CN106314060A - 一种电动式主动稳定杆的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动式主动稳定杆的控制系统及其控制方法，其特征包括：控制单元、陀螺仪传感器、转子位置传感器、电流传感器；控制单元包括：姿态检测电路、电机转子位置信号处理电路、电流采样电路、电机矢量驱动及过流保护电路、主控芯片。本发明能实时控制车辆的侧倾角度，从而能在车辆高速转向时，能够提高车辆的驾驶安全性和乘坐舒适性。

Description

一种电动式主动稳定杆的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车电子技术领域，尤其是一种电动式主动稳定杆的控制系统及其控制方法。

背景技术

随着汽车行驶速度的不断提高，人们对汽车行驶平顺性和安全性提出了越来越高的要求，但常规的带有被动横向稳定杆的被动悬架很难同时满足乘坐舒适性与操纵稳定性的要求，而且无法实时地调整悬架的侧倾角刚度。在高速转向时车辆易产生侧倾，侧倾过大容易使驾驶员产生疲劳和不安全感。因此，车辆主动防侧倾控制研究是汽车领域的研究热点问题之一。

目前，国内还没有生产制造主动稳定杆系统的汽车企业，且也无自主开发的能力，国产汽车的稳定杆一般都属于被动式，而这类稳定杆在反侧倾程度上的能力十分有限，尤其针对越野车这类侧倾程度较大的，被动的稳定杆就显得更加吃力，因此，在安全性与舒适性上，还远远达不到主动稳定杆的要求。只有一些高校等研究单位在这方面做了一定的研究，但都没有取得突破性的进展。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种电动式主动稳定杆的控制系统及其控制方法，以期能实时控制车辆的侧倾角度，从而能在车辆高速转向时，能够提高车辆的驾驶安全性和乘坐舒适性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明一种电动式主动稳定杆的控制系统的特点包括：控制单元、陀螺仪传感器、转子位置传感器、电流传感器；

所述控制单元包括：姿态检测电路、电机转子位置信号处理电路、电流采样电路、电机矢量驱动及过流保护电路、主控芯片；

所述姿态检测电路通过所述陀螺仪传感器获取车辆的车身姿态信号并提供给主控芯片；

所述转子位置传感器获取直流无刷电机的转子位置信号并提供给所述电机转子位置信号处理电路；

所述电流传感器获取所述直流无刷电机的三相电流并提供给所述电流采样电路；

所述电机转子位置信号处理电路对所述转子位置信号进行光电隔离和采样处理，得到三相霍尔信号并提供给所述主控芯片；

所述电流采样电路对所述三相电流进行采样处理，得到三相模拟电流信号并提供给所述主控芯片；

所述主控芯片利用四元数算法对所述车身姿态信号进行姿态解算，得到车辆的实际侧倾角；

所述主控芯片利用磁场定向控制算法对三相霍尔信号和三相模拟电流信号进行处理，得到三相驱动信号并传递给所述电机矢量驱动及过流保护电路；

所述电机矢量驱动及过流保护电路根据所述三相驱动信号驱动所述直流无刷电机的转子转动，从而控制稳定杆调整车身的侧倾角。

本发明一种电动式主动稳定杆的控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、利用陀螺仪传感器获取车辆的车身姿态信号，利用转子位置传感器获取直流无刷电机的转子位置信号，并利用电流传感器获取所述直流无刷电机的三相电流信号；

步骤2、利用四元数算法对所述车身姿态信号进行姿态解算，得到车辆的实际侧倾角θ_act；

步骤3、利用式(1)获得车辆的角度偏差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act (1)

式(1)中，θ_ref表示所设定的目标侧倾角；

步骤4、利用式(2)所示的PID算法求解出目标转矩电流i_qref：

$i_{qref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}{\mathrm{de}}_{\mathrm{\θ}}/dt---\left(2\right)$

式(2)中，为角度环比例系数，为角速环积分系数，角度环微分系数；

步骤5、利用式(3)和式(4)分别获得所述直流无刷电机的转矩电流误差e_q和励磁电流误差e_d：

e_q＝i_qref-i_qact (3)

e_d＝i_dref-i_dact (4)

式(3)和式(4)中，i_qact表示实际转矩电流，i_dref表示目标励磁电流，i_dact表示实际励磁电流；

步骤6、利用式(5)和式(6)所示的PI算法求解出所述直流无刷电机的q轴电压u_q和d轴电压u_d：

$u_q=K_p^q{e}_q+K_i^q\∫e_{q}dt---\left(5\right)$

$u_d=K_p^d{e}_d+K_i^d\∫e_{d}dt---\left(6\right)$

式(5)和式(6)中，为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数；

步骤7、根据所述q轴电压u_q和d轴电压u_d，利用Park反变换求解出α、β坐标系下的电压u_α和u_β；

步骤8、利用SVPWM空间矢量脉宽调制法对所述α、β坐标系下的电压u_α和u_β进行处理得到三相驱动信号；

步骤9、由逆变器将所述三相驱动信号转换为三相驱动电压并施加给所述直流无刷电机，从而驱动所述直流无刷电机的转子转动，从而控制稳定杆调整车身的侧倾角，同时由传感器再次采集各个信号并进行处理，从而形成闭环控制。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明与目前国内使用的被动式主动稳定杆相比，采用32位单片机MCF52259，并以单片机MCF52259为核心，通过陀螺仪传感器判断当前行驶工况和车身姿态，利用控制单元产生控制信号，控制直流无刷电机旋转经过减速器后作用在稳定杆上提供反侧倾力矩，从而减小车身侧倾角，提高车辆的行驶安全性和乘坐舒适性。

2、本发明系统能在车辆产生侧倾趋势时给车辆快速施加反侧倾力矩，防止车辆侧倾，大大减小车辆侧倾角和侧倾角速度，因而提高乘坐的舒适性，增大独立悬架的轮胎法向力，从而改善车轮与路面的附着状况等。

3、本发明通过利用先进的9轴运动处理传感器测量车辆角速度和加速度，减少了传感器使用数量，克服了传统加速度传感器存在的累积误差问题，主控制器通过对采集到三轴角速度和加速度信号使用四元数算法，利用传感器数据融合技术获取更加精确的车身侧倾角度，运用PID控制算法控制直流无刷电机旋转，输出反侧倾力矩，迫使车辆侧倾角减小，提高车辆的行驶安全性和乘坐舒适性，控制精度高且控制稳定可靠。

4、本发明的电机转子位置信号处理电路通过光耦继电器隔离电机转子位置传感器和主控芯片，从而抑制干扰传输，保护主控芯片并提高信号传输的准确性。

5、本发明的电机矢量驱动电路和过流保护电路通过对运算放大电路、光耦继电器和逻辑非门电路的结合，从而保证发生过流的情况下能够快速切断矢量驱动电路的输出，保护主控芯片和电机的安全。

附图说明

图1为本发明的控制系统结构框图；

图2为本发明电机转子位置信号处理电路的电路原理图；

图3为本发明电机矢量驱动及过流保护电路的电路原理图；

图4为本发明控制方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种电动式主动稳定杆的控制系统如图1所示，包括：控制单元、陀螺仪传感器、转子位置传感器、电流传感器；

控制单元包括：姿态检测电路、电机转子位置信号处理电路、电流采样电路、电机矢量驱动及过流保护电路、主控芯片；

姿态检测电路通过陀螺仪传感器获取车辆的车身姿态信号并提供给主控芯片；

转子位置传感器获取直流无刷电机的转子位置信号并提供给电机转子位置信号处理电路；

电流传感器获取直流无刷电机的三相电流并提供给电流采样电路；

电机转子位置信号处理电路如图2所示，对转子位置信号进行光电隔离和采样处理，得到三相霍尔信号并提供给所述主控芯片；P301为电机转子位置传感器的电源线和信号线的接插头，其中2、3、4角分别与光耦OC303、OC302、OC301的输入端相连，光耦OC301、OC302、OC303的输入端分别接限流电阻R301、R302、R303，光耦OC301、OC302、OC303的输出端分别接上拉电阻R304、R305、R306。

电流采样电路对三相电流进行采样处理，得到三相模拟电流信号并提供给主控芯片；

主控芯片利用四元数算法对车身姿态信号进行姿态解算，得到车辆的实际侧倾角；

主控芯片利用磁场定向控制算法对三相霍尔信号和三相模拟电流信号进行处理并结合实际侧倾角，得到三相驱动信号并传递给电机矢量驱动及过流保护电路；

电机矢量驱动及过流保护电路如图3所示，根据所述三相驱动信号驱动直流无刷电机的转子转动，从而控制稳定杆调整车身的侧倾角。过流保护电路包含逻辑非门电路U501A、U502A、U503A、U504A、U505A、U506A、运算放大电路U501B和光耦OC501等主要部件，逻辑非门电路的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6脚分别接单片机MCF52259的11、93、12、94、65、95脚，6个逻辑非门电路的16引脚与光耦OC501的输出端相连，MOS管Q502、Q504、Q506的源极相连后接运放U501B的正相输入端，电源VCC通过电阻R502连接到运放U501B的反相输入端，运放的输出端与光耦OC501的输入端相连，光耦OC501的输出端与单片机MCF52259的103脚相连。例如，电机主电流过大时，此时光耦OC501不导通输出高电平，逻辑非门电路输出高电平，经过半桥功率放大芯片IR501控制全部MOS管关断，同时MCF52259的103脚出现高电平跳变，单片机进入中断故障处理程序，从而实现过流保护。

本实施例中，一种电动式主动稳定杆的控制方法如图4所示，是按如下步骤进行：

步骤1、利用陀螺仪传感器获取车辆的车身姿态信号，利用转子位置传感器获取直流无刷电机的转子位置信号，并利用电流传感器获取所述直流无刷电机的三相电流信号；

步骤2、利用四元数算法对所述车身姿态信号进行姿态解算，得到车辆的实际侧倾角θ_act；

步骤3、利用式(1)获得车辆的角度偏差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act (1)

式(1)中，θ_ref表示所设定的目标侧倾角；

步骤4、利用式(2)所示的PID算法求解出目标转矩电流i_qref：

$i_{qref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}{\mathrm{de}}_{\mathrm{\θ}}/dt---\left(2\right)$

式(2)中，为角度环比例系数，为角速环积分系数，角度环微分系数；

步骤5、利用式(3)和式(4)分别获得所述直流无刷电机的转矩电流误差e_q和励磁电流误差e_d：

e_q＝i_qref-i_qact (3)

e_d＝i_dref-i_dact (4)

式(3)和式(4)中，i_qact表示实际转矩电流，i_dref表示目标励磁电流，i_dact表示实际励磁电流；

步骤6、利用式(5)和式(6)所示的PI算法求解出所述直流无刷电机的q轴电压u_q和d轴电压u_d：

$u_q=K_p^q{e}_q+K_i^q\∫e_{q}dt---\left(5\right)$

$u_d=K_p^d{e}_d+K_i^d\∫e_{d}dt---\left(6\right)$

式(5)和式(6)中，为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数；

步骤7、根据所述q轴电压u_q和d轴电压u_d，利用Park反变换求解出α、β坐标系下的电压u_α和u_β；

步骤8、利用SVPWM空间矢量脉宽调制法对所述α、β坐标系下的电压u_α和u_β进行处理得到三相驱动信号；

步骤9、由逆变器将所述三相驱动信号转换为三相驱动电压并施加给所述直流无刷电机，从而驱动所述直流无刷电机的转子转动，从而控制稳定杆调整车身的侧倾角，同时由传感器再次采集各个信号并进行处理，从而形成闭环控制。例如，车辆行驶在转向工况下通过四元数姿态解算得到车辆的实际侧倾角为8度，将θ_act赋值为8与目标侧倾角0度相减得到e_θ＝8，然后对偏差e_θ作PID运算得到目标转矩电流i_qref，然后将i_qref代入磁场定向控制运算，最终可以得到三相驱动电压驱动电机转子转动，从而达到控制车身侧倾角的目的。

Claims (2)

1.一种电动式主动稳定杆的控制系统，其特征包括：控制单元、陀螺仪传感器、转子位置传感器、电流传感器；

所述控制单元包括：姿态检测电路、电机转子位置信号处理电路、电流采样电路、电机矢量驱动及过流保护电路、主控芯片；

所述姿态检测电路通过所述陀螺仪传感器获取车辆的车身姿态信号并提供给主控芯片；

所述转子位置传感器获取直流无刷电机的转子位置信号并提供给所述电机转子位置信号处理电路；

所述电流传感器获取所述直流无刷电机的三相电流并提供给所述电流采样电路；

所述电机转子位置信号处理电路对所述转子位置信号进行光电隔离和采样处理，得到三相霍尔信号并提供给所述主控芯片；

所述电流采样电路对所述三相电流进行采样处理，得到三相模拟电流信号并提供给所述主控芯片；

所述主控芯片利用四元数算法对所述车身姿态信号进行姿态解算，得到车辆的实际侧倾角；

所述主控芯片利用磁场定向控制算法对三相霍尔信号和三相模拟电流信号进行处理，得到三相驱动信号并传递给所述电机矢量驱动及过流保护电路；

所述电机矢量驱动及过流保护电路根据所述三相驱动信号驱动所述直流无刷电机的转子转动，从而控制稳定杆调整车身的侧倾角。

2.一种电动式主动稳定杆的控制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、利用陀螺仪传感器获取车辆的车身姿态信号，利用转子位置传感器获取直流无刷电机的转子位置信号，并利用电流传感器获取所述直流无刷电机的三相电流信号；

步骤2、利用四元数算法对所述车身姿态信号进行姿态解算，得到车辆的实际侧倾角θ_act；

步骤3、利用式(1)获得车辆的角度偏差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act (1)

式(1)中，θ_ref表示所设定的目标侧倾角；

步骤4、利用式(2)所示的PID算法求解出目标转矩电流i_qref：

$i_{qref}=K_p^{\mathrm{\θ}}{e}_{\mathrm{\θ}}+K_i^{\mathrm{\θ}}\∫e_{\mathrm{\θ}}dt+K_d^{\mathrm{\θ}}{\mathrm{de}}_{\mathrm{\θ}}/dt---\left(2\right)$

式(2)中，为角度环比例系数，为角速环积分系数，角度环微分系数；

步骤5、利用式(3)和式(4)分别获得所述直流无刷电机的转矩电流误差e_q和励磁电流误差e_d：

e_q＝i_qref-i_qact (3)

e_d＝i_dref-i_dact (4)

式(3)和式(4)中，i_qact表示实际转矩电流，i_dref表示目标励磁电流，i_dact表示实际励磁电流；

步骤6、利用式(5)和式(6)所示的PI算法求解出所述直流无刷电机的q轴电压u_q和d轴电压u_d：

$u_q=K_p^q{e}_q+K_i^q\∫e_{q}dt---\left(5\right)$

$u_d=K_p^d{e}_d+K_i^d\∫e_{d}dt---\left(6\right)$

式(5)和式(6)中，为转矩电流环比例系数，为转矩电流环积分系数，为励磁电流环比例系数，为励磁电流环积分系数；

步骤7、根据所述q轴电压u_q和d轴电压u_d，利用Park反变换求解出α、β坐标系下的电压u_α和u_β；

步骤8、利用SVPWM空间矢量脉宽调制法对所述α、β坐标系下的电压u_α和u_β进行处理得到三相驱动信号；

步骤9、由逆变器将所述三相驱动信号转换为三相驱动电压并施加给所述直流无刷电机，从而驱动所述直流无刷电机的转子转动，从而控制稳定杆调整车身的侧倾角，同时由传感器再次采集各个信号并进行处理，从而形成闭环控制。