汽车底盘集成控制系统与控制方法

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汽车底盘集成控制系统与控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及汽车控制领域。\n背景技术\n[0002] 当前，大家熟知的汽车底盘电子控制各子系统一般由传感器、电子控制单元(ECU)和执行机构组成，该子系统在工作过程中是单独进行控制的，即一个子系统有一个ECU。首先，由传感器检测到子系统的主要控制参数信号，然后传递给该系统的ECU，经ECU处理后输出指令给执行机构来实现对系统的控制。然而，汽车底盘包含比较多的电控子系统，它们之间存在着相互联系和影响以及主次关系，一些子系统之间可能有若干共同的控制参数，单独对某一电控子系统的改进，势必对其它子系统的功能有直接或间接影响，反过来也会影响该子系统的控制效果。目前，安装于汽车底盘上的电动助力转向(EPS)、主动悬架(ASS)和制动防抱死系统(ABS)都是单独做成一个整体，每个系统在各自控制单元的指令下独立工作，没有考虑三者之间的相互影响与耦合，不能解决现有技术中三个单独系统之间的相互影响，无法达到最佳控制状态。\n发明内容\n[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能控制EPS、ASS和ABS三个子系统的协调工作，尽可能的减少三者之间的相互不利影响，使控制效果达到最佳的汽车底盘集成控制系统与控制方法。\n[0004] 本发明所采用的技术方案是：\n[0005] 汽车底盘集成控制方法：通过传感器检测汽车的轮速信号、转矩信号、发动机转速信号、垂直加速度信号和制动踏板信号，并将这些信号输入主协调CPU，主协调CPU将所述信号分别传送至ABS CPU、EPS CPU、ASSCPU，并且同时根据对所述信号的分析发出协调命令，ABS CPU、EPS CPU、ASS CPU根据各自接收的传感器信号和协调命令控制相应驱动模块。\n[0006] 汽车底盘集成控制系统，包括主协调CPU1、ABS CPU2、EPS CPU3、ASS CPU4、轮速信号处理模块5、转矩信号处理模块6、发动机转速信号处理模块7、制动踏板信号处理模块8、垂直加速度信号处理模块9、诊断电路模块10、ABS泵电机驱动模块11、ABS电磁阀驱动模块12、EPS助力电机驱动模块13、EPS电磁离合器驱动模块14和ASS磁流变减振器驱动模块15，其中：轮速信号处理模块5、转矩信号处理模块6、发动机转速信号处理模块7、制动踏板信号处理模块8、重直加速度信号处理模块9、诊断电路模块10将检测到的传感器信号输入至主协调CPU1，主协调CPU1将输出信号分别送至ABS CPU2、EPS CPU3和ASS CPU4，ABS CPU2将输出信号分别送至ABS泵电机驱动模块11和ABS电磁阀驱动模块12，EPSCPU3将输出信号分别送至EPS助力电机驱动模块13和EPS电磁离合器驱动模块14，ASS CPU4将输出信号送至ASS磁流变减振器驱动模块15。\n[0007] 本发明所具有的积极效果是：\n[0008] 本发明克服了现有汽车EPS/ASS/ABS三系统间的相互影响，在分析EPS/ASS/ABS系统中主要控制参数以及这些参数之间的相互关系基础上，对三个子系统同时进行协调控制。控制器采用一个总电控单元，该电控单元包括四个处理单元，其中一个为主协调处理单元，另外三个分别为EPS、ASS、ABS的子处理单元。主协调处理单元在对实际检测信号综合分析结果的基础上，分别对三个子处理单元发出信号，控制EPS、ASS和ABS三个子系统的协调工作。该集成控制器能较方便的综合各信号的实际数值，尽可能的减少三者之间的相互不利影响，使控制效果达到最佳，消除子系统之间的相互干扰，可更好地提高汽车的行驶平顺性、安全性和操纵稳定性。\n附图说明\n[0009] 图1是本发明的原理方框图，\n[0010] 图2是轮速信号处理模块电路图，\n[0011] 图3是转矩信号处理模块电路图，\n[0012] 图4是发动机转速信号处理模块电路图，\n[0013] 图5是制动踏板处理模块电路图，\n[0014] 图6是垂直加速度信号处理模块电路图，\n[0015] 图7是故障诊断码发送电路图，\n[0016] 图8是诊断码存储电路，\n[0017] 图9是ABS泵电机驱动电路图，\n[0018] 图10是电磁阀驱动电路图，\n[0019] 图11是助力电机驱动电路图，\n[0020] 图12是电磁离合器驱动电路图，\n[0021] 图13是ASS磁流变减振器驱动电路图，\n[0022] 图14是ABS系统工作流程图，\n[0023] 图15是EPS系统工作流程图，\n[0024] 图16是ASS系统工作流程图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。\n[0026] EPS/ASS/ABS集成控制器由主协调CPU1、ABS CPU2、EPS CPU3、ASS CPU4组成。主协调CPU采用32位ARM单片机LPC2292，采集来自汽车的轮速信号、转矩信号、发动机转速信号、垂直加速度信号和制动踏板信号，并将采集来的信号通过CAN总线传给子控制器，同时监视汽车的姿态，协调子控制器的运行。ABS CPU采用32位ARM单片机LPC2129，接受主协调控制器传来的传感器信号，包括轮速传感器信号和制动踏板信号。当制动踏板被踩下，同时车速大于15km/h时，ABS CPU控制电磁阀和泵电机，调节制动压力，同时ABS CPU接受主协调CPU的协调指令，改变控制算法，使控制效果达到最佳；EPS CPU采用32位ARM单片机LPC2129，接受主协调控制器传来的传感器信号，包括发动机转速信号和转矩信号。当发动机工作后，即检测到发动机转速信号后，通过检测转矩信号的变化大小，控制助力电机，改变助力电机的电流大小，同时EPS CPU接受主协调CPU的协调指令，改变控制算法，使控制效果达到最佳；ASSCPU采用32位ARM单片机LPC2129，接受主协调控制器传来的传感器信号，主要为垂直加速度信号，通过检测到的垂直加速度的大小，判断如何控制磁流变减振器，同时ASS CPU接受主协调CPU的协调指令，改变控制算法，使控制效果达到最佳；诊断通\n2\n信模块是将传感器存在的故障以故障诊断码的形式存入EPROM中，当有故障发生时，将故障诊断码通过串口发到故障诊断仪上，以判别故障发生的原因。\n[0027] 传感器所检测的信号主要有：\n[0028] ①轮速信号，为一频率信号，主要判断车轮速度的信号，频率越大，轮速越大。\n[0029] ②转矩信号，为一电压信号，主要判断加在转向盘上力矩的大小，电压变化越大，力矩越大。\n[0030] ③发动机转速信号，为一频率信号，主要判断发动机转速的大小，频率越大，转速越大。\n[0031] ④制动踏板信号，为一开关信号，主要判断汽车是否为制动工况，当踩下制动器踏板时，开关接通，表示进入制动状态，ABS处于工作准备状态。\n[0032] ⑤垂直加速度信号，为一电荷信号，主要判断汽车垂直加速度大小，电荷量越多，加速度越大。\n[0033] 具体控制方法的设计是：\n[0034] 当车速≤20km/h；\n[0035] ASS通过车身垂直加速度大小判断是否正常工作；\n[0036] EPS通过对转矩大小及方向判断是否正常工作；\n[0037] 此时ABS不工作；\n[0038] 协调器判断车身垂直加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度的大小，确定车身的运动状态，对ASS发出控制指令，调整ASS中的阻尼和刚度值，保证车身的垂直加速度、侧倾\n2\n角及俯仰角在较小的范围之内(车身垂直加速度均方根值不大于0.10m/s，侧倾角不大于\n2°，俯仰角不大于3.5°)，以保证汽车的舒适性和安全性；EPS助力较大，协调器对EPS发出控制指令，根据转向系统上的实际转矩大小和方向调整助力转矩大小，保证汽车具有较好的转向性能；\n[0039] 当20km/h＜车速≤50km/h；\n[0040] ASS通过车身垂直加速度大小判断正常工作；\n[0041] EPS助力较大，根据转向系统上的实际转矩大小和方向调整助力转矩大小，保证汽车具有较好的转向性能；\n[0042] 此时ABS正常工作；\n[0043] 协调器判断车身垂直加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度的大小，对ASS发出控制指令，调整ASS中的阻尼和刚度值，保证车身的垂直加速度和侧倾角在较小的范\n2\n围之内(车身垂直加速度均方根值不高于0.13m/s，侧倾角不大于2.5°，俯仰角不大于\n4.0°)，以保证汽车的舒适性和安全性；同时协调器判断角减速度及滑移率大小，对ABS发出控制指令，保证ABS滑移率保持在峰值附着系数附近(滑移率在0.1到0.3附近)，以保证汽车的制动性能；同时，协调器根据转向系统上的实际转矩大小和方向调整助力转矩大小，保证汽车具有较好的转向性能；\n[0044] 当车速＞50km/h；\n[0045] ASS通过车身垂直加速度大小判断正常工作；EPS不工作；\n[0046] 此时ABS正常工作；\n[0047] 协调器判断车身垂直加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度的大小，对ASS发出控制指令，调整ASS中的阻尼和刚度值，保证车身的垂直加速度和侧倾角在较小的范围之\n2\n内(车身垂直加速度均方根值不高于0.13m/s，侧倾角不大于3°，俯仰角不大于4.5°，以保证汽车的舒适性和安全性；协调器判断角减速度及滑移率大小，对ABS发出控制指令，保证ABS滑移率保持在峰值附着系数附近，以保证汽车的制动性能。；\n[0048] 汽车底盘集成控制系统的总体结构如图1所示，包括主协调CPU1、ABS CPU2、EPS CPU3、ASS CPU4、轮速信号处理模块5、转矩信号处理模块6、发动机转速信号处理模块7、制动踏板信号处理模块8、垂直加速度信号处理模块9、诊断电路模块10、ABS泵电机驱动模块\n11、ABS电磁阀驱动模块12、EPS助力电机驱动模块13、EPS电磁离合器驱动模块14和ASS磁流变减振器驱动模块15，轮速信号处理模块5、转矩信号处理模块6、发动机转速信号处理模块7、制动踏板信号处理模块8、重直加速度信号处理模块9、诊断电路模块10将检测到的传感器信号输入至主协调CPU1，主协调CPU1将输出信号分别送至ABS CPU2、EPS CPU3和ASSCPU4，ABS CPU2将输出信号分别送至ABS泵电机驱动模块11和ABS电磁阀驱动模块\n12，EPS CPU3将输出信号分别送至EPS助力电机驱动模块13和EPS电磁离合器驱动模块\n14，ASS CPU4将输出信号送至ASS磁流变减振器驱动模块15。\n[0049] 各模块的具体结构及原理说明如下：\n[0050] 1、主协调CPU：\n[0051] 采用32位高性能单片机ARMLPC2292，采集来自汽车的传感器信号等，包括①②③④⑤，并将信号传给各子控制器，同时监视汽车的姿态，协调子控制器运行。\n[0052] 2、ABS CPU：\n[0053] 采用32位高性能ARM单片机LPC2129，接受主协调CPU中的传感器信号(包括①④)和协调命令，调节制动压力，有效防止汽车车轮被抱死。\n[0054] 3、EPS CPU：\n[0055] 采用32位高性能单片机ARM单片机LPC2129，接受主协调CPU中的传感器信号(①②③)和协调命令，控制转向电机和电磁离合器，具有良好的助力特性。\n[0056] 4、ASS CPU：\n[0057] 采用32位高性能单片机ARM单片机LPC2129，接受主协调CPU中的传感器信号(包括⑤)和协调命令，调节阻尼力，减小振动且提高了整车的舒适性。\n[0058] 5、轮速信号处理模块：\n[0059] 轮速信号为一伪正弦信号，轮速处理模块就是把传感器输出的幅值、频率都在变化的伪正弦信号转变成单片机可以识别的矩形波信号，以便单片机对矩形波信号进行计数从而求出轮速。轮速信号处理电路如图2所示，从轮速传感器出来的伪正弦信号经过由R1和C1组成的RC低通滤波器进行滤波，然后由R2、R3和运算放大器U1构成的电压比较器对信号进行整形，再经过由运算放大器U2构成射极跟随器对信号进行隔离抗干扰，防止干扰，即可将伪正弦信号转化为同频率的矩形波信号，为了防止输出过大电压信号而对处理芯片造成损坏，在最后信号经过由R4、R5和D1组成的限幅电路，然后接到单片机的捕获口。\n[0060] 6、转矩信号处理模块：\n[0061] 转矩信号为一模拟信号，转矩信号处理模块就是利用主协调CPU的A/D口来采集转矩信号，判断何时需要助力。转矩信号处理电路如图3所示，NJ1和NJ2是两个扭矩信号，分别经R6、R7和C2以及R8、R9和C3的分压和滤波后，再分别经运算放大器U3和U4组成的射极跟随器，最后输出的信号AIN4和AIN5接处理器的A/D口，从而采集到扭矩信号。\n[0062] 7、发动机转速信号处理模块\n[0063] 发动机转速信号主要是检测发动机是否启动以及发动机启动时的速度。发动机转速信号处理电路如图4所示，FDJSU即是由仪表盘上引出的发动机转速信号，它是一矩形波信号，幅值是14V左右，而我们的处理芯片工作在3.3V左右，最大也仅仅能够承受5V，所以此信号FDJSU必须经过R10和C4进行低通滤波、经过R10、D2和R11进行限幅后才能接至单片机的捕获口。\n[0064] 8、制动踏板信号处理模块\n[0065] 制动踏板信号主要是用来检测汽车是否处于制动工况，制动踏板信号处理电路如图5所示，S1是制动踏板，S1闭合即是踩制动踏板，将产生一开关信号，即为制动踏板信号，再经过R12、R13、C5和稳压二极管D4进行滤波、分压和限幅后得到的制动踏板信号TABAN接到单片机的中断口(也可作I/O口用)。\n[0066] 9、垂直加速度处理模块：\n[0067] 通过电荷转换电路将电荷信号转化为电压信号，然后利用主协调CPU的A/D口来采集电压信号。垂直加速度处理电路如图6所示，由电荷型压电式加速度传感器输出的加速度电荷信号，通过由高输入阻抗放大器U5和R14、R15、R16及C6构成的电荷放大器，将电荷信号转换为电压信号。然后，通过由U6构成的射极跟随电路和由R17、R18、C7、C8和U7构成的二阶低通滤波电路对信号进行隔离抗干扰和滤波。由此得到的信号再通过一个由R19、R20、R21和U8构成的电平转换电路把正负信号转化为正信号，以满足ARM芯片LPC2219的A/D转换电压范围，最后把信号连到处理器的A/D转换引脚，进行A/D转换。\n[0068] 10、诊断通信处理模块\n[0069] 将故障诊断码存入E2PROM中，当有故障发生时，将故障诊断码通过串口发到故障诊断仪上，以判别故障发生的原因。诊断通信处理电路由故障诊断码发送电路和故障诊断码存储电路组成。故障诊断码发送电路如图7所示，由故障诊断仪将故障诊断码通过串口发送到计算机上，由于所用处理器的电平为CMOS电平，而计算机接口的电平为RS232电平，其中TXD0和RXD0分别接处理器发送和接收信号的引脚，是CMOS电平，而RS232_OUT和RS232_IN分别接计算机接收和发送信号的引脚，是RS232电平，J3为DB9的转换接口，直接接在计算机的COM口。为了实现处理器与计算机的通信，必须有进行电平转换，电平转换电路中使用了U9进行串口的电平转换，C9、C10、C11和C12四个电容式用于U9内部电荷泵的振荡以控制四相电压的变化来实现电平转换和信号传输。故障诊断码存储电路如图8所\n2 2\n示，芯片U10集成了2K位的串行EPROM，存储器采用400KHz的IC总线接口，用它来对故障诊断码进行存储。S1为复位键，S1闭合后nREST将输出低电平给处理器的复位引脚从而可\n2\n以使处理器复位。IC总线由R23、R24、R25、R26、R27和U10组成，数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最\n2 2\n高传送速率100kbps。当电路出现故障时，IC总线就会将故障码传到2K位的串行EPROM，\n2\n然后可以读取EPROM中的故障码进行故障诊断，I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。\n[0070] 11、ABS泵电机驱动模块：\n[0071] ABS泵电机驱动模块用来驱动泵电机，与电磁阀模块结合达到增压、保压和减压的目的。ABS泵电机驱动电路如图9所示，选择Infeneon公司生产的智能功率芯片BTS6510，即是图中的Q2。当IN_DJ端为高电平时，三极管Q1导通，功率开关管Q2导通，回液泵电机M1开始工作，此时R31和发光二极管D7有电流流过，D7发光用于指示泵电机工作。当IN_DJ端为低电平时，三极管Q1截止，功率开关Q2管截止，回液泵电机M1停止工作，此时R31和发光二极管D7无电流流过，D7不发光用于指示泵电机停止工作。其中R28、R29和R30为限流电阻，防止电流过大而烧坏管子。D5和D6为回流二极管，防止浪涌电流烧坏功率管。\n回液泵电机M1输出端还通过一个反馈网络，将其工作状态以信号djfd反馈至单片机，以对回液泵电机的工作状态进行检测。由于回液泵电机工作时，其正极端电压为BAT1＝12V，不能直接连到CPU，因此，要经过由R32、R33、D8的分压和稳压后才能接至单片机的输入端。\n同时，BTS6510还具有电流反馈功能，可实时监控电机的工作状态。\n[0072] 12、ABS电磁阀驱动模块：\n[0073] ABS电磁阀驱动模块用来驱动ABS制动压力调节器中的电磁阀，以控制压力变化。\nABS电磁阀驱动电路如图10所示，选择Motorola公司生产的智能功率芯片MC33289，即是图中的U11，实现电磁阀开和关两种状态。每个芯片可驱动两路电磁阀，以其中一路电磁阀为例说明其工作过程。芯片的IN1引脚接单片机，1OUT1引脚接电磁阀，D9为发光二极管，用以指示电路是否有输出，即是否工作。当IN1为高电平时，1OUT1为高电平，电磁阀的电磁线圈中有电流通过，电磁阀工作而闭合，D9发光指示电磁阀工作；反之，当IN1为低电平时，\n1OUT1为低电平，电磁阀的电磁线圈中没有电流通过而处于开启状态，D9熄灭指示电磁阀不工作。由于电磁阀1OUT1处的高电平电压为12V，不能直接连到CPU，因此，经R36和R37分压后再经稳压管D10将电压稳定在3.3V。电磁阀的输出端还通过一个反馈网络，将其工作状态反馈至单片机，以对电磁阀的工作状态进行检测，1ST1为输出信号1OUT1的状态反馈信号，接到处理器的一个引脚，当输出正常时，1ST1为高电平；输出不正常时，1ST1为低电平，处理器检测到1ST1的电平后可以判断此芯片的工作状态和进行故障诊断。U11引脚VBAT接12V，为供电电压。\n[0074] 13、EPS助力电机驱动模块：\n[0075] EPS助力电机驱动模块主要用来驱动EPS中的助力电机，以达到助力的目的。EPS助力电机电路如图11所示，选择单封装的全桥芯片VNH2SP30，即图中的U12。具有电流检测和开路负载、短路负载、过温、过压、欠压、过流等常用故障预防功能，使硬件电路大大简化，节约了系统的成本。电机接在OUTA和OUTB之间，接在接插件J4上。发光二极管D11和D12与R49组成指示电机转向。P1.20_INA和P1.21_INB可用来控制电机方向。当P1.20_INA＝0，P1.21_IVB＝1时，电机正转，D11放光，D12熄灭；当P1.20_INA＝1，P1.21_INB＝0时，电机反转，D12放光，D11熄灭；当P1.20_INA＝0，P1.21_INB＝0或P1.20_INA＝\n1，P1.21_INB＝1时，电机制动，D11和D12都熄灭。通过调节PWM端口信号P0.21_PWM1的占空比来调节电机的电流大小，CS端口信号P0.27_ADC0用来检测电机的电流大小，实现对电流进行闭环控制，使控制电流与目标电流一致；P0.17_ENA和P0.15_ENB是诊断信号，当电机无故障时为高电平，当电机有故障时为低电平，有效地监控了电机的状态。Q3是一个低导通电阻的N沟道MOS管，用来实现电源反接保护。其中R38、R39、R40、R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47和R48为限流电阻；C14为滤波电容。\n[0076] 14、EPS电磁离合器驱动模块：\n[0077] EPS电磁离合器驱动模块主要用来驱动EPS中的电磁离合器，以控制电机输出助力扭矩与机械转向器的断开和接合。电磁离合器驱动电路如图12所示，选择IRFR3707Z作为它的驱动芯片即图中的Q4，接插件J5接到电磁离合器。信号P1.19_IN_LHQ接到处理器的控制输出引脚。当P1.19_IN_LHQ为高电平时，Q5导通，而R52此时相当于接地，则Q4也不导通，电磁离合器不工作；当P1.19_IN_LHQ为低电平时，Q5截止，而R52此时相当于接到\n12V，则Q4导通，电磁离合器开始工作。电磁离合器输出端还通过一个反馈网络，由R53、R54和D13组成，由于电磁阀OUT1处的高电平电压为12V，不能直接连到CPU，因此，分压后经稳压管D58将电压稳定在3.3V。可以将其工作状态以信号P0.23_LHQFD反馈至单片机，以对电磁离合器的工作状态进行检测，其中R50、R51和R52为限流电阻。\n[0078] 15、ASS磁流变减振器驱动模块：\n[0079] ASS磁流变减振器驱动模块主要功能是驱动受控源，改变磁流变减振器上的电流大小，从而调节阻尼力大小。ASS磁流变减振器驱动电路如图13所示，采用低功耗高精度数/模转换器DAC7512控制压控恒流源，进而通过恒流源输出电流控制磁流变减振器的磁流变液的粘度来改变其阻尼力。处理器输出的PWM控制信号FL_PWM6经由R55、R56和U13组成的放大电路对控制信号FL_PWM6进行放大以提高驱动能力，再经R57和C15组成的滤波电路滤除L_PWM6的高频信号得到直流信号，得到的信号一方面经R59和D15组成的限幅稳压电路输出给恒流源，另一方面输出给R58和D14组成的指示电路，当L_PWM6有输出时D14发光，当L_PWM6无输出时D14熄灭。\n[0080] 三个子系统(EPS、ASS和ABS三个系统)的控制原理和流程如下：\n[0081] ABS系统\n[0082] ABS CPU接受主协调控制器的协调指令，并根据检测到的轮速、车速和制动踏板信号，用来控制电磁阀和泵电机，适时调节制动压力，以使ABS系统的制动效果达到最佳。工作流程如图14所示。\n[0083] EPS系统\n[0084] EPS CPU接受主协调控制器的协调指令，并根据检测到的转向盘上的转矩信号和车速信号的变化大小，用来控制助力电机，适时改变其电流大小，以使EPS系统的助力效果达到最佳。工作流程如图15所示。\n[0085] ASS系统\n[0086] ASS CPU接受主协调控制器的协调指令，并根据检测到的车身垂直加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度信号的变化，用来控制磁流变减振器，适时改变其电流大小，以使ASS系统的减振效果达到最佳。工作流程如图16所示。