車輛ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)

王旭斌

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000）

車輛安全行駛受到許多因素影響。其中，車輛的制動系性能起著首要作用。目前，與制動系相關(guān)的安全技術(shù)主要有制動防抱死系統(tǒng)ABS（anti-lock braking system）、電子制動力分配系統(tǒng)EBD （electronic brake-force distribution）、直接橫擺力矩控制系統(tǒng)DYC（direct yaw moment control）及車輛電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（electronic stability program）等。它們大大改善了車輛縱向制動效能或橫向穩(wěn)定性。為突出研究重點，梳理研究思路，本文在說明基本工作原理和研究基礎(chǔ)上，對控制策略及關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)說明，給出控制框架。

1 基本原理

ABS的作用是防止制動時車輪抱死，它是通過判斷車輪狀態(tài)，對車輪的制動器制動力調(diào)節(jié)而實現(xiàn)的；EBD是在ABS硬件基礎(chǔ)上，考慮制動時載荷的前移，為了充分利用地面制動力，防止后輪先于前輪抱死，是ABS程序的升級；DYC是在ABS硬件基礎(chǔ)上，加裝判斷車輛穩(wěn)定狀況的傳感器，通過判斷車輛穩(wěn)定狀況，對某些車輪主動施加制動力而產(chǎn)生所需附加橫擺力矩而實現(xiàn)車輛的橫向穩(wěn)定；ESP是綜合了ABS、TCS、DYC，通過CAN總線對車輛在轉(zhuǎn)彎、驅(qū)動或制動時轉(zhuǎn)向特性需要糾正，以及極限失穩(wěn)工況下對車輛橫向穩(wěn)定控制。ABS主要適用于車輛緊急制動，滿足一定條件時起作用；EBD主要適用輕制動或ABS起作用前，先于ABS；DYC／ESP是在車輛橫向不穩(wěn)定時，其優(yōu)先于ABS／EBD。

2 控制技術(shù)

2.1 控制基礎(chǔ)

2.1.1 輪胎模型

無論是制動時ABS／EBD對車輪被動施加制動力或無制動時DYC／ESP主動產(chǎn)生制動力，實質(zhì)都是對地面縱向制動力和側(cè)向力的控制。地面與輪胎間力的大小和方向受車輪結(jié)構(gòu)及運動狀態(tài)、地面狀況及載荷等影響，輪胎力可采用輪胎模型計算，輪胎模型的類型較多，可根據(jù)研究目的選擇，常用的半經(jīng)驗輪胎模型已集成于ADAMS、Carsim、veDYNA等車輛模型軟件中。從輪胎模型表達式來看，輪胎力可根據(jù)模型輸入 （滑移率λ、側(cè)偏角α等） 先計算出附著系數(shù)u，再與輪胎載荷相乘間接計算出，或根據(jù)模型輸入（滑移率λ、側(cè)偏角α或載荷Fz等）直接計算，如圖1所示［1］。

2.1.2 車輛模型

在開發(fā)ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)時，需根據(jù)研究目標(biāo)建立相應(yīng)的車輛模型。用于建立車輛模型的軟件較多，但為了反映與分析各變量間關(guān)系，需建立基于車輛動力學(xué)的Simulink車輛模型。用于ABS控制技術(shù)的1／4車輛模型 （即車輪模型）及控制過程如圖2所示，圖中符號含義及動力學(xué)方程參見文獻［2］。

用于EBD控制技術(shù)的1／2車輛模型 （前后模型）及控制過程如圖3所示，圖中符號含義及動力學(xué)方程參見文獻［3］。

圖1 輪胎力的計算

圖2 單輪車輛模型及控制過程

圖3 前后車輛模型及控制過程

用于車輛穩(wěn)定性的ABS／EBD／DYC／ESP整車控制技術(shù)的八自由度 （4個車輪轉(zhuǎn)動、車身橫擺、側(cè)傾、橫向及縱向運動）四輪車輛模型，以及用于判斷車輛穩(wěn)定的線性二自由度參考模型如圖4所示，圖中符號含義及動力學(xué)方程參見文獻［4］。

2.2 控制策略

控制策略作為控制技術(shù)的靈魂，包含控制變量的選擇和控制方法的使用，基于制動系的控制框架如圖5所示。ABS研究相對成熟，常用的控制變量有輪速、輪加速度或滑移率等；控制方法有門限值法及基于車輛動力學(xué)模型運用控制理論 （PID、模糊、自適應(yīng)、模型預(yù)測、最優(yōu)、魯棒等）的控制方法。EBD的控制更多采用門限值法，運用stateflow狀態(tài)流程圖實現(xiàn)，主要有3種［5］：一是根據(jù)前后輪的滑移率進行控制，二是根據(jù)前后輪輪速進行控制，三根據(jù)后輪減速度或后輪輪速與參考車速進行控制；也有運用控制理論對其進行研究的［6］。

圖4 整車模型及參考模型

圖5 基于制動系的控制框架

DYC／ESP穩(wěn)定性控制策略采用分層控制，經(jīng)過動力學(xué)控制層計算出所需附加力矩后，需要將其通過控制分配層轉(zhuǎn)換成對執(zhí)行系統(tǒng)的需求，最終通過執(zhí)行層實現(xiàn)［7］。大都選取橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角作為控制變量，當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較小時，用橫擺角速度來判斷車輛的不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向；當(dāng)質(zhì)心側(cè)偏角較大時，用質(zhì)心側(cè)偏角來判斷車輛的過度轉(zhuǎn)向質(zhì)心側(cè)偏角的控制準(zhǔn)則［8］。通常將線性二自由度車輛的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性作為橫擺角速度對汽車穩(wěn)定性的理想表征。其控制理論的應(yīng)用，也由一般控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，發(fā)展到滑模變結(jié)構(gòu)控制以及模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

控制策略的輸出量可以直接是制動壓力或制動力矩，或是考慮包含電磁閥特性的液壓傳遞機構(gòu)而輸出壓力控制脈沖信號PWM。

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)受初始車速、路面 （低附著、高附著、對開及對接等）、對車輛的操縱 （轉(zhuǎn)彎）、制動強度 （輕制動及緊急制動）、車輪載荷、輪胎模型的選擇、特殊或極限狀況以及制動系統(tǒng)的非線性特性和外界干擾等影響［9］，這些都是控制策略的開發(fā)內(nèi)容，也是重點和難點。其中，轉(zhuǎn)向制動車輛處于極限狀態(tài)下的控制成為研究的熱點。應(yīng)用于電動汽車采用線控技術(shù)的電液制動EHB（electro hydraulic brake） 系統(tǒng)及電制動EMB （electro mechanical brake） 系統(tǒng)融合了ABS／EBD／DYC／ESP技術(shù)，需協(xié)調(diào)與再生制動的控制。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

從輪胎模型和控制框圖可看出，控制策略的實現(xiàn)是以輪胎、車輛、路面狀態(tài)參數(shù)這些關(guān)鍵技術(shù)為前提的。在一定的精度范圍內(nèi)，車輪的角速度可由輪速傳感器測出計算，車輛的橫擺角速度可由橫擺傳感器測出計算，車輛縱向及橫向加速度也可由加速度傳感器測出計算；而車輛的速度、最佳滑移率、質(zhì)心側(cè)偏角及附著系數(shù)大都采用基于車輛動力學(xué)或運動學(xué)來估計［10］；控制方法中參變量的確定：門限值更多采用試驗方法，穩(wěn)定域邊界采用相平面法［11］，更多參變量采用遺傳算法、自學(xué)習(xí)、模糊自整定等現(xiàn)代控制理論優(yōu)化或估計以及工程上通過標(biāo)定試驗給出。電動汽車可充分利用驅(qū)動力矩和制動壓力已知的優(yōu)勢，簡化對質(zhì)心側(cè)偏角和路面摩擦系數(shù)估計算法，提高估計精度。

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)都是基于車輛制動系統(tǒng)，但控制的目的和作用域不同，如何優(yōu)先及過度協(xié)調(diào)控制［12］，使得縱向制動效能較好，又使得車輛穩(wěn)定。另外，車輛縱向、側(cè)向及垂向動力學(xué)是相關(guān)耦合的，隨著車輛性能要求的提高，綜合考慮車輛各向性能的集成控制技術(shù)已應(yīng)用車輛中，如何兼顧各項性能，劃分各控制區(qū)域或集成策略也成為研究的方向。

3 總結(jié)

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)提高了車輛的制動效能和側(cè)向穩(wěn)定性，采用輪胎模型和基于車輛動力學(xué)的車輛模型用于ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)的開發(fā)有利于分析結(jié)構(gòu)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)、控制參數(shù)等與運動狀態(tài)和車輛性能關(guān)系；不同控制技術(shù)下的控制策略研究應(yīng)選用相應(yīng)的輪胎模型和車輛模型；控制策略包含控制變量的選擇和控制方法的選用，車輛或路面狀態(tài)參數(shù)實際值估計、目標(biāo)值確定及控制參數(shù)整定是控制策略實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)；ABS／EBD／DYC／ESP控制技術(shù)對車輛工況的適應(yīng)性和對干擾的魯棒性及集成協(xié)調(diào)策略是研究的難點；電動汽車復(fù)合制動系統(tǒng)為ABS／EBD／DYC／ESP研究帶來了新的研究熱點。