汽车侧向稳定性控制器的设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣 414951605 下载文档送全 套 CAD 图纸 扣扣 1304139763 本科学生毕业设计 汽车侧向稳定性控制器的设计 院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 07-2 班 学生姓名： 刘平艺 指导教师： 张金柱 职 称： 教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二一一年六月 下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣 414951605 下载文档送全 套 CAD 图纸 扣扣 1304139763 The Graduation Design for Bachelors Degree Lateral Stability Controller Design for A Car Candidate： Liu Pingyi Specialty： Vehicle Engineering Class： B07-2 Supervisor： Prof. Zhang Jinzhu Heilongjiang Institute of Technology 2011-06 Harbin 下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣 414951605 下载文档送全 套 CAD 图纸 扣扣 1304139763 黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 基于汽车主动制动侧向稳定系控制系统，使用的是汽车实际横摆角速度与驾驶员期望值的差值来判定汽车的稳态，同时引 入了车辆质心侧偏角与经验值进行比较得到了另个一关于汽车转弯稳定的安全系数，希望由此改善和提高汽车在转弯过程中的操纵稳定性。 侧向稳定性控制系统 判定 车身状态不稳定时，可能是转向不足或者是转向过多。当 转向不足 时系统将 制动内侧后轮， 转向严重不足时，同时制动多个车轮；当出现转向过多时，系统将制动外侧车轮， 从而稳定车辆 ，保证驾驶员和乘客的安全。 为了提高汽车侧向稳定性控制这个目标，在控制过程中使用了汽车轮速传感器、方向盘转角传感器、横摆角和 G 传感仪等信号源，控制部分包括制动增压电机、两个吸入电磁阀、两个隔离电磁阀、四 个车轮的增压和减压电磁阀。通过相关算法，初步确定汽车稳定和各个信号之间的关系，并实现侧向稳定性的初步控制。 关键词 ：侧向稳定性；横摆角；转向不足；转向过多；制动；电磁阀 黑龙江工程学院本科生毕业设计 II ABSTRACT Active braking lateral stability based on cars, use of control system is car actual yaw-rate expectations and drivers to determine the difference in value of car, and introduced the steady-state traffic PianJiao and experience value centroid side got another comparison about turning a stable security coefficient car, hope this improvement and improve automobile in turning process manipulation stability. Lateral stability control system determine body state unstable, may be understeering or move on to too much. When understeer medial rear brake system when will seriously insufficient, steering wheel, and braking when more than； When there is too much, the system will be steering wheels, and brake lateral stability vehicles, ensure the safety of drivers and passengers. In order to improve the car lateral stability control this goal, in process control the automobile wheel speed sensors will be uesd, steering wheel Angle sensor, yaw angles and G sensing devices such as signal source, the control part includes braking pressurization motor, two inhaled solenoid valve, two separate solenoid valve, four wheels of intensification and decompression solenoid valves. Through the related algorithm, preliminarily determined each signal car stability and the relationship between the lateral stability, and realize the preliminary control. Key words: Lateral stability； Yaw angles； Understeer； Steering overmuch； Braking； Electromagnetic valve 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 侧向稳定性控制器的研究意义 . 1 1.2 侧向稳定性控制器的优点 . 1 1.3 国内、外的现状 . 2 1.4 研究内容 . 3 第 2章 侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法 . 4 2.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成 . 4 2.1.1 汽车侧向稳定性控制系统的工作原理 . 4 2.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理 . 6 2.1.3 质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系 . 6 2.1.4 横摆角与汽车稳定性控制的联系 . 7 2.2 横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略 . 9 2.2.1 阀门值 和 Y+、 Y-的确定 . 9 2.3 控制算法设定占空比 . 11 2.4 本章小结 . 11 第 3章 硬件系统的选择与设计 . 12 3.1 控制器硬件系统概要 . 12 3.2 传感器的选择与电路设计 . 13 3.2.1 轮速传感器的选择与电路设计 . 13 3.2.2 方向盘转角传感器的选择 . 14 3.2.3 横摆角和 G 传感器总成的选择 . 15 3.3 液压电磁阀回路系统 . 15 3.3.1 液压控制单元结构 . 15 3.3.2 液压电磁阀控制回路 . 16 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.3.3 驱动电路的设计 . 17 3.3.4 驱动电路图 . 18 3.4 飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机 . 18 3.4.1 飞思卡尔 S12 芯片 A/D 转化模块特点： . 19 3.4.2 PWM 的主要特点 . 19 3.5 本章小结 . 20 第 4章 软件设计 . 21 4.1 软件设计总体思路 . 21 4.2 方向盘转角（前轮转角）信号的采集 . 22 4.3 横摆角信号与侧向加速度信号的采集 . 22 4.4 轮速信号采集 . 23 4.5 PWM 寄存器设置 . 24 4.6 判断稳定系控制程序的编写 . 25 4.7 本章小结 . 28 第 5章 实验与分析 . 29 5.1 程序的下载 . 29 5.2 测试 A/D、 PWM 和 I/O . 32 5.3 侧向稳定性控制的实验 . 32 5.4 实验分析和结论 . 34 5.5 本章小结 . 35 结 论 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 附 录 . 39 附录 A 外文文献 . 39 附录 B 外文文献中文翻译 . 45 附录 C 程序 . 50 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 买文档送全套 CAD 图纸，扣扣 414951605 第 1 章 绪论 1.1 侧向稳定性控制器的研究意义 在汽车数量急剧增长的今天，汽车安全性能越来中重要了，随着汽车使用率的增加 ，汽车交通事故率也随之直线上升。在很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控。例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。 侧向稳定性控制器通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量 (简单理解为车身倾侧的程度 )，当车辆出现失控趋势时，对特定的车轮给予额外的制运力，甚至通过调整车辆的牵引力，务求以最大的程度保持住车轮的附着力。在侧向稳定性控制器的默默工作下，车辆遇到险情时往往能够化险为夷。对于普通驾驶者 而言，侧向稳定性控制器显得格外重要。 当汽车进行蛇形线路测试的时候就可以有效避免汽车的翻转。侧向稳定性控制系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要侧向稳定性控制系统来拯救生命，减少、减轻意外交通事故的发生。 1.2 侧向稳定性控制器的优点 侧向稳定 性控制 系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度）、车轮传感器（监测各个车轮的速度转动）、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态）、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令 ，侧向稳定性控制器能有效的增强了汽车的安全性能。 (1)能控制启动防滑，有效加速启动，在加速阶段使汽车得到最大的驱动力 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 (2)制动防抱死，防止汽车出现因制动抱死而失去转向控制，有效减少制动距离。 (3)横摆力矩的控制，有效避免超速时的转弯不足和过多转 向，极大的减少了车辆因转向过多而侧翻以及因转向不足而冲出弯道引发的交通事故。 1.3 国内、外的现状 汽车侧向稳定性控制器的研究是从 ABS 开始的。 ABS 在 20 世纪 80 年代开始得到广泛应用，目前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术。国内对 ABS 的研究始于 80年代初，国内研制 ABS 的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安 ABS 有限公司、陕西兴平 514 厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从 80年代初就开始研究 ABS，是较早研究 ABS 的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收， 如将德国瓦布科公司的 ABS 装于 EQl45 型汽车上进行各种试验。重庆公路研究所相继开发出了两代 ABS 产品，第一代 ABS 的 ECU 采用了 280 芯片。第二代 ABS 产品为 FKX AC I 型，该装置的 ECU 中的 CPU 微处理器采用了美国 INTEL公司的 MCS 96 系列 8098 单片机，但距离满足实际应用仍有一定的差距。 1998 年，重庆聚能汽车技术有限公司在国内首家推出适合中国国情的电子式 ABS 防抱装置，现已达到年产 50 万套的生产能力，是我国国内最大的 ABS 生产基地。 电子稳定程序 (ESP)是 90 年代初由德国奔驰公司开发的车 辆稳定系统。从 1995年至今，伴随着理论研究的不断深入和电子技术的发展，汽车稳定性控制得到了很大的发展，并开始作为选装件安装在一些中高档轿车上。德国 BOSCH 公司一直是这方面技术的领先者，无论是 ABS ASR 还是更先进的 ESP 系统，技术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应 ABS ASR ESP 系统。 1995 年，博世成为首家把 ESP 投入量产的公司，早在 1983 年，博世的工程师就通过优化的 ABS 控制系统来增强车辆在全力制动时的稳定性，博世在 1987 年注册了相关的专利， 1991 年博世同戴姆勒 -克莱斯勒公 司开始联合开发该项目基地。 1995 年 3 月电子稳定控制系统开始批量生产。同年，ESP 成功用于梅赛德斯 -奔驰汽车的 S 级车型上。在接下来的数年里，博世不断优化 ESP的设计使得 ESP 开始广泛占领了轿车市场。 目前，全球有 6 家汽车零部件制造商生产 ESP，他们是德国的博世，日本电装，日本爱信精工，德国大陆 Teves,美国德尔福，美国 TRW。 国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，而且由于缺少试验条件，研究还不十分深入，现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、 上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 1.4 研究内容 本次研究的内容为汽车侧向稳定性控制器的设计，主要研究内容如下： （ 1） 研究 汽车侧向稳定性控制器 的 硬件 结构 和工作 原理 ，了解各个传感器（横摆角速度传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、方向盘转角传感器）、执行器（ ABS泵电磁阀）的功能、驱动方法（电压、电流、频率范围）等。 （ 2）根据设计要求和硬件条件，设计合适的扩展电路， （ 3） 针对汽车 侧向稳定性控制器的设计要求， 设计以单片机为核心的 侧向稳定性控制系统，编写控制程序。 （ 4） 开发完成 软件和硬 件 控制器 ,进行技术指标的针对性的 试验 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法 2.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成 图 2.1 侧向稳定性控制器结构组成 控制器主要包括三部分：信号输入、计算控制、响应输出三部分。 信号输入包括：前轮或方向盘转角信号、横摆角速度信号、侧向角速度信号、 4个车轮转速信号、主缸压力信号等。 计算控制部分主要由飞思卡尔 S12xs128 单片机处理信号输入，做出分析，然后 判断输出，达到控制的目的。 输出响应部分包括： 4个增压阀（常开）、 4个减压阀（常闭）、 2 个吸入阀（常闭）、2 个隔离法（常开）、 2个吸入泵、 1 个电机。 2.1.1 汽车侧向稳定性控制系统的工作原理 汽车稳定性 控制系统的 ECU 根据方向盘转角传感器和 车速信号，通过计算来 判断驾驶员的驾驶意图，计算出理想的车辆运行状态值。 ECU 根据检测得到的实际车辆状态与理想车辆状态的误差，通过一定的控制逻辑计算出可以使车辆恢复稳定的汽车横摆力矩，然后通过控制液压调节器的电磁阀开关动作调节制动系统各制动轮缸的压力来实现所需要的汽车横摆 力矩。改变后的车辆运行状态由传感器测量到 ECU，然后再进行下一循环的控制，从而使汽车保持稳定。这就是汽车稳定控制的一般工作原理。 下面以在低附着路面上紧急换道时的情况为例进行详细说明。图 2.1 和图 2.2 分信号输入 计算控制 传感器 控制输出 执行器 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 别为不施加稳定性控制和施加稳定性控制时车辆的运行情况。图 2.1 中， 1 为汽车直线行驶，没有施加稳定性控制的车辆驾驶员向左打方向盘 2 进行换道操作，由于路面的摩擦系数不能提供足够的侧向力，于是在位置 3 时发生了过度转向。这时车辆急速沿逆时针方向旋转，为了弥补这种过度转向，驾驶员在位置 4 时向右急打方向盘作为补偿，由 于补偿过度车辆又在位置 5 时发生了过度转向，使得车辆急速沿顺时针方向旋转。由于此时车辆的质心侧偏角很大，驾驶员通过方向盘对车辆的控制效果不明显，从而引起慌乱，于是车辆失去控制而甩出。 图 2.1 不施加汽车稳定控制的车辆在低附着路面上紧急换道 由图 2.2 中可以看出，施加稳定性控制的车辆驾驶员向左打方向盘 2 进行换道操作，同样在位置 3 时发生了过度转向，汽车稳定控制系统检测到车辆发生了不稳定状态，于是通过对液压调节器的调节使车辆产生抵消当前过度转向趋势的沿顺时针方向的横摆力矩，使车辆尽量按照驾驶员的操作来运行。 在位置 4 时驾驶员向右打方向盘完成换道操作，在位置 5 时又发生了不稳定情况，汽车稳定控制系统通过施加逆时针方向的汽车横摆力矩纠正了不稳定趋势。因此，尽管路面附着系数比较低，但在汽车稳定控制系统的辅助下车辆还是比较好地依照驾驶员的意图完成了换道操作。可见，汽车稳定控制在保障汽车稳定方面具有很大的优势。一般认为，安装汽车稳定控制系统相对于没有安装在以下几种情况下具有明显效果：紧急移线或在低附着路面上移线；移线过程中突然制动；在幅值很大的方向盘转角下连续躲避障碍；转向时伴随着加速或制动。 图 2.2 施加汽车稳定 控制的车辆在低附着路面上紧急换道 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 如上所述，当汽车行驶在路面摩擦系数较低或者紧急转向时是汽车最容易发生交通事故的工况，汽车稳定控制系统在这些比较极端的工况下具有明显的控制效果，因而可以大大提高汽车的主动安全性。 2.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理 如图 2 1 所示，车辆在制动时轮胎受到的受力分析。主要有地面对车轮产生的与车辆行进方向相反的摩擦力bF，地面对轮胎的法向反作用力ZF，同时地面还对轮胎有侧向的侧滑摩擦力SF。地面制动力bF与地面对轮胎的法向反作用力 zF 之间的比值称为纵向附着系数b。侧滑摩擦力和法向反作用力之间的比值为侧向附着系数S。 图 2.3 制动时轮胎受力图 由于法向作用力在车辆行驶的过程中保持不变，因此，车辆制动时的纵向制动力和侧向制动力与纵向附着系数b和侧向附着系数S成正比。b越大，纵向附着力越大，刹车的距离越短，S大，侧向附着力越大，车辆在制动的过程中越容易控制方向，保证车辆不会产生侧滑。 2.1.3 质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系 汽车在弯道时，由于本身就会产生横摆和质心侧偏而引起失去弯道的跟踪能力，从而跑出弯道失去控制稳定性，汽车在失去稳定的状态，受环境的影响很大，当达到极限附着力的时候，汽车的动力学性能将被改变。 汽车的侧偏力是由于路面的侧向倾斜，侧向风或者汽车沿着曲线行驶时的离心力等作用，随之使侧偏角增加。路面情况不同，将会使车轮达到极限侧偏的时间也不同，汽车达到饱和的时候侧偏角的大小也不相同，高附着系数轮胎的侧向极限比低附着系数的轮胎的极限侧偏角要大。 在本实验中，认定车轮的侧偏系数是不变的。因此汽车的质心侧偏只与车速相关。黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 相关实验证明，汽车的不稳定状态出现的时候，汽车的质心侧偏角 增加很明显，所以将质心侧偏角 引入控制范围 ，相关数据表明，在低附着系数的路面，质心侧偏对车辆的稳定性状态有很大的影响。简单的说，车辆稳定运行时，地面的附着系数越低，车辆允许的质心侧偏角就越小。质心侧偏角的定义方法如下图 2.4 所示， OXY 为汽车车身坐标系，汽车的合速度与 X 轴的夹角就是质心侧偏角 。 图 2.4 质心侧偏角示意图 质心侧偏公式如下： xy arc tan =xy （ 2.1） 质心侧偏侧偏角速度公式： t= （ 2.2） 是两个相邻控制周期质心侧偏角速度的差值， t 是 ESP 控制的周期，在这里设置为 0.1 秒。如公式（ 2.3） t-=12 （ 2.3） 2.1.4 横摆角与汽车稳定性控制的联系 与汽车稳定性紧密相关的另一个变量是横摆角速度，本设计 主要就是基于横摆仪的信号来控制车辆的稳定性的，在此前，先引入二自由度汽车模型。 为了方便控制，设计和分析中将忽略转向系统的影响，既方向盘的输入角度到前轮的转角，可以认为是等效的，同时特定的认为：汽车沿 x 轴的前进速度视为不变，汽车只有沿着 y轴的侧向运动和绕着 z轴的横摆运动。此外，汽车的侧向加速度限定在 0.4g以下，忽略左右轮胎的因载荷不同变化而引起的轮胎特性变化以及轮胎的回正力矩。因此，可以说把汽车简化为摩托车的模型，整个系统概括为：一个由前后两个黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 有侧向弹性轮的轮胎支撑地面，具有侧向及横摆运动的二自由度的汽车 模型。如下图2.5 图 2.5 二自由度汽车模型 通过二自由度汽车模型，引入理想横摆角速度 : wN LY )k+(1= 2r e fr e f（ 2.4） NY 理想横摆角速度，单位 (rad/s) ref 参考车速 ,单位 (m/s)； W 前轮转角，单位 (rad/s)； L 轴距，单位 m，在这里取 2.55m； K 系数取值范围 0.003 0.004. 其中方向盘转速与轮速之间的转换可认为是理想的，忽略方向转角与前轮转角的差值， 横摆角速度直接表征的量就是汽车的转向不足与转向过多 ,如果定义汽车实际的横摆角速度为 Y,用实际横摆角速度 Y 与理想横摆角速度NY的差值 Y 公式如下： NY-Y=Y（ 2.5） 定义横摆角速度向左为正，向右为负。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 2.2 横 摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略 在控制中，设置横摆角速度阀门值为 Y+ 和 Y- ,质心侧偏角速度 的阀门值设定为 +B和 -B，控制策略如下表 2.1。 表 2.1 控制策略 参考变量 控制策略 WY 右前 右后 左前 左后 0W +YY B + 小增 小增 小增 0W +YY -BW +Y- YY B + 小增 0W +Y- YY -BW -Y + 小增 大增 0W -YY B + 小增 小增 小增 0Y -B + 大增 小增 0W -YY -B 小增 小增 小增 +Y- YY BB- + 大增 大增 大增 大增 2.2.1 阀门值 和 Y+、 Y-的确定 通过查阅想过资料，得出横摆角速度与时间的关系。由下图可以看出，在横摆角速度在 1rad/s 时，可以作为汽车侧向稳定性控制的一个门限值。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 图 2.6 横摆角速度与时间的关系 质心侧偏角速度为 0.2rad/s 时是控制的一个阀门值，当质心侧角速度超过0.2rad/s 还不给予控制超过时间 1S 后，汽车的可能性能极大的降低了，因此设定 的阀门值为 0.2rad/s。如下图 2.7 图 2.7 质心侧偏角速度与时间的关系 图 2.8 质心侧偏角速度和横摆角速度 由上图 2.8 可以看出，质心侧偏角速度和横摆角速度有密切的联系，这两者同时控制，将极大的提高汽车的安全性能和可控性能。因此同时控制横摆角速度和质心侧偏角速度是正确的选择。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 2.3 控制算法设定占空比 在汽车行驶过程中，车速与汽车的侧向稳定性有很大的关系，基本呈线性上升，简而言之，汽车的速度越高，汽车失去稳定性控制的机会就越大。因此要求在汽车高速行驶时，对汽车的控制更加快和准，而在汽车低速时，对驾驶员而言，控制可以相对较 慢，如果高占空比高频控制，可能降低汽车的舒适性，因此设定占空比和车速成线性控制，在控制算法中称为比例控制。 具体控制流程如下图 2.9： 图 2.9 车速控制 PWM 流程图 具体公式如下： 0uD u t y 2)V-K v ( V=1 01 tyDD u t y + （ 2.6） Duty2 在初始时为 0，0V的初始值也为 0，在控制算法完成后，将本周期的 Duty1赋值给 Duty2，同时将本周期的 1V 的结果赋值给0V。 Duty0 是占空比的初始值，在表 2.1 中设置车速为 0时，小增时占空比为 20%，大增设置为 40%。 Kv 的初选值具体看第 4章程序设置。 2.4 本章小结 本章主要介绍了侧向稳定性控制器的组成、原理和工作过程，还介绍了车轮制动控制的原理和主要控制的理论方法和控制策略。为第四章软件编程做了铺垫。 控制算法 控制 PWM 占空比 Duty0 车速1V Duty2, 0VDuty1 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 第 3 章 硬件系统的选择与设计 3.1 控制器硬件系统概要 图 3.1 硬件连线 上图是本设计的主要硬件关系连接图，主要硬件以及功能如下： 1、电脑，用于编程设计 ；2、 BDM,用于连接电脑与单片机之间的通信，下载电脑的程序到单片机； 3、飞A/D I/O 笔记本电脑 BDM 飞思卡尔 S12XS128 单片机 信号放大除杂 横向拉杆位移尺 横摆角和 G 传感仪 轮速传感器x4控制信号 信号放大隔离电路 右吸入阀 左前轮减压阀 左后轮减压阀 右前轮减压阀 右后轮减压阀 左前轮增压阀 右前轮增压阀 左后轮增压阀 右后轮增压阀 左隔离阀 右隔离阀 左吸入阀 泵电机 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 思卡尔单片机，功能如下：（ 1）采集信号，有 16 路 A/D 转换功能，可产生 8 位、 10位转换结果，有 40 路 I/O 输入输出端口。（ 2）有 8 路 PWM 波形输出端口。（ 3）有多个时钟功能，总线频率 16MHZ。 4、横摆角和 G 传感仪，能测量汽车的横摆角、横向和 纵向加速度； 5、电子尺式前轮转角信号，等同于方向盘转角信号； 6、 4 个轮速传感器，供给单片机轮速信号，通过相关控制算法，得到车身状态信息； 7、 12 个制动回路电磁阀，分别是 4个车轮的制动增压、减压电磁阀 ,2 个隔离阀， 2个吸入阀， 9、制动泵。 3.2 传感器的选择与电路设计 3.2.1 轮速传感器的选择与电路设计 目前，测量车轮转动速度的一般方法是将变磁阻式磁电传感器安装在车轮总成的非旋转部分上，与随车轮一起转动的由导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈随车轮一起转动时，由于齿圈与传感器之间气隙的的交替变化，导致两者间磁 阻的变化，从而在传感器内的线圈上感生出交变的电压信号。 轮速传感器 是由永久磁铁、磁极、线圈和齿圈组成。齿圈 5 在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙就以一定的速度变化，则使磁路中的磁阻发生变化。其结果是使磁通量周期地增减，在线圈 1 的两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压，并将该交流电压信号输送给电子控制器 。如下图 3.2 图 3.2 轮速传感器结构原理图 1-线圈； 2-磁铁； 3 磁极； 4-磁通； 5-齿圈 当齿圈的齿数一定时，传感器信号的频率只与车轮的转速有关。因此， 硬件 系统的电控单元通常是经过专门的信号处理电 路将传感器正弦波信号转换为同频率的方波信号，通过检测方波信号的频率或周期来计算车轮的转速。 轮速传感器信号处理电路图如下： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 图 3.3 轮速信号采集电路 6、 7 为信号输出端口，接往单片机 I/O 口进行信号采集。 轮速信号转换流程如下图 3.3： 图 3.4 轮速信号处理流程 为了提高测量轮速度精度，轮速信号处理电路应具有如下功能： （ 1）将正弦波信号转换为同频率的方波信号时，方波的占空比应当适中； （ 2）由于振动，气隙在一定范围内变动时，仍然能正确地进行波形变换； （ 3）电磁兼容性好，能抑制噪声干扰。 由以上信息得出，轮速传感器基本可以满足设计要求，可以选用该传感器和信号处理电路。 3.2.2 方向盘转角传感器的选择 在本设计当中，使用电子尺测量转向横拉杆的位移测量，电子尺的采集信号为0-5V的电压信号 。 图 3.5 电子尺 由方向盘转角信号输出的信号时方波信号，通过集成电路信号处理端口，将方向轮速传感器 滤波电路 产生方波信号 ivv0v单片机 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 盘信号 -720 +720的信号转换为 0 5v 电压信号，当信号为 2.5v 时，表征方向盘无转角，电压信号可以直接输入到单片机的 A/D 端口，可随时取读电压信号作为判断方向盘的转角信号，同时理想的认为是前 轮转角信号。 侧向范围和侧向精度均可以达到设计要求，因此可以选用电子尺代替方向转角传感器和前轮转角传感器。 3.2.3 横摆角和 G 传感器总成的选择 横摆角和 G 传感器总成包括 横摆角速度、纵向 以及 横向加速度传感器，输出 的信号 都是 0V-5V 的模拟量，由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致，故封装在同一模块中。汽车运行过程中，在较好路面上行驶时，信号较好，而在颠簸路面上行驶，故需要在软件中设计数字滤波环节。数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用滤波器等。在 笨设计中，采用短时间连续取值求和，再取平均值 的方法，来减少杂波和无效信号的干扰。硬件实物如下图 3.6： 图 3.6 BOSCH 的横摆角与 G 传感仪 1-空； 2-空； 3-5V输入电压； 4-横摆角速度信号； 5-横向加速度信号； 6-接地 3.3 液压电磁阀回路系统 3.3.1 液压控制单元结构 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 图 3.7 液压控制单元结构 3.3.2 液压电磁阀控制回路 图 3.8 未制动时管路电磁 阀图 如图所示 1为右吸入阀， 2为左吸入阀， 3 为右隔离阀， 4 为左隔离阀， 5 为右吸入泵， 6为左吸入泵， 7为左后增压阀， 8为左后减压阀， 9 为右前增压阀， 10 为右前减压阀， 11 为电机， 12为左前增压阀， 13为左前减压阀， 14为右后增压阀， 15为右后减压阀。 ECU 北京现代 ESP 制动回路图 1 2 4 3 14 15 13 12 9 6 10 8 7 5 11 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 图 3.9 左转弯转向不足时 ESP 制动 此时工作的电磁阀为右吸油电磁阀，右隔离电磁阀，右前增压阀，左吸油阀，高压油路为工作油路，低压油路为回油油路，此时电机工作，带动左、右吸油泵工作。此时制动的车轮为左 后轮。 3.3.3 驱动电路的设计 对于驱动电路的设计，需要电磁阀通过的最小电流为 2A， ABS 泵需要驱动的电流为 20A 最小。同时要求 12v 大电流电路和控制信号电路之间有良好的隔离效果。 信号输出为单片机 PWM 信号，电压范围 0 5V，电流极小，不超过 25mA，控制 ESP电磁阀工作的是开关电路。在设计电路时，选用光耦 P521 作为信号隔离元件，选用IRFP250 作为大电流承担元件， IRFP 引脚如图 3.11，分别为 G、 D、 S，当保持 Ugs 为10V 时， IRFP250 可通过最大电流为 22A。 光耦一般由三部分组成：光的发 射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（ LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电 光 电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。 光耦结构原理如下图 3.10,1H 为信号输入高电压端口， 2L 为信号输入的地电位端口， 3H 为信号输出的高电位端口， 4L 为信号输出的地电位端口。信 号电流由 1H流向2L，发光二极管发光，产生的光信号，激发光敏三极管，使 3H 和 4L之间单向导通。 高压回路 低压回路 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 图 3.10 光耦原理图 3.3.4 驱动电路图 对于驱动回路，由于有带铁芯的电感线圈，因此在高频断电的时候，会产生高压感应电动势，因此在断电的时候，必须给电磁阀回路短路处理，消耗掉线圈的感应电流，在初期制作电路板的时候，由于没有短路回路，继电器直接就被高压电火花吸引而不断开，或者直接被击穿了。因此在电路改进的过程中，将继电器换成了汽车上常用的三极管 IRFP250，在 Ugs=10V 的时候能经受最大电流为 22A,为 了防止长时间工作导致三极管温度上升，在三极管上安装了散热装置。在三极管 D端口和 12V 之间，制作一个单向回路，用单相管 IN4007 隔断， IN4007 的击穿电压高达 1000V,工作电流为1A，在 IN4007 后串联的是主要的耗能电阻 100 /1W，可经受住 30A 电流冲击。由以上措施，确保了在光耦回路断电后，电磁阀的感应电流和电压不干扰三极管的工作，而直接消耗在由电磁阀 电阻 电磁阀的这个循环回路，由于电磁阀的电阻小，因此只承担了很小的一部分能量的消耗。如下图 3.11 图 3.11 电路图局部视图 3.4 飞思卡尔 MC9S12XS128 单片机 本文中采用 Freescale MC9S12XSl28B 单片机作为汽车稳定性控制器的主控制单元， Freescale 单片机在汽车电子领域应用的非常广泛。 MC9S12XSl28 是以 CPUl2 为核心的单片机，其 CPU 芯片内部频率为 16MHz，有 128Kb 的 ROM，采用 5V电压供电，输入输出引脚的电压为 5V。（附单片机电路图） 单片机外围功能模块如下： （ 1）串行外接设备（ SPI）； （ 2）串行通信设备（ SCI）； 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 （ 3）总线接口； （ 4）增强型捕捉定时器（ ECT）； （ 5）模数转换器（ ATD）； （ 6）脉宽调制模块（ PWM）； （ 7） CAN 控制器。 3.4.1 飞思卡尔 S12 芯片 A/D 转化 模块特点： 8/10 位精度； 7 us, 10-位单次转换时间 .；采样缓冲放大器；可编程采样时间； 左 /右对齐 , 有符号 /无符号结果数据；外部触发控制；转换完成中断；模拟输入 8 通道复用；模拟 /数字输入引脚复用； 1 到 8 转换序列长度；连续转换模式；多通 道扫描方式。 ATD 模块有模拟量前端、模拟量转换、控制部分及结果存储等四部分组成。其中模拟前端包括多路转换开关、采样缓冲器、放大器等，结果存储部 分主要有 8个 16 位的存储器和反映工作状态的若干标志位。 飞思卡尔 S12 单片机的 PWM 调制波有 8 个输出通道，每一个输出通道都可以独立的进行输出。每 一个输出通道都有一个精确的计数器（计算脉冲的个数），一个周期控制寄存器 和两个可供选择的时钟源。每一个 PWM 输出通道都能调制出占空比从 0 100% 变化的波形。 3.4.2 PWM 的主要特点 1、它有 8 个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期。 2、每一个输出通道都有一个精确的计数器。 3、每一个通道的 PWM 输出使能都可以由编程 来控制。 4、 PWM 输出波形的翻转控制可以通过编程来实现。 5、周期和脉宽可以被双缓冲。当通道关闭或 PWM 计数器为 0 时，改变周期和脉宽才起作用。 6、 8 字节或 16 字节的通道协议。 7、有 4 个时钟源可供选择（ A、 SA、 B、 SB），他们提供了一个宽范围的时 钟频率。 8、通过编程可以实现希望的时钟周期。 9、具有遇到紧急情况关闭程序的功能。 10、每一个通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出。 PWM寄存器的设置 （ 1）禁止 PWM PWME = 0 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 （ 2）选择时钟 PWMPRCLK， PWMSCLA， PWMSCLB， PWMCLK （ 3）选择极性 PWMPOL （ 4）选择对齐方式 PWMCAE （ 5）选择占空比和周期 PWMDTYx， PWMPERx （ 6）使能 PWM PWME = 1 3.5 本章小结 本章主要介绍了控制器的硬件部分的选择和结构原理，控制器的硬件部分包括信号输入部分，信号处理部分和执行器三部分，还介绍了自主设计和制作的电路。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 第 4章 软件设计 4.1 软件设计总体思路 汽车侧向稳定性控制系统，根据采集到的各种数据，通过加速 度的计算，确定汽车是否处于主动减少状态，决定是否经行制动控制，通过滑移率的计算，确定车轮是否处于最大滑移率范围内，通过控制相应的电磁阀的开启和闭合，达到最优制动的结果。通过一定的