車輛ABS／EBD／DYC／ESP控制技術

王旭斌

（河南交通職業技術學院汽車學院，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，與制動系相關的安全技術主要有制動防抱死系統ABS（anti-lock braking system）、電子制動力分配系統EBD （electronic brake-force distribution）、直接橫擺力矩控制系統DYC（direct yaw moment control）及車輛電子穩定系統ESP（electronic stability program）等。它們大大改善了車輛縱向制動效能或橫向穩定性。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上，對控制策略及關鍵技術總結說明，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，對車輪的制動器制動力調節而實現的；EBD是在ABS硬件基礎上，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硬件基礎上，加裝判斷車輛穩定狀況的傳感器，通過判斷車輛穩定狀況，對某些車輪主動施加制動力而產生所需附加橫擺力矩而實現車輛的橫向穩定；ESP是綜合了ABS、TCS、DYC，通過CAN總線對車輛在轉彎、驅動或制動時轉向特性需要糾正，以及極限失穩工況下對車輛橫向穩定控制。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是在車輛橫向不穩定時，其優先于ABS／EBD。

2 控制技術

2.1 控制基礎

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主動產生制動力，實質都是對地面縱向制動力和側向力的控制。地面與輪胎間力的大小和方向受車輪結構及運動狀態、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，可根據研究目的選擇，常用的半經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，輪胎力可根據模型輸入 （滑移率λ、側偏角α等） 先計算出附著系數u，再與輪胎載荷相乘間接計算出，或根據模型輸入（滑移率λ、側偏角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ABS／EBD／DYC／ESP控制技術時，需根據研究目標建立相應的車輛模型。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系，需建立基于車輛動力學的Simulink車輛模型。用于ABS控制技術的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方程參見文獻［2］。

用于EBD控制技術的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

用于車輛穩定性的ABS／EBD／DYC／ESP整車控制技術的八自由度 （4個車輪轉動、車身橫擺、側傾、橫向及縱向運動）四輪車輛模型，以及用于判斷車輛穩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方程參見文獻［4］。

2.2 控制策略

控制策略作為控制技術的靈魂，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模型運用控制理論 （PID、模糊、自適應、模型預測、最優、魯棒等）的控制方法。EBD的控制更多采用門限值法，運用stateflow狀態流程圖實現，主要有3種［5］：一是根據前后輪的滑移率進行控制，二是根據前后輪輪速進行控制，三根據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穩定性控制策略采用分層控制，經過動力學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換成對執行系統的需求，最終通過執行層實現［7］。大都選取橫擺角速度和質心側偏角作為控制變量，當質心側偏角較小時，用橫擺角速度來判斷車輛的不足轉向和過度轉向；當質心側偏角較大時，用質心側偏角來判斷車輛的過度轉向質心側偏角的控制準則［8］。通常將線性二自由度車輛的穩態轉向特性作為橫擺角速度對汽車穩定性的理想表征。其控制理論的應用，也由一般控制、最優控制、自適應控制，發展到滑模變結構控制以及模糊控制和人工神經網絡控制等。

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而輸出壓力控制脈沖信號PWM。

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術受初始車速、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內容，也是重點和難點。其中，轉向制動車輛處于極限狀態下的控制成為研究的熱點。應用于電動汽車采用線控技術的電液制動EHB（electro hydraulic brake） 系統及電制動EMB （electro mechanical brake） 系統融合了ABS／EBD／DYC／ESP技術，需協調與再生制動的控制。

2.3 關鍵技術

從輪胎模型和控制框圖可看出，控制策略的實現是以輪胎、車輛、路面狀態參數這些關鍵技術為前提的。在一定的精度范圍內，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、質心側偏角及附著系數大都采用基于車輛動力學或運動學來估計［10］；控制方法中參變量的確定：門限值更多采用試驗方法，穩定域邊界采用相平面法［11］，更多參變量采用遺傳算法、自學習、模糊自整定等現代控制理論優化或估計以及工程上通過標定試驗給出。電動汽車可充分利用驅動力矩和制動壓力已知的優勢，簡化對質心側偏角和路面摩擦系數估計算法，提高估計精度。

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術都是基于車輛制動系統，但控制的目的和作用域不同，如何優先及過度協調控制［12］，使得縱向制動效能較好，又使得車輛穩定。另外，車輛縱向、側向及垂向動力學是相關耦合的，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已應用車輛中，如何兼顧各項性能，劃分各控制區域或集成策略也成為研究的方向。

3 總結

ABS／EBD／DYC／ESP控制技術提高了車輛的制動效能和側向穩定性，采用輪胎模型和基于車輛動力學的車輛模型用于ABS／EBD／DYC／ESP控制技術的開發有利于分析結構參數、動力學參數、控制參數等與運動狀態和車輛性能關系；不同控制技術下的控制策略研究應選用相應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，車輛或路面狀態參數實際值估計、目標值確定及控制參數整定是控制策略實現的關鍵技術；ABS／EBD／DYC／ESP控制技術對車輛工況的適應性和對干擾的魯棒性及集成協調策略是研究的難點；電動汽車復合制動系統為ABS／EBD／DYC／ESP研究帶來了新的研究熱點。