需要利用輪胎模型進行計算，轉向角自由度的方程需要根據實際仿真情況給出，如階躍輸入、正弦輸入或實車測試值輸入等。

四、輪胎穩定模型

輪胎縱、側向力是車輛在運動過程中受到的最重要的外力之一，決定了車輛的響應結果，輪胎的力學特性對車輛的操縱穩定性、舒適性、動力性和制動安全性起著極其重要的作用?，F代輪胎是一個復雜的粘性結構體，具有明顯的非線性特性。通過對輪胎結構和形變的數學描述，建立剪切力和回正力矩與相應參數的函數關系，并通過對輪胎力特性的實驗數據進行回歸分析，建立輪胎動力學模型與動態行駛狀態，如圖2-10、圖2-11所示。

圖2-10 輪胎動力學模型

1—驅動力 2—制動力 3—側向力 4—附著力

圖2-11 輪胎動態行駛狀態

考慮輪胎側偏力特性，側偏力為

式中 D——峰值因子；

C——形狀因子；

B——剛度因子；

E——曲率因子。

具體描述如下：

式中 F_z——垂直載荷；

μ——輪胎路面附著系數；

a₀～a₆——系數，見表2-2。

表2-2 輪胎模型參數取值

在不同路面附著系數時，前后輪側偏力和側偏角關系如圖2-12所示。

圖2-12 輪胎側偏力和側偏角關系