汽车电子控制技术第11章行驶与安全控制系统

汽车电子控制技术第11章行驶与安全控制系统11.1电控悬架系统(ECSS)11.2巡航控制(CCS)与导航控制11.3安全气囊(SRS)11.4防撞控制系统11.6电控转向系统(EPS)11.7汽车电子稳定程序系统(ESP)11.5电控中央门锁与防盗系统汽车悬架系统简介汽车悬架是汽车的一个重要组成部分，1.悬架的功用1)抑制、缓和由不平路面引起的振动和冲击；2)传递汽车垂直力以外，还传递其他各方向的力和力矩；3)保证车轮和车身(或车架)之间有确定的运动关系，使汽车具有良好的驾驶性能。2.悬架的组成1）弹性元件：起缓冲作用，承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面对车体的冲击，2）减振器：起减振作用，衰减车身的振动是悬架机构中最精密和复杂的机械件。3）传力（导向）装置：起力的传递作用，保证车轮相对于车架(或车身)有确定的相对运动规律。汽车悬架系统示意图1）弹性元件1钢板弹簧特点：既有弹性元件的作用，又可起到导向和减振作用。2螺旋弹簧特点：质量轻，但没有减振作用，须另加减震器；也必须加推力杆。3气体弹簧特点：以空气或油、气作为工作物质。体积小、寿命长、弹簧刚度可变；但要求密封好、加工装配精度高。膜式空气弹簧囊式空气弹簧油气不分隔式弹簧油气分隔式弹簧2）减振器1、功用：加速车架与车身振动的衰减，改善汽车行驶的平顺性。2、原理：油液通过窄小孔隙形成阻尼,将振动能量转化为热能.减振器工作过程双向作用筒式减振器2.纵向推力杆1.弹性元件、减振器3.横向稳定杆、横向推力杆3）传力（导向）装置3.悬架的类型1）结构上分：分成独立悬架和非独立悬架。2）反应性能上分：分成被动悬架、半主动悬架和主动悬架。3）减振材料上分：分成液力悬架、空气悬架和电磁悬架。构造较简单，承载力大，商用车、皮卡、越野车部分轿车的后悬架采用这种型式。(a)非独立悬架(b)独立悬架每个车轮能独立上下跳动而互不影响。轿车多采用这种型式。11.1电控悬架系统电子控制悬架系统ElectronicControlledSuspensionSystem—ECSS1.一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感；2.急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性；3.不同行驶环境对车身高度的要求也是不一样的。传统的被动悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方式去解决。电子控制悬架（主动/半主动悬架）可以在一定范围内调整悬架的性能来满足上述需求。汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求，汽车在1）车高调整功能车辆的负载变化，保持一定的车高；车辆在差的路面行驶，提高车高；车辆高速行驶，降低车高。1.电控悬架的功能2）衰减力控制功能在车辆急转弯、急加速和紧急制动的情况下，可抑制车辆的姿态变化，防止车辆后坐、侧倾、点头等。3）弹簧刚度弹性系数的控制功能利用控制弹簧刚度的方法控制车辆起步不同状态时的姿态。根据路面的激励和车辆的响应，对悬架的阻尼系数进行调整，使车身的振动被控制在一定的范围内。2.电控悬架的类型1）半主动悬架根据车辆的行驶条件、车轮高低的变化，主动改变悬架的刚度和阻尼系数，主动高度补偿尽量使车身保持稳定。2）全主动悬架1.传感器：车身加速度、位移；车速；转角等传感器；2.ECU:3.执行机构：电磁阀、步进电机、气泵电机。11.1.2电控悬架的基本组成11.1.3半主动悬架系统的控制原理检测车身振动，调整悬架的刚度和阻尼系数。半主动悬架可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统。虽然它不能随外界的输入进行最优的控制和调节，但它可按储存在计算机中的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态，使悬架对复杂多变的路面状况具有较好的适应性。主动悬架是一个动力驱动系统，包括能量源、测量系统、ECU、和执行器四个部分。其原理是通过传感器获得车辆振动信息，传递给ECU进行处理，发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行控制，衰减悬架的振动。主动悬架结构复杂，成本高，需要很大的能量消耗，其发展受到了一定的制约，在少数高级轿车中有所应用。11.1.4主动悬架系统的控制原理主动悬架系统的控制模式控制模式控制项行驶状况悬架刚度阻尼系数车速与路面感应控制车速感应控制车速高增大前后轮相关控制遇到障碍减小坏路面感应控制坏路面行驶增大车身姿态控制转向车身倾斜控制车辆急转向增大制动车身点头控制车辆紧急制动增大起步车身后仰控制突然加速增大车身高度控制1）车辆高速行驶，降低车高。2）车辆在差的路面行驶，提高车高；3）驻车时，常规车高；目前应用于悬架控制系统的控制理论主要有：天棚控制、最优控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制以及复合控制等等。11.1.5控制策略研究天棚控制原理是在车身上安装一个与车身振动速度成正比的阻尼器，可以完全防止车身与悬架系统产生共振，达到衰减振动的目的。在天棚控制方式中，控制力取决于车体的绝对速度的反馈，不需要很多传感器也不需要复杂的数学模型，可靠性较好。CCS可使汽车工作在发动机有利转速范围内，减轻驾驶员的驾驶操纵劳动强度，提高行驶舒适性的汽车自动行驶装置。巡航控制系统又称为巡航行驶装置、速度控制系统、自动驾驶系统。11.2巡航控制与导航控制11.2.1巡航控制系统巡航控制系统CrusieControlSystem——CCS丰田PRIUS轿车巡航控制系统巡航控制系统按钮通过自动控制制动和加速来保证一定的车距。旧巡航控制系统只能按设定的车速保持一个速度，而主动巡航控制统则利用雷达或其他监测设备扮演司机的角色，前方慢，后方也减速。系统自动保持预先设定的与前车的安全距离。主动式巡航控制系统按驾驶员所设定的速度，不用踩油门踏板就可以自动地保持车辆以固定的速度行驶。采用了这种装置，当在高速公路上长时间行车，驾驶员不用控制油门踏板，减轻了疲劳，减少了不必要的车速变化，可以节省燃料。1.作用与类型1）巡航控制系统作用1电控电动机式CCS2电控真空控制式CCS2）巡航控制系统类型汽车巡航控制系统主要是由指令开关、传感器、电子控制单元ECU和节气门执行器四部分组成。2.CCS的构成1）主控开关：控制CCS启动、关闭、调节巡航状态。2）离合器开关：仅安装于手动变速器车辆，当汽车在巡航状态下出现驾驶员干预，驾驶员踩踏离合器踏板，使其闭合，电控单元立即自动关闭巡航工作状态。3）变速器空挡开关：仅安装于自动变速器车辆，它的作用与离合器开关类似。4）刹车开关：当驾驶员踩踏制动踏板时，在制动灯亮的同时，将控制节气门动作摇臂的电磁离合器断开，迅速退出巡航控制的工作状态。节气门不再受CCS控制。5）手刹车制动开关：与离合器开关、空当开关类似。6）点火开关：通断工作电源。1.指令开关1）车速传感器：专用于CCS的车速传感器一般安装在汽车变速器输出轴上。2）节气门传感器：节气门传感器CCS与EFI共用。3）节气门控制摇臂传感器：这是CCS专用的传感器。其作用是对电控单元提供节气门控制摇臂位置的电信号，目前应用较多的是滑线电位计式。2、传感器主要有车速传感器、节气门传感器和节气门控制摇臂位置传感器等。1）气动方式：采用进气歧管真空度控制的气动式结构。3.执行器作用：控制节气门的开度，达到控制车速。有电动和气动操纵两种形式。2）电动机式：是利用电动机的转动并带动控制摇臂摆动，可使节气门的开度变化，主要有电磁离合器、直流电动机或步进电机等。闭环控制方式，利用指令速度信号与反馈车速信号比较的差值，自动调节发动机油门的开度，使汽车行驶时的速度保持恒定。3.CCS的工作原理节气门执行器发动机及变速器KiKp车速传感器指令信号+-开度车速控制信号eECU在汽车巡航控制系统中有速度信号反馈，与指令车速进行比较，因此系统工作在闭环控制方式。一般来说，这样一个系统有如下特性要求：1.速响应能力；2.好的系统稳定性；3.小的稳态误差。控制器的放大倍数Kp和KI选择合适就可以使系统具有快速响应和高精度且无不稳定和震荡现象，因此电子巡航控制系统的设计重点是确定合适的控制器放大倍数。1）车速设定功能当按下车速调置开关后，存储该时间的行驶速度，并能保持这一速度行驶。2）消除功能功能当踩下制动踏板，上述功能立即消失。但是，上述调置速度继续存储。3）恢复功能当按恢复开关，则能恢复原来存储的车速。4）滑行功能继续按下开关进行减速，以离开开关时的速度作巡航行驶。5）加速功能继续按下开关进行加速，以不操纵开关时的车速进入巡航行驶。4.巡航控制系统的功能6）速度微调升高功能在巡航速度行驶中，当操纵开关以ON-OFF（接通-断开）方式变换时，使车速稍稍上升。7）低速自动消除功能当车速小于40km/h时，存储的车速消失，并不能再恢复此速度。8）制动踏板消除的功能在制动踏板上装有两种开关，一个用于对计算机的信号消除；另一个是直接使执行元件工作停止。9）各种消除开关功能除了利用制动踏板的消除功能外，还有驻车制动、离合器（M/T）、调速杆（A/T）等操作开关的消除功能。1）实时位置测定；2）显示汽车行驶中的位置；3）根据到达目的地，定向选择最佳行驶路线。11.2.2汽车导航系统1.汽车导航系统的主要功能汽车导航系统由GPS、车载系统、主控中心组成。主控中心：由电台、调制解调器、计算机系统、地理信息系统组成。车载系统：GPS接收机、电台、调制解调器、自律导航系统组成。2.汽车导航系统的组成与原理安全气囊SupplementalRestraintSystems——SRS11.3安全气囊即通过事先防范来避免交通事故发生的安全技术。汽车安全的概念即事故发生后对乘员的保护，以尽量减少事故对人员伤害的安全技术。1.主动式安全技术：2.被动安全技术，被动安全技术装置主要有安全带、安全气垫、防撞式车身和安全气囊防护系统。安全气囊是汽车上一种常见的被动安全装置。气囊的作用是在驾驶员与方向盘之间、前座乘员与仪表板间形成一个缓冲软垫，避免硬性撞击而受伤。11.3.1作用与类型安全气囊在汽车碰撞时中对人体有很好的保护作用，但由于其工作采用的方式，其爆破力造成的冲击对人体也有一定的伤害。此装置一定要与安全带配合使用，否则效果大为降低。现已作为标准件在轿车上普遍安装，并向带有侧面防撞安全气囊及顶部碰撞防护安全气囊的多气囊系统发展。在车辆相撞时，由电控元件用电流引爆安置在方向盘中央或仪表盘板杂务箱后等处气囊中的渗氮物，迅速燃烧产生氮气，瞬间充满气囊。目前研究的重点是智能型安全气囊，智能型安全气囊技术是采用重量传感器或者红外、超声波等传感器来探测判断座位上是否有人，乘坐者是否在正确的位置，乘坐者体重、身高等因素，碰撞的强度等，根据探测到的信息，确定气囊是否点爆、点爆力有多大，即气囊展开的程度(气压与速度)。从而，达到最合适的充气状态，以免由于强烈的冲击而伤害乘坐者。并且与安全带形成总体控制，以对乘客形成最佳保护。双气囊系统双气囊系统双气囊系统多气囊系统多气囊系统多气囊系统安全气囊系统一般由传感器、电控单元(ECU)、气囊模块（包括气体发生器、气囊、点火器）、监控装置、储备电源等组成。传感器ECU气体发生器气囊11.3.2电子控制SRS的组成PSB：安全带预紧装置。DAB：驾驶员气囊PAB：是乘员气囊传感器包括：碰撞传感器检测汽车的碰撞（减速度），安全传感器防止气囊误胀开。碰撞传感器将极大减速度下的惯性力转换为位移、压力、磁电、压电、压阻等。碰撞传感器有机械式、磁力式、压电式、应变片式、压阻式传感器等。安全传感器是水银开关式传感器。1.传感器气体发生器、发气剂、电子点火器、气囊组成。2.电子控制单元ECU3.气囊模块ECU接收加速度传感器感受汽车碰撞强度信号，ECU对接收的信号并进行分析、处理，以判定是否发生碰撞事故。若发生了碰撞则对气体发生器发出指令，气体发生器接收到点火信号后，迅速点火产生大量气体给气囊充气，迅速吹胀气囊，整个过程约需0.03s。11.3.3电子控制SRS的工作过程触发装置中的监控装置可连续自我监控，确保整个气囊系统在任何时刻都处于准备工作状态。自动避撞系统利用装于车辆上的传感器及计算机控制器，实时准确判断发生碰撞的可能，随时提醒驾驶人员注