【虮动车专H i兰】
i hes s论文 52
E S P与E P S 协调控制
对车辆稳定性影响分析1
文/邵星辰顾海雷宋雪松
[摘要]本文针对ESP与EPS协调控制对于车辆稳定性的影响进行分析，着重研究ESP单独
控制系统、ESP与EPS协调控制系统对于车辆稳定性影响的差异性；在对ESP与EPS的功能特
性进行分析的基础上，选用协调控制参数分配法作为ESP与EPS协调控制的控制策略；再通过Matlab/Simulink搭建相关的试验模型并与Carsim进行联合仿真，进行双移线仿真试验。试验结
果表明，ESP与EPS协调控制进一步改善了车辆的质心侧偏角和横摆角速度，提高了车辆的行
驶稳定性，优于单一的ESP对于车辆的稳定性控制。
[关键词]汽车电子稳定性控制系统助力转向控制系统协调控制联合仿真
A b s t r a c t:T h i s paper analyzes t h e impact o f ESP and EPS c o o r d i n a t e d c o n t r o l on v e h i c l e
s t a b i l i t y,f o c u s i n g on t h e d i f f e r e n c e i n t h e impact o f ESP s i n g l e c o n t r o l system,ESP and EPS c o o r d i n a t e d c o n t r o l system o n v e h i c l e s t a b i l i t y;Based on t h e a n a l y s i s o f t h e f u n c t i o n a l
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s e l e c t e d as t h e c o n t r o l s t r a t e g y f o r ESP and EPS c o o r d i n a t e d c o n t r o l;t h e n t h e r e l e v a n t t e s t model i s b u i l t t h r o u g h Matlab/S i m u l i n k,and t h e Co-s i m u l a t i o n i s c a r r i e d o u t w i t h Carsim t o
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g s t a b i l i t y,whic
h
i s b e t t e r t h a n t h e s i n g l e ESP f o r v e h i c l e
s t a b i l i t y c o n t r o l.
Keywords:E l e c t r o n i c;S t a b i l i t y program;Power s t e e r i n g;Coord i n a t e d c o n t r o l;C o-s i m u l a t i o n
车辆稳定性是汽车维持正常驾驶的重要性能之一，其质量将直接影响车辆的驾驶安全性和乘坐舒适性。因此，在研发过程中，技术人员对车辆稳定性的要求也越来越高伴随着车辆电子信息化快速发展，车辆的电子控制系统也越发完善。其中，对车辆稳定性进行调控的电控系统是研究的重点。汽车电子稳定性控制系统（ESP)能够
注：1.科学技术部新能源汽车重点专项3.3课题四一 (项目编号：2018YFB0105204 )
防止汽车在行驶或制动时车轮打滑，保持车辆转弯时的稳定性，显著提高车辆的操纵稳定性，有 效减少交通事故和降低死亡率。汽车电动助力转向系统（EPS)能够辅助驾驶员转向，在车辆ESP 工作时能够进一步防止车辆抖动，保持车辆稳定。
所以，ESP与EPS的协调控制是车辆稳定性研究的重要方向，能够使车辆行驶时的主动安全性能
《自动驾驶电动汽车驾驶能力及安全性评测技术与系统幵发》
成 M：1：/标准化Quality and Standardization 2〇2〇. 11
53论文 Thesis
汽车esp得到有效提升。
ESP通过主动改变轮胎所受的制动力，进行差动控制来保持车辆稳定性；EPS是辅助驾驶员转向，保证车辆能够按照驾驶员所期望的轨迹行
驶，不能够通过主动改变车辆的行驶状态来保证车辆稳定性目前，国内外对于EPS与ESP的协调控制车辆稳定性研究内容不多。国外，以企业研究为主；国内，针对路面状态的不同，选择分离系数路面强制动、中低附着、低附着路面大转向等3种工况进行ESP与EPS协调控制研究同
时，考虑驾驶员可能存在误操作的情况，笔者在控制策略的设计中考虑了此因素。协调控制策略
的核心就是根据车辆行驶状态修正EPS助力力矩，来辅助车辆正常行驶。
―、E S P与E P S协调控制策略分析
1.ESP与EPS协调分配分析
车辆在遇见紧急工况时，会出现失稳的状况
这时在不考虑驾驶员影响的情况下，ESP会根据车辆状况进行紧急控制，但会在控制过程中导致
车辆左右摇摆（见图丨）。所以，为了进一步改善车辆稳定性，需要考虑EPS对于车辆转向的修正作用。
C3
图1E S P单独控制时车辆行驶状态变化
在车辆的稳定性控制中，ESP主要是通过将车辆的质心侧偏角（)限定在特征值的范围内，既保持车辆在紧急工况时不会发生侧滑，同时又保证车辆的横摆角速度（w)的增益在合理范围内
当车辆的）S为特征值时，会使得w的增益减少，从而进一步导致驾驶员无法操控车辆，这时ESP会在达到特征值之前就对其进行控制，以 保证车轮能够进行正常的制动或者驱动，产生足够的附加横摆力矩来维持车辆稳定因此，在进行ESP与EPS协调控制时，对于车辆的控制尤为重要只有0保持在合适的范围内，才可以通过EPS辅助驾驶员进行转向控制，在ESP作用 时确保提升车辆左右摇摆时的稳定性。具体情况见图2
—
图2 E S P与E P S协调控制时车辆行驶状态变化
2. ESP与EPS协调控制参数分配
前文对于ESP和EPS如何进行协调分配进行了分析，并得出结论：如果能对车辆控制参数进行很好的调配，就能使得车辆在原本稳定调控的基础上更进一步，既能在紧急工况时保持车辆稳
定行驶，又能保证车辆方向操纵在合理范围内，
不会起反向作用，、为了更好地去协调控制ESP和 EPS，笔者设计了协调控制参数分配。
在不考虑协调控制器对于各子控制器的影响
下，各子控制器工作时的输出参数设为u e s p和u e p s。在车辆行驶时，通过车载传感器实时收集各种车
辆行驶信息，并将这些信息经处理后转换成可识
别的车辆数据信号，再传递给二自由度车辆参考模型；通过二自由度车辆参考模型的计算分析，得到期望的和w，同时根据传感器测得的车辆特征参数，对车辆状态进行判断，如果车辆呈现
失稳的状态，车辆的ESP控制器和EPS控制器就会产生输出量ue s p*ue p s；然后，协调控制参数分配器就会对两个子系统的输出量进行再分配，得 到和；最后将调整后的参数作用在车辆上，进一步提高车辆的稳定性。协调控制参数分配器的具体工作如下：
①根据车辆行驶状态，按ESP和EPS对车辆正常操纵和稳定性的有效作用区域来确定各子控
制器的作用权重，见公式（1 ):
^esp^\-r o'乂厂
^eps
,0 r,.V.
式中：7为协调控制分配系数，0专y矣1
②根据实际的车辆行驶状态，协调控制分配系数的选定如下：
•当大于路面的极限值时，车辆已经失去了对于转向能力的操纵，EPS无法正常工作，只 有靠ESP才能保持车辆稳定。所以，协调控制分配系数的值取0
成缺丨J•标准化〇即丨丨ty and S ta n r^fd iza tion 2020.11
Thesis 论文54
•当w r <( %代表实际横摆角速度，o>d 代表参考横摆角速度 >，且j8较小时，不会影响驾驶员对于车辆的操纵，车辆进行高速转向能够保持平稳，不需要ESP对于车辆的调控，仅需要EPS辅助驾驶员操纵即可。这时y的值取1。
•当>w d，且较大，但未达到路面的极限值时，车辆进行高速转弯容易导致车辆失稳，需要ESP和EPS同时进行工作。为了更好地保持车辆稳定性，就需要协调控制参数分配器进行系数分配，此时协调控制分配系数y的取值在0到 1之间。具体分配过程采用Vague软集法来分配计算，确定协调控制分配系数7的值，便于进一步保持车辆稳定行驶。
二、E S P与E P S的协调控制
综上所述，ESP与EPS的协调控制策略主要流程见图3。
图3 E S P与E P S协调控制流程图
首先，通过车辆传感器，采集车辆行驶信息再转换成行驶信号，以便于车辆系统对于车辆行驶状况进行判断是否处于紧急行驶工况。若处于正常行驶工况，无须进一步操纵；若处于紧急工况，需要维持车辆的稳定行驶，就需要控制器对于车辆进行调整：随后对于车辆实时的0和〇>进行判断，以选定合适的控制方式。如果达到了其极限值，则只选择ESP控制器对车辆进行差动控制，维持稳定；如果没
有达到极限值，且w小于其参考值，则只需EPS控制器辅助驾驶员操纵，就能维持车辆稳定，不需要强制稳定性控制；如果0没有达到极限值，且w大于其参考值，则需要ESP控制器和EPS控制器协调工作，并结合协调控制器进行参数分配，以达到对车辆的最佳稳定性控制。
三、ESP与EPS协调控制策略模型构建
1. 整车模型的构建
由于本文主要研究的是ESP与EPS协调控制对车辆稳定性影响，且影响车辆稳定性的主要因素是横摆运动和侧向运动，所以不用考虑车辆的垂直运动。因此笔者建立了具有纵向运动、侧向运动、横摆运动和4轮回转运动的七自由度的整车模型；同时建立二自由度的整车线性模型作为车辆的理想行驶状态，用于判断车辆的稳定状态。
2. ESP与EPS协调控制联合仿真建模
本文主要研究的是ESP与EPS协调控制对于车辆稳定性的影响，所以，使用CarSim( —款专业的车辆动力学仿真软件）与Matlab/Simulink( — 种可视化仿真/模块图环境软件）进行联合仿真，目的是验证所建立的ESP与EPS协调控制模型与整车模型的正确性与有效性。首先，将已经配置好的CarSim整车模型转换成函数形式，传递到Matlab/Simulink模型中，通过联合仿真接口将其与协调控制模型相接，并确定CarSim与Simulink 的输入输出变量，再进行两者的联合仿真（见图4)。
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图4 E S P与E P S协调控制联合仿真模型
四、仿真结果和分析
1.仿真参数配置
本文配置的CarSim整车模型主要参数如表
MiM:1/标准化Quality and Standardization
2020.11
0.04
0.02
0 -
-
0.02
-0.04 -0.06 -0.08
1
2
3
4
5
6
时间，s
图5
双移线前轮转角
1
2
3
4
5
6
时间，s
图6
双移线p
-0.3 -0.4
1
2
3
4
5
6
时间，s 图7
双移线co
表2
双移线试验仿真结果判断参数极值对比
判断参数E S P -C a rS im
E S P -E P S
p/rad 0.097
0.082-0.023-0.028〇>/ ( rad/s  )
0.150.11-0.33
-0.24
车辆在良好路面上行驶，当车辆的大于 0.174rad (10d eg )时，车辆会失去稳定性。综上 所述，在双移线试验工况下，ESP 与EPS 协调控 制和CarSim 中的ESP 控制都能够在一定程度上保 证车辆的稳定行驶。通过上文中的曲线图和极值 表进行对比，我们可以看到在双移线试验工况中，
ESP 与EPS 协调控制的和的正负极值分别
为 0.082 rad 、-0.028 rad  和 0.11 rad /s 、-0.24 rad /s , 而CarSim 中ESP 控制下的和oj 的正负极值分别 为 0.097 rad 、-0.023 rad  和 0.15 rad /s 、-0.33 rad /s ; 同时，可以看到E SP 与EPS 协调控制的响应速度 也略快于CarSim 中ESP 控制。以上说明本文所设
计的协调控制具有更好的稳定性控制效果，满足 车辆在良好路面上高速急转时的稳定性。
五、结语
从本次对比试验结果可知，ESP 与EPS 协调控 制时，车辆的0和w 较Carsim 中ESP 单独控制的 正负极值最优减少了 0.015 rad 、0.005 rad  和 0.04 rad /s 、 0.09 rad /s 。这说明了 ESP 与EPS 协调控制系统的可 靠性和有效性更高。分析仿真结果表明，ESP 与EPS  协调控制系统能够进一步改善车辆的和w ，提高 车辆的行驶稳定性。希望本研究能为有效提升车辆行 驶时的主动安全，降低车辆行驶的危险性和交通事故
率，以及为相关标准化工作提供参考：S
(作者单位：上海机动车检测认证技术研究中心
有限公司）
55论文 Thesis
1所示，其中针对本文所研究的车辆稳定性控制， 对车身部分和轮胎部分进行了进一步调整，其 余配置采用CarSim 数据库自带的车辆默认参数 配置。
表1试验车主要参数
参数数值参数数值整车质量/kg 1 650质心高度/m 0.53横摆转动惯量 / ( kg  • m 2 )  3 234轮转动惯量
/ ( kg  • m 2)1.9质心至前轴距离/m    1.451前轮侧偏刚度 / ( N  • rad '1 )-73 000质心至后轴距离/m
1.599
后轮侧偏刚度 / ( N  • rad '1 )
-99 400
2.仿真结果分析
为了能够更好地验证协调控制系统的可靠性 和有效性，选用了 CarSim 中的双移线试验工况来 进行稳定性控制试验，速度为120 km /h ，路面附 着系数设置为0.7，仿真周期时长为6 s 。试验结果 见图5 ~
7。通过对这3个图的数据对比，可以得 到（3和〇)的正负极值（见表2 )
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