汽車底盤電控系統集成控制策略研究

徐衛亮　滑文山　孫向威

摘 要：汽車底盤電控系統作為整個汽車系統的重要組成部分，其電控系統控制策略會直接影響汽車的行駛安全性與穩定性。而集成控制策略在汽車底盤電控系統中的應用可以有效保障汽車行駛安全性與性能。本文通過對汽車底盤電控系統架構進行分析，探索出汽車底盤電控系統集成控制策略，并通過集成控制在采埃孚車輛底盤電控系統與某汽車底盤電控系統中的應用案例分析，明確集成控制策略在實踐中的應用效果與價值，可以為汽車底盤電控系統集成控制的研究與實踐提供借鑒與參考。

關鍵詞：汽車底盤 電控系統 集成控制策略

隨著汽車安全事故頻發，人們對汽車行駛的安全性與可靠性要求日益提高。汽車底盤電控系統直接關系到汽車行駛安全與穩定性，而傳統的單系統控制方式已經無法滿足汽車整體性能需求，集成控制策略的應用逐漸成為汽車底盤電控系統發展的必然趨勢，并在汽車行駛安全性與穩定性中發揮出至關重要的作用。對此，通過深入探討汽車底盤電控系統集成控制策略與應用案例，對提高汽車底盤電控系統的性能與穩定性具有重要意義。

1 汽車底盤電控系統架構

1.1 防抱死制動系統（ABS）

ABS系統主要通過電子控制單元實時監控車輪速度、自動調節制動壓力來控制車輪傳動狀態，避免車輪抱死出現安全事故。其主要借助車輪上的傳感裝置監測車輪是否出現抱死情況，一旦監測到車輪即將抱死，會相應減小制動壓力。在汽車底盤安裝ABS系統的功能主要包括：一是提高制動效果。由于該系統在車輪即將抱死時迅速調節制動壓力，確保車輪適當保持旋轉增強駕駛員操控性能。二是提高操控性能。在緊急制動或高速行駛時，ABS系統可以保持車輛的操控性能，讓駕駛員更好控制車輛。三是減少剎車磨損。由于ABS系統可以有效防止車輪抱死，在一定程度上可以降低剎車片磨損，延長剎車系統的使用壽命[1]。

1.2 電子穩定系統（ESP）

ESP屬于復合型系統，主要依托傳感器與控制技術動態監測汽車運行狀態與駕駛員操控指令。一旦監測到車輛不穩定運行或駕駛員操控指令與實際情況不符，該系統會主動干預制動系統與發動機管理系統，幫助駕駛員控制車輛。該系統的主要功能包括：一是增強車輛控制的穩定性。ESP系統主要通過監測車輛橫擺角速度、橫向加速度與轉向角等參數，判斷車輛是否失控，一旦檢測車輛即將失控，會自動調整制動系統與發動機管理系統，確保車輛穩定性。二是防止側滑與翻滾。ESP系統可以通過控制車輪制動與發動機扭矩，幫助駕駛員有效避免側滑或翻滾等危險情況。

1.3 主動懸架系統（ASS）

ASS系統是汽車底盤電控系統中的先進懸掛系統，主要通過傳感器、控制單元與 執行器等部件實時監測汽車行駛狀態與駕駛員操控指令，以此自動調整懸掛阻尼與高度。同時，可以通過調整減震器與空氣彈簧部件實現以下功能：一是改善乘坐舒適度。ASS系統可以降低車身震動程度，確保車身的穩定性，可以讓乘車人員感受更加舒適的乘坐體驗。二是提高車身穩定性。ASS系統通過自動調節懸掛高度與剛度，可以保持車身的穩定性與平衡性，提高車輛行駛安全性。

2 汽車底盤電控系統集成控制策略

2.1 分散式控制

分散式控制是汽車底盤電控系統集成控制中的主要方式之一，可以向汽車底盤電控系統的不同控制單元與模塊實施分散控制，這種控制方式主要是將汽車底盤電控系統劃分成多個子系統，劃分好每個子系統的功能與運行職責，通常可以分為懸掛系統控制功能、抓地力控制功能與制動系統控制功能等。在這一控制策略中，每個子系統配備各自的控制器，具有獨立運行與執行來自傳感器信息的功能，并根據傳感器信息實施相應的控制策略。這種控制策略可以顯著提高汽車底盤電控系統的可靠性與容錯性，有利于電控系統的擴展與升級。然而這一控制策略中也存在一定的不足之處，一是各子系統之間的協調與信息傳輸需要額外的開銷，并且各子系統之間的相互通信與協調運作具有較高的復雜性，容易出現相互影響與相互干擾的情況。二是針對汽車底盤電控系統集成控制而言，需要對其進行統一調度與協調指揮，才能夠確保各子系統之間的互動操作與運行一致性。對此，在汽車底盤電控系統的集成控制中，分散式控制策略仍然是未來一個重要探索領域，還需要在不斷優化各子系統協調與互通傳輸機制技術上，提出更加具有針對性與完善的控制策略[2]。

2.2 集中式控制

集中式控制是汽車底盤電控系統集成控制策略之一，其將底盤各子系統通過總線連接到中央控制器，由中央控制器統一協調與控制。中央控制器具備集成多個算法的功能，能處理各子系統傳感器數據，制定相應的集成控制策略，并將指令發送給各子系統。這一策略的優勢在于減少線束、降低系統復雜性、提高控制精度和響應速度。中央控制器與各子系統之間可以憑借高速總線進行信息交互傳遞，實時獲取車輛行駛狀態與傳感器相關數據，并通過預設的控制算法對各子系統進行精準控制，有利于實現底盤整體性能的優化，增強車輛的操控性與安全性。然而在這一控制策略中也存在諸多不足，一是由于所有控制指令與任務集中在中央控制器上，對其數據集成算法與處理分析能力提出更高要求。二是中央控制器在這一控制策略中起到關鍵性作用，一旦出現故障或者失效情況，將會牽一發而動全身，導致整個底盤電控系統故障而無法正常運行。對此，在集成控制中，還需要進一步對集中式控制策略進行研究，需要解決的關鍵問題包括中央控制器的高效算法設計、實時性等。為了確保各子系統之間的協調控制，還需要確保中央控制器的性能不斷優化，建立完善的各子系統之間的通信協議與數據交換規范，確保數據傳輸的準確性與實時性，從而有效提高底盤電控系統運行的安全性與可靠性[3]。

2.3 分層式控制

分層式控制是汽車底盤電控系統集成控制中的常用控制策略，其將控制功能分為多個層級進行逐層控制，主要分為4個層次結構，如圖1所示。一是傳感器層。其主要職責是采集與傳輸底盤電控系統各部件傳感器數據，包括ASS系統傳感器、ABS系統壓力傳感器等監測的實時數據。二是執行層。其主要職責是執行控制指令，對底盤電控系統各個執行部件進行控制，包括ASS系統執行器、ABS系統制動器等。三是中間層。其主要職責是對各子系統傳感器的數據進行處理分析，并根據設置的算法與策略自動生成控制指令，提高底盤電控系統的穩定性與安全性。四是高層控制層。其主要職責是實施整體控制決策，根據底盤電控系統的目標與外部環境變化情況，計算出最優控制指令。這一控制策略的優勢在于針對不同子系統特性與需求制定個性化控制策略，實現各子系統之間的協調配合。但也存在一些不足，首先，需要設計相應的通信機制與協議機制來實現不同層次之間的信息交互傳輸與協調運行。其次，在高層控制層算法與策略設計中應綜合考量底盤電控系統的多個子系統互動性與相互影響情況。對此，在集成控制中，還需要進一步對分層式控制中的各層級進行功能優化與協調處理，并設計出針對性強與可信性的控制算法，確保汽車底盤電控系統能夠高效、安全運轉[4]。

2.4 優化設計控制器

控制器在汽車底盤電控系統中扮演關鍵角色，對提升汽車性能、確保運行可靠性和安全性具有重要作用。控制器的主要職責是監測和控制底盤電控系統的各個組件和部件設備，確保它們能協同工作。在集成控制中，優化設計控制器需考慮多個方面。一是全面了解底盤電控系統的功能需求、應用目標等，如提高車輛行駛安全性與穩定性、提高車輛制動效果等，并根據這些功能需求與應用目標制定出對應的控制算法與控制策略。二是配備相匹配的電子元件。在控制器優化設計時，配備與之相匹配的電子元件，其主要負責監測與響應底盤運行狀態的變化。其中傳感器主要用于監測車輛行駛狀態、速度、加速度等參數，執行器主要用于執行控制算法指令來調整底盤電控系統的參數，確保車輛安全、穩定行駛，處理器主要用于對傳感器各種參數數據進行處理分析，及時發現異常情況，并自動生成控制指令。三是合理選擇與優化信號處理算法。在選擇與優化信號處理算法時，應綜合考慮傳感器監測的數據，并根據目標控制策略自動生成相應的控制信號指令。例如，在選擇使用模糊邏輯控制算法時，應考慮到傳感器輸入參數與規則的差異性，以此合理調整ASS系統與ABS系統的參數。

2.5 提升算法穩定性

汽車底盤電控系統集成控制中，選擇與優化設計合適的控制算法是提高車輛穩定性的關鍵，同時也有利于底盤電控系統集成控制效率的提升。一是優化控制算法。在選擇與優化設計控制算法時，應選擇與設計對參數變化不敏感、適應不同工況變化的算法。并且可以改進與完善算法的收斂速度與優化參數，提高算法的處理效率與抗干擾能力。根據汽車駕駛具體情況與電控系統集成控制功能需求來選擇合適的優化算法。二是結合電控系統特點優化設計算法。在電控系統模型與控制理論支持下，應全面了解汽車底盤電控系統的特點、功能需求、應用目標與約束條件，通過建立數學模型方式動態分析汽車底盤電控系統集成控制流程，以此選擇合適的算法來提高穩定性。三是綜合考慮算法的實時性與可行性。由于集成控制策略應用在實時環境中，需要對車輛狀態快速響應。對此，選擇與優化算法時應重點考量其計算效率與適應性，以便讓控制器能夠實時監測與調整底盤電控系統參數，從而生成相對應的控制指令，提升算法的穩定性。

3 汽車底盤電控系統集成控制案例分析

3.1 采埃孚車輛底盤集成控制案例

采埃孚是傳統老牌底盤件供應商，在底盤相關系統專業領域具有廣泛和深厚的技術積累，并且在底盤系統相關產品中有全面覆蓋，如前輪轉向系統、制動系統、懸架系統等。采埃孚研發出自己的車輛底盤電控系統集成控制協調器，能夠在車輛移動出行中起到承上啟下的作用。針對整個車輛底盤電控系統而言，最上層為感知覺層，其主要職責是對傳感器信息進行處理與分析，并對相關的控制算法進行決策，計算出期望的車輛運動目標。感知決策者包括輔助駕駛系統與自動駕駛系統控制器，從廣義上講也可以是駕駛員人為對車輛的操控。中間層為車輛底盤集成控制協調器，主要是作為感知決策層與運動執行層的橋梁與紐帶，幫助傳輸信息與指令。同時，將接收到的上層控制目標進行分解，通過內部車輛運動控制算法分解為各個底盤執行器的控制指令，如目標后輪轉角、目標制定等，進而綜合利用各個執行器實現期望的車輛運動目標。最下層為運動執行層，主要為各子系統執行控制指令。上層感知決策計算出的目標或者來自駕駛員期望的目標最終需要由地盤各個執行器來執行與實現。如圖2所示。采埃孚自主研發的車輛底盤電控系統集成控制的中央協調器具有以下特點：一是適用范圍廣。不僅可以適用于人工駕駛，還可以在輔助駕駛與自主駕駛情況下應用。在輔助或自動駕駛情況下，該中央協調器可以從車輛動力學等角度綜合分析車輛對目標軌跡的執行能力，并對其進行軌跡約束反饋給上層控制器，進而確保決策層規劃路徑具有可執行性。二是具有靈活性與可復用性。中央協調器作為承上啟下的中間層，可以做到“即插即用”，具有較強的靈活性與可復用性，可以將上層控制器與下層執行器進行解耦，并且可以靈活地集成運行在具有相應能力的控制器硬件上。三是改善駕駛性能。中央協調器依托于采埃孚在車輛運動控制與底盤執行器方面的專業能力與技術儲備，可以實現人工駕駛時車輛駕駛性能的優化與改善，如車輛操控性與駕駛穩定性提升，有效滿足客戶對駕駛特定定制需求。

3.2 某汽車底盤系統集成控制案例

在不斷攻堅突破與前瞻技術研究中，某汽車軀轉一體化動力底盤系統集成控制技術取得創新突破。某汽車底盤電控系統集成控制技術主要建立在汽車行業技術發展趨勢基礎上，對多系統集成技術、動力域與底盤域協同控制技術等前瞻技術進行合理布局，從而使得汽車底盤電控系統集成控制中，可以獨立執行橫向行駛、斜向行駛、定點轉向、原地轉向等多種行駛控制指令。在設計理念方面打破了傳統的專業壁壘，實現跨領域協調設計與創新，將汽車底盤電控系統中的驅動系統、懸架系統、制動系統、轉向系統等各子系統進行集成處理，并與EMB聯合制動，實現一體化動力底盤電控系統的集成化控制。此外，在某汽車底盤電控系統集成控制中，全面應用CAE、MATLAB等虛擬仿真開發工具，不僅有效提高工作效率與設計質量，還為集成控制的驗證與實踐應用打下堅實基礎。

4 結語

總之，汽車底盤電控系統主要由ABS、ESP與ASS系統等組成，由于分散式、集中式與分層式控制策略各具獨特的優缺點，在底盤電控系統集成控制中，可以根據不同車輛運行情況與功能需求合理選擇集成控制策略。但無論選擇哪一種集成控制策略，都應注重控制器與算法的合理選擇與優化設計，以便提高汽車底盤電控系統運行的穩定性、性能優化與安全性。同時，以采埃孚與某汽車底盤電控系統集成控制案例進行分析，可以為駕駛員提供更加安全可靠的駕駛體驗與需求。

參考文獻：

[1]王宇，王健.關于汽車底盤電控系統集成控制策略研究[J].汽車世界，2019（20）：79.

[2]楊志鵬.論汽車底盤電控系統集成控制策略[J].山東工業技術， 2019（13）：167-167.

[3]王鵬.關于汽車底盤電控系統集成控制策略[J].內燃機與配件，2021（10）：223-224.

[4]王曉翠.汽車底盤電控系統集成控制策略[J].南方農機，2020，51（20）：99-100.