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上传者: wangxingtuo 2013-12-08 评分 3 0 30 4 135 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《dfs-service-20701094王兴磊doc》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含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年月日符等。

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年月日申请学位专业模式识别与智能系统年月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。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: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学校可允许学位论文被查阅或借阅学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文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CarMakerSimulink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AbstractVehiclesincomplextrafficconditionswhenthewheelstartedtoslip,theadhesionofthegroundwillnotbeabletotakefulladvantageof,thusaffectingtheperformanceofthevehicleAtthisconditionifthedrivingforcecanbeassignedtonondrivingwheel,theadhesionofthegroundcanbeusedoftomaximize,thedynamicperformance,stabilityanddrivingperformanceofthevehiclecanbeenhancedTorquemanagementsystemcanassigntorquetransferredfromenginetothefrontwheelandtherearwheelofthevehicle,theamountoftorquedistributedtothefrontwheeliscontrolledbythesizeofdrivingcurrentThecontentofthisthesisisdesigntorquemanagementsystemThendistributethetorqueofthefrontwheelandrearwheelinrealtimeaccordingtothesituationofthevehicleECUcollectwheelsignalsinrealtimebyusingofthevehiclewheelspeedsensors,afteranalysisandcalculationtheECUtakeinitiativetoregulatethedistributionoftorqueIncontrolstrategyoftorquedistributionweuseadaptivefuzzycontrolstrategybasedonidentifyoftrafficwedesignedfuzzycontrollerusingofMATLABfuzzycontroltoolboxThenwesimulatethefuzzycontrolstrategyintheCarmakerSimulinkvehicleenvironmentfinallyinaccordancewiththeprincipleoffuzzycontrolwetranslatethefuzzycontrollertoCcodetoenablethecontrolstrategyofrunningontheECU,andgetexactlythesameoutputdatawiththefuzzycontrollerInordertomonitortheECUstatusandthetrafficconditionsandfacilitatedebuggingintherealvehicle,wedesignedrealtimemonitoringinterfaceusingLabviewAtlastIdidinitialrealvehicletest,theresultsshowthattheproposedcontrolstrategyandthedesignofthetorquedistributionsystemsuittherequirementsThesystemcanachieveautomatictorquedistribution,themaindesigntaskwascompletedKeywords:fourwheelsdrivetorquemanagementfuzzycontrolvirtualvehicleenvironment目录TOCo""hzu第一章绪论汽车电控系统的发展汽车四轮驱动系统本文研究的主要内容第二章四轮驱动汽车行驶动力学建模虚拟车辆仿真环境CarMaker车辆动力学模型发动机模型转矩分配装置模型动力传动系统模型轮胎模型整车模型本章小结第三章四轮驱动汽车转矩分配模糊控制策略模糊转矩分配策略模糊控制理论基础模糊控制器设计模糊控制算法C代码实现第四章汽车四轮驱动控制系统研发总体方案ECU硬件设计处理器及晶振电路ECU硬件复位电路电源模块轮速传感器调理电路驱动电路CAN通讯电路调试接口电路按键电路硬件设计注意事项ECU软件设计软件开发环境介绍软件流程LabView监视系统设计车载CAN总线通信系统设计CAN总线通讯协议和J协议标准SAEJ通信协议的基本内容通讯协议设计本章小结第五章四轮驱动控制系统仿真及分析CarMaker中仿真参数设置仿真及结果分析低附着系数路面高附着路面起步加速能力对比分析爬坡加速性能分析对开路面加速能力分析转向路面仿真本章小结总结与展望参考文献附录模糊控制器C代码致谢第一章绪论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:从世纪年代初到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。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:从世纪年代中期到年代中期主要是发展专用的独立系统。随着世纪年代后期电子技术中集成功能块和微机技术的出现年德国的博世(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。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:世纪年代中期到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:从世纪年代中期开始预计到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。从世界范围看汽车工业向电子化发展的趋势在世纪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。据统计年一辆车上电子装置的平均费用是美元年上升到美元年达到美元占汽车成本的以上且还以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~的比例下降。年以后全世界汽车电子产品的市场规模将突破亿美元美、日、欧等发达国家汽车电子产品的价格占整车价格的以上高级轿车甚至达到以上。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。因此世纪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、SAEJ、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(ControllerAreaNetwork)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ISO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(FieldBus)相似有时也称CANBus(CAN总线)。现在电子技术已成为现代汽车工程的基础技术之一。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。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。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(VirtualVehicleEnviroment)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(ASAMASAP)。V型开发模式涵盖了控制器开发的三个阶段模型在环MIL(ModelintheLoop)、软件在环SIL(SoftwareintheLoop)、和硬件在环HIL(HardwareintheLoop)如图所示。图V型开发模式示意图)模型在环利用图形化编程软件如MatlabSimulink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。)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。)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。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(WheelsDrivingSystem,WD)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WD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WD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。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。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。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。图转矩分配系统工作原理图图前后轴转矩分配曲线图转矩分配系统安装位置结)、牵引性能得到提升。最大承受转矩提升至Nm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)、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)、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ms做出响应)、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)、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)、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:)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。)针对WD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。)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WD控制系统的研究中。)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WD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。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。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所示。图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IPGMovie和信号分析工具IPGControl组成如图所示。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CarMakerSimulink中增加或更改模型使模型适合特定的车辆。通过CarMakerSimulink联合仿真的方式可以完成以下工作:)利用CarMaker定义开环和闭环驾驶策略并在Simulink下进行仿真)在Simulink下对控制算法进行建模)调换或取代车辆子模型)仿真运行时可通过D动画窗口观察仿真过程)利用IPGControl窗口监控目标参量并对仿真结果进行分析图虚拟车辆环境(VVE)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。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:()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(=…)。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所示。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所示。图发动机模型图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A时中间转矩分配装置能够输出Nm左右的转矩当电流增大到最大允许值A时其输出转矩达到Nm因此当所需输出转矩在Nm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()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。图中间转矩分配装置模型动力传动系统模型图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()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()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。()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。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:()其中表示纵向力s为滑动率:()式中r为轮胎的有效滚动半径为车轮的角速度为车速。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所示输入为、、、、、、、、输出为、、、、和。汽车沿纵向轴线方向力的平衡方程:()汽车沿垂直纵向轴线方向力的平衡方程:图四轮驱动汽车整车力学模型()汽车绕质心垂直轴z轴的力矩平衡方程:()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()。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。图转矩分配策略原理框图模糊转矩分配策略模糊控制理论基础在年由LotfiZadeh提出了模糊集合模糊控制理论。在上个世纪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TakagiSugeno模糊系统。Mamdani型模糊模型是一种语言模型它利用IfThen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。TakagiSugeno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。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。()模糊化运算()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()()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)()模糊蕴含积运算(Larser)()()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,)()最大代数积合成法(Kaufmann,)()()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()或者()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。()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()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。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所示。图模糊推理系统(mamdani)编辑器界面图隶属度函数图隶属度函数图current隶属度函数模糊规则编辑器如图所示共有条规则。if(isS)and(isZE)then(currentisS)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。if(isB)and(isZE)then(currentisB)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。if(isB)and(isP)then(currentisB)对应对开路面情况下单侧滑转此时输出大电流。if(isS)and(isP)then(currentisS)对应转向时此时输出小电流。图模糊规则编辑器模糊控制算法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“fisc”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。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(WD)。转矩动态分配由电控单元完成如图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。如图所示。图转矩分配系统原理图图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所示。主要包括NEC单片机updf、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。图电控单元框图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。处理器及晶振电路处理器与晶振电路如图所示。Updf处理器属于VESFx系列是RISC(ReducedInstructionSetComputer精简指令集计算机)处理器。updf处理器内部包含KBCodeFlashKBRAMKBDataFlash时钟频率最高可达KHz。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VESFx系列处理器是汽车应用领域的理想选择。VESFx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。VESFx系列处理器的内部功能框图如图所示。VESFx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(BusControlUnit)总线控制单元管理着片上外设的IO口DataFlash和外部存储器。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。中断源个不可屏蔽中断个内部可屏蔽中断个外部可屏蔽中断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通道CAN(ControllerAreaNetwork)定时器计数器TimerEventCountAA个实例分别是TAA~TAATimerEventCountAB图VESFx系列处理器内部功能框图个实例分别是TAB~TAB。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通道UART通道CSIB(ClockedSerialInterface)都可以和MINICUBE配合使用用作调试接口通道IIC路独立的DMA通道路AD转换通道位精度提供多种操作模式和触发模式因此围绕updf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updf的IO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。时钟产生电路如图所示。图时钟产生VESFx系列处理器时钟产生器有个产生源: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MHz~MHz。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KHz外部晶振或者KHz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KHz。内部高频振荡器不需要外部晶振理论频率为MHz。复位释放后MHz振荡器被激活可以通过RCM寄存器停止。个产生源经过各种分频或倍频之后产生的时钟有个用途。一是供给CPU使用分为CPUCoreClock(Fcpu)和CPUSystemClock(Fvbclk)前者提供给CPU内核后者提供给CPU剩下的部分像DMACBCUMEMCINTC。表给出了CPU的时钟源表CPU时钟源Clocksource(时钟源)频率描述MHzinternalOSC~MHz复位后默认时钟源KHzinternalOSC~KHzMainOSC停止后的默认时钟源SubOSCKHz或KHz可选时钟源MainOSC到MHz不经过PLL时的CPU系统时钟PLL最高可达MHz最高性能SSCG最高可达MHz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。表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KHz内部OSC停止开始工作MHz内部OSC停止开始工作PLL停止SSCG停止CPU时钟停止以MHz内部OSC开始工作外部设备时钟停止以MHz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MHz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IDLE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。表省电模式模式描述HALT模式只有CPU的时钟被停止IDLE模式除了振荡器、PLLSSCG和flash所有内部操作都被停止IDLE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SubIDLE模式在子时钟操作模式下除了振荡器、PLLSSCG和flash所有内部操作都被停止在IDLE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IDLE模式下片上外设和flash是停止的所以比起IDLE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IDLE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。省电模式下有个唤醒源分别是不可屏蔽中断(NMI或INTWDT)、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。ECU硬件复位电路图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MAXL查阅其芯片手册在电源电压达到稳定值之前MAXL能插入至少ms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V电源形成有效监控当电压下降到V以下将产生一个复位信号(低电平有效)。电源模块图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V直流电源控制器上需要V和V电压我们选用V到V的DCDC模块。该模块转换效率可达输出电流为A纹波mV功率W考虑到整个系统的消耗经估算不超过W因此满足要求。轮速传感器调理电路图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所示。集成运放UA输出电压UoA为(FLINFLIN)若UoA为正则UC输出为负电源电压(V)若UoA为负UC输出为正电源电压(V)。当UC输出为负时二极管D导通使得反相器输入端钳位在V左右反相器输出高电平。当UC输出为正时反相器输出为电平。这样当FLIN>FLIN时电路输出高电平当FLIN<FLIN时电路输出电平。实现了将正弦波(FLINFLIN)变成方波的功能。这样就可以通过单片机定时器脉宽测量得到轮速。驱动电路图驱动电路驱动电路如图所示。驱动电路输入端接单片机PWM输出口输出端由ITMOUTITMOUT接执行器电感线圈功率器件为N沟道MOS管。输入端为高电平时(V)MOS管导通。由于负载为阻值电感线圈MOS管导通电流为A导通压降为饱和管压降(<V)估算MOS管功率小于W。输入低电平时MOS管截止此时通过D续流来实现电流恒定。电路通过改变输入端PWM的占空比来控制输出端负载中的电流。CAN通讯电路NEC位单片机CAN模块结构符合ISO协议标准具有以下特点:()模块化的设计。()可接收标准帧和扩展帧每帧最多个Byte的数据高达Mbs的可编程通信速率支持远程帧请求。()每个CAN通道有个消息缓冲器。每个缓冲器可配置为接收缓冲器或发送缓冲器可单独设置优先级和掩码。()可编程为自测模式实现自发自收。()两种节能模式:睡眠模式和停止模式前者可由CAN总线唤醒。CAN通信电路如图所示。ZJYS为一共模电感双向滤波器一方面可以滤除信号线上共模电磁干扰另一方面又要抑制本身不向外发出电磁干扰避免影响同一电磁环境下其它电子设备的正常工作。图中RDS起到稳压V的作用。在CAN线路两端需要加入两个匹配电阻。另外接口上需要接入屏蔽线。图CAN通信电路调试接口电路图调试接口图中TXDDRXDD分别连接到主芯片的UART口接收和发送端。FLMD和FLMD起控制作用当复位按键释放后如果FLMD为高电平FLMD为低电平此时主芯片进入FLASH编程模式可以通过MINICUBE下载和调试程序。为防止手动复位信号RESETIN对来自MINICUBE复位信号RESETOUT的干扰必须加入起隔离的作用。按键电路图按键电路图用于驾驶员选择传动状态是锁死、关闭或智能状态。当开关状态改变时就会触发外部中断通过读取相应的IO口来判断开关的状态。若SWITCH为V时SWITCHOUT变为低电平通过设置下降沿触发中断就可以在中断处理中读取P判断开关状态。硬件设计注意事项)地线的设置电路中包含模拟电路和数字电路如何降低它们之间的干扰是一个必须考虑的问题。大致的做法有两种一种是把模拟地和数字地分割开来模拟器件接模拟地数字器件接数字地最后再把两个地平面通过电阻连接另一种是采用统一地平面对PCB板分成数字区和模拟区数字电路和模拟电路分开放置中间放数模电路模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线而数字信号在数字电路区内布线。我们采用的是后者。)合理的元件布局首先考虑PCB尺寸的大小尺寸过大时印制线条长阻抗增加抗噪声能力下降成本也增加尺寸过小则散热不好且临近信号易受干扰。确定尺寸后再确定特殊元件的位置。最后根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行合理的布局尽可能缩短高频元器件之间的连线减少他们的分布参数和相互间的电磁干扰。对电路的全部元器件进行布局时要严格按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置使布局便于信号流通并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心围绕它来进行布局。元器件尽量排列的均匀、整齐、紧凑。应尽量缩短各元器件之间的连接在高频下工作的电路还必须考虑元器件之间的分布参数效应的影响。在电源部分的设计中必须考虑功率元件的发热情况需要为发热元件留

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