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汽车电控设计

汽车（底盘）电控系统设计

摘要：

汽车底盘系统是一个模型阶次高、输入输出变量多的有机整体，因此针对整个底盘系统设计单一的控制器是不可行的。

本文对典型的汽车底盘ABS、ESP、ASR三电控系统的集成控制策略进行了探索。

首先，对电控变速器做了简单的分析。

其次，对比较成熟的ABS、ASS两个典型的底盘电控系统的控制策略和控制方法进行了解析，最后，分析三个典型控制系统集成控制存在的矛盾冲突因素，提出集成控制策略并运用ADAMS／Car-MATLAB／Simulink联合仿真技术，在多体系统动力学模型基础上验证了控制策略的有效性。

关键词：

ABSASR传感器控制单元

Abstract

Automotivechassissystemisamodelorderishigh,inputandoutputvariablesandmoreorganicwhole,andthereforefortheentirechassissystemdesignsinglecontrollerisnotfeasible.Inthispaper,anintegratedcontrolstrategytypicalcarchassisABS,ESP,ASRthreeelectroniccontrolsystemareexplored.First,thedevelopmenttrendofelectronicchassiscontrolsystemandintegratedcontrolideaswereanalyzed.Secondly,morematureABS,ASStwotypicalcontrolstrategiesandcontrolmethodschassiselectroniccontrolsystemwereresolved,finally,factoranalysisconflictsintegratedcontrolofthreetypicalcontrolsystem,proposesanintegratedcontrolstrategyandtheuseofADAMS/Car-MATLAB/Simulinkco-simulationtechnology,multi-bodysystemdynamicsmodelbasedontheverificationoftheeffectivenessofthecontrolstrategy.

1前言…………………………………………………………………………………1

1.1本次毕业设计的意义和目的……………………………………………………5

2自动变速器的类型……………………………………………………………..5

1.3电控自动变速器的基本组成……………………………………………………8

1.4电控自动变速器的优缺点…………………………………………………….9

1.5自动变速器电子控制系统……………………………………………………..10

1.6电子控制单元…………………………………………………………………..13

1.7电控自动变速器的工作原理………………………………………………….15

1.8第二章电控防抱死制动系统（ABS）…………………………………….20

2.1ABS的理论基础……………………………………………………………….20

2.2ABS产生及在汽车上的应用…………………………………………………….22

2.3ABS制动防抱死系统的过程……………………………………………………22

2.4ABS优点…………………………………………………………………………25

2.5ASR系统……………………………………………………………………….26

2.6ASR系统的理论基础…………………………………………………….26

2.7ASR系统与ABS系统的比较………………………………………………26

2.8组合方式的ASR制动压力调节器……………………………………………27

2.9EBD装置（电子制动力分配系统）……………………………………………28

3.1电控悬架系统…………………………………………………………………29

3.1传统悬架对汽车性能的影响………………………………………………29

3.3悬架的分类…………………………………………………………………30

3.4悬架控制系统的基本组成……………………………………………….31

3.5悬架系统的高度控制…………………………………………………..32

3.6电脑可提供的控制功能及控制特点……………………………………..34

4.1汽车电动助力转向系统……………………………………………………37

4.2传统转向系统的缺点………………………………………………………..37

4.3助力转向系统………………………………………………………………….37

4.4转向系统的分类…………………………38

4.5反力控制式助力转向系统的工作过程……………………………………….39

4.6电动助力转向系统结构…………………………………………………40

4.7车速传感器………………………………………………………………41

5.1驱动防滑系………………………………………………………………42

5.2滑转与滑转率Sz……………………………………………………..43

5.3ASR系统控制类型…………………………………………………………44

5.4ASR系统的工作原理…………………………………………………..45

5.5ASR系统的主要组成元件……………………………………………….45

5.6典型ASR系统……………………………………………………………

6结论………………………………………………………………………….

参考文献……………………………………………………………………..

致谢……………………………………………………………………………

附件………………………………………………………………………………

1前言

自从20世纪80年代以来，为了提高汽车性能，人们开发了各种各样的底盘电子控制系统，如ABS（防抱死制动系统）、ASS（主动悬架系统）、EPS（电子助力转向）、ESP（电子稳定程序）、ASR（驱动防滑控制）、ACC（自动巡航控制）等。

汽车底盘系统是一个模型阶次高、输入输出变量多的复杂系统，因此针对整个底盘系统设计单一的控制是不可行的，故而上述各系统也都是针对汽车不同的功能子系统而设计的控制器。

然而，汽车底盘系统是一个有机整体，随着车辆底盘系统复杂程度及人们对车辆性能要求的日益提高，单系统的控制已经无法兼顾整车性能的提高。

而且，因汽车各个方向的运动并非独立，各个子系统控制目标之间是相互联系、相互影响的，当各个子系统按照各自不同的性能指标达到最优的控制效果时，这些可控子系统的简单组合并不能获得良好的整体性能，各系统的“组合运用”会导致如下问题：

（1）各个控制系统的控制目标不一致，如ASS的主要控制目标是舒适性，ESP的主要控制目标是操纵稳定性，将两者“组合运用”时会由于控制目标不一致而冲突；

（2）各个控制系统对执行器的控制存在干涉，如制动器同时受到驾驶员、ABS和ESP等的控制；（3）系统的冗余如传感器、线束冗余较大等问题。

因此需要对各个系统进行集成控制才能提高整车综合性能。

汽车底盘动力学集成控制是国际汽车研究领域的热点问题之一。

因为它有着传统控制无法比拟的优点，具体如下：

（1）消除各系统间的冲突，改善车辆性能：

集成控制能通过一定措施协调控制目标间的不一致，消除可能存在的冲突和干涉，进而改善车辆性能；

（2）减少传感器，降低系统复杂性：

控制系统所需要的部分传感器信号是相同的，可以通过集成实现传感器共享。

另外随着底盘电控系统数量的不断增加，控制器、传感器和执行器都大大增多，造成电子线路复杂，布局混乱，成本上升，还造成检修和维护的困难。

集成控制从系统工程的角度，整合现有的控制器，简化系统结构，大大降低系统的复杂性。

在汽车底盘集成控制方面，日本以及欧、美等一些发达国家的车行业研究得比较早，积累了很丰富的经验，也有比较成型的产品面世。

而我国不论在控制策略还是集成控制技术方面都相对较晚，目前也没有国产化的集成控制产品问世。

日本较早开始研究底盘集成控制。

在1987年研制的日产ARC．X车上就有了集成控制系统。

而在丰田的FXV-II研究实验车上装备有主动悬架ASS、四轮驱动4WD、四轮转向4WS、ABS和牵引力控制系统TCS，控制器按照驾驶员意图，根据二定的控制规律控制执行器，以达到优化整车性能的目的。

Continental公司在ESP的基础上增加主动转向系统，开发了ESPII-31，其中集成了ABS、TCS、DYC（DirectYawMomentControl，横摆力矩控制系统）和AFS（AdaptiveFrontLightingSystem，自适应前照灯系统）等控制系统。

最基础的控制能力如制动防抱死、驱动防滑及转向功能依然由底层的ABS、TCS和AFS独立完成。

汽车的转向稳定性功能则由ESPII控制层统一管理，ESPII通过网络获得AFS、ABS、TCS和ESP的所有信息，并通过网络向这些系统传达控制指令。

ESPII比ESP有着更好的性能，在附着系数分离路面上能缩短制动距离，减少驾驶员转向输入，在换道试验时也减小了驾驶员输入，提高了车辆的稳定性。

Bosch公司正在开发车辆动力学管理系统VDM（VehicleDynamicsManagement），该系统是在车辆动力学控制系统VDC（VehicleDynamicsContr01）的基础上增加了转向和悬架控制系统，通过控制策略将所需的横摆力矩合理分配到制动、转向和悬架控制系统中。

同样Delphi公司开发了类似的统一底盘控制系统UCC（UnifiedChassisControlSystem）pJ。

国内学者在底盘集成控制技术方面也做了不少研究，如牛礼民等对多智能体理论在车辆底盘集成控制中的应用做了阐述，为车辆底盘系统的集成控制提供了一种新的理论方法和途径。

沈晓呜、喻凡等对基于广义执行器～受控对象的车辆底盘集成控制进行了研究，邱绪云对汽车底盘集成控制液压系统进行了研究，武建勇等对提高车辆操纵稳定性的底盘集成控制系统进行了设计与方法研究，王伟等对无人驾驶电动游览车底盘集成控制进行了研究。

下面主要以大众途锐轿车作为主要研究对象进行分析讲解，首先讲解大众途锐汽车底盘中的电控无级变速器，大众途锐汽车采用的是由日本知名制造商AISIN研制的09D-6档变速器该变速器设计结构紧凑能够减少油耗及废气排量起步加速度值增高并且大大降低了噪音，其工作参数如表1-1所示。

表1-1大众途锐09D变速器的工作参数

2电控自动变速器

2.1电子控制式自动变速系统的优点

驾驶操纵简便轻便，提高整车性能，高速节约燃油和减少污染。

如图2-1-1所示为大众途锐轿车的电控变速器的结构原理图和图2-1-2为大众途锐变速器的扭矩图。

图2-1大众途锐自动变速器结构原理图

图2-2大众途锐09D变速器的扭矩图

2.2电控自动变速器的基本组成

电子控制液力传动式自动变速器由液力传动装置、机械辅助变速装置和自动控制系统三大功能部分组成，如图2-2-1所示。

图2-2-1电控变速器的组成简图

1液力传动装置

液力传动装置（液力变矩器）通过液力传动将发动机飞轮输出的功率输送给齿轮变速器。

液力变矩器可在一定的范围内实现增矩减速和元级变速，在必要时还可通过其锁止离合器锁止来提高传动效率。

2辅助变速装置

辅助变速装置包括齿轮变速机构和换档执行机构两部分，其作用是进一步增矩减速，通过换档实现不同的传动比传动，以提高汽车的适应能力。

齿轮变速器与液力变矩器相配合，就形成了更大范围内的自动变速。

3自动控制系统

自动控制系统包括电子控制系统和液压控制系统两部分。

电子控制系统包括相关的传感器及开关、电子控制器（ECU）及电磁阀，液压控制系统是安装在自动变速器阀体内的各种液压阀及控制油路。

ECU根据各传感器及有关开关的输入信号产生相应的电控信号控制各电磁阀的动作，再通过换档阔及阀体中的各油路转换为相应的控制油压，实现对换档执行机构、油压调节装置及液力变矩器锁止装置等的自动控制。

2.3自动变速器电子控制系统的功用

自动变速器电子控制系统由信号输入装置（传感器、控制开关）、电子控制单元（ECU）、执行机构等三部分组成，如图2-2-1所示。

电子控制系统的基本作用是将车速传感器、节气门开度传感器等的检测信号和换挡程序选择开关信号输入给电控单元，电控单元经过计算处理后，根据预先编写的换挡程序，确定档位与换挡点输出换挡指令，控制电磁阀线圈电流的通断，自动切换换挡元件的油路，实现自动换挡。

此外，系统还具有变矩器锁止控制、油压调节、故障自诊断与故障安全保护等功能。

图2-3-1大众途锐自动变速器的控制电路。

图2-3-1自动变速器的控制电路图

车速传感器位于行星齿轮变速器壳上，通过输出轴主动齿轮上的脉冲叶轮，用电磁感应方式检测车速信号，此信号用于ECU换挡控制，并控制变矩器的锁止和控制速度调节装置。

此信号中断后，ECU用发动机转速信号作为代用信号，锁止离合器失去锁止功能。

图2-3-2停车制动开关

2.3.1停车制动开关、电子控制单元、执行机构

停车制动开关是安装存制动踏板支架上，如图2-3-2所示。

当踩下制动踏板时开关接通，ECU根据制动开关信号，松开变距器锁止离合器，同时停车灯亮。

除了上述各种传感器之外，自动变速器的控制系统还将发动机控制系统中的一些信号，如发动机转速信号、发动机冷却液温度信号、大气压力信号、进气温度信号等，作为控制自动变速器的参考信号。

自动变速器电子控制器（ATECU）根据各个传感器及控制开关的信号和其内部设定的控制程序，经运算和分析后，通过各执行机构进行自动换档、变速器油压调节及变矩器锁止等控制。

自动变速器ECU通常有与其他控制系统ECU互相传递所需的信号，以实现各个控制系统的互相协调控制。

一些车型的自动变速器控制与发动机电子控制系统用—个ECU进行控制，使得自动变速器和发动机的控制相互匹配更好。

自动变速器电子控制系统主要的执行机构是电磁阀和故障指示灯。

电磁阀将ECU输出的电控信号转变为相应的液压控制信号，使相关的液压执行元件动作，从而完成自动变速器的各项自动控制。

电磁阀根据功能的不同可以分为换档电磁阀、锁止离合器电磁阀和油压电磁阀。

根据工作原理的不同可以分为开关式电磁阀和占空比式（脉冲线性式）电磁阀。

不同的自动变速器使用的电磁阀数量不同，一般为3-8个不等。

例如上海通用的4T65-E自动变速器电控系统有4个电磁阀，其中2个是换档电磁阀、1个是油压电磁阀、1个是锁止离合器电磁阀。

而一汽大众的01M自动变速器电控系统则采用7个电磁阀。

绝大多数换档电磁阀是采用开关式电磁阀，油压电磁阀是采用占空比式电磁阀，而锁止离合器电磁阀采用开关式的和脉冲线性式的都有。

2.3.2开关式电磁阀的作用是打开或关闭液压油路，通常用于控制换挡阅及液力变矩器锁止控制阀的工作。

开关式电磁阀由电磁线圈、衔铁、复位弹簧、阀芯和阀球等组成，如图2-3-3所示，它有两种工作方式，一种是使油路油压上升或使油路泄压，当电磁线圈不通电时，阀芯被油压推开，打开泄油孔，油路的液压油经电磁阀泄空；当电磁线圈通电时，电磁力使阀芯下移，关闭泄油孔，使油路压力上升。

另一种是开启或关闭某一条油路，即当电磁线圈不通电时，油压将阀芯推开，阀球在油压作用下关闭泄油孔，打开进油孔，使主油路压力油进入控制油道；当电磁线圈通电时，电磁力使阀芯下移，推动阀球关闭进油孔，打开泄油孔，控制油道内的压力油由泄油孔泄空。

排出

1

2

5

4

3

大

大

油路压力

通电电流

（占空比）

1-ECU2-节流口3-主油路4-控制油路5-泄油口6-电磁线圈7-衔铁和阀芯

（a）结构示意图

（b）占空比调节曲线

1-滑阀2-电磁线圈3-弹簧4-控制阀5-滑阀轴

图2-3-3关闭式电磁阀

图2-3-4脉冲式电磁阀

2.3.3脉冲线性式电磁阀

脉冲线性式电磁阀与开关式电磁阀类似，也是有电磁线圈、滑阀、弹簧等组成，如图2-3-4所示。

它通常用于控制油路的油压，有的车型的锁止离合器也采用此种电磁阀控制。

与开关式电磁阀不同的是，控制脉冲线性式电磁阀的电信号不是恒定不变的电压信号，而是一个固定频率的脉冲电信号。

在脉冲电信号的作用下，电磁阀不断开启、关闭泄油口。

ECU可通过输出不同占空比的控制脉冲信号来控制变矩器锁止离合器的接合力大小和接合速度，使锁止离合器的接合力渐渐增大，使接合过程更加柔和。

此外，在汽车行驶工况接近变矩器锁止条件时，脉冲式电磁阀控制形式可实现滑动锁止控制（半接合状态），以提高变矩器的传动效率。

脉冲线性式电磁阀有两种工作方式，一是占空比越大，经电磁阀泄油越多，油压就越低；另一种是占空比越大，油压越高。

由于脉冲控制方式具有良好的变矩器锁止控制特性，因此，在现代汽车电子控制自动变速器中的应用已越来越多。

2.4电控自动变速器的工作原理

2.4.1电控自动变速器自动换挡的工作过程

随着汽车电子技术的发展，自动变速器电子控制系统的功能不断加强和完善，其具有换挡正时控制、油压控制、换挡平顺性控制、液力变矩器锁止离合器控制、发动机制动控制、自诊断和失效保护等多项功能。

图2-4-1所示为常见四档自动变速器的自动换档图，具有如下特点

图2-4-1常见四档自动变速器的自动换档图

（1）节气门开度越小，汽车的升挡车速和降挡车速越低，反之，节气门开度越大，汽车的升挡车速和降挡车速越高。

（2）换挡规律具有降挡滞后的功用，即汽车升挡点和降挡点是不同的，在节气门开度不变的情况下，降挡车速低于升挡车速，两者之间的差值称为“滞后”。

这样，可避免汽车在行驶过程中“循环跳挡”

（3）实现自动换挡的过程如图2-4-2所示

图2-4-2自动换档控制过程

2.4.2油路压力控制

（1）节气门开度变化时的主油路油压控制

控制系统中的主油路油压是由主调压阀来调节的，某些自动变速器保留了由节气门拉线控制的节气门阀，并让主调压阔的工作受控于节气门阀产生的节气门油压，使主油路油压随着发动机负荷的增大而增加，以满足离合器、制动器等换挡执行元件传递大力矩时对工作压力的。

油压电磁阀是一种脉冲线性式电磁阀，控制单元根据节气门位置传感器测得的节气门的开度，计算并控制油压电磁阀的脉冲电信号的占空比，以改变油压电磁阀排油孔的开度，产生随节气门开度变化的油压，即节气门油压。

节气门开度越大，脉冲电信号的占空比越小，油压电磁阀的排油孔开度越小，节气门油压越大。

这一节气门油压被反馈至主油路调压阀，作为主油路调压阀的控制压力，使主油路调压阀随着节气门开度的变化调节主油路油压的大小，以获得发动机不同负荷下的主油路油压最佳值，并将驱动油泵的动力损失减少到最小。

控制单元还能根据空挡起动开关的信号，在选挡杆处于倒挡位置时，提高节气门油压，使倒挡时的主油路油压升高，以满足倒挡时对主油路油压的需要，如图2-4-3所示。

图2-4-3节气门开度与主油路油压的关系

图2-4-5换档对主油路油压的修正

（2）档位变化时的主油路油压控制

除了正常的主油路油压控制之外，控制单元还可以根据各个传感器测得的自动变速器的工作条件，在一些特殊情况下，对主油路油压作适当的修正，使压力控制获得最佳的效果。

如图2-4-5所示。

（3）变速器低油温的主油路油压控制

控制单元还可以根据变速器油温传感器的信号，在油温未达到正常温度时（低于60oC），将主油路油压调整为低于正常值，以防止因液压油在低温下黏度较大而产生换挡冲击；当油温过低时（低于-30oC），控制单元使主油路油压升到最大值，以加速离合器、制动器的接合，防止变速器油因低温黏度过大而使换挡过程过于缓慢。

另外，在海拔较高时，发动机输出功率降低，控制单元将主油路油压控制为低于正常值，避免换挡时产生冲击。

2.4.3液力变矩器锁止离合器控制

液力变矩器中锁止离合器的工作是由控制单元控制的，控制单元按照设定的控制程序，通过锁止电磁阀来控制锁止离合器的接合或分离。

锁止离合器的最佳控制程序应当即能满足自动变速器的工作要求，保证汽车的行驶能力，又能最大限度地降低燃油消耗。

锁止离合器在各种工作条件下的最佳控制程序被存储于控制单元的存储器中，控制单元根据自动变速器的挡位、控制模式等工作条件从存储器中选择出相应的锁止控制程序，再将车速、节气门开度与锁止控制程序进行比较，当车速足够高，且其他各种条件均满足锁止要求时，控制单元向锁止电磁阀输出电信号，使锁止离合器接合，实现液力变矩器的锁止，如图1-15所示。

图2-4-6液力变矩器锁止离合器控制过程

为保证汽车的行驶性能，在变速器油温度低于60oC或车速相对较低，且怠速开关接通时，禁止锁止离合器接合。

此外，在制动踏板踩下时，对已锁止的离合器实施分离，以切断发动机与传动系的机械连接，防止发动机熄火。

2.4.4发动机制动控制

自动变速器的强制离合器和强制制动器（为利用发动机制动而设置的执行元件）的工作也是由控制单元通过电磁阀来控制的，控制单元按照设定的发动机制动控制程序，在选挡杆位置、车速、节气门开度等因素满足一定条件，如：

选挡杆位于前进低速挡位置，且车速大于100km/h，节气门开度小于1/8时，向强制离合器（或制动器）电磁阀发出电信号，打开控制油路，离合器（或制动器）起作用，使自动变速器具有反向传递动力的能力，从而在汽车滑行时实现发动机制动。

3电控防抱死制动系统（ABS）

ABS的理论基础

1、制动性能评价指标

（1）制动效能：

汽车在行驶中，强制减速以至停车的能力称为制动效能。

（2）制动方向稳定性：

汽车在制动时仍能按指定方向的轨迹行驶，即不发生跑偏、侧滑、以及失去转向能力称为制动时的方向稳定性。

2滑移率的定义

S=[（V－Vω）/V]×100%

干燥硬是的路面附着系数与滑移率的关系如图2-1所示

图2-1

ABS产生及在汽车上的应用

1、组成

传感器——车速传感器

ECU、执行机构——制动压力调节器

2、原理

由轮速传感器测得与车轮转速成正比的交流信号，送入ECU，并计算出车轮速度、滑移率、车轮减速度，经控制单元加以分析后，给压力调节器发出制动压力控制指令。

若系统出现异常时，点亮ABS故障灯，恢复至常规制动状态。

ABS系统组成原理图如图2-2所示

ABS系统组成原理图2-2

ABS制动防抱死系统包括哪些部件如图2-3所示。

ABS制动防抱死系统的工作过程如图2-4所示。

1建压过程当踩下制动踏板时，制动总泵液压升高，此时常开阀打开，常闭阀关闭，制动压力进入车轮制动器，车轮速度迅速降低，直到ABS电子控制单元通过轮速传感器得到的信号是别出车轮有抱死的倾向时为止。

2保压过程ABS电子控制单元通过转速传感器得到的信号识别出车轮有抱死的倾向时，即向液压控制单元发出控制信号常开阀关闭，此时常闭阀关闭，使制动器中的压力保持不变。

3降压过程如果在保压阶段，车轮抱