摘  要：汽車電子穩(wěn)定程序(ESP)是一種先進(jìn)的汽車控制系統(tǒng)，控制算法是ESP的核心。該文設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)差異法的具有主副循環(huán)結(jié)構(gòu)的ESP控制算法。主循環(huán)調(diào)節(jié)車輛的姿態(tài)，副循環(huán)控制車輪的狀態(tài)。利用MATLAB嵌入式目標(biāo)工具．生成了ESP控制邏輯的代碼。在自行研制的試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)該控制算法進(jìn)行了硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真，驗(yàn)證了算法的臺(tái)理性、有效性和實(shí)時(shí)適應(yīng)性。
關(guān)鍵詞：汽車；電子穩(wěn)定程序(ESP)；狀態(tài)差異法；硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真

    汽車電子穩(wěn)定程序(electronic stabilityprogram，簡稱ESP)是近年來開發(fā)出來的一種先進(jìn)的汽車底盤控制系統(tǒng)。其功能是監(jiān)控汽車的行駛狀態(tài)，在車輛緊急躲避障礙物、轉(zhuǎn)彎等容易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況時(shí)，利用動(dòng)力系統(tǒng)干預(yù)及制動(dòng)系統(tǒng)干預(yù)，幫助車輛克服偏離理想軌跡的傾向，為車輛提供更好的安全性。在國際上，ESP已經(jīng)成為了高性能車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，而國內(nèi)的ESP研究還處于起步階段。
    ESP的控制算法很多，有利用實(shí)際的車輛狀態(tài)，通過相平面法進(jìn)行判斷控制的；也有采用狀態(tài)差異法，即利用名義狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差異來進(jìn)行判斷控制的。但采用的控制參數(shù)不同，狀態(tài)差異法也不同。
    本文基于車輛橫擺角速度的狀態(tài)差異法，設(shè)計(jì)了ESP的控制邏輯，并根據(jù)某型車的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，設(shè)計(jì)了適用于該車的ESP控制算法。

1 ESP控制算法設(shè)計(jì)
    ESP從控制功能來看，包含了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)(TCS)，以及主動(dòng)橫擺力偶矩控制系統(tǒng)(AYC)。控制邏輯總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    整個(gè)控制邏輯分為兩個(gè)層次，即主副兩個(gè)循環(huán)。主循環(huán)控制車輛的橫擺角速度，實(shí)施直接橫擺控制(DYC)；副循環(huán)監(jiān)視車輪狀態(tài)，防止在控制過程中出現(xiàn)車輪抱死的情況。

1．1 主控制循環(huán)
    主循環(huán)DYC控制在監(jiān)視橫擺角速度差值的過程中，一旦橫擺角速度差值大于某個(gè)正門限，則立即進(jìn)入ABS副循環(huán)，快速增壓左前輪，減壓右前輪。一旦這個(gè)正門限值消失，則立即減壓左前輪，恢復(fù)車輪的自由滾動(dòng)。同樣的，一旦橫擺角速度差值小于某個(gè)負(fù)門限值，則立即以ABS的方式增壓右前輪，減壓左前輪，一旦門限值消失，則快速減壓恢復(fù)車輪的自由滾動(dòng)。
    橫擺角速度差值即名義橫擺角速度以及實(shí)際橫擺角速度的差。車輛橫擺角速度的實(shí)際值，可以利用裝在車上的橫擺角速度傳感器測得。而名義橫擺角速度，需要控制器根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、車輛的狀態(tài)以及駕駛員的輸入進(jìn)行計(jì)算而得到。本文利用一個(gè)線性二自由度車輛模型進(jìn)行計(jì)算。
    該車輛模型中。假定輪胎的側(cè)偏角與側(cè)向力的關(guān)系是線性的，同時(shí)不考慮地面切向力對(duì)輪胎側(cè)偏特性的影響，也不考慮空氣動(dòng)力的作用。將車輛簡化為線性二自由度的模型，忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角δ作為輸入；忽略懸架的作用，認(rèn)為車輛車廂只作平行于地面的平面運(yùn)動(dòng)；車輛沿x軸的前進(jìn)速度u視為不變，因此，車輛只有沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)兩個(gè)自由度。線性二自由度車輛模型如圖2所示。

二自由度車輛運(yùn)動(dòng)微分方程式如下：

將這樣一個(gè)線性二自由度汽車等速行駛時(shí)，前輪角階躍輸入下得到的穩(wěn)態(tài)橫擺角速度作為名義橫擺角速度：

1．2 副控制循環(huán)
    副循環(huán)在ABS控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行輪速控制。控制邏輯分3個(gè)主要階段：首次增減壓階段、高附循環(huán)階段及低附循環(huán)階段。控制過程從首次增減壓階段開始，進(jìn)行相應(yīng)的增減壓調(diào)節(jié)。在調(diào)節(jié)過程中，先進(jìn)行路面識(shí)別。如果識(shí)別出是高附路面，則進(jìn)行相應(yīng)的高附路面的車輪制動(dòng)力調(diào)節(jié)；如果識(shí)別出是低附路面，則進(jìn)入相應(yīng)的低附路面車輪制動(dòng)力調(diào)節(jié)。同時(shí)，路面識(shí)別的結(jié)果也輸出到主控制循環(huán)，為主循環(huán)DYC提供路面信息，決定主循環(huán)DYC各控制門限值。

2 用于ESP設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)
    為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的。ESP控制邏輯的有效性，通過MATLAB／Simulink／xPC實(shí)時(shí)仿真工具，建立了如圖3所示的硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)。

    圖3中，宿主機(jī)中建立ESP算法控制模型，利用嵌入式目標(biāo)Embedded Target for Infineon C166Microcontrollers進(jìn)行ESP控制算法的自動(dòng)代碼生成，然后自動(dòng)調(diào)用Infineon MiniMon工具通過RS232串行電纜將生成的代碼下載進(jìn)基于InfineonCl66微處理器的控制ECU中。
    宿主機(jī)內(nèi)利用Simulink建立了15自由度的整車模型，利用xPC工具通過TCP／IP將模型下載入目標(biāo)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行。實(shí)時(shí)運(yùn)行的模型采集制動(dòng)壓力信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前的車速、橫擺角速度、前輪輪速，連同模型中設(shè)定的方向盤轉(zhuǎn)角一并傳遞給ECU。ECU根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)判斷車輛的穩(wěn)定情況，一旦檢測到失穩(wěn)傾向，就立刻控