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          轎車ABS/ASR/ACC集成化電控系統(tǒng)

          作者: 時間:2013-01-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


          在系統(tǒng)自檢期間,故障警示燈將會自動點亮,如果電子控制裝置發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在故障,電子控制裝置將會以故障代碼的形式存儲故障情況,故障警示燈會持續(xù)點亮,執(zhí)行機構(gòu)復(fù)位至常規(guī)狀態(tài);如果未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在故障,在自檢過程結(jié)束后,故障警示燈在1.5 秒后會自動熄滅,表示集成系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。

          系統(tǒng)啟動自檢的內(nèi)容主要包括對已存故障信息的復(fù)查檢測和對制動干預(yù)執(zhí)行機構(gòu)的檢測,在輪速大于15km/h 后進(jìn)行輪速信號的檢測。如果已存故障由輪速信號故障引起,啟動自檢時故障警示燈將持續(xù)點亮,直到輪速大于15km/h 后進(jìn)行復(fù)查檢測,如故障排除,故障警示燈會自動熄滅,記錄該故障為臨時性故障。

          4.3 主控制模塊

          主控制模塊為// 集成系統(tǒng)的控制主程序,見圖8 陰影虛線框。主控制模塊自身做無限的循環(huán),連續(xù)調(diào)用故障診斷模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、參考車速計算模塊、路面識別模塊和車輛運動狀態(tài)識別模塊,實時進(jìn)行車輛運動狀態(tài)和外界環(huán)境的判斷。

          4.4 數(shù)據(jù)處理模塊

          完成對采集到的數(shù)字和模擬信號進(jìn)行濾波和平滑處理,剔除奇異點和干擾信號,保證采集信號的準(zhǔn)確性。這里主要針對四個車輪的輪速信號進(jìn)行的異點剔除和三點滑動平均法處理。

          4.5 故障診斷模塊

          故障診斷模塊在集成系統(tǒng)運行的過程中實時檢測執(zhí)行機構(gòu)各電磁閥和電機的故障反饋端,車輪輪速信號。輪速的檢測采用下式:

          式中,ωlf,ωrf,ωlr,ωrr分別代表左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的轉(zhuǎn)動角速度(rad/s),λ1為設(shè)定好的閥值。式(1)滿足時認(rèn)為輪速傳感器工作正常;式(1)不滿足時,再通過對同軸車輪轉(zhuǎn)速差和同側(cè)前后輪轉(zhuǎn)速差的分析比較,就可以識別出發(fā)生故障的車輪輪速傳感器,電控單元以故障代碼的形式存儲故障情況。

          4.6 參考車速計算模塊

          參考車速計算模塊用來計算車身速度。由于成本等方面的原因,一般車輛上是不安裝車身速度傳感器的,集成系統(tǒng)控制的目標(biāo)就是將車輪的縱向滑動率(滑移率或滑轉(zhuǎn)率)控制在合理的范圍內(nèi),見式(2)和式(3)。因此參考車速確定的精確與否將直接影響到控制效果的優(yōu)劣,各個廠家有各自的方法,且屬于生產(chǎn)廠家的核心商業(yè)機密不對外公布。課題組對于參考車速進(jìn)行了大量分析研究,采用了自適應(yīng)卡爾曼濾波的參考車速確定方法,計算的參考車速結(jié)果存儲在參考車速緩沖區(qū),用于制動工況和和驅(qū)動工況滑動率的計算,以及 系統(tǒng)控制中主目標(biāo)車輛絕對車速的計算。

          式中,v 代表計算的參考車速,km/h;ωi代表各車輪轉(zhuǎn)動角速度,rad/s ;SAi和SBi分別代表對應(yīng)車輪的滑轉(zhuǎn)率和滑移率; r 代表車輪半徑,m 。

          當(dāng)判斷制動踏板已經(jīng)踩下,進(jìn)行滑移率的計算,否則進(jìn)行滑轉(zhuǎn)率的計算,同一車輪的滑移率和滑轉(zhuǎn)率存儲在相同地址的緩沖區(qū)中。

          4.7 路面識別模塊

          路面識別方法是集成系統(tǒng)控制中的關(guān)鍵技術(shù),它的準(zhǔn)確識別對于參考車速的準(zhǔn)確確定和合理的邏輯門限值的選取都有重要的意義。我們在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過深入的理論分析和控制邏輯設(shè)計,實現(xiàn)了較為實用的路面識別。

          4.8 車輛運動狀態(tài)識別模塊

          車輛運動狀態(tài)識別模塊用來區(qū)分直線行駛還是彎道行駛,左右后輪的速度差包含了轉(zhuǎn)向信息。在車輛直線行駛工況下,左右后輪的輪速差應(yīng)當(dāng)不超過一定限度。計算兩個后輪轉(zhuǎn)速差 ? ω(rad/s),并設(shè)定判斷參數(shù)λ2,λ2的確定考慮到使用過程中左、右后輪輪胎胎壓變化和輪胎磨損程度的不同。當(dāng)?ω>λ2時判斷車輛為轉(zhuǎn)向行駛,否則為直線行駛。識別結(jié)果存儲于車輛運動狀態(tài)緩沖區(qū)中,以便于子系統(tǒng)調(diào)整相應(yīng)控制參數(shù)。

          4.9 控制執(zhí)行模塊

          系統(tǒng)控制執(zhí)行模塊包括三個子模塊,門限值設(shè)置模塊、控制邏輯模塊和執(zhí)行機構(gòu)動作模塊。門限值設(shè)置模塊的任務(wù)是根據(jù)工作模式的識別,設(shè)置控制邏輯模塊的門限值,控制邏輯模塊依據(jù)門限值做出邏輯判斷和發(fā)出控制指令,控制執(zhí)行機構(gòu)動作模塊。可視為獨立的控制模塊,在車速大于15km/h 有效,主要依據(jù)車輪的滑移率 SBi和減速度?ωi 判斷是否執(zhí)行車輪制動防抱死控制調(diào)節(jié)。

          也可視為獨立的控制模塊,在車速0~45km/h 間有效,主要依據(jù)車輪的滑轉(zhuǎn)率SAi判斷是否進(jìn)行驅(qū)動力調(diào)節(jié)控制。

          ACC 工作在車速大于45km/h 的車輛正常行駛階段,利用ABS 和ASR 的硬件執(zhí)行機構(gòu),調(diào)用ASR 的節(jié)氣門控制模塊和制動力干預(yù)控制模塊,緊急制動工況時進(jìn)行ABS 防抱死調(diào)節(jié)。分為定速巡航和跟隨兩種工作模式,主要依據(jù)主車與目標(biāo)車輛間的相對距離和相對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

          表2 ABS/ASR/ACC 集成系統(tǒng)工作情況

          對于集成系統(tǒng)工作模式適當(dāng)?shù)膭澐郑梢怨?jié)省集成系統(tǒng)控制算法的運算時間,提高工作效率。設(shè)置15km/h,45km/h 這兩個工作模式速度分界點主要是考慮:

          1)ABS 控制后期主要以縮短制動距離為目的,且車速低于15km/h 后ABS 控制模式的退出不影響車輛的穩(wěn)定性。

          2)將ASR 控制模式限定在45km/h 以內(nèi),主要是考慮捷達(dá)GTX 轎車以一擋起步時這一速度對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5625 r/min,而發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速為5800 r/min,如果車輛以二擋行駛,驅(qū)動輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)的可能性很小,ASR 起作用的機會也小。車速在0~15km/h 間屬于車輛起步階段,這時的ASR 控制主要以提高車輛縱向加速度為控制目標(biāo),采用驅(qū)動輪制動力干預(yù)和節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)綜合控制;車速在15~45km/h 間屬于車輛正常行駛階段,這時的ASR 控制主要以提高行駛穩(wěn)定性為控制目標(biāo),主要采用發(fā)動機輸出力矩控制。當(dāng)車輛在高速行駛時,進(jìn)行驅(qū)動力制動干預(yù)控制可能使車輛產(chǎn)生橫擺運動,對車輛的行駛穩(wěn)定性有十分危險的影響,綜合考慮,在車速大于45km/h后集成系統(tǒng)退出ASR 控制模式。

          3)ACC 自動巡航控制系統(tǒng)主要適用與于良好路況的情況下。若汽車低速行駛,頻繁的控制調(diào)節(jié)對汽車的正常行駛和駕駛員的舒適感都有較大的影響,為了簡化集成系統(tǒng)控制算法,結(jié)合ASR 的門限值,設(shè)定車速低于45km/h 后集成系統(tǒng)退出ACC 控制模式。

          以上對工作模式的速度劃分點并不是絕對的,可根據(jù)具體試驗的情況進(jìn)行修改。集成系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)動作模塊包括三個部分,ABS 壓力調(diào)節(jié)器、工作模式電磁閥和節(jié)氣門控制執(zhí)行機構(gòu)。通過對相應(yīng)通道電磁閥和電機的驅(qū)動控制就可以實現(xiàn)該通道制動壓力的增壓、減壓和保壓的獨立調(diào)節(jié)。

          4.10 數(shù)據(jù)采集中斷服務(wù)程序

          數(shù)據(jù)采集模塊由定時中斷服務(wù)程序完成。集成系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集和主控制程序分離的結(jié)構(gòu)型式。由于ABS 電磁閥動作響應(yīng)時間通常不小于7ms,再加上制動系統(tǒng)的機械滯后,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制周期通常不能低于電磁閥動作響應(yīng)時間。為了使數(shù)據(jù)處理更為方便和準(zhǔn)確,提高數(shù)據(jù)采樣頻率是一種有效的手段之一,因此,集成系統(tǒng)采用了3ms 周期的定時中斷數(shù)據(jù)采集程序。

          為了滿足集成系統(tǒng)的需要,目前采集的數(shù)據(jù)主要包括:四個車輪轉(zhuǎn)速信號,蓄能器壓力信號,節(jié)氣門開度信號、加速踏板開度信號。考慮到數(shù)據(jù)采集模塊屬于實時模塊,對實時性要求較高,所以在設(shè)計軟件時,盡可能的利用硬件資源,減少MCU 的占用時間。

          MC9S12DP256 有8 個增強型定時器(ECT),每個定時器都可以通過軟件選擇作為輸入捕捉或者輸出比較,其中有四個帶有輸入保持緩沖器,當(dāng)輪速信號上升沿(可選為下降沿)來到時,MCU 自動將輸入捕捉寄存器中的時間值放入保持緩沖器中,同時將主計時器的當(dāng)前時間值放入輸入捕捉寄存器中,因此基于測周法可較為容易地實現(xiàn)四個輪速信號的采集。

          節(jié)氣門開度信號和加速踏板開度信號、蓄能器壓力信號都是模擬信號,它的采集由MC9S12DP256 內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換模塊自動完成。設(shè)置了模擬信號AD 轉(zhuǎn)換的完畢中斷,在中斷處理程序中存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果。

          4.11 制動踏板中斷服務(wù)程序

          考慮到駕駛員制動動作與主動制動控制的緊急切換,設(shè)計了制動踏板中斷服務(wù)程序。無論系統(tǒng)處于何種控制方式和控制狀態(tài),當(dāng)采集到制動踏板上升沿觸發(fā)的中斷時,集成控制系統(tǒng)立即進(jìn)入制動踏板中斷服務(wù)程序,對執(zhí)行機構(gòu)模塊進(jìn)行復(fù)位,恢復(fù)常規(guī)制動方式,不干預(yù)駕駛員的制動動作,保證了車輛行駛的安全性。系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)復(fù)位延時一段時間后退出中斷,繼續(xù)運行主控制模塊循環(huán)控制。例如當(dāng)ASR 系統(tǒng)正在進(jìn)行驅(qū)動防滑調(diào)節(jié)時,駕駛員緊急踩下制動踏板,此時主動制動干預(yù)系統(tǒng)迅速恢復(fù)常規(guī)制動狀態(tài),保證了駕駛員的制動動作不受影響。

          4.12 通訊模塊

          集成系統(tǒng)通訊模塊包括實時通訊和非實時通訊兩部分。其中實時通訊主要指通過CAN 總線與車距傳感器間的通訊,由于車距尚未購買到合適的車距傳感器,這部分僅預(yù)留了相關(guān)的硬件和件接口;非實時通訊主要指通過異步串行通訊(SCI)與外部故障診斷設(shè)備的K-LINE 通訊。

          ABS/ASR/ACC 集成電控系統(tǒng)各子模塊的流程框圖見附件2。

          5.試驗數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)

          在集成系統(tǒng)開發(fā)過程中,需要存儲試驗數(shù)據(jù),便于分析和比較控制程序的效果。為此設(shè)計了獨立的與上位機通訊的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng),采集和存儲實驗過程各傳感器信號,并通過異步串口通訊(SCI)方式發(fā)送至上位PC 機,再由上位機完成試驗結(jié)果的保存、分析和處理。這樣做的好處有以下幾點:

          1)提高了集成控制系統(tǒng)的實時性。如果與上位機的通訊和數(shù)據(jù)傳遞也由集成控制系統(tǒng)完成,必然會影響到控制過程的實時性,采用的獨立采集系統(tǒng)可以解決這一問題。

          2)簡化集成控制系統(tǒng)硬件電路復(fù)雜程度。為了分析和比較控制邏輯,需要采集一些控制邏輯本身不要求的信號,例如制動過程中四個輪缸的制動壓力信號和五輪儀輪速信號。采用獨立采集系統(tǒng)就可以簡化集成控制系統(tǒng)電路的復(fù)雜性,試驗成功后,根據(jù)產(chǎn)品的要要,進(jìn)行少量的修改,就可以方便地應(yīng)用到實際產(chǎn)品中。

          3)將試驗結(jié)果傳送至上位機,可以充分利用其強大的數(shù)學(xué)運算能力,充足的存儲空間,更加直觀、準(zhǔn)確的分析和完善控制邏輯。

          與集成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集信號相比,與上位機通訊的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)增加了四個車輪制動管路壓力的采集和五輪儀輪速的采集,同時利用MC9S12DP256 自帶的串行通訊接口(RS232),設(shè)計了與上位機的串行通訊發(fā)送完成中斷服務(wù)程序。

          五輪儀輪速信號采集同樣基于測周法原理進(jìn)行,利用五輪儀脈沖上升沿中斷記錄兩次主計時值,相減便可得到脈沖周期值。與集成控制系統(tǒng)輪速采集程序不同的是利用了MC9S12DP256 不帶保持緩沖區(qū)的輸入捕捉端口。

          同時課題組利用C++ Builder 開發(fā)了配套的集成控制系統(tǒng)上位機數(shù)據(jù)采集處理程序,可實現(xiàn)與下位機的通訊,數(shù)據(jù)的采集和顯示,圖表顯示,讀取和清除故障碼,數(shù)據(jù)保存,傳感器標(biāo)定,數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換等功能。如圖9 所示。


          圖9 上位機數(shù)據(jù)采集和分析處理程序界面

          試驗數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的流程框圖見附件2。

          6. 結(jié)束語

          系統(tǒng)的集成化包括結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化,性能一體化和控制一體化,這三點在本次設(shè)計的ABS/ASR/ACC 集成控制系統(tǒng)中都得到很好的體現(xiàn)。

          1)結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化:形成了ABS、ASR、ACC 執(zhí)行機構(gòu)的共用,ASR 驅(qū)動輪制動壓力調(diào)節(jié)是利用ABS 壓力調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的,ACC 的控制也建立在ABS 和ASR 執(zhí)行機構(gòu)的基礎(chǔ)上,無需再對車輛制動系統(tǒng)另行改裝。另外,應(yīng)用一個MCU 實現(xiàn)了三者控制邏輯的集成,形成了電子控制裝置的一體化。

          2)性能一體化:實現(xiàn)了ABS、ASR、ACC 彼此間的功能完善,優(yōu)化了子系統(tǒng)的性能。例如利用ACC 車距傳感器可獲得的主車與主目標(biāo)車輛的相對車距和相對車速的信息,利用ABS 輪速傳感器獲得的主車行駛的絕對速度信息,從而可獲得前方主目標(biāo)車輛的絕對車速,便于對前方主目標(biāo)車輛行駛狀況準(zhǔn)確的判斷。在ACC 起作用期間,如果實際車距小于理想安全車距(例如巡航過程中突然有車輛并線),駕駛員未及時采取處理措施,為保證行駛安全,集成系統(tǒng)立即實施主動制動,使車輛減速,在這一過程中利用ABS 功能提高了車輛的穩(wěn)定性,這樣就更加增加了汽車的行駛安全性。

          3)控制一體化:ABS、ASR 和ACC 子系統(tǒng)控制的實質(zhì)就是對以調(diào)節(jié)車輪輪缸壓力為目標(biāo)的制動干預(yù)模式和以調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出力矩為目標(biāo)的節(jié)氣門開度兩種控制方式適當(dāng)組合和合理控制的結(jié)果。ABS/ASR/ACC 集成ECU 實現(xiàn)了傳感器信號的共享,形成了軟件控制系統(tǒng)中的信號處理、參考車速計算、路面識別、車輛運動狀態(tài)的識別和執(zhí)行機構(gòu)動作公用模塊。實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相結(jié)合的控制一體化。

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