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SY-025-BY-1 畢業(yè)設計題目審定表 指導教師姓名 張金柱 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是□否 題目名稱 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 課題適用專業(yè) 車輛工程 課題類型 設計 課題簡介：本課題主要研究汽車側向穩(wěn)定性的控制，主要基于現(xiàn)有的ESP的控制內容進行設計和制作，現(xiàn)有的主要設備是北京現(xiàn)代的ESP泵，其他設備需要足部完善。就目前國際形勢來看，主要由博世等世界著名汽車電器制造公司設計和生產(chǎn)制造汽車側向穩(wěn)定性控制器，目前國內做此類設計的公司暫時空缺，全國有部分大學從事了側向穩(wěn)定性控制器的研究，為此，我們學校額不例外，特出此題。本設計的主要類容有控制器的設計和控制器的原件的選擇，主要是基于橫擺角速度展開相關側向穩(wěn)定性控制。本設計主要包括執(zhí)行器的控制，信號的采集，信號的處理，和相關的控制理論和控制算法等。 指導教師簽字： 年 月 日 教 研 室 意 見 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合度 □好 □較好 □一般 □較差 2 對學生能力培養(yǎng)及全面訓練的程度 □好 □較好 □一般 □較差 3 選題與生產(chǎn)、科研、實驗室建設等實際的結合程度 □好 □較好 □一般 □較差 4 論文選題的理論意義或實際價值 □好 □較好 □一般 □較差 5 課題預計工作量 □較大 □適中 □較小 6 課題預計難易程度 □較難 □一般 □較易 教研室主任簽字： 年 月 日 系（部）教學指導委員會意見： 負責人簽字： 年 月 日 注：課題類型填寫 W.科研項目；X.生產(chǎn)（社會）實際；Y.實驗室建設；Z.其它。 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計開題報告 學生姓名 劉平藝 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程07-2班 指導教師姓名 張金柱 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 是否□ 題目名稱 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 （一）研究現(xiàn)狀 汽車側向穩(wěn)定性控制器的研究是從ABS(Anti-locked Braking System)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。國內對ABS的研究始于80年代初，國內研制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（Electronic Control Unit）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，是我國國內最大的ABS生產(chǎn)基地。 電子穩(wěn)定程序ESP(Electronic Stability Program)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(Acceleration Slip Regulation -----驅動防滑系統(tǒng))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、上海大眾汽車制造公司等企業(yè)也在開展相關的研究工作。東南大學車輛工程系對ESP系統(tǒng)的控制策略和其硬件實現(xiàn)進行了相關研究，并用TMS320F2812系統(tǒng)實現(xiàn)了對車輛的ESP控制。 （二）選題的目的、意義 由于中國在汽車電子方面起步較晚，大多汽車電子控制系統(tǒng)都是借鑒或者直接引用外國的產(chǎn)品和技術，因此我們的設計基本都處在模仿的階段。本次課題就是基于單片機、橫擺角速度傳感儀，車輪角速度傳感儀、車速傳感器等，實現(xiàn)ESP的部分功能。 通過查看汽車事故原因的統(tǒng)計和分析結果不難發(fā)現(xiàn)，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。如果汽車裝有汽車側向穩(wěn)定性控制器（ESP）,將會大大減少汽車事故發(fā)生率，極大的提高汽車在各種路況下的安全行駛性能。ESP(電子穩(wěn)定系統(tǒng))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ESP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，ESP自然顯得格外重要。 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。ESP 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，這時就需要一個可靠的汽車側向穩(wěn)定性控制器（ESP）來為駕駛員和乘客的安全保駕護航了。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 （一）研究的基本內容 1、研究汽車側向穩(wěn)定性控制器的硬件結構和軟件驅動原理，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、設計合適的系統(tǒng)擴展電路，計算各個傳感器和單片機的接口電路并且制作電路。 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制動控制系統(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。 （二）擬解決的主要問題 1、對傳感器與單片機接口電路的制作。 2、軟件編程。 三、技術路線（研究方法） 1、確定本次設計ESP的技術指標 2、完成功能指標的硬件與軟件分工 硬件 軟件 3、傳感器接口電路的設計 6、軟件結構設計 4、傳感器接口電路的制作 7、程序編制 5、硬件電路的測試 8、軟件測試 9、ESP系統(tǒng)測試與實驗 １、本次設計的主要技術指標：①適用于輕型車；②利用橫擺角速度、車速傳感器、車輪角速度傳感器等，利用差動制動實現(xiàn)汽車橫擺力矩穩(wěn)定性控制。 ２、硬件功能分析：①車輪角速度傳感器４個，通過左右車輪角速度分析，得出左右車輪是否打滑，是否處于不同條件路面。②橫擺角和Ｇ傳感器總成（北京現(xiàn)代），判斷汽車的側向穩(wěn)定性程度的一個指標。③電子尺，判別汽車轉向，控制后單輪幫助矯正轉向不足或者過多轉向。④車速傳感器（霍爾原理），與車輪轉角傳感器做比較分析，判別車輪的滑移率。⑤ＡＢＳ泵電磁閥，由電路控制開啟和關閉，是制動壓力增大或減小或者保持制動壓力。⑥軟件功能，利用匯編語言完成傳感器與執(zhí)行器的聯(lián)系，完成ＥＳＰ功能。 ３、各個傳感器與單片機之間的連接電路的設計，做好限電壓限電流的準備，保護單片機與傳感器的功能與性能。 ４、把設計好驅動放大電路做成電路硬件。 ５、用萬用表測量電路的各個接口端，看電路是否設計正確合理。 ６、設計軟件設計的流程圖。 四、進度安排 （1）熟悉任務書，準備資料，填寫開題報告 第1~2周（2月28日~3月13日） （2）確定控制算法策略 第3~4周（3月14日~3月27日） （3）對硬件進行設計及電路的設計與制作 第5~6周（3月28日4月10日） （4）用單片機和C語言進行軟件編程 第7~12周（4月11日~5月22日） （5）進行實驗. 第13周（5月23日~5月29日） （6）指導老師評閱、審核及修改不足 第14~16周（5月30日~6月19日） （7）畢業(yè)設計答辯 第17周（6月20日~6月26日） 五、參考文獻 [1]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京航空航天大學出版社，2005，(10). [2]謝維成,楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].清華大學出版社,2006,(8). [3]李涵武,趙雨旸.汽車電器與電子技術[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003,(9). [4]王望予.汽車設計[M].機械工業(yè)出版社.2004,(8). [5]韓安.基于嵌入式系統(tǒng)的汽車穩(wěn)定性控制器的開發(fā)和研究[D].東南大學,2009,(4). [6]宗長福,鄭宇,田承偉,潘釗,董益亮.基于直接橫擺力矩控制器的汽車穩(wěn)定系控制策略[J]吉林大學學報，2008,(9). [7]歐健,房占鵬. 車輛動力學穩(wěn)定性系統(tǒng)綜合反饋控制仿真[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2010,(6). [8]陳勝金,李法宗,黃妙華. 波許ESP四通的理論分析[J].汽車技術,2004,(2). [9] 李君．車輛ABS控制系統(tǒng)快速開發(fā)研究[D].上海:上海交通大學,2002. [10]楊妙梁.電子穩(wěn)定程序（ESP）[J].汽車與配件,萬方數(shù)據(jù)，2005，（1-11）. [11]趙林峰,陳無畏,秦煒華,楊軍.地府找路面條件的ESP控制策略[J].機械工程學報，合肥:合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,2011:109-114. [12]譚剛平,趙龍慶.汽車ABS邏輯門限值控制策略研究[J],西南林學院學報,2006,(4):83—85. [13]Coad P,D North,M Mayfield Object ModelsStrategies,Patterns,and Applications[M], Englewood Cliffs,Prentice Hall,NJ,1995. [14]Jean J.Labrosse著,邵貝貝譯.嵌入式實時操作系統(tǒng)uc/os2[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005,1-8. [15]涂志祥.基于模糊控制的汽車動力學穩(wěn)定性控制(VDC)研究[D]. 湖南:長沙理工大學汽車與機械工程學院, 2004: 49-50. [16]王家輝.汽車ESP系統(tǒng)半動態(tài)測試臺架開發(fā)[D].上海:上海交通大學，2004,3. [17]郭寬有.汽車操縱穩(wěn)定性的影響因素及評價方法研究[J].重慶工學院學報(自然科學版)，2007,10:28-32. 六、備注 指導教師意見： 簽字: 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目: 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B07-2 學 生 姓 名: 劉平藝 導 師 姓 名: 張金柱 開 題 時 間: 2011年02月28號 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 SY-025-BY-2 畢業(yè)設計（論文）任務書 學生姓名 劉平藝 系部 汽車與交通工程 學院 專業(yè)、班級 車輛工程B07-2 指導教師姓名 張金柱 職稱 教授 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 一、設計目的、意義 目的：在追求安全與動力性越來越高的當今社會，汽車智能制動器扮演了越來越重要的角色，當車輛有側滑的危險，或者轉向不足時，ESP 就會分別對每個車輪施加不同的制動力，就如車輛擁有四個制動踏板。ESP不僅僅只是制動車輪，還能夠主動干預發(fā)動機。駕駛者只要做出正確的轉向操作即可。 意義: 汽車側向穩(wěn)定系統(tǒng)或動態(tài)偏航穩(wěn)定控制系統(tǒng)(Elect ronic St abilit y Program，ESP)是防抱死制動系統(tǒng)ABS、驅動防滑控制系統(tǒng)ASR、電子制動力分配系統(tǒng)EBD、牽引力控制系統(tǒng)TCS 和主動車身橫擺控制系統(tǒng)，ESP極大的為汽車行駛安全護航保駕，能有效減少汽車在雨、雪、泥、沙、冰等易滑路段的安全行駛 二、設計內容、技術要求（研究方法） 設計的主要內容：參照同類硬件與軟件系統(tǒng)，分析原理與優(yōu)缺點，查閱資料，完成設計方向的認識和確定，參考同類控制器，完成主要技術參數(shù)的設定。 設計的主要技術要求：利用現(xiàn)有的器材(輪速傳感器、車速傳感器、方向盤轉角傳感器、汽車橫擺角速度傳感器)，自備單片機控制系統(tǒng)。利用單片機控制ABS泵電磁閥的開啟和關閉，來實現(xiàn)汽車在各種路況的穩(wěn)態(tài)行駛。 三、設計完成后應提交的成果 1、完成設計說明書2萬字以上； 2、完成單片機編程，程序完成ESP基本功能； 3、制作基本電路，完成硬件之間的正確鏈接； 4、調試軟件與硬件，做出初步實驗數(shù)據(jù)； 5、分析實驗數(shù)據(jù)，證明設計是合理。 四、設計進度安排 （1）熟悉任務書，了解相關信息，準備資料，填寫開題報告 第1~2周 （2）確定控制算法策略 第3~4周 （3）硬件進行設計及電路的設計與制作 第5~7周 （4）用單片機和C語言進行軟件編程 第8~11周 （5）進行實驗分析 第12~13周 （6）畢業(yè)論文總結、評閱、審核及修改不足 第14~16周 （7）為畢業(yè)論文答辯做準備及答辯 第17周 五、主要參考資料 1、《 基于直接衡擺力矩控制的汽車穩(wěn)定性控制策略》 宗長福 鄭宇 田承偉 潘釗 董益亮 吉林大學學報（工業(yè)版）2008年9月第38卷第5期 2、《基于嵌入式系統(tǒng)的汽車穩(wěn)定性控制器的開發(fā)和研究》 韓安 東南大學碩士論文 指導教師 陳楠 3、《車輛動力學穩(wěn)定性系統(tǒng)綜合反饋控制仿真》 歐健 房占鵬 重慶理工大學 《拖拉機與農(nóng)用運輸車》 第37卷第3期 2010年6月 4、《車輛橫擺穩(wěn)定控制系統(tǒng)建模及控制方法研究》 李強 碩士論文 哈爾濱工業(yè)大學 2009年6月 5、《波許ESP四通的理論分析》陳勝金 李法宗 黃妙華 武漢理工大學汽車工程學院 汽車技術 2004年第二期 6、《基于直接橫擺力矩控制的汽車ESP控制系統(tǒng)研究》 唐耀鵬 長安大學說是學位論文 2009年5月 7、《單片機原理及接口技術》 徐煜明 韓雁 主編 電子工業(yè)出版社 8、《單片機原理與應用及C51程序設計》 謝維成 楊加國 主編 清華大學出版社 六、備注 自學單片機編程與應用軟件。 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-4 畢業(yè)設計（論文）指導記錄 日期 地點 辦公室 指導方式 面授 指導記錄 （指導內容、存在問題及解決思路） 學生（記錄人）簽名： 指導教師簽名： 日期 地點 辦公室 指導方式 面授 指導記錄 （指導內容、存在問題及解決思路） 學生（記錄人）簽名： 指導教師簽名： 日期 地點 辦公室 指導方式 面授 指導記錄 （指導內容、存在問題及解決思路） 學生（記錄人）簽名： 指導教師簽名： SY-025-BY-5 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 填表日期 年 月 日 迄今已進行 周剩余 周 學生姓名 劉平藝 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛B07-2 指導教師姓名 張金柱 職稱 教授 從事 專業(yè) 是否外聘 □是□否 題目名稱 學 生 填 寫 畢業(yè)設計（論文）工作進度 已完成主要內容 待完成主要內容 　 　 存在問題及努力方向 　 學生簽字： 指導教師 意 見 指導教師簽字： 年 月 日 教研室 意 見 教研室主任簽字： 年 月 日 SY-025-BY-6 畢業(yè)設計指導教師評分表 學生姓名 劉平藝 系部 汽車與交通工程 學院 專業(yè)、班級 車輛B07-2 指導教師姓名 張金柱 職稱 教授 從事 專業(yè) 是否外聘 □是□否 題目名稱 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產(chǎn)、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 20 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力） 10 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 8 科學素養(yǎng)、學習態(tài)度、紀律表現(xiàn)；畢業(yè)論文進度 10 得 分 X= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　 　 　 　 　 　　 指導教師簽字： 年 月 日 SY-025-BY-7 畢業(yè)設計評閱人評分表 學生 姓名 劉平藝 專業(yè) 班級 車輛工程 指導教 師姓名 張金柱 職稱 教授 題目 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 序號 評 價 項 目 滿分 得分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況；題目難易度 10 2 題目工作量；題目與生產(chǎn)、科研、實驗室建設等實際的結合程度 10 3 綜合運用知識能力（設計涉及學科范圍，內容深廣度及問題難易度）；應用文獻資料能力 15 4 設計（實驗）能力；計算能力（數(shù)據(jù)運算與處理能力）；外文應用能力 25 5 計算機應用能力；對實驗結果的分析能力（或綜合分析能力、技術經(jīng)濟分析能力） 15 6 插圖（圖紙）質量；設計說明書撰寫水平；設計的實用性與科學性；創(chuàng)新性 20 7 設計規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等） 5 得 分 Y= 評 語：（參照上述評價項目給出評語，注意反映該論文的特點） 　 　　 　 　 　 　 　　 　 　 　　 　 　 評閱人簽字 ： 年 月 日 SY-025-BY-8 畢業(yè)設計答辯評分表 學生 姓名 劉平藝 專業(yè) 班級 車輛B07-2 指導 教師 張金柱 職 稱 教授 題目 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 答辯 時間 月 日 時 答辯組 成員姓名 出席 人數(shù) 序號 評 審 指 標 滿 分 得 分 1 選題與專業(yè)培養(yǎng)目標的符合程度，綜合訓練情況，題目難易度、工作量、與實際的結合程度 10 2 設計（實驗）能力、對實驗結果的分析能力、計算能力、綜合運用知識能力 10 3 應用文獻資料、計算機、外文的能力 10 4 設計說明書撰寫水平、圖紙質量，設計的規(guī)范化程度（設計欄目齊全合理、SI制的使用等）、實用性、科學性和創(chuàng)新性 15 5 畢業(yè)設計答辯準備情況 5 6 畢業(yè)設計自述情況 20 7 畢業(yè)設計答辯回答問題情況 30 總 分 Z= 答辯過程記錄、評語： 　 　 　 　 　 　 　 　 　 答辯組長簽字： 年 月 日 SY-025-BY-9 畢業(yè)設計（論文）成績評定表 學生姓名 劉平藝 性別 男 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè) 車輛工程 班級 B07-2 設計（論文）題目 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 指導教師姓名 職稱 指導教師 評分（X） 評閱教師姓名 職稱 評閱教師 評分（Y） 答辯組組長 職稱 答辯組 評分（Z） 畢業(yè)設計（論文）成績 百分制 五級分制 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 注：1、指導教師、評閱教師、答辯組評分按百分制填寫，畢業(yè)設計（論文）成績百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、評語中應當包括學生畢業(yè)設計（論文）選題質量、能力水平、設計（論文）水平、設計（論文）撰寫質量、學生在畢業(yè)設計（論文）實施或寫作過程中的學習態(tài)度及學生答辯情況等內容的評價。 SY-025-BY-10 優(yōu)秀畢業(yè)設計推薦表 題 目 汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計 類別 畢業(yè)設計 學生姓名 劉平藝 系、專業(yè)、班級 汽車與交通工程學院車輛工程07-2班 指導教師 張金柱 職 稱 教授 設計成果明細： 答辯委員會評語： 答辯委員會主任簽字（蓋章）： 系部公章： 年 月 日 備 注： 注：“類別”欄填寫畢業(yè)論文或畢業(yè)設計 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 The Graduation Design for Bachelor's 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 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 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 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 II 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、外的現(xiàn)狀 2 1.4 研究內容 2 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 8 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 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 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。控制單元通過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。 (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、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。國內對ABS的研究始于80年代初，國內研制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。 1.4 研究內容 本次研究的內容為汽車側向穩(wěn)定性控制器的設計，主要研究內容如下： （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。 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 信號輸入 計算控制 傳感器 控制輸出 執(zhí)行器 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節(jié)器的電磁閥開關動作調節(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)，于是通過對液壓調節(jié)器的調節(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。可見，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 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，地面對輪胎的法向反作用力，同時地面還對輪胎有側向的側滑摩擦力。地面制動力與地面對輪胎的法向反作用力之間的比值稱為縱向附著系數(shù)。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)。 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)和側向附著系數(shù)成正比。越大，縱向附著力越大，剎車的距離越短，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。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： （2.1） 質心側偏側偏角速度公式： （2.2） 是兩個相鄰控制周期質心側偏角速度的差值，是ESP控制的周期，在這里設置為0.1秒。如公式（2.3） （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: （2.4） ——理想橫擺角速度，單位(rad/s) ——參考車速,單位(m/s)； ——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與理想橫擺角速度的差值公式如下： （2.5） 定義橫擺角速度向左為正，向右為負。 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 右前 右后 左前 左后 小增 小增 —— 小增 大增 小增 —— —— —— —— —— 小增 小增 —— —— —— —— —— 小增 大增 小增 —— 小增 小增 小增 小增 小增 —— 小增 大增 —— —— —— —— 小增 —— —— 小增 —— —— —— —— 大增 小增 —— 小增 小增 小增 —— 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。 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。 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： 控制算法 控制PWM占空比 Duty0 車速 Duty2, Duty1 圖2.9 車速控制PWM流程圖 具體公式如下： （2.6） Duty2在初始時為0，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，同時將本周期的的結果賦值給。 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。 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 筆記本電腦 橫擺角和G傳感儀 BDM 橫向拉桿位移尺 A/D 飛思卡爾S12XS128 單片機 信號放大除雜 輪速傳感器x4 I/O 控制信號 信號放大隔離電路 泵電機 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 右吸入閥 左前輪減壓閥 右前輪減壓閥 左后輪減壓閥 右后輪減壓閥 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： 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： 輪速傳感器 濾波電路 產(chǎn)生方波信號 單片機 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 ECU 圖3.7 液壓控制單元結構 3.3.2液壓電磁閥控制回路 14 15 11 9 5 7 8 10 6 12 13 4 2 1 3 北京現(xiàn)代ESP制動回路圖 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。 低壓回路 高壓回路 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。 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100Ω/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，F(xiàn)reescale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）； （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 （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。 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，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。通過一定的算法計算出橫擺角速度的大小與實際測量的大小相比較，得出汽車目前穩(wěn)定的狀態(tài)，通過控制算法，對相應的車輪做制動，減輕橫擺角的進一步增大，通過PWM波輸出，控制增壓、減壓電磁閥的開啟和閉合，達到穩(wěn)定性的控制。本系統(tǒng)的軟件設計主要包括各模塊初始化、主程序設計、A/D轉換模塊程序設計、PWM驅動模塊程序設定、串口程序設定等。在本次設計中主要應用單片機飛思卡爾MC9S12XS128的模塊有A/D,PWM，定時模塊，I/O模塊等。 引用頭文件 定義全局變量 設定A/D信號采集 設定PWM信號輸出 設定時鐘模塊 設定輪速信號采集 設定橫擺穩(wěn)定性控制 主程序 初始化各模塊 取讀輸入信號 穩(wěn)定性判斷 輸出控制 延時 圖4.1 總體流程圖 圖解：（1）全局變量為所有程序公用的信息，如車速信號，制動壓力信號，加速度信號等；（2）A/D采集信號包括電子尺轉向信號、橫擺角速度信號、側向加速度、縱向加速度信號、制動回路壓力信號；（3）PWM波形輸出控制，設定波形周期，占空比在實際使用的是設置。（4）輪速采集信號使用的I/O串口，制動主缸增壓電機由I/O控制輸出。 設置橫擺穩(wěn)定性控制器的控制周期為0.1s,即100ms，因此設置PWM的周期也為100ms,只需要控制PWM的占空比，也就可以控制一個周期內電磁閥的開啟時間，方便設置改變和控制。 4.2方向盤轉角（前輪轉角）信號的采集 在試驗車上，安裝的是電子尺，用于測量轉向橫拉桿的橫向位移量，將位移量轉化為前輪轉角，這個值比方向盤轉角信號來的準確。電子尺的工作行程為200mm，轉向橫拉桿的極限行程為150mm,因此將0-5v等效為0-200mm，5v/200mm=0.025v/mm,即25mv/mm,選用10位A/D轉換精度，精度為4.8mv，因此可以測量到0.2mm。 定義無轉向信號的時候，信號輸出為2.5v，電子尺的位移為100mm,試驗車的橫向拉桿的實際位移量為150mm，因此采集的有效信號范圍是0.625-4.375v,將此范圍的電壓信號轉換為車輪的轉角信號。車輪的轉角信號范圍是負30°到正30°，即3.75v/60°=0.0625v/°=62.5mv/°，精度足夠高，滿足使用要求。 由以上換算得到角度和電壓的關系=,假設向左轉為正，向右轉為負。 4.3橫擺角信號與側向加速度信號的采集 橫向加速度信號，橫擺角速度信號以及電子尺的信號均為電壓信號，而且為0-5v電壓，因此采用A/D轉換，可得到比較精確的結果。 A/D寄存器設置如下： void ATD_Init(void) //8bit模式 { ATD0CTL2=0x42; //禁止外部觸發(fā) ATD0CTL3=0xc0; //7:1數(shù)據(jù)右對齊無符號,每次轉換8個序列, No FIFO, Freeze模式下繼續(xù)轉 ATD0CTL4=0x17; //765: 采 樣 時 間 為 4 個 AD 時 鐘 周期,ATDClock=[BusClock*0.5]/[PRS+1]=1MHz(BusClock=16MHz) ATD0CTL5=0x30; //6:0 特殊通道禁止,5:1 連續(xù)轉換 0 單次轉換 ,4:1 多通道輪流采樣567: ATD0DIEN=0x00; //輸入允許寄存器 } 4.4 輪速信號采集 本設計采用頻率法采集輪速，原理如下：在單位周期內，計算累計脈沖的個數(shù)，然后經(jīng)行計算，輪速脈沖經(jīng)過引號處理后為標準的脈沖。 輪速脈沖 采樣周期 圖4-2 頻率法計算輪速周期原理圖 輪速信號的頻率計算公式4.1： （4.1） 輪速計算公式為： （4.2） 其中：r為車輪半徑；ψ為一個測量周期的脈沖數(shù)；Z為輪速傳感器齒圈的齒數(shù)，Z=43；T為采樣周期。 以下為輪速信號采集的相關寄存器的設置： //通道0輸入捕捉初始化 void ECT0_Init(void) { TSCR2=0X06; //禁止溢出中斷，分頻系數(shù)為64（24/64MHZ） TIOS_IOS0=0;// 通道0為輸入捕捉 TCTL4=0X01; //捕捉為上升沿 TIE_C0I=1 ; //允許0通道輸入捕捉 TSCR1=0X80;//時能定時器 } //定時器0輸入捕捉中斷 #pragma CODE_SEG __NEAR_SEG NON_BANKED void interrupt 8 Timer0_Onput(void) { TFLG1_C0F=1 ;//清中斷標志 Input_Num++; PORTB=~Input_Num; if(Input_Num>=255) { Input_Num=0; } } 輪速控制范圍假設為5m/s到30m/s，則輪速信號頻率范圍是136Hz到820Hz,設定采樣周期為50ms,則在車速最低的時候，每個周期采集的輪速信號6個脈沖，有實際意義。將采集的輪速信號，相加取平均值作為車速信號。 4.5 PWM寄存器設置 PWM設置如下： void PWM_Init(void) { PWME=0x00; //禁止 PWMPRCLK=0x77; //時鐘預分頻A=B=16M/128=125K PWMSCLA=125; //SA=A/2/125=500HZ PWMSCLB=125; //SB=B/2/125=500HZ PWMCTL=0x00; //控制寄存器設置 PWMCLK=0xff; //時鐘寄存器為SB PWMPOL=0xff; //Duty=High Time 極性設置 1,高電平輸出 PWMCAE=0x00; // left-aligned 左對齊方式 PWMPER0=50; //Frequency=SB/50=10Hz 周期寄存器設置 PWMPER1=50; PWMPER2=50; PWMPER3=50; PWMPER4=50; PWMPER5=50; PWMPER6=50; PWMPER7=50; } 4.6判斷穩(wěn)定系控制程序的編寫 取讀輸入信號 控制方法 判斷控制車輪 控制輸出 延時控制 返回 圖4-3 控制流程圖 等待信號輸入轉換完成程序如下： while(!ATD0STAT2_CCF5); sum[4]=ATD0DR5L; while(!ATD0STAT2_CCF5); sum[5]=ATD0DR5L; while(!ATD0STAT2_CCF6); sum[6]=ATD0DR6L; while(!ATD0STAT2_CCF7); sum[7]=ATD0DR7L; ATD0STAT0_SCF=1; while(!ATD0STAT0_SCF); //轉換4，5，6，7通道數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)換算賦值給相應的變量： cs=sum[4]/20.48; hx=sum[7]/20.48; // sum[7]橫向加速度，m/s2。加速度范圍[-25m/s2到25m/s2] hb=sum[6]/20.48; fx=sum[5]/17.07; 其中：cs-車速；hx-橫向加速度；hb-橫擺角速度；fx-方向轉角。 將數(shù)據(jù)換算成最終比較值，程序代碼如下： hbc=hb-cs/(1+cs*cs*0.003)*fx; zxcp0=cs*10/0hx-zxcp1*10; zxcp1=cs*10/hx; 其中hbc是橫擺角速度差值，zxcp0是質心側偏角速度，zxcp1是質心側偏角。 下表是根據(jù)液壓制動管路圖3.8和控制策略表2.1得出下表。 表4.1 車輪制動時各電磁閥導通和截止狀態(tài) 制動輪 右吸入 左吸入 右隔離 左隔離 左前增 右前增 左后增 右后增 代碼 左后輪 導通 導通 截止 導通 截止 截止 導通 截止 ed 右前輪 導通 導通 截止 導通 截止 導通 截止 截止 eb 左前輪 導通 導通 導通 截止 導通 截止 截止 截止 d7 右后輪 導通 導通 導通 截止 截止 截止 截止 導通 de 右前后 左后 導通 導通 截止 截止 截止 導通 導通 導通 f8 右前后 導通 導通 截止 截止 截止 導通 截止 導通 fa 左前后 導通 導通 截止 截止 導通 截止 導通 截止 f5 右前 左前后 導通 導通 截止 截止 導通 導通 導通 截止 f1 右前后 左前 導通 導通 截止 截止 導通 導通 截止 導通 f2 右后 左前后 導通 導通 截止 截止 導通 截止 導通 導通 f4 四輪制動 導通 導通 截止 截止 導通 導通 導通 導通 f0 具體控制程序如下： if(fx<0) { if(hbc>30&&zxcp1>12) //轉向過多 { PWME=0xf2; //(1111 0010) 參照制動表查看 } else if(hbc>30&&zxcp1<-12) { PWME=0xfa; //(1111 1010) } else if(hbc<30&&hbc>-30&&zxcp1>12) { PWME=0xf7; //(1111 0111) } else if(hbc<30&&hbc>-30&&zxcp1<-12) { PWME=0xee; //(1110 1110) } else if(hbc<-30&&zxcp1>12) //轉向不足 { PWME=0xf5; } //(1111 0101) else if(hbc<-30&&zxcp1<-12) { PWME=0xfb; //(1111 1011) } } else if(fx>0) //向zuo轉彎 { if(hbc>30&&zxcp1>=12) //轉向過多 { PWME=0xf2; //(1111 0010) } else if(hbc>30&&zxcp1<-12) { PWME=0xfa; //(1111 1010) } else if(hbc<30&&hbc>-30&&zxcp1>12) { PWME=0xe7; //(1110 0111) } else if(hbc<30&&hbc>-30&&zxcp1<-12) { PWME=0xeb; //(1110 1011) } else if(hbc<=-30&&zxcp1>=12)