使用32位微控制器MPC5604的车辆稳定性控制系统仿真研究

杨家颖，吴光强,2，叶光湖

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.东京大学 生产技术研究所，日本，东京 153-8505）

车辆电子稳定性控制系统（Electronic Stability Program，ESP）主要在大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作，对提高车辆操纵稳定性及主动安全性有着至关重要的作用。ESP通过读取并处理传感器收集的信息对驾驶员意图、车辆行驶状况及路面状况进行识别，从而对液压调节器进行调节，产生使车辆稳定的横摆力偶矩[1]。而具有高精度、高可靠性的ECU则是实现ESP功能的基础。过往国内对ESP控制系统的研究大多基于16位微控制器，而随着技术的发展及要求控制精度的提升，ESP系统的功能日趋复杂化。目前常用的8位、16位微处理器已经难以满足ESP对数据处理能力及执行速度、可靠性等的要求。近年来，在处理能力、执行速度及I/O功能上具有明显优势的32位微控制器成本不断下降，逐渐在汽车车身控制、底盘控制等领域被广泛使用，在可预见的未来，32位微控制器必将成为汽车行业嵌入式系统的应用主流。Freescale公司的Qorivva/MPC5xxx系列32位微控制器采用了高性能PowerPC架构，为设计高质量、高可靠性的汽车电控系统提供了可拓展的集成解决方案[2]，在汽车电子领域得到了广泛的应用。

基于上述内容，本文选择了32位微控制器MPC5xxx系列中的MPC5604作为主控芯片，设计开发了ESP的电子控制系统ECU。建立了目标车辆的七自由度车辆模型，制定基于横摆角速度门限值的控制策略，并选择双移线仿真工况进行离线仿真分析。最后以开发的中央控制单元为核心，结合ESP液压调节单元，实现硬件在环仿真，为进一步优化模型及控制策略提供依据。

1 ESP系统中央控制单元组成

ECU作为汽车稳定性控制系统的核心，具备接收和处理通过传感器和CAN总线输入的信号并发出控制信号的功能。ECU芯片由内部电路实现各模块功能，电路封装后通过定义的接口和子系统进行连接。图1是基于Freescale公司Qorivva/MPC5604的ECU结构图。ECU需要对多项采集数据进行处理运算，同时还需保证系统的可靠性及稳定性，而本文采用的32位微控制器可以满足运算量大、实时性强的系统设计，为ESP系统中央控制单元的设计提供了理想的解决方案[3]，其所具有的CAN总线接口也可以实现与汽车其余行驶辅助系统及动力总成的信号共享以及控制信号的总线方式传输。同时，随着汽车电子化的不断深入，ESP的功能日趋丰富，集成度也越来越高，目前已有ESP产品集成了防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，ABS）、电子制动力分配系统（Electronic Brake Force Distribution，EBD）、制动辅助系统（Brake Assist System，BAS）、电子差速锁止系统（Electronic Differential Lock，EDL）、牵引力控制系统（Traction Control System，TCS）、驱动防滑系统（Acceleration Slip Regulation，ASR）等系统[4]，32位微控制器的强大扩展性也为后续的研究及开发更新提供了便利和空间。

通过Freescale公司专为Qorivva/MPC56xx开发的Codewarrior for MPC56xx编译软件，可使用C语言进行编程后通过JTAG模块进行下载，同时对控制系统的运行过程进行跟踪[5]。在MPC5604最小应用系统的基础上，实现对ESP系统所需信号的采集处理以及对执行机构的控制。对信号的采集可分为两部分：轮速信号以及其它如车速信号、横摆角速度信号等。其中轮速信号经过轮速信号调理电路进行信号处理后通过微控制器的输入捕捉I/O来采集；而如横摆角速度、纵向加速度、侧向加速度、方向盘转角及轮缸压力等信号通过外部数据采集卡进行A/D转换，并由外部电路进行打包处理后通过CAN总线与ECU共享。执行机构主要通过自主开发的驱动模块分别对12路电磁阀及回流泵实现控制，其中12路电磁阀的驱动使用3片意法半导体公司的功率开关电路L9349，而回流泵的驱动采用单片Infineon公司的高位开关芯片BTS5090实现。具体ECU布线及实物图如图2所示。

ECU通过CAN总线及输入捕捉I/O接收目标信号，实时监控车辆的行驶状况，识别驾驶员意图，从而根据控制策略控制12路电磁阀以及回流泵的工作状态，分配制动轮缸压力产生差动制动，保证车辆稳定，提高车辆的主动安全性。

2 整车系统建模

2.1 七自由度整车模型

汽车行驶状态主要由纵向速度、侧向速度和横摆角速度确定。其中纵向速度和侧向速度共同决定了车辆行驶的质心侧偏角，横摆角速度的积分即可得到汽车的横摆角，而横摆角与质心侧偏角叠加之和为汽车行驶的航向角。航向角增大，汽车的转弯半径会减少，反之转弯半径会增大，所以航向角的大小则决定了汽车的稳定状态。本文建立了七自由度车辆模型（纵向、横向、横摆、四车轮滚动，如图3所示），建立该模型包括以下假设：

（1）假设车辆处于水平路面，不考虑纵向和横向坡度。

（2）为简化运算，忽略空气阻力对车辆运动的影响。

（3）不考虑车身的侧倾和俯仰运动。

（4）不考虑悬架引起各车轮载荷的瞬态变化。

（5）各车轮转动惯量、滚动半径及滚动阻力系数相同。

图3中，将坐标原点固定于车辆的质心处，Vx为汽车纵向速度；Vy为汽车横向速度；β为汽车质心侧偏角；δ为前轮转向角；dr为轮距；CG为整车质心；lf为前轴到质心距离；lr为后轴到质心距离。根据达朗贝尔原理，分别对车辆模型进行x轴受力、y轴受力、绕z轴转动力矩建立平衡关系，从而得到以下七自由度车辆模型动力学方程。

整车纵向运动方程：

整车侧向运动方程：

整车横摆运动方程：

各车轮旋转动力学方程：

至此，整车七自由度车辆动力学方程建立完毕。

2.2 轮胎模型

就ESP而言，汽车稳定性控制就是在失稳状态下对不同车轮施加制动力，利用不同车轮的制动力差别产生横摆力偶矩从而实现对车辆横摆运动的控制。换言之，车辆的运动姿态主要是受到各车轮轮胎纵、侧向力系及其横摆力矩作用的影响。准确计算车轮的纵横作用力是对车辆稳定性制定控制策略的基础，而得到正确的车轮载荷则是得到正确的车轮纵横作用力的基础。在车辆转向时，由于侧向力以及横摆运动的原因，整车的载荷会在左右车轮间转移。因此，本文建立以下公式来描述四轮载荷的稳态分布。

式中，Fz,ij分别为四车轮的载荷；L为轴距；hg为整车质心高度；ax与ay分别为车辆纵横加速度。

同时，由于在极限工况下线性轮胎模型存在严重的误差，因而在车辆状态估计研究中，主要使用的是非线性轮胎模型。其中， Pacejka H.B.提出的“魔术公式”对轮胎力特性的表达式比较统一，拟合精度高，适用范围广，在车辆稳定性研究中被广泛使用。但该模型的局限性在于公式结构复杂、待定参数多而导致运算量大，而ESP系统对计算实时性的要求使车辆状态估计需要在保证精度的同时降低运算量。因此本文采用简化魔术公式轮胎模型[6]，在能较好反映轮胎非线性特性的同时提升运算的效率。以下即为简化轮胎模型的基本形式。和魔术公式一样，式中的D、C、B分别为峰值因子、形状因子和刚度因子。以下使用式(6)分别对轮胎稳态纵滑、侧偏联合工况进行分析。

2.2.1 纵向轮胎力

2.2.2 侧向轮胎力

式中，α为车轮侧偏角；f，r分别代表前轮和后轮。

2.3 制动器模型

ESP系统经过控制策略决定车辆需要的横摆力偶矩，控制液压调节单元（Hydraulic Control Unit，HCU）以调节电磁阀开闭实现轮缸制动压力的增压、减压与保压。而车轮的制动力矩Tb与轮缸制动压力油压pw有着以下关系[7]。

式中，Tb(s)为制动力矩；Pw(s)为轮缸制动压力；Kd为制动效能因素；AW为活塞横截面积；rd为制动盘有效半径；ωn为系统固有频率；ξ为制动器阻尼系数。

经推导，本文建立如下理论制动液压调节系统轮缸压力模型。

式中，t为作用时间；Ce为系统液容；Re为增压时系统液阻；R'e为减压时系统液阻；AP为轮缸活塞截面积；Xp为轮缸工作过程活塞位移；m与m'分别为增压与减压时的节流阀指数。

由于车辆制动液压系统是一个很强的非线性系统，很难推导其精确模型。为得到比较完善并能反映实际状态的液压系统模型，对车辆液压系统动态过程进行试验研究，通过试验及一元线性回归得到辨识参数，得到制动液压调节系统轮缸压力模型为

式中，τ0，τ1分别为增压、减压滞后时间。

3 稳定性控制策略制定

ESP系统通过对不同车轮施加不同的制动力进行差动制动，从而使车辆产生横摆力偶矩，辅助驾驶员对车辆行驶状态进行控制。同时，在极限工况下车辆达到附着极限而通过方向盘控制产生的侧向力饱和导致无法改变车辆运动状态时，差动制动产生的横摆力偶矩能够对恢复车辆稳定性起决定性作用。因而，对于控制策略应该是在车辆即将失稳时，通过ECU对驾驶员意图进行识别，控制HCU调节制动力，从而实现对车辆行驶姿态的控制。

由于横摆角速度可通过陀螺仪进行测量，本文基于横摆角速度的控制策略是通过将汽车实际横摆角速度与理想横摆角速度的差值Δr对超出预设的横摆角速度门限值的部分进行决策，其中预设的门限值为车辆在良好路面上以60 km/h车速行驶时，实际横摆角速度与名义横摆角速度的差值Δyaw，其差值约为0.08[8]。通过Δr与前轮转向角δf共同判断车辆的转向特性，同时决策实现制动车轮。考虑到由于车辆转向时，各车轮产生的横摆力臂不同导致产生横摆力矩的效率不同，本文使用单轮控制的方式来产生差动制动力，具体策略见表1。

表2中，t1，t2为动态滑移率门限，由路面附着系数确定[7]。

表1 制动车轮决策策略

车辆制动压力超过一定值时，会使车轮滑移率过高，从而使车轮附着系数下降，则车轮的纵向力及侧向力都将有所下降，使可利用的横摆力偶矩减小。因此，当已判断出所需制动的车轮时，控制策略会依据该轮滑移率控制HCU以调整制动轮缸压力。下面以右前轮制动工况为例，控制策略见表2。

表2 增(减)压速率决策策略

4 硬件在环台架搭建及仿真结果分析

4.1 硬件在环试验台搭建

本文建立了基于XPC Target开发平台的硬件在环试验平台。应用Matlab/Simulink软件编写的整车动力学模型以及控制算法，通过RTW生成实时代码，从而实现离线仿真与硬件在环仿真的结合，同时通过CAN把硬件反馈的工作信息反馈至用Labview编写的子界面中，可以便于比对及分析离线仿真与硬件在环的结果。本文中硬件在环系统包括以下部分：XPC Target实时仿真系统、信号处理系统、ECU、供电电源、液压控制单元。系统连接及实物如图4和图5所示。

4.2 仿真结果分析

选择ISO3888-1双移线试验工况作为仿真工况，车速为33 m/s，路面选用附着系数为0.9的B级路面，并参考使用最优曲率驾驶员模型[8]，控制整车转向输入，形成人-车闭环系统以观测整车模型以及控制策略对车辆稳定性的影响。将有ESP控制与无ESP控制的仿真结果进行比较，图例中以红线表示无ESP控制的结果，黑线表示有ESP控制的结果，仿真结果如图6～9所示。

分析图6的汽车行驶轨迹可以看出，在有ESP控制的情况下，汽车基本能跟随预定的轨迹运动，且基本能不触碰试验场地中的路障。而在无ESP控制的情况下，汽车出现了失稳现象，从其行驶轨迹可以看出汽车不仅会冲撞路障，甚至在行驶后期失去方向稳定。

分析图7和图8可以看出，在有ESP控制的条件下，驾驶员对方向盘操控的动作幅度更小，曲线变化更为平缓，证明驾驶员能够更加从容地操纵方向盘；而在无ESP控制的情况下，驾驶员对方向盘的输入幅度更大，且在个别时间点存在尖峰，证明在实际操作中已超出驾驶员的操纵能力。从质心侧偏角的角度来评价车辆方向稳定性可以看出，在有ESP的情况下，质心侧偏角能更好地响应方向盘输入，而在无ESP的情况下，由于行驶进入了非线性区域，汽车无法较好地根据方向盘输入对预定轨迹进行跟随，容易失去方向稳定性。

图9为汽车的横向载荷转移率，定义为左右两侧车轮载荷之差与两侧车轮载荷之和的比值。在静态过程中，若比值为0，则车辆正沿直线行驶，并无发生载荷转移，随着载荷转移增加，横向载荷转移率绝对值也随之增加；若比值为1，则意味着有一侧车轮离地，易发生侧翻。而在汽车行驶过程中，一般认为0.85～0.9为侧翻临界值[10]。从图9中可以看出，在有ESP控制情况下，横向载荷转移率绝对值基本保持在0.6以内，而在无ESP的情况下则达到了警戒值0.9，出现了失稳现象。

综合以上分析可以看出，在极限工况下，通过ESP控制策略能够有效提高汽车的轨迹跟随能力及稳定性。

通过搭建的硬件在环平台，对所开发ESC系统各项功能的所用时间情况进行了测试，得到表3。

表3 ESP控制系统功能用时验证

与基于微控制器MC9S12XDP512制作的16位ECU测试结果相比，多任务启动过程用时从7 ms缩短为3.2 ms[7]，且32位控制器的作动器控制用时与16位控制器的控制用时相比也明显缩短，可见使用32位微控制器设计的控制系统整体性能较使用16位控制器设计的系统有显著的提升。

5 结论

综上所述，本文通过建立七自由度车辆模型，应用横摆角速度控制策略在双移线仿真工况下进行了仿真分析，并且在具备离线仿真的基础上，基于32位微控制器MPC5604开发了ESP的控制单元，结合硬件实现了从离线仿真到硬件在环仿真的过渡。仿真结果表明所制定的控制策略能够在一定程度上提升车辆的驾驶稳定性，并且由于控制策略逻辑并不复杂，只需要硬件响应足够迅速即可做出相应的调节从而具备一定的可适用性，但本文存在以下不足以及日后可待拓展的地方。

（1）控制策略可以考虑质心侧偏角的估计，通过调节基于横摆角速度及基于质心侧偏角的控制策略各自的权重使行驶稳定性得到更好的提升，而在这方面，32位微控制器的强大处理能力也为控制策略精细化提供了扩展的空间。

（2）本文选择的试验工况只有双移线工况，且路面附着系数只选择了高附着的条件，可结合路面识别算法在不同的路面状况，不同车速以及多种试验工况条件下对控制策略进行调整，同时可考虑结合相平面分析来评估控制策略的有效性及鲁棒性。

（3）本文硬件在环平台暂时没有加入制动盘及制动主缸等部件，故无法对制动过程中液压调整的效果进行验证，后期应将制动系统部件加入到台架中。

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