CN102039790B - 一种自适应型车辆横向稳定控制装置 - Google Patents

一种自适应型车辆横向稳定控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自适应车辆横向稳定控制装置，轮速传感器求出车速传感器，由转向盘转角传感器判断出车辆的处于转向状态，通过倾角传感器来分别测量车辆行驶过程中的倾斜程度，高度传感器测量车辆在行驶路面上车轮的跳动量，并根据车辆运行状态和车辆状态参数等输入电子控制单元，由无刷直流电机及减速机构组成的控制***确定抗侧倾扭矩值，控制稳定杆的旋转角度，以达到全主动实时控制车辆侧倾的目的，实现自适应控制汽车行驶的操纵稳定和舒适性。

Description

一种自适应型车辆横向稳定控制装置
技术领域
本发明涉及一种交通、车辆、运输领域中汽车的悬架横向稳定控制装置，特别是涉及一种自适应型车辆横向稳定控制装置。
背景技术
现有技术中，通常意义的悬架***中的横向稳定杆的材质及结构等参数一旦确定以后，其性能特性在汽车的使用过程中不会随着道路环境及其工况等改变，随着半主动悬架和主动悬架的不断研发来改善车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性，但是由于行驶工况差异性太大，加上诸多的传感器，悬架结构复杂，控制策略难以准确实时的做出响应。虽然国外少数高档品牌车辆装备了主动悬架，但是由于成本高问题难以形成规模严重束缚主动悬架***的广泛发展。
影响汽车乘坐舒适性的首要因素是车辆的振动，降低悬架***的刚度和阻尼可以减少车辆的振动，但是车身侧倾角会变大。车辆特别是质心较高的车辆在高速行驶时进行转向操作极易导致侧翻的发生，传统的横向稳定杆更多的倾向于操纵稳定性，主动防侧倾***则可以兼顾两者，可以根据具体工况对横向稳定杆施加一个可连续变化的反侧倾力矩，让稳定杆的左右两端作垂直方向的相对位移来平衡车身的侧倾力矩，使车身的侧倾角接近于零，减小了车身侧倾运动，提高了舒适性和稳定性。
目前国内外对主动抗侧倾***研究的不多，国内专利主要有专利申请号200480000394.5和200510130218.X，均描述了一种电动机和减速器集成的致动器及控制方法，该装置将第一横向稳定杆穿过减速器，由此带来了致动器结构复杂，加工精度要求高，加大制造加工工艺要求和装配难度，后续维护同样带来难度，减速器的润滑要求和电动机的工作要求，无形给增加密封难度。申请号200480000394.5稳定器控制装置的控制方法通过获取轮速、转向角度及其转向角速度、横摆角速度、横向加速度及侧向加速度等诸多传感器的信号采集，通过一系列的分析处理后输出一定的抗侧倾扭矩。该控制方法所需传感器角度，处理的实时性和控制精度要求难度较大，无论是控制前和控制后均为间接判断车辆的侧倾程度，存在精确性差，控制方法的研究时间长，控制效果的检验难度大，而且无法根据不同的行驶过程自动调整控制策略，无法适应快速的变化的行车环境的要求，并无法判断前、后稳定器输出抗侧倾扭矩的分配关系对汽车侧倾运动过程中的影响，降低了对车辆稳定控制的有效性。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种自适应车辆横向稳定控制装置，本发明利用轮速传感器求出车速传感器，由转向盘转角传感器判断出车辆的处于转向状态，通过倾角传感器来分别测量车辆行驶过程中的倾斜程度，高度传感器测量车辆在行驶路面上车轮的跳动量，并根据车辆运行状态和车辆状态参数等输入电子控制单元，由无刷直流电机及减速机构组成的控制***确定抗侧倾扭矩值，控制稳定杆的旋转角度，以达到全主动实时控制车辆侧倾的目的，实现自适应控制汽车行驶的操纵稳定和舒适性。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种自适应型车辆横向稳定控制装置，所述装置包括横向稳定杆左段、横向稳定控制装置壳体、第一圆柱滚子轴承、无刷直流电机定子、无刷直流电机转子、输入轴、第二圆柱滚子轴承、霍尔传感器及导线、第一级行星齿轮的行星齿轮、第一级行星齿轮的内齿圈，第一级行星齿轮的行星架及第二级行星齿轮的太阳轮，第二级行星齿轮的内齿圈，第二级行星齿轮的行星齿轮，第二级行星齿轮的行星架横向稳定杆右段、行星齿轮机构壳体和第一级行星齿轮的太阳轮，所述横向稳定杆左段和横向稳定控制装置壳体相连，并且和行星齿轮机构壳体连为一体，无刷直流电机的转子和输入轴及第一级行星齿轮的太阳轮相连，无刷直流电机定子与霍尔传感器及导线,第一级行星齿轮的太阳轮作为第一级输入，第一级行星齿轮齿圈及第二级行星齿轮齿圈均与行星齿轮机构壳体相连，第一级行星齿轮的行星架及第二级行星齿轮的太阳轮相连，最终第二级行星齿轮的行星架横向稳定杆右段作为输出。
所述转向节***还包括转向盘转角传感器、轮速传感器、倾角传感器和高度位置传感器，所述转向盘转角传感器和轮速传感器来判断车辆是否处于稳定状态，并且有车辆倾角传感器比较车辆左右两侧的倾角值，高度位置传感器判断车辆处于路面状态，具体控制步骤如下：
步骤1：判断车辆现有车速值是否超过阈值，如果超过为满足稳定性准则，进入抗侧倾控制模式；
步骤2：如果转向盘转角值低于转向盘转角阈值，为满足操纵性准则，进入监测模式，类似于将横向稳定杆左右两端处于断开连接状态；从无刷直流电机控制方式角度而言，使得电子控制单元处于待机状态，时刻监测车辆状态是否处于改变控制模式；
步骤3：如果车速值低于车速阈值，同时高度位置传感器判断出车辆处于粗糙不良路面状态，为提高车辆的乘坐舒适性，优先启动监测模式，将横向稳定杆左右两端处于断开连接状态；
步骤4：如果车速值低于车速阈值，高度位置传感器判断出车辆处于良好路面状态，判断车辆转向盘转角是否超过阈值，如果超过则为满足操纵性稳定性准则，进入制动模式，即类似于将横向稳定杆左右两端处于刚性连接状态；从无刷直流电机控制方式角度而言，电子控制单元使得电机处于短期短路状态。
所述抗侧倾控制模式步骤如下：由抗侧倾控制模式确定无刷直流电机的目标转角，并且和现有的电机所在的转子所在位置进行比较分析，并转化为电流信号便于控制分析，引入前馈控制，用于在一定的频带范围内对输出零相位误差跟踪信号，摩擦补偿和阻尼补偿由其位置控制策略输出相应的电流信号，并且有位置反馈控制采用PI校正环节，并且增加鲁棒自适应抗干扰控制，在线监测无刷直流电机的干扰情况，并输出补偿外部干扰及其无刷直流电机自身的不确定性参数，共同形成合电流对无刷直流电机实时控制运动。
本发明实现所采用的电路原理图如下：转向盘转角传感器、轮速传感器、倾角传感器和高度位置传感器信号经过各自相应的信号调理电路后将模拟信号进行数字化输入中央处理器，并且将当前转子位置输入中央处理器后输出调速和转向信号给无刷直流电机专用集成芯片，由其对无刷直流电机进行控制，将中央处理器的大部分时间来计算分析器控制策略。
本发明的积极进步效果在于：
（1）针对侧向加速度传感器等均无法准确判断出车辆的侧倾状态，摒弃掉目前横向稳定控制装置所安装的诸多间接测量传感器，直接采用侧倾角传感器直接测取车辆状态，更加对车辆侧倾运动进行实时控制；
（2）针对无刷直流电机非线性特性，自适应鲁棒控制***，采用前馈控制器和位置控制器更好跟随性，采用阻尼补偿和摩擦补偿的方式，抗干扰控制器保证了对于干扰信号的估计的稳定性，降低了***运行的不确定性，提高了***动态性能和确保运行的可靠性，保证横向稳定控制装置的运行鲁棒性；
（3）从批量化生产角度出发，对现有的装置进行简单化、模块化的处理，更易于装配、调整和修改，产业化前景更为光明。
附图说明
图1是本发明提供的自适应车辆横向稳定控制装置的整体结构图。
图2是本发明车辆横向稳定控制装置的控制策略框图。
图3是本发明自适应车辆横向稳定控制装置的抗侧倾控制模式框图。
图4是本发明自适应车辆横向稳定控制装置的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1是本发明提供的自适应车辆横向稳定控制装置的整体结构图，参见图1，本发明包括横向稳定杆左段1、横向稳定控制装置壳体2、第一圆柱滚子轴承3、无刷直流电机定子4、无刷直流电机转子5、输入轴6、第二圆柱滚子轴承7、霍尔传感器及导线8、第一级行星齿轮的行星齿轮9、第一级行星齿轮的内齿圈10，第一级行星齿轮的行星架及第二级行星齿轮的太阳轮11，第二级行星齿轮的内齿圈12，第二级行星齿轮的行星齿轮13，第二级行星齿轮的行星架横向稳定杆右段14、行星齿轮机构壳体15和第一级行星齿轮的太阳轮16，横向稳定杆左段1和横向稳定控制装置壳体2相连，并且和行星齿轮机构壳体15连为一体，无刷直流电机的转子5和输入轴6及第一级行星齿轮的太阳轮16相连，无刷直流电机定子4与霍尔传感器及导线8,第一级行星齿轮的太阳轮16作为第一级输入，第一级行星齿轮齿圈10及第二级行星齿轮齿圈12均与行星齿轮机构壳体15相连，第一级行星齿轮的行星架及第二级行星齿轮的太阳轮相连，最终第二级行星齿轮的行星架横向稳定杆右段14作为输出。
图2是本发明车辆横向稳定控制装置的控制策略框图，所述控制策略首先在方框中的转向盘转角传感器读取转向盘转角信号、在方框中轮速传感器读取车轮转速，获取车速信号、在方框中的倾角传感器读取车辆左右两侧的车身倾角信号、在方框中的高度位置传感器读取车辆左右两侧高度变化信号。并且随后在判决菱形中确定所述的车速值是否小于车速阈值（如20km/h），以及转向盘转角是否小于转向盘转角阈值，判断左右两侧车轮的垂直跳动量之差是否小于不良路面阈值，判断左右两侧车身倾角之差是否小于抗侧倾控制阈值，其阈值均可以调整，在经过这四个判断标准的优先级判断，首先是车速，若车速高于阈值，则根据抗侧倾控制阈值来判断，若低于该阈值则进入监测模式，若高于该阈值则进入抗侧倾控制模式；若车速低于阈值，则根据优先级次序，判断转向盘转角值是否高于阈值，若高于该阈值则进入制动模式，若低于该阈值则根据优先级次序，判断是否高于不良路面阈值，若高于该阈值，则进入监测模式，若低于该阈值，则进入待机模式。
图3是本发明自适应车辆横向稳定控制装置的抗侧倾控制模式框图，横向稳定控制装置须实时跟踪汽车状态的变化，具备良好的动态跟随性能，通过对无刷直流电机进行闭环控制来减小由于存在机械摩擦等非线性因素，但由于外部信号干扰等诸多因素影响模型参数的变化，本发明增加了前反馈控制器，加上摩擦补偿和阻尼补偿，输出一定的电压值，并通过D/A数模转换卡后输入计算机，然后依据处理器的程序对电机位置反馈进行处理，并且依据自适应抗干扰控制器进行实时调整电机转子位置。
图4为自适应车辆横向稳定控制装置的电路原理图，该电路主要由信号调理电路、自适应抗干扰模块、中央处理器及无刷直流电机专用控制芯片等组成，将各个传感器分别经过各种调理电路后输入中央处理器（如8051芯片），若选用芯片没有D/A转换模块，则电路需增加数模转换卡，经过内置程序输出一定具有转向方向的PWM电流值给电机控制芯片来驱动电机准确运动。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种自适应型车辆横向稳定控制装置，所述装置包括横向稳定杆左段（1）、横向稳定控制装置壳体（2）、第一圆柱滚子轴承（3）、无刷直流电机定子（4）、无刷直流电机转子（5）、输入轴（6）、第二圆柱滚子轴承（7）、霍尔传感器及导线（8）、第一级行星齿轮的行星齿轮（9）、第一级行星齿轮的内齿圈（10）、第一级行星齿轮的行星架及第二级行星齿轮的太阳轮（11）、第二级行星齿轮的内齿圈（12）、第二级行星齿轮的行星齿轮（13）、第二级行星齿轮的行星架横向稳定杆右段（14）、行星齿轮机构壳体（15）和第一级行星齿轮的太阳轮（16），其特征在于：所述横向稳定杆左段（1）和横向稳定控制装置壳体（2）相连，并且和行星齿轮机构壳体（15）连为一体，无刷直流电机的转子（5）和输入轴（6）及第一级行星齿轮的太阳轮（16）相连，无刷直流电机定子（4）与霍尔传感器及导线（8）,第一级行星齿轮的太阳轮（16）作为第一级输入，第一级行星齿轮齿圈（10）及第二级行星齿轮齿圈（12）均与行星齿轮机构壳体（15）相连，第一级行星齿轮的行星架及第二级行星齿轮的太阳轮相连，最终第二级行星齿轮的行星架横向稳定杆右段（14）作为输出，所述控制装置还包括转向盘转角传感器、轮速传感器、倾角传感器和高度位置传感器，所述转向盘转角传感器和轮速传感器来判断车辆是否处于稳定状态，并且有车辆倾角传感器比较车辆左右两侧的倾角值，高度位置传感器判断车辆处于路面状态，具体控制步骤如下：
步骤1：判断车辆现有车速值是否超过阈值，如果超过为满足稳定性准则，进入抗侧倾控制模式；
步骤2：如果转向盘转角值低于转向盘转角阈值，为满足操纵性准则，进入监测模式，类似于将横向稳定杆左右两端处于断开连接状态；从无刷直流电机控制方式角度而言，使得电子控制单元处于待机状态，时刻监测车辆状态是否处于改变控制模式；
步骤3：如果车速值低于车速阈值，同时高度位置传感器判断出车辆处于粗糙不良路面状态，为提高车辆的乘坐舒适性，优先启动监测模式，将横向稳定杆左右两端处于断开连接状态；
步骤4：如果车速值低于车速阈值，高度位置传感器判断出车辆处于良好路面状态，判断车辆转向盘转角是否超过阈值，如果超过则为满足操纵性稳定性准则，进入制动模式，即类似于将横向稳定杆左右两端处于刚性连接状态；从无刷直流电机控制方式角度而言，电子控制单元使得电机处于短期短路状态。
2.根据权利要求1所述的自适应型车辆横向稳定控制装置，其特征在于：所述抗侧倾控制模式步骤如下：由抗侧倾控制模式确定无刷直流电机的目标转角，并且和现有的电机所在的转子所在位置进行比较分析，并转化为电流信号便于控制分析，引入前馈控制，用于在一定的频带范围内对输出零相位误差跟踪信号，摩擦补偿和阻尼补偿由其位置控制策略输出相应的电流信号，并且有位置反馈控制采用PI校正环节，并且增加鲁棒自适应抗干扰控制，在线监测无刷直流电机的干扰情况，并输出补偿外部干扰及其无刷直流电机自身的不确定性参数，共同形成合电流对无刷直流电机实时控制运动。
3.根据权利要求1所述的自适应型车辆横向稳定控制装置，其特征在于：本发明实现所采用的电路原理图如下：转向盘转角传感器、轮速传感器、倾角传感器和高度位置传感器信号经过各自相应的信号调理电路后将模拟信号进行数字化输入中央处理器，并且将当前转子位置输入中央处理器后输出调速和转向信号给无刷直流电机专用集成芯片，由其对无刷直流电机进行控制，将中央处理器的大部分时间来计算分析器控制策略。
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