dfs-service-20701094王兴磊

密级 硕士学位论文 四轮驱动汽车转矩分配控制系统研究 王兴磊 导师姓名(职称)高岩(副研究员)答辩委员会主席 任雪梅(教授) 申请学科门类 工学 论文答辩日期 2009年6月16日 申请学位专业 模式识别与智能系统 2009年 6月16日 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。 签 名： 日期： 导师签名： 日期： 摘 要 车辆行驶在复杂路况条件下，当驱动轮开始滑转时，地面的附着力就不能够被充分利用，从而影响车辆的行驶性能，这时若能够将驱动力分配到非驱动轮，实现汽车四轮驱动转矩自动分配，可以最大限度利用地面的附着力，提高车辆的动力性能、稳定性能、驾驶性能。转矩分配控制系统可以将发动机传递过来的转矩自动分配到车辆的前后轮，分配到前轮的转矩大小由转矩分配装置驱动电流来控制。 本课题研究内容就是根据原型车设计转矩分配控制系统并进行相应的控制策略研究，以便根据车辆不同的行驶状况来实现前后轮转矩的按需分配。转矩分配系统的电控单元（ECU）利用车辆上的轮速传感器实时采集轮速信号通过分析计算来主动调节转矩分配。在转矩分配控制策略方面采用了基于前后轮速差的模糊控制策略，使用MATLAB模糊控制工具箱设计模糊控制器，并在CarMaker/Simulink车辆环境下对控制策略进行了仿真验证和结果分析，按照模糊控制原理把模糊控制器进行了C代码实现，以能使控制策略运行在ECU中，得到了和模糊控制器完全相同的输出数据。为了方便在实车调试时能够实时监控ECU的运行状态和车辆行驶状况，使用LabView设计了上位机的实时监控界面，方便了实车调试。最后进行了相应的台架试验和现场初步实车试验。试验结果表明，所提出的控制策略及所设计的转矩分配控制系统符合项目要求，能够实现样车四轮驱动转矩自动分配，完成了主要设计任务。 关键字：四轮驱动，转矩分配，模糊控制，虚拟车辆仿真环境 Abstract Vehicles in complex traffic conditions，when the wheel started to slip ,the adhesion of the ground will not be able to take full advantage of ,thus affecting the performance of the vehicle. At this condition if the driving force can be assigned to non-driving wheel, the adhesion of the ground can be used of to maximize, the dynamic performance, stability and driving performance of the vehicle can be enhanced. Torque management system can assign torque transferred from engine to the front wheel and the rear wheel of the vehicle, the amount of torque distributed to the front wheel is controlled by the size of driving current. The content of this thesis is design torque management system. Then distribute the torque of the front wheel and rear wheel in real time according to the situation of the vehicle. ECU collect wheel signals in real time by using of the vehicle wheel speed sensors, after analysis and calculation the ECU take initiative to regulate the distribution of torque. In control strategy of torque distribution we use adaptive fuzzy control strategy based on identify of traffic. we designed fuzzy controller using of MATLAB fuzzy control toolbox. Then we simulate the fuzzy control strategy in the Carmaker/Simulink vehicle environment. finally in accordance with the principle of fuzzy control we translate the fuzzy controller to C code to enable the control strategy of running on the ECU, and get exactly the same output data with the fuzzy controller. In order to monitor the ECU status and the traffic conditions and facilitate debugging in the real vehicle, we designed real-time monitoring interface using Labview. At last I did initial real vehicle test, the results show that the proposed control strategy and the design of the torque distribution system suit the requirements. The system can achieve automatic torque distribution, the main design task was completed. Keywords: four wheels drive; torque management; fuzzy control; virtual vehicle environment 目 录 TOC \o "1-3" \h \z \u 第一章 绪论 1 1.1 汽车电控系统的发展 1 1.2 汽车四轮驱动系统 4 1.3 本文研究的主要内容 7 第二章 四轮驱动汽车行驶动力学建模 8 2.1 虚拟车辆仿真环境CarMaker 8 2.2 车辆动力学模型 10 2.2.1发动机模型 10 2.2.2转矩分配装置模型 10 2.2.3 动力传动系统模型 12 2.2.4 轮胎模型 13 2.3 整车模型 13 2.4 本章小结 15 第三章 四轮驱动汽车转矩分配模糊控制策略 16 3.1 模糊转矩分配策略 16 3.1.1 模糊控制理论基础 16 3.1.2 模糊控制器设计 18 3.2 模糊控制算法C代码实现 21 第四章 汽车四轮驱动控制系统研发 22 4.1 总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 22 4.2 ECU硬件设计 23 4.2.1 处理器及晶振电路 23 4.2.2 ECU硬件复位电路 29 4.2.3 电源模块 29 4.2.4 轮速传感器调理电路 30 4.2.5 驱动电路 30 4.2.6 CAN通讯电路 31 4.2.7 调试接口电路 32 4.2.8 按键电路 32 4.2.9 硬件设计注意事项 33 4.3 ECU软件设计 34 4.3.1 软件开发环境介绍 34 4.3.2软件流程 36 4.4 LabView监视系统设计 39 4.5 车载CAN 总线通信系统设计 41 4.5.1 CAN总线通讯协议和J1939协议 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 41 4.5.2 SAE J1939通信协议的基本内容 42 4.5.3 通讯协议设计 46 4.6 本章小结 48 第五章 四轮驱动控制系统仿真及分析 49 5.1 CarMaker中仿真参数设置 49 5.2 仿真及结果分析 52 5.2.1低附着系数路面 53 5.2.2高附着路面起步加速能力对比分析 55 5.2.3爬坡加速性能分析 57 5.2.4对开路面加速能力分析 59 5.2.5 转向路面仿真 61 5.3 本章小结 63 总结与展望 64 参考文献 65 附 录 模糊控制器C代码 68 致 谢 72 第一章 绪论 1.1 汽车电控系统的发展 现代汽车电子控制技术是汽车技术与电子技术相结合的产物。随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车电子化的程度越来越高，可以说今天的汽车已进入了微机控制时代，且日益成熟可靠。汽车电控系统的发展大致经历如下四个阶段： 第一阶段：从20世纪50年代初到70年代初，汽车零部件中，最初采用的电子装置是交流发电机的整流器。1960年，美国克莱斯勒公司和日本的日产汽车公司开始采用硅二极管整流的交流发电机。 第二阶段：从20世纪70年代中期到80年代中期，主要是发展专用的独立系统。随着20世纪70年代后期电子技术中集成功能块和微机技术的出现，1967年德国的博世（BOSCH）公司研制出D型电控燃油喷射系统，随后又开发了L型电控燃油喷射系统，并迅速推广到全世界。1970年美国福特汽车公司则开始将电子控制防抱死装置应用于汽车上，随后该公司还将电子控制技术应用于变速器。而1976年美国克莱斯勒公司开始采用微机控制的电子点火系统，在系统中使用计算机来根据输入的空气温度、进气温度、冷却液温度、发动机转速和负荷计算出最佳点火时刻。 第三阶段：20世纪80年代中期到90年代中期，主要是开发可完成各种功能的综合系统及各种车辆整体系统的微机控制。汽车上的电子装置不仅要求能自动承担基本的控制工作，还要求能处理外部和内部的各种信息。自1977年美国福特汽车开发出能同时控制点火时刻、排气再循环和二次空气喷射的发动机电子控制系统以来，许多汽车综合电子控制相继产生了。 第四阶段：从20世纪90年代中期开始预计到2010以后，主要是研究发展车辆的智能控制技术，开发人工智能系统来实现对车辆的控制。主要包括安全气囊系统、主动悬架系统、电子控制转向系统、全球定位系统、信息显示与通信和汽车故障诊断等系统[1-4]。 从世界范围看，汽车工业向电子化发展的趋势，在20世纪90年代初已十分明显，由于汽车工业是国民经济发展的支柱产业，因而是国际经济竞争的重要领域，而电子技术在汽车上的应用促进了汽车各项性能的发展，世界各大汽车公司纷纷投入巨资开发自己的汽车电子产品以赢得更大的市场空间，因此，汽车电子化将是夺取汽车市场的重要手段。据统计，1991年一辆车上电子装置的平均费用是825美元，1995年上升到1125美元，2000年达到2000美元，占汽车成本的30%以上，且还以5%的速度逐年递增，甚至增长速度还会加快，尽管电子产品的成本还以每年10%~30%的比例下降。2000年以后，全世界汽车电子产品的市场规模将突破600亿美元，美、日、欧等发达国家汽车电子产品的价格占整车价格的10%以上，高级轿车甚至达到30%以上[5-7]。 汽车安全性、车内舒适性、使用方便性及汽车通信导航系统都受电子控制系统的影响。汽车的某个控制参数是多个控制系统所需要的信号，如果每个需要轮速信息的控制系统都用导线传送消息，就需要成捆导线。这一方面使线路难于分辨，另一方面成捆导线易产生线间干扰。因此20世纪80年代以来研究控制系统间的协调应用时，就研究用较低成本且满足有限信息的快速、可靠传送的计算机网络——总线型计算机网络。总线型网络的特点是多台计算机共用一条传输线，同一时刻允许两处网络节点相互通信。现场总线就是，在制造过程现场和安装在生产控制室先进自动化控制装置中，主要自动化装置间的一种串行通信链路。这与微机内部的数据总线、地址总线和控制总线不同。 现场总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。现场总线成本低，实时响应和可靠性好，对环境的适应性强，有一定的通信速率，能用较简单的结构和协议与其他系统互连。 在汽车计算机控制系统向网络化发展的进程中，出现了多种汽车控制网络体系，如LAN、SAEJ1850、VAN和CAN等，随着汽车网络技术的进步，汽车网络标准逐步趋向统一。 控制器局域网(Controller Area Network)是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而被国际标准化组织纳入ISO11898标准中，CAN已经成为采用最为普遍的网络标准。这种网络也属于现场总线的范畴，与现场总线（Field Bus）相似，有时也称CAN Bus(CAN 总线)[8-13]。 现在，电子技术已成为现代汽车 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 的基础技术之一。2010年以前，将主要围绕汽车各重要部件，解决其自动控制问题，包括研究控制系统的输入、输出、控制策略与实现方法。从控制理论与实践上解决被控制对象的非线性时变系统，且具有随机输入时的问题以及在低成本的前提下，研究高实时性、高可靠性和高精度的控制系统。2010年以后，汽车电子控制技术将运用计算机网络和信息技术，使汽车与社会联结方面获得较大的进步，包括广泛使用的全球卫星定位系统，以及采用多路总线分布式网络来集成所有汽车部件的电子控制单元，使整个系统具有数据融合、故障诊断合一的自修复功能[14-17]。 汽车行业中法规对车辆的安全性、动力性、舒适性、排放等提出了日益严格的要求，汽车的这些性能很大程度上受车内ECU性能和质量的影响，因此，汽车中ECU的数量持续上升，功能不断增强。由于ECU复杂性和功能性的不断增加，为确保最终产品质量，需要通过自动化测试手段来减少从定义、分析、设计到实现不同产品周期的人为失误。此外，还面临着如何在最短的开发周期内以最经济的成本将产品推向市场的挑战。 控制器的开发厂商普遍采用基于虚拟车辆环境的控制器开发V型开发模式。虚拟车辆环境VVE（Virtual Vehicle Enviroment）由各种计算模型构成，用来仿真在实际道路上运行的车辆动力学。模型包括虚拟车辆，虚拟道路，虚拟驾驶员和虚拟天气（如：风，冰，雨）如图1.1所示。为用户定制的VVE模型可以通过改变输入参数来满足客户对各种陆地车辆、道路和驾驶员的仿真。另外，用户可以通过修改和添加VVE功能将各种虚拟的车辆部件原型、软件控制器等包含在整车环境中。 图1.1 虚拟车辆环境 V型开发模式可以很大程度地减少反复过程、缩短开发周期，以节省成本，符合国际汽车行业标准（ASAM/ASAP）。V型开发模式涵盖了控制器开发的三个阶段，模型在环MIL（Model in the Loop）、软件在环SIL（Software in the Loop）、和硬件在环HIL（Hardware in the Loop），如图1.2所示。 图1.2 V型开发模式示意图 1）模型在环 利用图形化编程软件，如Matlab/Simulink根据系统所要求功能进行软件建模，然后在虚拟车辆环境下对建立的软件模型进行功效验证。 2）软件在环 控制器软件替代了MIL下的软件模型，编写的程序代码将会在虚拟车辆环境中进行仿真，以观察其是否正常运行。 3）硬件在环 硬件在环测试的目的在于检验编写的程序能否在硬件控制器或操作系统中正常工作，即硬件在环模式（HIL）。在该阶段，真实的ECU会被连接到虚拟车辆环境的HIL平台，模仿实际车辆，向ECU实时输出信号。 开发完成的控制器安放到实际的车辆上进行系统测试，检查装备到同一车辆的各ECU之间的兼容性能。根据研究对象的不同，系统测试不仅仅包括各ECU，还可能包括一些机械构件，如阻尼器，转向系统，发动机等。 1.2 汽车四轮驱动系统 随着现代汽车技术的发展，人们对汽车各种性能的要求越来越高。汽车的电控四轮驱动（4 Wheels Driving System, 4WD）技术能够根据前后轴的转速等信息，控制并分配前后轴的驱动力，使汽车具有防滑能力、良好的加速和行驶稳定性。四轮驱动已由70年代以前主要用于越野车发展到目前以轿车为中心迅速普及开来。随着对4WD这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结构形式、不同控制方案的实用4WD系统。粗略地将四轮驱动分类，有短时四轮驱动和常时四轮驱动之分。常时四轮驱动可分为两种，其一是固定转矩分配方式，其二是变动转矩分配方式。其中，变动转矩分配方式的四轮驱动又可分为另外两大类，一种是利用前后轮转速差分配驱动转矩，这种方式叫做被动分配方式，一种是利用电脑控制液压油压力分配驱动转矩，这种方式叫做主动分配方式[18-21]。 目前流行的四轮驱动传动系统有分时系统、全时系统、智能系统以及同步器等。交互式转矩分配系统就是智能系统中的一种，其内部结构如图1.3所示，主要由三级摩擦片离合器、电磁线圈、衔铁、转矩增加器（凸板、钢球）、输入输出轴及壳体组成。电磁线圈未通电流时，凸板上有一定原始压力，从而使输出轴能够输出一定预紧转矩。当输出给电磁线圈电流时，产生的磁场将衔铁吸引左移，从而压紧第一级摩擦片带动凸板旋转，由于速度差两个凸板产生角位移，加力凸板被钢球顶出，使第二级湿式摩擦片离合器压紧将扭矩输出。通过增强电流，使得第一级可调节电磁离合器吸合程度增加，使转矩增加器进一步压紧第二级湿式摩擦片离合器从而将更多转矩输出。同时由于凸板受到反作用力，使第三级摩擦片压紧，从而将扭矩反馈给输入轴，实现将传动轴的扭矩更快、更有效的传递[22]。 交互式转矩分配系统是基于发动机前置横置前轮驱动转换为四轮驱动的交互式转矩分配解决方案。它可以安装在车辆后传动轴的前端、中间或者后端三个位置，如图1.4所示，由电控单元控制。电控单元根据车辆行驶状况判定为前轮打滑时，给交互式转矩分配系统的第一级可调节电磁离合器提供适当电流，使转矩增加器工作，使第二级湿式摩擦片离合器工作从而将前桥的转矩分配到后桥[23-25]。当前轮打滑得厉害时，即前后轮转速差变大时通过增强电流，使得第一级可调节电磁离合器吸合程度增加使转矩增加器进一步压紧第二级湿式摩擦片离合器从而将更多转矩分配给后桥。 根据车辆的情况实时地调节电流的强弱来实现前后桥转矩的按需分配这样就实现了智能转矩分配。与传统的被动技术相比智能转矩分配系统能够通过安装在车辆上的传感器采集发动机转速信号、轮速信号等信号通过分析计算来主动调节。合理分配转矩，从而改善车辆行驶状况。比传统的粘滞耦合器的响应时间大大缩短，如图1.5所示，粘滞耦合器需要在前后轮转速差足够大时才能开始传递转矩，而智能转矩分配系统在对轮速信号进行分析后判定前轮已经开始打滑了， 即可将转矩分配给后桥。粘滞耦合器对温度相当敏感，而智能转矩分配系统在低温下启动也不会延时。有了智能转矩分配系统车辆的动力性能、稳定性能、驾驶性能等得到全面提升。 图1.3 转矩分配系统工作原理图 图1.5 前后轴转矩分配曲线 图1.4 转矩分配系统安装位置结 1)、牵引性能得到提升。最大承受转矩提升至2000Nm，并可将全部转矩传输到前轮，在不同车速下实时调节前后轮转矩； 2)、动力性能得到提升。在加速、减速性能得到优化，智能转矩分配系统能够实现快速响应，转矩传递完全受控； 3)、安全性能得到提升。可完全与制动控制系统（ABS）、稳定控制系统（ESP）匹配，系统可在不到60ms做出响应； 4)、兼容性能得到提升。完全与ABS、ESP和TCS系统兼容，不用额外的离合器和飞轮，通过CAN总线系统实时通讯； 5)、操纵性能得到提升。在紧张的停车入位和转急弯时更易于操作，在加速时提供最佳的牵引力； 6)、车重以及燃油经济性得到优化。实时控制转矩的前后桥分配比固定分配扭矩的全轮驱动系统重量更轻、油耗更少。 四轮驱动系统可以获得良好的起步加速性能、转向性能和通过性能，具有广泛的发展前景。目前，发展面临的问题主要集中在以下几个方面： 1）硬件系统的匹配，组成四轮驱动系统的结构有多种类型，怎样的组合和匹配是最佳的将是研究人员需要解决的一个问题。 2）针对4WD系统，进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器，以便于正确地检测汽车的运动信号。同时、可利用车内总线进行数据共享。 3）最优控制策略的确定以及将先进的控制理论与控制方法应用于4WD控制系统的研究中。 4）进一步简化系统，减小系统结构的体积，控制生产成本。由于新一代各种动态稳定系统的研发和应用，未来的4WD系统将和其他电控系统整合在一起，形成集各种功能于一身的综合电控系统。 1.3 本文研究的主要内容 根据长安汽车研究院提供的项目原型车，对参照车的四驱系统进行研究，并在原型车的基础上进行分动器、差速器、AMT换档控制方法和控制策略等关键技术进行研究，充分利用原型车的执行机构和相关传感器系统，开发基于原车型的机械自动变速控制器样机和四轮驱动转矩分配系统。四轮驱动转矩分配系统通过在原型车分动器中加装前后转矩分配的装置，来实现转矩分配。课题内容包括四轮驱动转矩分配系统的总体方案设计，转矩分配系统的电控单元方案设计，并设计电控单元，完成台架试验和部分现场调试。提出了基于轮速差的模糊转矩分配策略，并在虚拟车辆动力学仿真环境下进行仿真分析。 第二章 四轮驱动汽车行驶动力学建模 车辆动力学模型是研究车辆各项性能的基础，是车辆电控系统开发的仿真环境，本章介绍了虚拟车辆仿真环境CarMaker，对车辆中主要系统进行动力学建模，并在CarMaker用户界面中设置了实际车辆动力学参数。 2.1 虚拟车辆仿真环境CarMaker 车辆动力学研究的是车辆在路面上的运动。所关心的运动包括加速、制动、乘适性和转向。施加在车辆上的轮胎作用力、重力和空气动力决定了动力学特性。通过对车辆及其部件的研究，考察在特定条件下车辆在这些力作用下的响应。为了达到这个目的，必须采用精确的方法来对系统建模，如图2.1所示。 图2.1 车辆动力学环境 德国IPG公司推出的CarMaker代表了汽车动力学仿真软件的最高水准。CarMaker由虚拟车辆环境、图形用户界面GUI、动画演示工具IPG-Movie和信号分析工具IPG-Control组成，如图2.2所示。 CarMaker提供的虚拟车辆环境包括车辆三维仿真模型（包含所有子系统，如轮胎，发动机，传动系统等）、驾驶员模型和三维道路模型。这些模型在SIMULINK环境下建立，能够与图形用户界面、动画演示工具和信号分析工具进行数据交互。车辆模型参数通过图形用户界面设置，仿真动画由动画演示工具显示，仿真数据通过信号分析工具显示。信号分析工具能够 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 几乎所有车辆动力学中感兴趣变量。相比于其它汽车动力学仿真软件，CarMaker在软件在环测试和硬件在环测试方面优势尤为明显，其操作不仅简单，而且准确，快速。 图2.2 CarMaker结构图 CarMaker虚拟车辆环境VVE由虚拟车辆，虚拟道路，虚拟驾驶员组合而成，如图2.3所示。虚拟车辆中只要提供了真实车辆的相关参数（如整体尺寸，整车质量，发动机功率等），就可以对虚拟车辆进行赋值，使其能在虚拟环境中具备真实车辆的物理特性。虚拟道路由计算机建模构成，能真实体现实际道路或测试专用道路的路面情况。在虚拟道路中通过组合各个路段，如直道和弯道，可以构建一条完整的道路，也可以通过读取数字化的实际道路数据来构建道路。虚拟驾驶员可以模仿真实驾驶员的各种动作，如转向、加速、制动、换挡和踩踏离合踏板等；能够根据道路情况和定义的驾驶员特性决定行驶速度快慢；能够主动循迹，使车辆行驶轨迹保持在道路以内等；用户还可以根据需要，轻松定义不同的驾驶员特性，如普通驾驶员，赛车手等。 在实际的仿真中，可以根据具体的车辆在CarMaker/Simulink中增加或更改模型，使模型适合特定的车辆。通过CarMaker/Simulink联合仿真的方式，可以完成以下工作： 1）利用CarMaker定义开环和闭环驾驶策略，并在Simulink下进行仿真； 2）在Simulink下对控制算法进行建模； 3）调换或取代车辆子模型； 4）仿真运行时，可通过3D动画窗口观察仿真过程； 5）利用IPG Control窗口监控目标参量，并对仿真结果进行分析； 图2.3 虚拟车辆环境（VVE） 2.2 车辆动力学模型 车辆动力学模型包含发动机模型、离合器模型、变速器模型、轮胎模型、动力传动系统模型和整车模型等，本节建立了CarMaker中所使用的主要系统的动力学模型，并结合实际车辆对模型参数在CarMaker图形用户界面进行了设置。 2.2.1发动机模型 发动机模型可根据发动机外特性与拖滞转矩特性拟合表达： （2.1） 式中： ——指发动机拖滞转矩特性（ ）； ——为发动机节气门全开时的输出转矩（ ）； ——指发动机节气门开度（ =0…1.0）。 发动机模型输入为油门开度和曲轴转速，输出为发动机转矩，如图2.4所示。 2.2.2转矩分配装置模型 中间转矩分配装置模型负责把发动机的扭矩分配给前后车轴，由输入电流来控制。试验测得输入电流与输出转矩的关系如图2.5所示。 图2.4 发动机模型 图2.5 控制电流与输出转矩关系曲线 控制电流与中间转矩分配装置模型输出转矩基本呈线性关系，当控制电流为0A时中间转矩分配装置能够输出30Nm左右的转矩，当电流增大到最大允许值5A时，其输出转矩达到2000Nm，因此当所需输出转矩在2000Nm以下时，可以通过控制电流的大小精确控制输出转矩值。 经实验数据拟合，可以得到中间转矩分配装置的力学模型 （2.2） 式中： ——输出转矩（ ）； ——控制电流（ ）； ——预紧转矩（ ）。 当中间转矩分配装置输出转矩大于地面反馈力矩时，其输出转矩取决于地面反馈力矩，而当输出转矩小于等于地面反馈力矩时，其输出转矩不变。 图2.6 中间转矩分配装置模型 2.2.3 动力传动系统模型 图2.7 动力传动系统模型 动力传动系统模型对发动机功率传递到地面整个机械系统进行建模。通过离合器输入到变速器的扭矩为 （2.3） 为离合器传递的转矩，输入到变速器； 为某一特定转速下发动机的输出转矩； 为发动机的转动惯量； 为发动机的角加速度。 变速器的输入扭矩乘以变速器的变比，再减去各轴和各齿轮的转动惯量带来的扭矩损失，就是变速器的输出扭矩 （2.4） 其中， 输出到传动轴的扭矩； 变速器的变比； 为变速器转动惯量。 传动轴的输入转矩乘以主减速器的速比，在减去变速器和主减速器之间的转动惯量带来的损失，就是车轮的驱动力矩，该力矩等于加速转动的车轮所需的力矩与提供路面驱动力的力矩之和。 （2.5） 其中， 为轮轴上的扭矩； 来自地面上的驱动力； 车轮的半径； 车轮和轮轴的转动惯量； 车轮的角加速度； 为传动轴的转动惯量； 为传动轴的角加速度； 主减速器的速比。 2.2.4 轮胎模型 “魔术公式”轮胎模型由Pacejka教授提出，它以三角函数组合的形式来拟合轮胎试验数据，其形式如下： （2.6） 其中 表示纵向力，s为滑动率： （2.7） 式中r为轮胎的有效滚动半径， 为车轮的角速度， 为车速。 2.3 整车模型 建立绝对坐标系XOY、随质心移动的整车坐标系xoy和随轮胎中心移动的轮胎坐标系xwoyw。四轮驱动汽车整车力学模型如图2.8所示，输入为 、 、 、 、 、 、 、 、 ，输出为 、 、 、 、和 。 汽车沿纵向轴线方向力的平衡方程： （2.8） 汽车沿垂直纵向轴线方向力的平衡方程： 图2.8 四轮驱动汽车整车力学模型 （2.9） 汽车绕质心垂直轴z轴的力矩平衡方程： （2.10） 式中： ——汽车总质量（ ）； ——汽车绕在z轴转动惯量（ ）； / / / ——左前/右前/左后/右后轮胎所受地面纵向力（ ）； / / / ——左前/右前/左后/右后轮胎所受地面横向力（ ）； ——转向角（ ）； ——前后轴距质心距离（ ）； ——汽车质心纵向/横向加速度（ ）； ——汽车质心纵向/横向速度（ ）。 2.4 本章小结 本章介绍了虚拟车辆仿真软件CarMaker，建立了车辆主要系统动力学模型，并在CarMaker中完成了数字化建模，为转矩分配控制策略提供仿真环境。 第三章 四轮驱动汽车转矩分配模糊控制策略 转矩分配采用基于轮速差的模糊转矩分配策略。在车辆加速过程中根据转速差来动态分配转矩。原理框图如图3.1。 图3.1 转矩分配策略原理框图 3.1 模糊转矩分配策略 3.1.1 模糊控制理论基础 在1965年，由Lotfi Zadeh提出了模糊集合模糊控制理论。在上个世纪70年代后，模糊理论得到了迅速的发展，模糊控制是以模糊理论为基础，以模糊语言变量和模糊逻辑推理为工具，提取和应用人类关于如何有效的对系统实施控制的知识，将其表达出来并加以利用。模糊控制以模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础，把专家用自然语言表述的知识和控制经验，通过模糊理论转换成数学函数，再用计算机进行处理，适合用在一些大型复杂的，尤其是非线性、时变性、不确定性、不完全性难以建立清晰数学模型的控制系统中。最基本的模糊控制系统如图3.2所示。模糊控制器由模糊产生器、模糊推理机、模糊规则库和解模糊器组成。 图3.2 模糊控制系统 模糊控制中主要使用两种模糊系统：Mamdani模糊系统和Takagi-Sugeno模糊系统。Mamdani型模糊模型是一种语言模型，它利用If-Then模糊规则进行推理，得到的输出是变量的分布隶属度函数或离散的模糊集合，然后在将多条规则的结果合成以后，对每一个输出变量模糊集合进行解模糊化处理，以得到实际问题期望的输出。Takagi-Sugeno输入量模糊化和模糊逻辑运算过程与Mamdani模糊推理系统类似，但其模型的后件由线性方程或线性动态方程构成，这使得模糊建模非常简单，为利用线性系统理论来分析模糊控制系统提供了一条途径。已经证明，模糊控制技术是解决诸多实际控制问题的一种有效方法，尤其是对那些无法用经典与现代控制理论建立精确数学模型的复杂系统。由于模糊系统对未知函数所具有的学习和估计能力，使其在系统识别和控制领域备受关注，这使得模糊控制在非线性系统控制领域成为一个重要的研究方向[26-30]。 模糊控制算法的计算分为模糊化，计算模糊蕴含关系，模糊合成运算，去模糊化。 （1）模糊化运算 （3.1） 其中 是输入的清晰量， 是模糊集合， 表示模糊化运算符。当输入量的数据 是准确的，通常采用单点模糊集合，设该模糊集合用 表示，则有 （3.2） （2）计算模糊蕴含关系 规则“如果 是 则 是 ”表示了 与 之间的模糊蕴含关系，记为 。常用到的两种模糊蕴含关系的运算方法为 模糊蕴含最小运算（Mamdani） （3.3） 模糊蕴含积运算（Larser） （3.4） （3）合成运算方法 对于 中用到的合成运算，通常采用如下两种方法 最大-最小合成法（Zadeh,1973） （3.5） 最大-代数积合成法（Kaufmann,1975） （3.6） （4）句子连接词“and”和“also” 对于多输入系统，规则中“如果 是 and 是 ”可以看成是直积空间 上的模糊集合，并记为 ，其隶属度函数为 （3.7） 或者 （3.8） 这时的模糊蕴含关系记为 在模糊逻辑控制中，规则之间的连接词用“also”表示，运算方法采用求并运算可以取得最好的控制效果。 （5）清晰化运算 模糊推理过程得到的输出量 仍是模糊量，而实际的控制必须为清晰量。因此要进行清晰化运算 （3.9） 其中 为控制输出的清晰化量， 表示清晰化运算符。清晰化计算的方法有最大隶属度法，中位数法和加权平均法。 3.1.2 模糊控制器设计 模糊控制器使用Matlab中模糊控制工具箱设计，模糊逻辑推理类型选用Mamdani，系统的输入量为前后轮速平均值的差 和左右轮速平均值的差 ，输出为电流值。模糊推理系统编辑器界面如图3.3所示。模糊控制器输入变量和输出变量的隶属度函数设置如图3.4，3.5，3.6所示。 图3.3 模糊推理系统（mamdani）编辑器界面 图3.4 隶属度函数 图3.5 隶属度函数 图3.6 current隶属度函数 模糊规则编辑器如图3.7所示共有4条规则。 1 if( is S) and ( is ZE) then (current is S)对应正常行驶状况下，前后和左右几乎没有滑转，这是输出电流近似为零。 2 if( is B) and ( is ZE) then (current is B)对应驱动轮滑转情况，这是输出大电流把一部分转矩输出到前轮。 3 if( is B) and ( is P) then (current is B)对应对开路面情况下单侧滑转，此时输出大电流。 4 if( is S) and ( is P) then (current is S)对应转向时，此时输出小电流[32-35]。 图3.7 模糊规则编辑器 3.2 模糊控制算法C代码实现 仿真中使用的模糊控制器，只有转化为c代码，才能在控制器中运行。为了提高代码运行的效率，减少代码容量，仿照Matlab模糊控制工具箱中文件“fis.c”，对模糊控制算法进行了c语言的实现。实现中，模糊化采用单点模糊化，模糊蕴含采用最小运算，模糊合成采用最大-最小合成法，句子连接词“and”采用取最小，“also”采用取最大，清晰化计算采用加权平均法。得到了和模糊控制工具箱中使用图形化界面仿真完全相同的结果，证明了算法的正确性。程序源代码见附录。 第四章 汽车四轮驱动控制系统研发 本章介绍了扭矩管理系统方案，并介绍了其中电控单元的硬件设计和软件设计。为了能够实时显示控制器运行状态和车辆行驶状况，使用Labview设计了上位机的监控系统。 4.1 总体方案 通过在原型车中增加中间转矩分配装置来实现转矩分配，共有三种传动类型：后轮驱动（RWD）、动态分配（DRD）和完全四驱（4WD）。转矩动态分配由电控单元完成，如图4.1所示；完全四驱时发动机输出转矩经变速器减速增扭后，平均地分配给前后轮系，使四个车轮均产生驱动力，驱动汽车前进。传动类型通过驾驶室开关由驾驶员选择。如图4.2所示。 图4.1 转矩分配系统原理图 图4.2 三种传动类型 转矩分配电控单元（ECU）是转矩分配系统的控制中心，负责实时采集四个轮速信号，通过一定的分析计算，驱动转矩分配装置实现转矩的分配。ECU与车内其它电子控制单元通过CAN总线实现通信，进行数据共享。 电控单元设计是本课题的主要任务之一，依据转矩分配系统设计需求指标，电控单元的组成框图如图4.3所示。主要包括NEC单片机upd70f3378、电源模块、转矩分配装置的驱动电路、轮速传感器信号调理电路、CAN通信电路和调试接口电路。 图4.3 电控单元框图 4.2 ECU硬件设计 本节介绍了电控单元的硬件电路，以及硬件设计中的注意事项。 4.2.1 处理器及晶振电路 处理器与晶振电路如图4.4所示。 Upd70f3378处理器属于V850ES/Fx3系列，是RISC（Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机）处理器。upd70f3378处理器内部包含256KB CodeFlash，16KB RAM，32KB DataFlash，时钟频率最高可达32KHz。该系列处理器提供性能优良的通用外设功能，有串口、计数器\定时器、测量和控制功能、支持CAN网络通信。处理器提供多种工作状态下的省电模式，能有效的管理能量的消耗。这样V850ES/Fx3系列处理器是汽车应用领域的理想选择。 V850ES/Fx3系列处理器内部集成了丰富的系统和应用外设以及各种标准接口。为低功耗、高性能的嵌入式应用提供了一个利用单芯片快速实现的解决方案。V850ES/Fx3系列处理器的内部功能框图如图4.5所示。 V850ES/Fx3系列处理器内部集成的主要系统和功能外设主要包括： 总线控制单元BCU（Bus Control Unit） 总线控制单元管理着片上外设的I/O口，DataFlash和外部存储器。 4个独立的振荡器确保系统的可操作性，来预防主晶振的损坏，并提供省电模式下的低速时钟。 图4.4 处理器及晶振电路 时钟监视器用来监视主振荡器，在主振荡器损坏的时候把系统切换到不同的时钟。 中断源 -2个不可屏蔽中断 -71个内部可屏蔽中断，15个外部可屏蔽中断 -8个中断优先级等级 -可设置外部中断边沿检测和电平检测 -可用作省电模式下的唤醒源 3通道CAN（Controller Area Network） 定时器/计数器 -Timer/Event Count AA 5个实例分别是TAA0~TAA4，Timer/Event Count AB 3 图4.5 V850ES/Fx3系列处理器内部功能框图 个实例分别是TAB0~TAB2。功能如下： -间隔定时器模式 -外部事件计数器模式 -外部触发脉冲输出模式 -单脉冲输出模式 -PWM输出模式 -自由运行定时器模式 -脉宽测量模式 3通道UART，3通道CSIB（Clocked Serial Interface）都可以和MINICUBE2配合使用，用作调试接口，1通道IIC 4路独立的DMA通道 24路A/D转换通道，10位精度，提供多种操作模式和触发模式 因此，围绕upd70f3378可以非常灵活的设计出所需功能的系统且可以省去外部控制器的连接，提高可靠性和运行速度。在设计时需注意upd70f3378的I/O引脚几乎都是复用的，因此对于未使用的外设默认为输入方式的引脚，设计时应将其固定为确定的电平或配置成输出方式，这样可以大大提高系统的稳定性和可靠性。 时钟是单片机工作的基础，为了实现精确的定时功能、设置通信波特率和设置不同情况下的省电模式，需要理清时钟的产生和分频过程。时钟产生电路如图4.6所示。 图4.6 时钟产生 V850ES/Fx3系列处理器时钟产生器有4个产生源： 主振荡器，是一个内嵌振荡器需要外部晶振，外部晶振频率范围4MHz～16MHz。复位释放后，主振荡器停止，通过软件设置使其工作。STOP模式下主振荡器停止，主振荡器的停止和使能可以通过PCC寄存器实现。 子振荡器，是一个内嵌振荡器，需要32.768KHz外部晶振或者20KHz外部RC共振器。 内部低频振荡器，不需要外部晶振，理论频率为240KHz。 内部高频振荡器，不需要外部晶振，理论频率为8MHz。复位释放后8MHz振荡器被激活，可以通过RCM寄存器停止。 4个产生源经过各种分频或倍频之后产生的时钟有3个用途。一是供给CPU使用，分为CPU Core Clock（Fcpu）和CPU System Clock（Fvbclk），前者提供给CPU内核，后者提供给CPU剩下的部分，像DMAC，BCU，MEMC，INTC。表4.1给出了CPU的时钟源 表4.1 CPU时钟源 Clock source（时钟源） 频率 描述 8MHz internal OSC ~8MHz 复位后默认时钟源 240KHz internal OSC ～240KHz MainOSC停止后的默认时钟源 SubOSC 32KHz或20KHz 可选时钟源 MainOSC 4到16MHz 不经过PLL时的CPU系统时钟 PLL 最高可达48MHz 最高性能 SSCG 最高可达40MHz 二是提供给外部设备的时钟。三是用来提供给特定的外设，像UARTD，定时器，CAN，看门狗。 了解在复位时和复位后系统时钟的工作情况也是至关重要的，如表4.2。 表4.2复位时和复位后系统时钟工作情况 复位期间 复位释放后 MainOSC 停止 SubOSC 工作 240KHz内部OSC 停止 开始工作 8MHz内部OSC 停止 开始工作 PLL 停止 SSCG 停止 CPU时钟 停止 以8MHz内部OSC开始工作 外部设备时钟 停止 以8MHz内部OSC开始工作 可编程时钟输出PCL 停止（保持低点平） 系统时钟输出CLKOUT 停止 输出8MHz，必须由软件使能 省电模式是单片机的一个重要的应用，根据用户的选择使控制器进入不同的省电模式，可以减少能量的消耗。例如，当控制器处于关闭状态时，使芯片进入停止模式，当控制器进入锁止状态时，使芯片进入IDLE2模式。下面简要介绍不同的省电模式，并就用到的两种省电模式进行详细介绍。省电模式的描述如表4.3。 表4.3 省电模式 模式 描述 HALT模式 只有CPU的时钟被停止 IDLE1模式 除了振荡器、PLL\SSCG和flash，所有内部操作都被停止 IDLE2模式 除了振荡器所有内部操作都被停止 STOP模式 除了子振荡器所有内部操作都被停止 Sub-IDLE模式 在子时钟操作模式下，除了振荡器、PLL\SSCG和flash，所有内部操作都被停止 在IDLE2模式下，程序的执行被停止，片内RAM保持进入此模式前的状态，CPU和片内外设停止操作。因为在IDLE2模式下片上外设和flash是停止的，所以比起IDLE1模式更能减少能量的消耗。在STOP模式下主振荡器是停止的，所以比IDLE2模式更能减少能量的消耗。如果不使用子振荡器，内部振荡器和外部时钟，STOP模式下基本上只有漏电流的消耗。省电模式下有4个唤醒源，分别是不可屏蔽中断（NMI或INTWDT2）、没有被屏蔽的外部中断、省电模式下依然工作的外设产生的内部中断信号和复位信号。唤醒后需要一定时间的重置时间，这可以通过设置OSTS寄存器实现。寄存器的具体设置参考NEC公司芯片手册。 4.2.2 ECU硬件复位电路 图4.7 手动复位电路 为确保系统中的电路稳定可靠工作，复位电路是比不可少的一部分。在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。系统中没有采用简单的阻容复位电路，而是选用了低功耗的电压监控复位芯片MAX811-L，查阅其芯片手册，在电源电压达到稳定值之前MAX811-L能插入至少140ms复位信号有效时间，以保证系统在电源系统正常工作之前不提前进入运行状态，防止误操作造成逻辑错误或芯片损坏。同时，对5V电源形成有效监控，当电压下降到4.63V以下将产生一个复位信号（低电平有效）。 4.2.3 电源模块 图4.8 电源模块 在控制器中，危害最严重的干扰来自于电源的污染，因此选择可靠的抗干扰性强的供电电源对提高系统的抗干扰性来说十分重要。本控制器供电的输入来自于车上24V直流电源，控制器上需要+5V和-5V电压，我们选用24V到±5V的DC-DC模块。该模块转换效率可达77%，输出电流为±0.5A，纹波50mV，功率5W，考虑到整个系统的消耗经估算不超过5W，因此满足要求。 4.2.4 轮速传感器调理电路 图4.9 轮速传感器调理电路 电路分三部分，差分运算电路、正反馈电路和反相电路，如图4.9所示。集成运放U9A输出电压UoA为（FLIN-FLIN_），若UoA为正，则U9C输出为负电源电压（-5V），若UoA为负，U9C输出为正电源电压（+5V）。当U9C输出为负时，二极管D12导通，使得反相器输入端钳位在-0.5V左右，反相器输出高电平。当U9C输出为正时，反相器输出为0电平。这样，当FLIN>FLIN_时，电路输出高电平，当FLIN