主动稳定杆设计及控制逻辑分析_何鑫龄.pdf

年第 期主动稳定杆设计及控制逻辑分析何鑫龄，董远明，韩志琦，李金广，阳大云（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，吉利 宁波 ）摘要：本文全方位分析讨论了某车型搭载的主动稳定杆控制算法、结构、供电及其与悬架域控制器通讯的相关设计及原理。通过实车采集掌握了主动稳定杆控制逻辑，从稳定杆扭矩计算、扭矩分配及电控等方面做了深入分析。对计算源数据侧向加速度及侧倾角速度介绍了个数学模型，从稳定杆刚度设计方面讨论了稳定杆设计逻辑。另外结合底盘系统台架项目调试过程经验，阐述了通讯及供电要素的关键点。本文在涉及主动稳定杆设计及系统级台架应用方面，有很大的参考及指导意义。关键词：主动稳定杆结构；侧倾角刚度；侧向加速度；控制逻辑；通讯中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（），）：，：；作者简介：何鑫龄，就职于吉利汽车研究院（宁波）有限公中央研究院试验中心，学士学位，中级工程师。主要从事汽车整车及底盘系统及零部件疲劳耐久试验验证工作。引言悬架稳定杆是车辆悬架设计中的主要部件，通常是用于提升悬架刚的侧倾刚度，这与整个车辆的操控性能表现密不可分。由于汽车前轴不足转向特性，的需求，一般乘用车辆前悬架必须配备稳定杆，以提升前悬架侧倾刚度。目前大部分车辆都会在前后轴均安装稳定杆用来抑制车身在转弯时产生的倾斜。主动稳定杆配置也随着车辆底盘智能化技术发展越来越常见。悬架方面，主动稳定杆的设计是为了更好的控制和分配稳定杆左右侧输出扭矩，以更好地维持车辆姿态平稳，如图、图配置被动、主动稳定杆的车辆姿态差异对比。图配置被动稳定杆车身转向侧倾示意图主动稳定杆结构，采用两段分体式设计加中间电机的扭矩调控设计，可以实现个功能：补偿过度和不足转向特性；减少悬架跳动对于车身的影响，维持车身姿态相对稳定，带来更好的乘坐体验；转弯时保持车身相对平衡，减小侧倾带来的不适感。图配置主动稳定杆车身转向侧倾示意图稳定杆刚度设计车辆在高速行驶转向时，车身会产生很大的横向侧倾和横向角振动。在确认好悬架弹簧刚度及悬架侧倾角刚度后，稳定杆刚度设计及与悬架侧倾刚度匹配是个重要问题。主动稳定杆的控制算法及动作，牵涉很多参数，需用数学模型分析来进行相关设计。涉及两个模型。一个是车身侧倾模型，如图；一DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.002内燃机与配件 个是车辆稳态转向模型，如图。汽车侧倾模型图整车侧倾模型簧上质量引起得侧倾力矩为 簧下质量引起得侧倾力矩为（）侧倾角刚度为（）稳态侧倾角为（）车身质量，簧下质量，侧向加速度，质心与侧倾轴之间距离，侧倾中心与地面距离，车轮半径，车身侧倾角，为前轴侧倾角刚度，为后轴侧倾角刚度，为悬架总侧倾角刚度。，分别为前，后悬架弹簧等效在轮心处的侧倾角刚度，为前，后稳定杆侧倾角刚度。悬架侧倾角刚度过小，侧倾角过大，乘坐舒适性较差；侧倾角刚度过大，侧倾角过小，轮胎侧偏角增大。如果后轮侧倾刚度过大，会使汽车增加过多转向得可能。因此，侧倾角刚度的要求侧向惯性力为 倍的车重时，即侧向加速度达 ，轿车侧倾角度在 范围内。根据侧向加速度和侧倾角范围，可求得侧倾角刚度。汽车稳态转向模型为便于分析，假设小角度转向，忽略前轴内外轮转角差，将车辆简化为两轮模型，如图。图两轮转向模型汽车转向时受到的侧向力总和 式 式中，作用于前轴的侧向力；作用于后轴的侧向力；车辆质量；前进速度；转弯半径车辆中心力矩平衡，作用于前后轴的侧向力的力矩之和为。式 式 和 联合得出（）式 有 （）式 式中，为车辆后轴质量，等于后轴轮心力与重力加速度的比值，即。同理可求得前轴的侧向力，及质量，式 其中侧偏角为轮胎朝前的方向和行驶方向之间的夹角，侧偏刚度。由 与 式求得，前后轮侧偏角，分别为 （）式 （）式 从图转向模型几何关系可得，式 式，代入式 中得 （）前轮转向角（）；轴距（）；转弯半径（）；前进速度（）；重力加速度；，分别为前，后轴轮心力（）；，分别为前，后轮侧偏刚度（）。不足转向梯度，侧向加速度时，不足转向，转向角随侧向加速度和车速的平方呈线性增长。为维持转向半径不变，前轮侧向力需达到一定值，前轮需要更大转角。前轴侧倾角刚度应略大于后轴侧倾角刚度，乘用车前后悬架侧倾角刚度的比值一般在 之间。主动稳定杆控制逻辑对于主动稳定杆的控制逻辑，可以通过实车采集，得到包含控制算法参数说明的相关文档。实际在悬架系统台架应用上，剥离了整车通讯环境后做 仿真时，需要把稳定杆的控制逻辑通过 软件编写出来，配合仿真设备 品牌控制柜做相应的闭环控制动作。实车采集的算法参数在扭矩控制上主要包括个方面。前后稳定杆的力矩分配计算，稳定杆的主力矩计算和力矩增益计算。前后稳定杆的力矩分配对于整车控制器计算环境下，前后稳定杆扭矩分配比例，在不同模式下，有不同的分配系数。如在 模式下的稳定杆力矩分配算法如下，年第 期 可以看出，以侧向加速度、车速为输入进行查表，得到稳定杆力矩分配比例。此参数并非固化数据，从整车操控性能表现来说，底盘和操控调教团队早期会根据不同模式下具体量化数据的表现不断优化调整，最终得出最优结果。稳定杆的主力矩及其增益计算对于主动稳定杆侧倾主力矩的算法，其中有种控制模式，分别是侧倾刚度控制和侧倾阻尼控制。刚度控制逻辑是根据侧向加速度查表得到侧倾主力矩。如驾驶模式时，侧向加速度输入及对应力矩输出关系如下。阻尼控制逻辑是根据车身侧倾角速度查表得到侧倾主力矩。如驾驶模式时，侧倾角速度输入及对应力矩输出关系如下。，稳定杆最终输出的总力矩还有另外一部分就是主力矩的增益调节系数。与其相关的参数有前后轴轴荷分配比例及车辆速度。如驾驶模式时，前后轴轴荷比输入及对应力矩增益系数输出关系如下。如驾驶模式时，车速输入及对应力矩增益系数输出关系如下。这里需要强调，在稳定杆控制逻辑编写过程，车身侧倾相关参数转换到稳定杆输出端涉及的整车结构参数，如整车轴轮距、稳定杆结构参数等，算法内也有说明，计算时要做好转换。车身侧向加速度计算参与稳定杆控制的侧向加速度输入是一个混合计算的加速度，数据来源包含两部分。车辆本身的加速度传感器数据和根据横摆角速度计算得到的侧向加速度数据。侧向加速度传感器直接测量的部分采用截止频率 低通滤波与根据横摆角速度计算得到的侧向加速度信号的 以上高频部分融合，得到一个复合加速度。如以下输入输出系数，一阶高通滤波器设置为，采样频率 ，截止频率 。限值及工作状态监控主动稳定杆结构工作过程，存在限扭和电气设备过热的问题。我们在使用过程要注意这些参数。如我司使用的产品，前稳定杆侧倾力矩名义限值 ，后稳定杆侧倾力矩名义限值 。阻尼控制部分的逻辑，侧倾力矩变化率限值 。稳定杆 工作状态监测算法方面，控制器会根据 温度对稳定杆输出扭矩进行调控。如温度过高时，稳定杆降级输出或者不输出，输出扭矩会有个小于的增益系数参与计算。具体的工作温度状态对应降级增益系数，需要详细设计。主动稳定杆结构、供电及通讯 主动稳定杆结构结构组件如图，包括两段稳定杆、伏相电机、三级行星齿轮组、弹性减震单元、磁力扭矩传感器和控制单元、外壳及连接器等。主动稳定杆系统台架搭载调试如图。图主动稳定杆内部结构图图系统台架试验项目搭载调试内燃机与配件 供电系统开关电 电 之间电压高于 持续时间 时，上电成功，处于 状态，相关通讯状态激活。当供电电压低于，且持续 时，将为未上电状态。的开关电压名义值为 。与 之 间 电 压 为 到 ，名 义 电 压 ，最大电流不超过。当 与 之间电压小于，并持续 ，稳定杆处于 （非正常工作状态），当供电电压大于 ，超过 ，控制器会注入过压故障，相关诊断故障码报出。与 之间 供电，区间电压 ，名义电压 。如果稳定杆在工作过程，供电电压超过 ，持续 时，稳定杆将退出正常工作模式。我们在台架耐久试验过程发现这一现象，是因为持续的左右两侧高频大位移激励，导致稳定杆电机反向发电，对电源电容器充电，使供电电压持续升高。这一点在应用过程要关注，以便于异常排查。供电的问题，一定要根据实际车辆的各控制器及样件供电电压和电流特性要求，选择合适的供电电源，特别在调试阶段尤其注意。否则会因为只关注供电电压，忽略电流性能造成异常排查拖延。控制器通讯通讯方面：主动稳定杆和 控制器之间，通过私有 通讯。开关电 。一般前后稳定杆采用同样的控制器，前后的硬件区分是在包含通讯的插接针脚上，做差异化定义。如前稳定杆会设置一个同轴检测针脚，后稳定杆会悬空或接 正。另外一个问题是，同样的控制器与不同的前后稳定杆，使用前需要做软硬件的匹配。如果调试过程有发现稳定杆 状态不能进入工作模式，前后稳定杆硬件通讯相关的接插线束要及时排查，这点很容易被忽略。另外，磁力扭矩传感器对稳定杆周边磁场变化非常敏感，在台架试验时尤其要特别注意，避免不必要的干扰引起传感器信号失真而影响试验精度。主动稳定杆 通讯设计主动稳定杆与底盘悬架控制器 通过私有 总线通讯。通讯关系如图。对于具体的通讯交互信息，需要主机厂和主动稳定杆供应商共同完成。图通讯拓扑图对于主动稳定杆零部件供应商产品设计，涉及与外部 交互的通讯信息，主要包括有测量的电机扭矩值、电机位置转角、工作状态量反馈、测量的供电电流、测量的供电电压、控制器 温度状态、电机磁组温度、通讯报文帧校核信息等，如图。图前主动稳定杆发送至 的信息同样，主机厂也需要做信号交互匹配和设计，包括稳定杆扭矩请求、抖动速度、抖动放大系数、抖动角度、供电电流 相 关 信 息、供 电 状 态、报 文 帧 校 核 等 信 息，如图。图前主动稳定杆接收的信息结论本文通过实车采集掌握主动稳定杆控制逻辑，分析了控制算法内涉及的稳定杆扭矩计算及输出相关逻辑。通过数学模型从稳定杆刚度设计方面介绍了稳定杆设计逻辑，更进一步加深对于实车控制算法的理解。对于主动稳定杆设计及产品级系统台架应用有参考意义。参考文献：，俞凡车辆操纵动力学北京：机械工业出版社，：陈志韬主动稳定杆设计及控制策略研究 吉林大学，陈山液压式主动横向稳定杆系统设计与研究南京理工大学，赵六奇车辆动力学基础北京：机械工业出版社，郑恩瑞，夏长高，陈松基于主动横向稳定器的车辆稳定 性 研 究 机 械 科 学 与 技 术，（）：丁义兰汽车主动式横向稳定杆技术研究南京理工大学，