本發(fā)明涉及汽車電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種電動式主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車行駛速度的不斷提高，人們對汽車行駛平順性和安全性提出了越來越高的要求，但常規(guī)的帶有被動橫向穩(wěn)定桿的被動懸架很難同時滿足乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性的要求，而且無法實時地調(diào)整懸架的側(cè)傾角剛度。在高速轉(zhuǎn)向時車輛易產(chǎn)生側(cè)傾，側(cè)傾過大容易使駕駛員產(chǎn)生疲勞和不安全感。因此，車輛主動防側(cè)傾控制研究是汽車領(lǐng)域的研究熱點問題之一。

目前，國內(nèi)還沒有生產(chǎn)制造主動穩(wěn)定桿系統(tǒng)的汽車企業(yè)，且也無自主開發(fā)的能力，國產(chǎn)汽車的穩(wěn)定桿一般都屬于被動式，而這類穩(wěn)定桿在反側(cè)傾程度上的能力十分有限，尤其針對越野車這類側(cè)傾程度較大的，被動的穩(wěn)定桿就顯得更加吃力，因此，在安全性與舒適性上，還遠遠達不到主動穩(wěn)定桿的要求。只有一些高校等研究單位在這方面做了一定的研究，但都沒有取得突破性的進展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種電動式主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)及其控制方法，以期能實時控制車輛的側(cè)傾角度，從而能在車輛高速轉(zhuǎn)向時，能夠提高車輛的駕駛安全性和乘坐舒適性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種電動式主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)的特點包括：控制單元、陀螺儀傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電流傳感器；

所述控制單元包括：姿態(tài)檢測電路、電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路、電流采樣電路、電機矢量驅(qū)動及過流保護電路、主控芯片；

所述姿態(tài)檢測電路通過所述陀螺儀傳感器獲取車輛的車身姿態(tài)信號并提供給主控芯片；

所述轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取直流無刷電機的轉(zhuǎn)子位置信號并提供給所述電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路；

所述電流傳感器獲取所述直流無刷電機的三相電流并提供給所述電流采樣電路；

所述電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路對所述轉(zhuǎn)子位置信號進行光電隔離和采樣處理，得到三相霍爾信號并提供給所述主控芯片；

所述電流采樣電路對所述三相電流進行采樣處理，得到三相模擬電流信號并提供給所述主控芯片；

所述主控芯片利用四元數(shù)算法對所述車身姿態(tài)信號進行姿態(tài)解算，得到車輛的實際側(cè)傾角；

所述主控芯片利用磁場定向控制算法對三相霍爾信號和三相模擬電流信號進行處理，得到三相驅(qū)動信號并傳遞給所述電機矢量驅(qū)動及過流保護電路；

所述電機矢量驅(qū)動及過流保護電路根據(jù)所述三相驅(qū)動信號驅(qū)動所述直流無刷電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而控制穩(wěn)定桿調(diào)整車身的側(cè)傾角。

本發(fā)明一種電動式主動穩(wěn)定桿的控制方法的特點是按如下步驟進行：

步驟1、利用陀螺儀傳感器獲取車輛的車身姿態(tài)信號，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取直流無刷電機的轉(zhuǎn)子位置信號，并利用電流傳感器獲取所述直流無刷電機的三相電流信號；

步驟2、利用四元數(shù)算法對所述車身姿態(tài)信號進行姿態(tài)解算，得到車輛的實際側(cè)傾角θ_act；

步驟3、利用式(1)獲得車輛的角度偏差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act (1)

式(1)中，θ_ref表示所設(shè)定的目標側(cè)傾角；

步驟4、利用式(2)所示的PID算法求解出目標轉(zhuǎn)矩電流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，為角度環(huán)比例系數(shù)，為角速環(huán)積分系數(shù)，角度環(huán)微分系數(shù)；

步驟5、利用式(3)和式(4)分別獲得所述直流無刷電機的轉(zhuǎn)矩電流誤差e_q和勵磁電流誤差e_d：

e_q＝i_qref-i_qact (3)

e_d＝i_dref-i_dact (4)

式(3)和式(4)中，i_qact表示實際轉(zhuǎn)矩電流，i_dref表示目標勵磁電流，i_dact表示實際勵磁電流；

步驟6、利用式(5)和式(6)所示的PI算法求解出所述直流無刷電機的q軸電壓u_q和d軸電壓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，為轉(zhuǎn)矩電流環(huán)比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩電流環(huán)積分系數(shù)，為勵磁電流環(huán)比例系數(shù)，為勵磁電流環(huán)積分系數(shù)；

步驟7、根據(jù)所述q軸電壓u_q和d軸電壓u_d，利用Park反變換求解出α、β坐標系下的電壓u_α和u_β；

步驟8、利用SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制法對所述α、β坐標系下的電壓u_α和u_β進行處理得到三相驅(qū)動信號；

步驟9、由逆變器將所述三相驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為三相驅(qū)動電壓并施加給所述直流無刷電機，從而驅(qū)動所述直流無刷電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而控制穩(wěn)定桿調(diào)整車身的側(cè)傾角，同時由傳感器再次采集各個信號并進行處理，從而形成閉環(huán)控制。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1、本發(fā)明與目前國內(nèi)使用的被動式主動穩(wěn)定桿相比，采用32位單片機MCF52259，并以單片機MCF52259為核心，通過陀螺儀傳感器判斷當(dāng)前行駛工況和車身姿態(tài)，利用控制單元產(chǎn)生控制信號，控制直流無刷電機旋轉(zhuǎn)經(jīng)過減速器后作用在穩(wěn)定桿上提供反側(cè)傾力矩，從而減小車身側(cè)傾角，提高車輛的行駛安全性和乘坐舒適性。

2、本發(fā)明系統(tǒng)能在車輛產(chǎn)生側(cè)傾趨勢時給車輛快速施加反側(cè)傾力矩，防止車輛側(cè)傾，大大減小車輛側(cè)傾角和側(cè)傾角速度，因而提高乘坐的舒適性，增大獨立懸架的輪胎法向力，從而改善車輪與路面的附著狀況等。

3、本發(fā)明通過利用先進的9軸運動處理傳感器測量車輛角速度和加速度，減少了傳感器使用數(shù)量，克服了傳統(tǒng)加速度傳感器存在的累積誤差問題，主控制器通過對采集到三軸角速度和加速度信號使用四元數(shù)算法，利用傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲取更加精確的車身側(cè)傾角度，運用PID控制算法控制直流無刷電機旋轉(zhuǎn)，輸出反側(cè)傾力矩，迫使車輛側(cè)傾角減小，提高車輛的行駛安全性和乘坐舒適性，控制精度高且控制穩(wěn)定可靠。

4、本發(fā)明的電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路通過光耦繼電器隔離電機轉(zhuǎn)子位置傳感器和主控芯片，從而抑制干擾傳輸，保護主控芯片并提高信號傳輸?shù)臏蚀_性。

5、本發(fā)明的電機矢量驅(qū)動電路和過流保護電路通過對運算放大電路、光耦繼電器和邏輯非門電路的結(jié)合，從而保證發(fā)生過流的情況下能夠快速切斷矢量驅(qū)動電路的輸出，保護主控芯片和電機的安全。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明電機矢量驅(qū)動及過流保護電路的電路原理圖；

圖4為本發(fā)明控制方法流程圖。

具體實施方式

本實施例中，一種電動式主動穩(wěn)定桿的控制系統(tǒng)如圖1所示，包括：控制單元、陀螺儀傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器、電流傳感器；

控制單元包括：姿態(tài)檢測電路、電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路、電流采樣電路、電機矢量驅(qū)動及過流保護電路、主控芯片；

姿態(tài)檢測電路通過陀螺儀傳感器獲取車輛的車身姿態(tài)信號并提供給主控芯片；

轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取直流無刷電機的轉(zhuǎn)子位置信號并提供給電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路；

電流傳感器獲取直流無刷電機的三相電流并提供給電流采樣電路；

電機轉(zhuǎn)子位置信號處理電路如圖2所示，對轉(zhuǎn)子位置信號進行光電隔離和采樣處理，得到三相霍爾信號并提供給所述主控芯片；P301為電機轉(zhuǎn)子位置傳感器的電源線和信號線的接插頭，其中2、3、4角分別與光耦OC303、OC302、OC301的輸入端相連，光耦OC301、OC302、OC303的輸入端分別接限流電阻R301、R302、R303，光耦OC301、OC302、OC303的輸出端分別接上拉電阻R304、R305、R306。

電流采樣電路對三相電流進行采樣處理，得到三相模擬電流信號并提供給主控芯片；

主控芯片利用四元數(shù)算法對車身姿態(tài)信號進行姿態(tài)解算，得到車輛的實際側(cè)傾角；

主控芯片利用磁場定向控制算法對三相霍爾信號和三相模擬電流信號進行處理并結(jié)合實際側(cè)傾角，得到三相驅(qū)動信號并傳遞給電機矢量驅(qū)動及過流保護電路；

電機矢量驅(qū)動及過流保護電路如圖3所示，根據(jù)所述三相驅(qū)動信號驅(qū)動直流無刷電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而控制穩(wěn)定桿調(diào)整車身的側(cè)傾角。過流保護電路包含邏輯非門電路U501A、U502A、U503A、U504A、U505A、U506A、運算放大電路U501B和光耦OC501等主要部件，邏輯非門電路的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6腳分別接單片機MCF52259的11、93、12、94、65、95腳，6個邏輯非門電路的16引腳與光耦OC501的輸出端相連，MOS管Q502、Q504、Q506的源極相連后接運放U501B的正相輸入端，電源VCC通過電阻R502連接到運放U501B的反相輸入端，運放的輸出端與光耦OC501的輸入端相連，光耦OC501的輸出端與單片機MCF52259的103腳相連。例如，電機主電流過大時，此時光耦OC501不導(dǎo)通輸出高電平，邏輯非門電路輸出高電平，經(jīng)過半橋功率放大芯片IR501控制全部MOS管關(guān)斷，同時MCF52259的103腳出現(xiàn)高電平跳變，單片機進入中斷故障處理程序，從而實現(xiàn)過流保護。

本實施例中，一種電動式主動穩(wěn)定桿的控制方法如圖4所示，是按如下步驟進行：

步驟1、利用陀螺儀傳感器獲取車輛的車身姿態(tài)信號，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器獲取直流無刷電機的轉(zhuǎn)子位置信號，并利用電流傳感器獲取所述直流無刷電機的三相電流信號；

步驟2、利用四元數(shù)算法對所述車身姿態(tài)信號進行姿態(tài)解算，得到車輛的實際側(cè)傾角θ_act；

步驟3、利用式(1)獲得車輛的角度偏差e_θ：

e_θ＝θ_ref-θ_act (1)

式(1)中，θ_ref表示所設(shè)定的目標側(cè)傾角；

步驟4、利用式(2)所示的PID算法求解出目標轉(zhuǎn)矩電流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，為角度環(huán)比例系數(shù)，為角速環(huán)積分系數(shù)，角度環(huán)微分系數(shù)；

步驟5、利用式(3)和式(4)分別獲得所述直流無刷電機的轉(zhuǎn)矩電流誤差e_q和勵磁電流誤差e_d：

e_q＝i_qref-i_qact (3)

e_d＝i_dref-i_dact (4)

式(3)和式(4)中，i_qact表示實際轉(zhuǎn)矩電流，i_dref表示目標勵磁電流，i_dact表示實際勵磁電流；

步驟6、利用式(5)和式(6)所示的PI算法求解出所述直流無刷電機的q軸電壓u_q和d軸電壓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，為轉(zhuǎn)矩電流環(huán)比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩電流環(huán)積分系數(shù)，為勵磁電流環(huán)比例系數(shù)，為勵磁電流環(huán)積分系數(shù)；

步驟7、根據(jù)所述q軸電壓u_q和d軸電壓u_d，利用Park反變換求解出α、β坐標系下的電壓u_α和u_β；

步驟8、利用SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制法對所述α、β坐標系下的電壓u_α和u_β進行處理得到三相驅(qū)動信號；

步驟9、由逆變器將所述三相驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為三相驅(qū)動電壓并施加給所述直流無刷電機，從而驅(qū)動所述直流無刷電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而控制穩(wěn)定桿調(diào)整車身的側(cè)傾角，同時由傳感器再次采集各個信號并進行處理，從而形成閉環(huán)控制。例如，車輛行駛在轉(zhuǎn)向工況下通過四元數(shù)姿態(tài)解算得到車輛的實際側(cè)傾角為8度，將θ_act賦值為8與目標側(cè)傾角0度相減得到e_θ＝8，然后對偏差e_θ作PID運算得到目標轉(zhuǎn)矩電流i_qref，然后將i_qref代入磁場定向控制運算，最終可以得到三相驅(qū)動電壓驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而達到控制車身側(cè)傾角的目的。