CN107856492B - 双通道电机式主动稳定杆控制*** - Google Patents

双通道电机式主动稳定杆控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双通道电机式主动稳定杆控制***，包括通过车载CAN总线(84)双向信号连接的前通道控制单元(1)和后通道控制单元(2)；前、后通道控制单元(1、2)的输入端与横向加速度传感器(81)、方向盘转角传感器(82)、车速传感器(83)、车载CAN总线(84)、前通道电机转子位置传感器(85)的输出端信号相连；前通道控制单元(1)的输出端经前通道直流无刷电机(86)和前通道减速器(87)作用前通道电机式主动稳定杆(6)；后通道控制单元(2)的输出端经后通道直流无刷电机(96)和后通道减速器(97)作用后通道电机式主动稳定杆(7)。本发明的控制***，前后通道控制单元独立性强，可靠性高。

Description

双通道电机式主动稳定杆控制***
技术领域
本发明属于汽车控制***技术领域，特别是一种前后通道控制单元独立性强、可靠性高的双通道电机式主动稳定杆控制***。。
背景技术
汽车在高速转向工况或行驶在不平路面时会产生侧倾运动，过大的侧倾会严重影响车辆的侧倾稳定性和操纵稳定性，甚至导致侧翻事故的发生。目前车辆上主要安装被动式稳定杆来调节侧倾刚度，以达到控制车身侧倾的目的，但是，被动式稳定杆受自身刚度固定的局限，只能在一定程度上减小车身的侧倾角，且无法兼顾车辆的侧倾稳定性与行驶平顺性。因此一些学者提出了主动式稳定杆的概念并加以研究。主动式稳定杆***在原有被动式稳定杆的基础上增加了控制器和执行机构，在车辆产生侧倾趋势时给车辆快速施加反侧倾力矩，从而减小车身侧倾角，实现了车辆在高速转向或不平路面下主动抑制车身侧倾的目标。因此，主动式稳定杆控制***的研究是目前汽车主动安全领域研究的热点之一。
中国发明专利申请“双通道液压马达式主动稳定杆的控制***及其控制方法”(申请号：201410730661.X，公开日：2015.04.22)，公开了一种双通道液压马达式主动稳定杆的控制***及其控制方法，该控制***由方向盘转角传感器、横向加速度传感器、车速传感器、油位传感器、控制单元和驱动电路构成，前后通道采用同一控制单元，简化了控制器数量。但该控制***存在的问题是：一旦控制单元出现故障，前、后通道稳定杆都会失去作用。
中国发明专利申请“一种双通道电动式主动稳定杆的控制***及其控制方法”(申请号201510068648.7，公开日2015.06.10)，公开了一种双通道电动式主动稳定杆的控制***及其控制方法，该控制***由车速传感器、横向加速度传感器、前/后通道电机转子位置传感器和前/后控制单元构成，该控制***前后通道各有一控制单元，前通道控制单元采集车速和横向加速度信息并通过IIC总线传送到后控制单元，前后通道控制单元根据传感器信息分别计算反侧倾力矩控制前后通道稳定杆工作。但该控制***存在的问题是：一旦前通道控制***出故障，后通道稳定杆也不能独立工作。
总之，现有技术存在的问题是：主动稳定杆前后通道控制单元的独立性不强，可靠性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双通道电机式主动稳定杆控制***，前后通道控制单元独立性强，可靠性高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种双通道电机式主动稳定杆控制***，包括前通道控制单元1和后通道控制单元2，两者之间通过车载CAN总线84双向信号连接；
所述前通道控制单元1的输入端与横向加速度传感器81、方向盘转角传感器82、车速传感器83、车载CAN总线84、前通道电机转子位置传感器85的输出端信号相连；所述前通道控制单元1的输出端与前通道直流无刷电机86的控制输入端信号相连，前通道直流无刷电机86的转矩输出端通过前通道减速器87作用到前通道电机式主动稳定杆6上；
所述后通道控制单元2输入端与横向加速度传感器81、方向盘转角传感器82、车速传感器83、车载CAN总线84、后通道电机转子位置传感器95的输出端信号相连；所述后通道控制单元2的输出端与后通道直流无刷电机96的控制输入端信号相连，后通道直流无刷电机96的转矩输出端通过后通道减速器97作用到后通道电机式主动稳定杆7上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：独立性强，可靠性高。其原因在于：
1、前、后通道控制***正常工作时，前通道控制***为主控制***，后通道控制***为从控制***，主控制***主要负责前、后通道反侧倾力矩的计算和前通道电机的控制，从控制***主要负责对整套***的故障监测和后通道电机的控制。
2、在前通道控制***或者后通道控制***出现故障时，另一通道控制***可独立工作；
3、与被动稳定杆相比，在车辆高速转向或行驶在不平路面时，该控制***可以主动抑制车身侧倾，并且可兼顾车辆的行驶平顺性和操作稳定性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的控制***结构框图
图2为前/后控制单元中MC9S12DG128单片机的电路原理图
图3为前/后通道车速信号处理电路的电路原理图
图4为前/后通道横向加速度信号处理电路的电路原理图
图5为前/后通道方向盘转角信号处理电路的电路原理图
图6为前/后通道CAN信号收发电路的电路原理图
图7为前/后通道电机转子位置信号处理电路的电路原理图
图8为前/后通道电机驱动电路的电路结构框图
图9为光耦隔离电路的电路原理图
图10为驱动芯片及***电路原理图
图11为电机矢量驱动电路原理图
图12为控制***软件流程图
图中：1前通道控制单元；2后通道控制单元；6前通道电机式主动稳定杆；7后通道电机式主动稳定杆；
81横向加速度传感器；82方向盘转角传感器；83车速传感器；84车载CAN总线；85前通道电机转子位置传感器；86前通道直流无刷电机；87前通道减速器；95后通道电机转子位置传感器；；96后通道直流无刷电机；97后通道减速器；
11前通道横向加速度信号处理电路；12前通道方向盘转角信号处理电路；13前通道车速信号处理电路；14前通道CAN总线电路；15前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路；16前通道主控芯片；18前通道电机驱动电路；
21后通道横向加速度信号处理电路；22后通道方向盘转角信号处理电路；23后通道车速信号处理电路；24后通道CAN总线电路；25后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路；26后通道主控芯片；28后通道电机驱动电路。
具体实施方式
如图1所示,本发明双通道电机式主动稳定杆控制***，包括前通道控制单元1和后通道控制单元2，两者之间通过车载CAN总线84双向信号连接；
所述前通道控制单元1的输入端与横向加速度传感器81、方向盘转角传感器82、车速传感器83、车载CAN总线84、前通道电机转子位置传感器85的输出端信号相连；所述前通道控制单元1的输出端与前通道直流无刷电机86的控制输入端信号相连，前通道直流无刷电机86的转矩输出端通过前通道减速器87作用到前通道电机式主动稳定杆6上；
所述后通道控制单元2输入端与横向加速度传感器81、方向盘转角传感器82、车速传感器83、车载CAN总线84、后通道电机转子位置传感器95的输出端信号相连；所述后通道控制单元2的输出端与后通道直流无刷电机96的控制输入端信号相连，后通道直流无刷电机96的转矩输出端通过后通道减速器97作用到后通道电机式主动稳定杆7上。
优选地，如图1所示，所述前通道控制单元1包括前通道横向加速度信号处理电路11、前通道方向盘转角信号处理电路12、前通道车速信号处理电路13、前通道CAN总线电路14、前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路15、前通道主控芯片16和前通道电机驱动电路18；
所述前通道主控芯片16的输入端分别与前通道横向加速度信号处理电路11、前通道方向盘转角信号处理电路12、前通道车速信号处理电路13、前通道CAN总线电路14、前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路15的输出端相连，前通道横向加速度信号处理电路11的输入端与横向加速度传感器81的输出端相连，前通道方向盘转角信号处理电路12的输入端与方向盘转角传感器82的输出端相连，前通道CAN总线电路14的输入端与车载CAN总线84的输出端相连，前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路15的输入端与前通道直流无刷电机转子位置传感器85的输出端相连；前通道主控芯片16的输出端一方面通过前通道CAN总线电路14及车载CAN总线84与后通道控制单元2通讯，另一方面与前通道电机驱动电路18的输入端相连，前通道电机驱动电路18的输出端与前通道直流无刷电机86的输入端相连。
优选地，所述前通道主控芯片16采用Freescale公司的MC9S12DG128型号单片机。
所述前通道控制单元通过前通道横向加速度信号处理电路11、前通道方向盘转角信号处理电路11、前通道车速信号处理电路13或前通道CAN总线收发电路14采集车辆的横向加速度、方向盘转角和车速等信号，并将采集到的信息发送到前通道主控芯片16。所述前通道主控芯片16通过内部的算法逻辑和软件编程，将采集到的横向加速度、方向盘转角和车速等信息进行处理运算，得到前、后稳定杆分别所需输出反侧倾力矩Mf,ARC和Mr,ARC，并通过车载CAN总线84将后通道稳定杆所需输出的反侧倾力矩信息Mr,ARC和前通道控制单元1工作状态信息送到后通道控制单元2。所述前通道主控芯片16对前通道稳定杆所需输出的反侧倾力矩进行处理运算之后，输出六路PWM信号。所述六路PWM信号控制前通道电机驱动电路18中MOS管的通断，进而控制前通道直流无刷电机86输出相应的转矩，带动前稳定杆6工作。
优选地，如图1所示，所述后通道控制单元2包括后通道横向加速度信号处理电路21、后通道方向盘转角信号处理电路22、后通道车速信号处理电路23、后通道CAN总线电路24、后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路25、后通道主控芯片26和后通道电机驱动电路28；
所述后通道主控芯片26的输入端分别与后通道横向加速度信号处理电路21、后通道方向盘转角信号处理电路22、后通道车速信号处理电路23、后通道CAN总线电路24、后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路25的输出端相连，后通道横向加速度信号处理电路21的输入端与横向加速度传感器81的输出端相连，后通道方向盘转角信号处理电路22的输入端与方向盘转角传感器82的输出端相连，后通道CAN总线电路24的输入端与车载CAN总线84的输出端相连，后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路25的输入端与后通道直流无刷电机转子位置传感器95的输出端相连；后通道主控芯片26的输出端一方面通过后通道CAN总线电路24及车载CAN总线84与前通道控制单元1通讯，另一方面与后通道电机驱动电路28的输入端相连，后通道电机驱动电路28的输出端与后通道直流无刷电机96的输入端相连。
优选地，所述后通道主控芯片26采用Freescale公司的MC9S12DG128型号单片机。
所述后通道控制单元2通过车载CAN总线84接收前通道控制单元1发送的后通道稳定杆7所需输出的反侧倾力矩信息Mr,ARC和前通道控制单元1工作状态信息。当诊断前通道控制单元1为正常工作状态时，所述后通道主控芯片26对接收到的后稳定杆所需输出反侧倾力矩信息进行处理运算，输出相应的六路PWM信号至后通道电机驱动电路28，进而控制后通道无刷直流电机96动作，带动后通道稳定杆7工作。当诊断前通道控制单元1为故障状态时，所述后通道主控芯片26独立接收方向盘转角、车速和横向加速度等传感器信号，并根据以上信息计算出后通道稳定杆7所需输出反侧倾力矩，对后稳定杆7所需输出反侧倾力矩信息进行处理运算，输出相应的六路PWM信号至后通道电机驱动电路28，进而控制后通道无刷直流电机96动作，带动后通道稳定杆7独立工作。
本发明的工作原理如下：
正常状态：
当所述前、后通道控制单元1、2均正常工作时，前通道控制单元1为主控制单元，后通道控制单元2为从控制单元，从控制单元通过车载CAN总线84通讯实时监控主控制单元的工作状态；
所述横向加速度传感器81、方向盘转角传感器82、车速传感器83将采集到的信号发送至前通道控制单元1，前通道控制单元1根据上述信号判断车辆行驶状态，计算出前、后稳定杆各需输出的反侧倾力矩Mf,ARC和Mr,ARC；所述前通道控制单元1在控制电机运动，使前通道稳定杆输出相应大小的Mf,ARC的同时，将后通道稳定杆所需输出反侧倾力矩Mr,ARC通过车载CAN总线发送至后通道控制单元2；
所述后通道控制单元2由车载CAN总线84接收前通道控制单元1的工作状态信息和后通道反侧倾力矩Mr,ARC信息，在诊断前通道控制单元1为正常工作状态后，根据Mr,ARC对后通道电机进行控制。
部分故障状态：
当所述后通道控制单元2监测到前通道控制单元1出现故障时，后通道控制单元2启动传感器信息接收程序，所述横向加速度传感器81、方向盘转角传感器82、车速传感器83将采集到的信息发送至后通道控制单元2，后通道控制单元2独立于前通道控制单元1工作；
当所述后通道控制单元2出现故障时，前通道控制单元1发送至后通道控制单元2的反侧倾力矩不再起作用，前通道控制单元1独立于后通道控制单元1工作。
如图2所示，所述前通道主控芯片和后通道主控芯片采用MC9S12DG128单片机及其***电路，所述***电路包括电源电路、电源指示电路、晶振电路、复位电路、BDM调试电路和PLL锁相环电路。
如图3所示，所述车速信号处理电路包括限流电阻R4、R5和二极管D1组成的初使电路，二极管D1采用S3M普通整流二极管，电阻R5的输出端与电压放大电路的输入端相连。电阻R1三极管Q1和电阻R7构成电压放大电路，通过上拉电阻R1和开关管Q1调整电阻R7输入端的电压大小。电阻R2的输入端与电阻R7的输入端相连，电阻R2的输出端经由光耦元件U1与地线相连。光耦元件采用TLP281-1芯片，4引脚与5V电源相连，3引脚一支路通过下拉电阻R6与地线相连，另一条支路通过限流电阻R3接到MC9S12DG128单片机的60引脚。
如图4所示，所述横向加速度信号处理电路由电阻R11、电容C3、电容C2和电阻R12组成的带通滤波电路，电阻R11的输入端与横向加速度传感器输出端相连，带通滤波电路的输出端与运算放大器U4的正相输入端相连，运算放大器U4的输出端分别与电阻R13、电阻R15和主控芯片的67引脚相连。负反馈电阻R13的输入端与运算放大器U4的输出端相连，电阻R13的输出端分别与运算放大器U4的反向输入端和电阻R14的输入端相连，电阻R14的输出端与地相连。所述运算放大器U4采用NE5532P芯片。
如图5所示，所述方向盘转角信号处理电路包括由电阻R16、电阻R17、电容C4和电容C5组成的二阶有源滤波电路，电阻R16的输入端与侧倾角传感器输出端相连，二阶有源滤波电路的输出端与运算放大器U5的输入端相连，运算放大器U5的输出端分别与电阻R18、C4和主控芯片的68引脚相连，运算放大器U5的反向输入端通过R19与地相连，所述运算放大器U5采用NE5532P芯片。
如图6所示，所述CAN信号收发电路提供了主控芯片CAN模块与物理总线之间的接口，主要由CAN信号收发器U2和信号滤波器U3组成，信号收发器采用TJA1050芯片，滤波器采用B82790芯片。EX_CANH引脚与EX_CANL引脚与车载物理总线相连，TX_CAN引脚与EX_CAN引脚与主控芯片的104引脚和105引脚相连。所述一种双通道电机式主动稳定杆控制***所需接收的CAN信号由EX_CANH引脚和EX_CANL引脚经滤波器U3滤波后输送到数据收发器U2，数据收发器再由TX_CAN引脚与EX_CAN引脚将信号传送到主控芯片的104、105引脚相连。所述一种双通道电机式主动稳定杆控制***通过主控芯片的104引脚和105引脚将所需发送到CAN总线的信号经由信号收发器U2和滤波器U3传输到物理CAN总线上。
如图7所示，所述前/后通道电机转子位置信号处理电路输入端与电机的转子传感器相连，输出端与主控芯片的I/O口引脚相连。信号处理电路由分别处理霍尔转子位置传感器三路信号的三条电路构成，三条电路原理相同，以H_A信号处理电路为例，H_A信号处理电路主要由限流电阻R24、限流电阻R25、电压放大电路和光耦隔离电路构成。电阻R25的输出端与电压放大电路的输入端相连，电阻R21、三极管Q21和电阻27构成电压放大电路，通过上拉电阻R21和开关管Q21调整电阻R27输入端的电压大小，电阻R22的输入端与电阻R27的输入端相连，电阻R22的输出端经由光耦元件U21与地线相连。光耦元件U21采用TLP281-1芯片，U21的4引脚与5V电源相连，3引脚输出的一支路通过下拉电阻R26与地线相连，另一条支路通过限流电阻R23接到MC9S12DG128单片机的57引脚。相同原理，H_B信号和H_C信号的处理电路输出端分别与主控芯片的58引脚和59引脚相连。
如图8所示，所述前/后通道电机驱动电路由光耦隔离电路、驱动芯片及***电路、矢量驱动电路和电流检测电路构成。如图9所示，所述光耦隔离电路采用双通道光耦隔离芯片HCPL2630隔离控制板输出的PWM信号，防止驱动电路对主控芯片产生干扰；如图10所示，所述驱动芯片及***电路采用全桥驱动芯片IR2136对六路PWM信号进行放大处理；如图11所示，所述电机矢量驱动电路采用IRF540S型号的场效应管，控制六路电机电流的通断，对电机电流进行逆变换相；如图11所示，所述电流采样电路采用大电流检测芯片ACS712对驱动桥的电相流大小进行采集，并通过AD口输入主控芯片。
如图12所示，该控制***以目标电机转角为输出目标，基于方向盘转角信号δ和车速信号v根据公式估计车辆横向加速度信号aye，将估计所得aye与实际横向加速度传感器测得的ayr按公式ay *＝K1aye+(1-K1)ayr进行加权确定实际用于控制的横向加速度ay *；基于控制用横向加速度ay *查表确定目标侧倾角，由目标侧倾角与控制用横向加速度ay *计算稳定杆所需输出反侧倾力矩MARC，根据MARC飞、稳定杆结构参数以及减速器传动比计算出目标电机转角与目标电机电流；将电机目标转角与目标电流输入电机执行模块，由电机执行模块计算控制芯片所需输出的六路PWM值，对电机进行实时控制。

Claims (5)

1.一种双通道电机式主动稳定杆控制***，包括前通道控制单元（1）和后通道控制单元（2），两者之间通过车载CAN总线（84）双向信号连接；其特征在于：
所述前通道控制单元（1）的输入端与横向加速度传感器（81）、方向盘转角传感器（82）、车速传感器（83）、车载CAN总线（84）、前通道电机转子位置传感器（85）的输出端信号相连；所述前通道控制单元（1）的输出端与前通道直流无刷电机（86）的控制输入端信号相连，前通道直流无刷电机（86）的转矩输出端通过前通道减速器（87）作用到前通道电机式主动稳定杆（6）上；
所述后通道控制单元（2）输入端与横向加速度传感器（81）、方向盘转角传感器（82）、车速传感器（83）、车载CAN总线（84）、后通道电机转子位置传感器（95）的输出端信号相连；所述后通道控制单元（2）的输出端与后通道直流无刷电机（96）的控制输入端信号相连，后通道直流无刷电机（96）的转矩输出端通过后通道减速器（97）作用到后通道电机式主动稳定杆（7）上；
当所述前、后通道控制单元（1、2）均正常工作时，前通道控制单元（1）为主控制单元，后通道控制单元（2）为从控制单元，从控制单元通过车载CAN总线（84）通讯实时监控主控制单元的工作状态；
所述横向加速度传感器（81）、方向盘转角传感器（82）、车速传感器（83）将采集到的信号发送至前通道控制单元（1），前通道控制单元（1）根据上述信号判断车辆行驶状态，计算出前、后稳定杆各需输出的反侧倾力矩M f,ARC 和M r,ARC ；所述前通道控制单元（1）在控制电机运动，使前通道稳定杆输出相应大小的M f,ARC 的同时，将后通道稳定杆所需输出反侧倾力矩M r,ARC 通过车载CAN总线发送至后通道控制单元（2）；
所述后通道控制单元（2）由车载CAN总线（84）接收前通道控制单元（1）的工作状态信息和后通道反侧倾力矩M r,ARC 信息，在诊断前通道控制单元（1）为正常工作状态后，根据M r,ARC 对后通道电机进行控制；
当所述后通道控制单元（2）监测到前通道控制单元（1）出现故障时，后通道控制单元（2）启动传感器信息接收程序，所述横向加速度传感器（81）、方向盘转角传感器（82）、车速传感器（83）将采集到的信息发送至后通道控制单元（2），后通道控制单元（2）独立于前通道控制单元（1）工作；
当所述后通道控制单元（2）出现故障时，前通道控制单元（1）发送至后通道控制单元（2）的反侧倾力矩不再起作用，前通道控制单元（1）独立于后通道控制单元（2）工作。
2.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于：
所述前通道控制单元（1）包括前通道横向加速度信号处理电路（11）、前通道方向盘转角信号处理电路（12）、前通道车速信号处理电路（13）、前通道CAN总线电路（14）、前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路（15）、前通道主控芯片（16）和前通道电机驱动电路（18）；
所述前通道主控芯片（16）的输入端分别与前通道横向加速度信号处理电路（11）、前通道方向盘转角信号处理电路（12）、前通道车速信号处理电路（13）、前通道CAN总线电路（14）、前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路（15）的输出端相连，前通道横向加速度信号处理电路（11）的输入端与横向加速度传感器（81）的输出端相连，前通道方向盘转角信号处理电路（12）的输入端与方向盘转角传感器（82）的输出端相连，前通道CAN总线电路（14）的输入端与车载CAN总线（84）的输出端相连，前通道直流无刷电机转子位置信号处理电路（15）的输入端与前通道电机转子位置传感器（85）的输出端相连；前通道主控芯片（16）的输出端一方面通过前通道CAN总线电路（14）及车载CAN总线（84）与后通道控制单元（2）通讯，另一方面与前通道电机驱动电路（18）的输入端相连，前通道电机驱动电路（18）的输出端与前通道直流无刷电机（86）的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的控制***，其特征在于：
所述前通道主控芯片（16）采用Freescale公司的MC9S12DG128型号单片机。
4.根据权利要求2所述的控制***，其特征在于：
所述后通道控制单元（2）包括后通道横向加速度信号处理电路（21）、后通道方向盘转角信号处理电路（22）、后通道车速信号处理电路（23）、后通道CAN总线电路（24）、后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路（25）、后通道主控芯片（26）和后通道电机驱动电路（28）；
所述后通道主控芯片（26）的输入端分别与后通道横向加速度信号处理电路（21）、后通道方向盘转角信号处理电路（22）、后通道车速信号处理电路（23）、后通道CAN总线电路（24）、后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路（25）的输出端相连，后通道横向加速度信号处理电路（21）的输入端与横向加速度传感器（81）的输出端相连，后通道方向盘转角信号处理电路（22）的输入端与方向盘转角传感器（82）的输出端相连，后通道CAN总线电路（24）的输入端与车载CAN总线（84）的输出端相连，后通道直流无刷电机转子位置信号处理电路（25）的输入端与后通道电机转子位置传感器（95）的输出端相连；后通道主控芯片（26）的输出端一方面通过后通道CAN总线电路（24）及车载CAN总线（84）与前通道控制单元（1）通讯，另一方面与后通道电机驱动电路（28）的输入端相连，后通道电机驱动电路（28）的输出端与后通道直流无刷电机（96）的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的控制***，其特征在于：
所述后通道主控芯片（26）采用Freescale公司的MC9S12DG128型号单片机。
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