四轮驱动汽车牵引力控制算法

四轮驱动汽车牵引力控制算法 四轮驱动汽车牵引力控制算法 第42卷第2期 2006年2月 机械工程v.1.42No.2 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGn,iEERINGFeb.2006 四轮驱动汽车牵引力控制算法水 李静李幼德赵健宋大风 (吉林大学汽车工程学院长春130025) 摘要:提出了实用的四轮驱动汽车牵引力控制算法.在确定控制系统结构的基础上,了车速估算算法,油门 位置PI控制器和制动门限控制算法为实现牵引力控制算法的快速开发,建立由传感器,执行器,工控机,采集 卡和输入输出电路组成的车载快速开发平台.硬件在环试验和道路试验表明:传感器能准确输入信号,控制 算法能根据输入信号生成控制指令,执行器能快速,准确产生动作以消除驱动轮过度滑转 关键词:车辆工程四轮驱动牵引力控制系统硬件在环道路试验 中图分类号:U463.54 0前言 牵引力控制系统通过控制驱动轮滑转率改善 汽车的驱动性能[卜,四轮驱动汽车因此装备牵引 力控制系统【3'】.牵引力控制系统开发的关键在于 控制算法和系统硬件的匹配.为完成汽车电控系统 的快速开发,硬件在环快速开发试验技术得到了应 用【8_9】.. 在完成四轮驱动汽车牵引力控制算法设计的 基础上,建立了由牵引力控制系统软,硬件组成的 车载硬件在环开发平台,利用该平台完成了牵引力 控制算法的快速开发. 1四轮驱动汽车牵引力控制算法 1.1控制系统结构 如图1所示,控制系统包括检测轮速,纵向加 速度,油门位置和制动信号的传感器,电控油门执 行器,制动电磁阀和牵引力控制算法原型等.采用 MATLAB编写控制算法原型.控制算法根据传感器 信号生成控制指令,驱动执行器完成动作.采用油 门控制和驱动轮制动控制两种方式实现牵引力 控制. 1.2车速估算算法 四驱汽车不存在非驱动轮,应根据轮速和纵向 加速度确定参考车速以替代实际车速.图2为参考 车速算法框图, ?中国人民解放军总装"十五"预研基金资助项目(2OOlCl?olo2). 20050204收到初稿.20050808收到修改稿 I前左轮速传感器卜 l前右轮速传感器卜.-查-.q电控油门执行器 l后左轮速传感器卜引—前左制动电磁阀 控 - ,q前右制动电磁阀l后右轮速传感器b- 算l纵向加速度传感器卜法 -.q后左制动电磁阀 l油门位置传感器t-,-原型 — 后右制动电磁阀 l制动开关卜 图1控制系统结构 图2参考车速算法框图 ?——第i通道的角速度,l,2,3,4分别代表前左,前右, 后左和后右车轮 屯1——第k和扣1次控制循环 Am——第i通道的角速度增量 m——汽车的纵向加速度 ?f——控制循环时间间隔 —— 第i通道的参考车速 R——车轮半径 vr——参考车速 142机械工程第42卷第2期 1.3油门位置控制器 油门位置控制器根据轮速和参考车速采用PI 控制方法确定油门位置增量控制指令. 输入误差 P=(1oe)_[l+?2+?3+?4】/4(1) 式中0.——油门控制器的目标滑转率 输入误差增量 Ae=e(k)-e(k-1)(2) 油门位置增量 ?乜P+?P(3) 式中,——控制器的比例和积分因子 1.4制动门限控制算法 制动门限控制算法根据驱动轮相对滑转率 和角速度增量Ao9确定制动控制指令.下表给出制 动门限控制算法.当车速高于30km/h后,制动控 制将不再发挥作用. 表制动门限控制算法(vr<30km/h) 注:$1U为相对滑转翠,按式(4)确定:‰为制动控制目标滑转率 第f通道驱动轮的相对滑转率 = (q—q.)/q(4) 式中CO.——与第i通道同驱动桥的车轮角速度 制动控制指令分为大步长增压,小步长减压和 态 大步长减压,通过增压,保压和减压三个基本状实现.例如:阶梯增压通过"增压一保压"获得较 大增压梯度,而小步长减压可通过"减压一保压一 保压一保压"获得较小减压梯度. 2车载快速开发平台 为加快控制算法与硬件的匹配研究,建立图3 所示的车载快速开发平台,可实现硬件在环试验和 道路试验的数据实时显示,存储和调试.该车载试 验平台包括内容如下. (1)牵引力控制系统的传感器和执行器. (2)用于开发的制动压力传感器和五轮车速传 感器. (3)输入输出电路.进行输入信号处理和执行 器驱动. (4)数据采集卡.存储有传感器信号处理,执 行器驱动及轮速脉冲发出等程序.其中轮速脉冲发 出程序用于硬件在环试验模拟发出轮速脉冲信号. (5)工控机主机,存储有采用MATLAB编写的 牵引力控制算法原型和驱动仿真模型软件. 图3牵引力控制系统车载快速开发平台 la.lb.lc.ld.前左,前右,后左,后右轮速传感器 2a,2b,2c,2d,前左,前右,后左,后右制动轮缸压力传感器 3.油门位置传感器4.制动电磁阀5.电控油门 6.纵向加速度传感器7.制动开关8.车速传感器 牵引力控制系统试验 为检验控制效果,调试控制系统硬件以及进行 控制算法与硬件的匹配研究,完成了四驱牵引力控 制系统硬件在环试验和道路试验. 3.1硬件在环试验 图4和图5为冰面上有,无牵引力控制驱动的 硬件在环试验结果,试验条件为:变速器三挡,初 始车速3m/s,路面峰值附着系数为0.1.图6和图 7为分离路面上有,无牵引力控制驱动硬件在环试 验结果,试验条件为:变速器三挡,初始车速3m/s, 路面峰值附着系数分别为0.1和0.7. 1oo 蓬68 0 0 40 20 0 12 '10 县8 鑫6 4 0 2468l0 时间f/s 1 0 备 2468l0 时间t/s 1 至 0 菩 246810 时间t/s . 时间t/s时间t/s时闻t/s 图4冰面无牵引力控制硬件在环试验 1.加速踏板位置2.油门位置3.驱动轮速均值4.目标车速 5.车速6.7.前左,前右驱动轮速8.9.前左,前右轮制动压力 l0.11.后左,后右驱动轮速l2.l3.后左,后右轮制动压力 2006年2月李静等:四轮驱动汽车牵引力控制算法143 l00 萼?80 骂4.0 . 0 l2 i?o 导: . 4 1 重 套. 蚓 12 i?. 喜: 鬻4. 时间r/s 时间tls时间tIS I 0 一 1 0 f 量s 6 . 4 246810 时间tls 246810 时间t/s 图5冰面有牵引力控制硬件在环试验(数字含义同图4) 皇 1 皇 0 吲 一 1 0 图8为冰面上变速器二挡,分动器高挡有牵引 力控制原地起步驱动道路试验结果;图9为分离路 面上变速器一挡,分动器高挡原地起步驱动道路试 验结果.由此可见:驱动轮速均值超过目标车速而 发生过度滑转,油门执行器迅速减小油门位置,消 除了过度滑转:同时,各驱动轮的载荷,气压,胎 面花纹及路面附着不可能完全相同,因此冰面上有 某一驱动轮滑转程度超过其他驱动轮,所以后右轮 制动压力增加,从而消除了过度滑转.此外,参考 车速与实际车速误差很小,能满足控制需要. 8O 60 , 40 20 0l23 时间t/s 2 重? 0 奋一?一 8l23 时间t/s 4 霎 2 备? 0l23 时1日t/s :骧案鼷图6分离路无牵引力控制硬件在环试验(数字含义同图4) 80 6o 卿4o 20 0 — 12 .10 曼8 6 簧 0 图8冰面上有牵引力控制驱动道路试验 14.参考车速(其他数字含义同图4) 123 时间t/s 时间tls时l司tls时间tls 图7分离路面有牵引力控制硬件在环试验(数字含义同图4)图 9分离路面有牵引力控制道路试验(数字意义同图8) 上述硬件在环试验结果表明:传感器能准确 检测信号,数据采集卡内的轮速脉冲发出程序能 准确发出脉冲,牵引力控制算法能计算出正确的 控制指令,电控油门执行器和制动电磁阀能快速, 准确地产生动作从而消除了驱动轮的过度滑转. 但上述试验结果仅反映了传感器,控制算法和执 行器特性对控制效果的影响,未反映试验车辆, 轮速传感器和加速度传感器等性能的影响.为此, 进行了道路试验. 3.2道路试验 2004年1月,在平坦柏油路上浇成长60rrl, 宽4rrl的冰面,得到冰路面和分离路面. 图lO为冰面上变速器一挡,分动器高挡有牵 引力控制原地起步驱动的轮速,车速,参考车速以 及纵向加速度的试验曲线.由图1O可见,提出的根 据轮速和纵向加速度估算车速的算法能获得准确的 参考车速. 4结论 (1)在提出四驱汽车车速估算算法的基础上, 设计了性价比高,实用的牵引力控制算法.试验表 明:车速估算算法可靠,牵引力控制算法有效. 一 32?00642 日皇一l_.山一,^嘲 144机械工程第42卷第2期 s 晏4 簧8 {3 誊8 苎 2 簧8 .5101520253O 时间 时间如 图1O分离路面车速估算 15.纵向加速度(其他数字含义同图8) (2)牵引力控制系统的控制效果取决于控制系 统软,硬件性能匹配,尤其决定于执行器能否快速, 准确动作.通过硬件在环和道路试验,完成了控制 系统软,硬件匹配.试验表明:执行器能快速,准 确消除驱动轮过度滑转. 参考文献 【l】BADIHJ,NABILH,SASAC,eta1.Tractioncontrol applicationsinenginecontrol[G].SAEPaper2000—01— 3464. 【2】李静,李幼德,赵健,等.车辆牵引力控制系统控制算 法仿真研究[J].农业机械,2003,34(6):30.33. 【3】KAZUSHIH,AKIRAN,SHINSUKEY'Cta1.Develop- mentofactive—tractioncontrolsystem[G].SAEPaper 2000.01.1636. 【4】BRADAM,MARKAM,PHILIPMH.Improvedarmy vehiclebrakes/safetythroughpartnering[G].SAEPaper 1999-01-0607. 【5】李静.4x4越野汽车牵引力控制策略与控制算法研究: [D】.长春:吉林大学,2003. 【6】HALLTJ,PERKINSRS.TractioncontrolsystemforUSe withfourwheeldrivevehicleshavingon—demandtransfer cases)UnitedStatesPatent5927426[P].1999.07—27. 【7】TAKESHIK,KOSAKAH.Drivingforcecontrollingap— paratusandmethodforfour—wheeldivevehicle.United StatesPatent6580994[P].2003-06-23. 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TRACTIoNCoNTRoLALGo砒THM FoRFoURWHEELD砒VEVEHICLE LlJingLIYoudeZHAOJianSONGDafeng (CollegeofAutomotiveEngineering,JilinUniversity, Changchun130025) Abstract:AtractioncontrolalgorithmforfourwheeldriveiS presented.Basedontheconfigurationofhardwarefortraction controlsystem,allalgorithmforcalculatingreferencevehicle speed,acontrollerforenginethrottlewithPImethod,andan algorithmforbrakewithlogicthresholdmethodaredevised.At thesametime,adevelopmenttestbenchforprototypingis establishedtodeveloptractioncontrolsystem.Itconsistsof sensors,actuators,compmer,I/Ointerfacecards,conventional componentsofvehicle,etc.Tovalidatetheabove-mentioned algorithm,hardware-in-the—looptestsandroadtestsonicyroad andsplitedroadaremade.Theresultsindicatethattraction controlsystemisabletoreceivesignalsexactly,createcontrol commandanddriveactuatorstoeliminateexcessslipofdriving whee1. Keywords:VehicleengineeringFourwheeldrive TractioncontrolsystemHardware—in-the—loop Roadtest 作者简介:李静,男,1974年出生,博士,副教授.主要从事汽车牵引 力与制动力控制,悬架控制,轮胎控制及电控系统开发技术等研究,承 担国家,部,省级科研项目10项,发表论文16篇 E-mail:liyel129@163.tom