汽车稳定性控制

收稿日期：２００５—０７—１ｌ
基于驾驶员的转向输入和汽车速度，名义横摆角速度可
作者简介：郑水波（１９７７一），山东青岛人，博士生，主要研究方向为车 辆动力学稳定性控制算法，汽车电子等；韩正之（１９４７一），男，浙江宁波 人，教授，博士生导师，主要研究方向为非线性控制；唐厚君（１９５７一），
乃２葡 用下式计算【２１： 攻万，１
可控悬架系统通过控制前后轴的侧倾力矩分布，改变车 轮上的垂直载荷分布，进而影响侧向力，这样可产生稳定横摆 力矩改善汽车操纵稳定性能【１２】。它必须在很大的侧向加速度作 用下才有效，当侧向加速度小于０．５９时，其控制效果不明显。再 者，控制效果也取决于垂直载荷分布。
在上世纪９０年代初，通过对汽车稳定性进行分析，提出
２ ＥＳＰ的基本原理
究的重要课题之一。ｋ Ｂｒａｋ．
ｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，制动防抱死系统）和ＴＣＳ（ＴｒａｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ， 牵引力控制系统）控制技术相结合应用于Ｍｅｃｅｄｅｓ Ｓ级轿车上 ［１］。Ａｄ３Ｓ和ＴＣＳ都只是在加速和减速时工作，通过控制纵向滑 移率保证汽车在制动和驱动时的纵向动力学性能，防止制动时 轮抱死和驱动时轮打转，同时达到间接控制在减速和加速时的 侧向稳定性。在极限转向工况下，所受的侧向力接近轮胎与地 面的附着极限或达到饱和而引起的汽车不足转向和过度转向 时，汽车将丧失操纵稳定性，ＡＢＳ和ＴＣＳ对此无能为力。因此， 汽车稳定性控制系统不但要有ＡＢＳ与ＴＣＳ的功能，而且要在所 有行驶工况下，能够自动并及时地帮助驾驶员改善汽车侧向稳 定性，以防止汽车侧滑、甩尾、侧翻，这是时代对汽车提出的 一种新型的主动安全要求。
缸压力传感器的信号、油门踏板位置判断驾驶员的驾驶意图，
计算出名义的汽车运行状态值。Ｅｃｕ根据检测得到的实际汽车
状态与名义汽车状态的误差，通过控制逻辑计算出稳定横摆力
矩，使汽车按驾驶员预定的轨迹行驶。
３稳定横摆力矩（Ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ Ｙａｗ Ｍｏｍｅｎｔ）
通过影响前后轴侧向力的平衡或差动制动力可产生稳定 横摆力矩。通常有如下几种方案可以实现：
主动转向系统（如主动前轮转向，主动后轮转向，４ＷＳ）： 控制前／后轮转向角；
可控悬架系统（如主动悬架，防侧倾稳定杆，可控阻尼减 振器）：控制前后轴侧倾力矩的分布；
ＤＹＣ（Ｄｉｒｅｃｔｙａｗ ｃｏｎｔｒｏｌ，直接横摆力矩控制）：控制驱动 力和制动力。
受汽车本身的限制，前两种方式不普遍。要通过控制车轮 转向角来实现控制汽车的横摆稳定性，汽车必须具有主动转向 系统。要控制作用在车轮上的垂直载荷分布，汽车必须具备可 控悬架系统。
图４ ＥＳＰ控制结构图 主回路横摆力矩控制器，控制整车的运动，它根据汽车行 驶时的动态变量，计算名义横摆角速度。如果实际测量值偏离 名义值，主控制器产生稳定横摆力矩，并将其转化为副回路的 设定值，即名义轮滑移率值。副回路是制动和驱动滑移率控制 器（即ＡＢＳ和ＴＣＳ），输出为执行机构的控制信号，包括轮的制 动压力和发动机输出力矩。这样通过控制轮滑移率产生制动力 和牵引力，获得汽车稳定横摆力矩，使横摆角速度和侧偏角跟 踪其名义值。 在驱动工况下，为了产生所需要的横摆控制力矩，从横摆 力矩控制器获得被控变量：驱动轮的平均驱动滑移率、驱动轮 间名义制动力矩差、驱动轮间所允许的滑移率差值的名义值。 驱动滑移率控制器的输出为驱动轮名义制动力矩，节气门开度 所调整的发动机名义驱动力矩，名义的点火延迟力矩，燃料喷 射应该切断的发动机的油缸数及其切断时间。 ４．２控制算法 大量文献已经阐述针对ＡＢＳ、ＴＣＳ、４ＷＳ、主动悬架、ＤＹＣ 等系统的高级控制算法。但由于汽车动力学的高度非线性和汽 车参数的不确定性，商业化的ＥＳＰ控制逻辑还是主要基于实验 的知识。许多研究者提出非线性控制设计算法如自适应控制
主动转向系统在汽车的线性范围内（侧偏角和驱动／制动 力较小时），通过控制前后轮转向角能够影响轮胎的侧向力，减 小汽车的侧偏角，比较有效的改善汽车的侧向稳定性和操纵性 能【１０】。但当汽车的运动处在很大的非线性状态时，如在高速大 转弯、猛烈刹车或加速时，车轮侧偏刚度迅速下降。汽车对转 向己没有响应或响应很有限，尤其是当车轮与路面的作用力达 到附着极限时，汽车就失去转向能力…］。
当汽车前轮侧向力达到附着极限时，会产生汽车的“漂
移”（Ｄｒｉｆｔ．ｏｕｔ）现象，在这种情况下，汽车的转弯半径比驾驶员 所期望的要大，导致不足转向（Ｕｎｄｅｒ ｓｔｅｅｒ），这时横摆角速度ｙ 小于名义横摆角速度ｙ。。当后轮侧向力达到附着极限时，会产 生汽车的“激转”（Ｓｐｉｎ．ｏｕｔ）现象，转弯半径比驾驶员期望的小， 导致过度转（Ｏｖｅｒ Ｓｔｅｅｒ），这时横摆角速度ｙ大于名义横摆角 速度ｙ。，汽车产生较大的横摆角速度和侧偏角，驾驶员很难控 制汽车。汽车不足与过度转向如图１所示。
万方数据
了直接对汽车横摆运动进行控制的概念，即ＤＹＣ［１３】【１４１。它判断 驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来 调节汽车的横摆运动，来保障汽车的稳定性。
随着ＡＢＳ和ＴＣＳ的成熟，汽车的驱动力和制动力已经 比较容易控制。再说，驱动力和制动力的控制对汽车的具体设 计也没有特殊要求。即使轮胎侧偏力接近饱和，轮胎仍有一定 的裕度产生来产生纵向力。而主动转向系统则不能进一步产生 足够的侧向力控制汽车运动。因此，当侧偏角变得更大，轮胎 侧向力接近饱和时，尤其在低附着路面上，ＤＹＣ比主动转向系 统有更高的有效性，即在汽车动力学和轮胎特性的非线性范围 内ＤＹＣ是更有效的。所以，通过对驱动力和制动力的控制实现 稳定横摆力矩是最通用的方法，也是目前商业化ＥＳＰ实现稳定 横摆力矩的方法。
由于车轮位置的不同，通过制动力所产生的稳定横摆力 矩的能力也不一样。一般来说，前外轮最能提供外向的横摆力 矩，对控制过度转向比较有效，而后内轮能最有效地给予内向 的横摆力矩，对控制不足度转向比较敏感。Ｂｏｓｃｈ和Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ Ｔｅｖｅｓ公司的ＥＳＰ就是利用这个原理。当不足转向时，施加制动 力于后内轮，当过度转向时，施加制动力于前外轮，如图２所 示。
ｔ隗ｅｒ 川ｓ
ＤＳＣ３［６】。Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ Ｔｅｖｅｓ公司也以ＭＫ６０液压调节器为基础 进行ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒ０１）（昀研制与开发【７１。Ｂｏｓｃｈ和 Ｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ Ｔｅｖｅｓ是世界汽车技术的两个最大供应商，也是ＥＳＰ
扩“”“”。
图１ 不足转向（Ｕｎｄｅｒ Ｓｔｅｅｒ，ｙ‘’，ｄ）与过度转向（ＯｖｅｒＳｔｅｅｒ，ｙ’ｙ ｄ）
ｈ到１００㈨之间行驶的汽车发生的交通事故中，大约４０％是与
汽车侧向失稳有关。车速越高，由于汽车失稳引发的交通事故
与功能大体一致，本文统一用ＥＳＰ。这些汽车生产商家有的把 ＥＳＰ作为标准配置，有的作为选装设备。例如，自１９９９年， Ｍｅｃｅｄｅｓ—ＢｅＩｌｚ就把ＥｓＰ作为其生产的轿车标准配置。
于侧向失稳而造成的。如何提高汽车行驶安全性是现代汽车研
ｌ
；（ＢＵＩＣＫ，Ｃａｄｉｌｌａｃ），ＡｄｖａｎｃｅＴｒａｃ
ｌ（Ｆｏｒｄ，ＬＩＮＣＯＬＮ），Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｄｙｌｌ锄．
ｉ；ｉｃｓＣｏ’ｎｔｒｏｌ－－ＶＤＣ（ＮＩＳＳＡＮ。），Ｖｅ－ ｈｉｃｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｎｔ ｒ０１一ｖｓｃ
步，现代汽车的行驶车速得到极大提高。据统计，车速在８０ｈＩｌ／
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ｎ丽磊ｉ］＋———一
图３ 集成的底盘操纵稳定性控制 既然ＤＹＣ不能用任何的侧向力为控制，它不能直接控制 侧向运动。这样ＤＹＣ、主动转向系统和主动悬架的集成控制能 弥补彼此的缺陷，实现最有效的底盘的操纵控制［１５］［１６】［１７ｌ【ｌｓｌ。目 前汽车制造商和供应商己经开始联手研究和开发整体式底盘 控制系统。ＥＳＰ、悬架控制系统、转向控制系统集成的底盘控制
‘一。’…。 不同的汽车生产商～对１’汽’车’稳’定。性…控一制一系…统 ”有 ’’不’同’的’名
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ（Ｖｓｃ）；ＥＳＰ；ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ§
ｙａｗ ｍｏｍｅｎｔ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈａｓｓｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ
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１引言
⑩ 关渣４舭棚．艨述－
文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０４９２（２００５）０４—００２２—０３ 中图分类号：ＴＰ２７３
汽车稳定性控制
Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ
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关键词：汽车稳定性控制；电子稳定控制系统；稳定横摆力矩；
值∥。必须控制在小的可允许的范围内，如果考虑为０，即为零 侧偏控制。
当轮胎侧向力接近附着极限时，汽车将丧失稳定性。但汽
车的中性转向（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｓｔｅｅｒ）和稍微转向不足，就能使汽车具有
操纵稳定性。因此ＥＳＰ的控制原理为：ＥＳＰ的ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ，电子控制单元）根据方向盘转角传感器、制动主
汽车稳定性控制一般认为出现在１９９５年。１９９５年，Ｂｏｓｃｈ 公司提出了ＶＤＣ的概念【２】，后称ＥＳｐＰ］。ＴＯＹＯＴＡ公司也提出 了ＶＳＣ的概念［４１［５１。１９９６年ＢＭＷ公司和Ｂｏｓｃｈ公司合作推出了
ＥＳＰ可分为两类问题：一类是轨迹保持问题，可由汽车的 质心侧偏角来描述；另一类是稳定性问题，可由汽车的横摆角 速度来描述。ＥＳＰ以横摆角速度和质心侧偏角作为被控变量，它 们之间是互相耦合的。Ｂｏｓｃｈ的ＥＳＰ以横摆角速度ｙ为主要控制 目标，而ＴＯＹＯＴＡ的ＶＳＣ以质心侧偏角∥为主要控制目标。
力控制已超出其极限，这时，必须通过降低发动机的驱动力矩
来使汽车减速。这对于前轮驱动的汽车效果更好；
（３）在严重过度转向的情况下，也因车速过快，仅仅用制
动力控制已超出其极限，这时，必须通过降低发动机的驱动力
阿嚼Ｆ茎虱一汽车ｌ Ｐ厂磊矿一ｊ 矩来使汽车减速。这对后轮驱动的汽车效果更好。 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一一 Ｊ！—ｕ二ｊ＿— 到—！ｌ｝