基于扭矩控制的最高車速限制系統

王海寧，牛彥雷，范青海

引言

據國家統計局網站公布的《2014年國民經濟和社會發展統計公報》顯示，2014年年末全國民用汽車保有量達到15447萬輛，機動車駕駛人突破3億人，其中汽車駕駛人超過2.46億人。隨著經濟社會持續快速發展，群眾購車剛性需求旺盛，我國汽車保有量繼續呈快速增長趨勢。2014年新注冊汽車2188萬輛，保有量凈增1707萬輛，兩項指標均達歷史最高水平。根據數據，我國近5年機動車年均增量1500多萬輛，機動車駕駛人數量也呈現大幅增長趨勢，年均增量 2057萬人。中國已經全面步入汽車社會。[1]

同時車輛交通事故的發生概率卻逐年急劇上升。造成交通事故的因素有很多，其中車輛行駛速度是決定交通事故嚴重程度的重要因素。因此非常有必要對車輛行駛速度進行限制。

1、我國相關限速要求

國家標準《GB24407-2012專用校車安全技術條件》要求：專用校車出廠時調定的最高車速應不大于80km/h；[2]工信部聯產業[2011]632號文件《關于進一步提高大中型客貨車安全技術性能加強車輛〈公告〉管理和注冊登記管理工作的通知》明確要求：公路客車、旅游客車最高車速不得超過100km/h。自2012年3月1日起 （即自235批《公告》開始）新發布的產品(含新產品及變更擴展產品) 均應符合 632號文件的技術要求；2012年8月31日前企業應完成《公告》內產品的整改工作，逾期仍不符合要求的產品將暫停或撤銷《公告》[3,4]。

我國對營運類車輛和專用校車的安全法規要求十分明確，要限制相關車輛的最高行駛速度，因此研制相應的最高車速限制系統相當必要。

目前，市場上有一種拉線型限速器用于車輛的最高車速限制。其原理是通過限制加速踏板的開度達到限制最高車速的目的。使用該種限速裝置需要對限速車輛進行改裝，即需額外增加成本。而本文討論的基于扭矩的最高車速限制控制器是集成在電控柴油發動機的電控單元ECU中，無需增加硬件成本。優點為系統集成度高，可靠性好且免于維護。

2、最高車速限制系統結構

傳統柴油機電控系統采用基于油量的控制算法，每循環噴油量由發動機轉速和負荷（油門踏板開度）確定出基本噴油量，然后根據煙度、大氣壓力、冷卻液溫度和發動機熱負荷等因素進行修正，得到最終的噴油量。基于油量的控制算法完全以發動機為控制對象，而忽略了發動機附件（如空調、發電機、高壓油泵等）和整車上其他部件的扭矩需求，不便于整車控制系統的集成和擴展。現代柴油機管理系統以扭矩為媒介，將大量不同形式的需求，如駕駛員通過油門踏板開度提出的扭矩需求、巡航控制扭矩需求、低怠速控制需求、電氣系統的需求和外部干涉需求等這些需求經過扭矩協調后再轉換成相應的噴油量，經發動機燃燒后產生扭矩輸出。目前，多數的柴油機均采用基于扭矩的電控系統。基于扭矩控制策略的簡略結構如圖1所示。駕駛員通過加速踏板提出扭矩需求，系統考慮到附件的需求、發動機保護限制等因素，然后經過駕駛性的扭矩濾波和補償等，最終控制輸出為發動機噴油量。

最高車速限制系統內嵌在發動機電控系統扭矩結構中（圖1中虛線框部分所示）。最高車速限制系統控制輸出車速限制扭矩，該扭矩參與電控系統扭矩計算最終得到發動機噴油量。如圖2所示的閉環系統中，車速傳感器測量到的實際車速經過反饋與設定的最高車速值進行比較，得到車速偏差值ΔV。該車速差值ΔV經過限速控制器的計算輸出限制最高車速的扭矩值Trq_lim。此扭矩值與駕駛員通過加速踏板提出的駕駛員扭矩需求值Trq_drive進行比較運算，輸出最小值Trq用于計算發動機噴油量。這種方案的特點是，當駕駛員通過加速踏板提出的扭矩需求小于最高車速限制扭矩時，發動機輸出不受限速的影響。即在最高車速限值以下行駛，車輛的性能不受任何影響。同時，空調等外部扭矩需求的補償在最高車速控制器之后，因此，雖然最高車速受到了限制，但是不會影響車輛的正常扭矩需求控制（如空調等）。即雖然車輛的最高車速受到了限制，但是車輛的駕駛性和舒適性不會受到影響。

3、限速控制器

限速控制器的核心是一個PI控制器。考慮到PI控制器的參數適應性，系統根據車輛的檔位狀態設置了不同的 PI控制器參數。即限速系統根據車輛運行在不同檔位選擇相應的控制參數，這樣做的好處是避免了一套控制參數難以滿足對限速控制精度的要求。車速信號首先經過預處理模塊，經過該模塊處理后再傳遞到 PI控制器。PI控制器的控制輸出最終還受到幅值限制。圖3所示為限速控制器的結構。

為了保證限速的平穩，避免車速限制時出現較大的上、下超調。限速分為三個狀態：自由駕駛、限速狀態 1、限速狀態2。車速低于標定值V2時，此時車速距離最高車速限值還有一定的差距，車輛處于自由駕駛狀態，車輛不受限速控制器的影響。車速處于標定值V2和V3之間時，最高車速限制控制器提前進行預控制，此時控制量較小，對發動機的影響平緩，即限速狀態1。當車速大于標定值V3，車速已經接近最高車速限值，PI的閉環控制會保證車輛限速的效果。當車速降低到標定值 V1以下，車輛進入自由駕駛狀態退出限速狀態。限速的三個狀態如圖4所示。

4、標定及應用效果

限速車輛為一臺匹配1.9L國四排放柴油機的輕型客車。限速車輛的技術參數如表1所示。

表1 限速車輛信息

在限速車輛上首先標定最高車速限值，如標定最高車速限值為80km/h或者100km/h等。然后標定好進入限速狀態和退出限速狀態的三個速度閾值V1、V2和V3。最后標定相應檔位的 PI控制參數，PI控制參數標定的指標是確保車輛進入限速狀態時車速穩態誤差較小，上下超調較小。標定結束后將數據固化在ECU中，最終在道路上對車輛限速進行驗證。驗證結果如圖5和圖6所示。

圖5、圖6為車輛最高限速80km/h和100km/h時的車速響應曲線。從車速曲線可以看到限速效果很理想。同時驗證過程中車輛在平路，上坡、下坡等路面行駛時且開關空調等負載變化時，限速控制器可以自動的控制最高車速穩定在給定的設定值。且駕駛感受平順性良好。

5、結論

本文討論的采用基于扭矩控制的最高車速限制系統，它內嵌在ECU中。通過標定可以適應不同的車速限值，同時無需更改車輛原有的硬件設計，具有很強的適應性和便利性。本系統完全可以滿足相關法規對車輛限速的要求。

[1]《2014年國民經濟和社會發展統計公報》http://www.stats.gov.cn/tjsj/ zxfb/201502/t20150226_685799.html.

[2] GB24407-2012專用校車安全技術條件.

[3] 工信部聯產業[2011]632號文件《關于進一步提高大中型客貨車安全技術性能加強車輛<公告>管理和注冊登記管理工作的通知》.

[4] 劉志軍，黃若瓊等.基于ETC控制的限速裝置設計[J].裝備制造技術.2013.12：51-53.