基于扭矩控制的最高車速限制系統(tǒng)

王海寧，牛彥雷，范青海

引言

據(jù)國家統(tǒng)計局網(wǎng)站公布的《2014年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示，2014年年末全國民用汽車保有量達(dá)到15447萬輛，機(jī)動車駕駛?cè)送黄?億人，其中汽車駕駛?cè)顺^2.46億人。隨著經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)快速發(fā)展，群眾購車剛性需求旺盛，我國汽車保有量繼續(xù)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(biāo)均達(dá)歷史最高水平。根據(jù)數(shù)據(jù)，我國近5年機(jī)動車年均增量1500多萬輛，機(jī)動車駕駛?cè)藬?shù)量也呈現(xiàn)大幅增長趨勢，年均增量 2057萬人。中國已經(jīng)全面步入汽車社會。[1]

同時車輛交通事故的發(fā)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(yán)重程度的重要因素。因此非常有必要對車輛行駛速度進(jìn)行限制。

1、我國相關(guān)限速要求

國家標(biāo)準(zhǔn)《GB24407-2012專用校車安全技術(shù)條件》要求：專用校車出廠時調(diào)定的最高車速應(yīng)不大于80km/h；[2]工信部聯(lián)產(chǎn)業(yè)[2011]632號文件《關(guān)于進(jìn)一步提高大中型客貨車安全技術(shù)性能加強(qiáng)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(fā)布的產(chǎn)品(含新產(chǎn)品及變更擴(kuò)展產(chǎn)品) 均應(yīng)符合 632號文件的技術(shù)要求；2012年8月31日前企業(yè)應(yīng)完成《公告》內(nèi)產(chǎn)品的整改工作，逾期仍不符合要求的產(chǎn)品將暫?；虺蜂N《公告》[3,4]。

我國對營運(yùn)類車輛和專用校車的安全法規(guī)要求十分明確，要限制相關(guān)車輛的最高行駛速度，因此研制相應(yīng)的最高車速限制系統(tǒng)相當(dāng)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(dá)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(jìn)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(fā)動機(jī)的電控單元ECU中，無需增加硬件成本。優(yōu)點為系統(tǒng)集成度高，可靠性好且免于維護(hù)。

2、最高車速限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)柴油機(jī)電控系統(tǒng)采用基于油量的控制算法，每循環(huán)噴油量由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷（油門踏板開度）確定出基本噴油量，然后根據(jù)煙度、大氣壓力、冷卻液溫度和發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷等因素進(jìn)行修正，得到最終的噴油量?；谟土康目刂扑惴ㄍ耆园l(fā)動機(jī)為控制對象，而忽略了發(fā)動機(jī)附件（如空調(diào)、發(fā)電機(jī)、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(tǒng)的集成和擴(kuò)展。現(xiàn)代柴油機(jī)管理系統(tǒng)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(tǒng)的需求和外部干涉需求等這些需求經(jīng)過扭矩協(xié)調(diào)后再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的噴油量，經(jīng)發(fā)動機(jī)燃燒后產(chǎn)生扭矩輸出。目前，多數(shù)的柴油機(jī)均采用基于扭矩的電控系統(tǒng)?；谂ぞ乜刂撇呗缘暮喡越Y(jié)構(gòu)如圖1所示。駕駛員通過加速踏板提出扭矩需求，系統(tǒng)考慮到附件的需求、發(fā)動機(jī)保護(hù)限制等因素，然后經(jīng)過駕駛性的扭矩濾波和補(bǔ)償?shù)?，最終控制輸出為發(fā)動機(jī)噴油量。

最高車速限制系統(tǒng)內(nèi)嵌在發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)扭矩結(jié)構(gòu)中（圖1中虛線框部分所示）。最高車速限制系統(tǒng)控制輸出車速限制扭矩，該扭矩參與電控系統(tǒng)扭矩計算最終得到發(fā)動機(jī)噴油量。如圖2所示的閉環(huán)系統(tǒng)中，車速傳感器測量到的實際車速經(jīng)過反饋與設(shè)定的最高車速值進(jìn)行比較，得到車速偏差值ΔV。該車速差值ΔV經(jīng)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(jìn)行比較運(yùn)算，輸出最小值Trq用于計算發(fā)動機(jī)噴油量。這種方案的特點是，當(dāng)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(fā)動機(jī)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(diào)等外部扭矩需求的補(bǔ)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(diào)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?？紤]到PI控制器的參數(shù)適應(yīng)性，系統(tǒng)根據(jù)車輛的檔位狀態(tài)設(shè)置了不同的 PI控制器參數(shù)。即限速系統(tǒng)根據(jù)車輛運(yùn)行在不同檔位選擇相應(yīng)的控制參數(shù)，這樣做的好處是避免了一套控制參數(shù)難以滿足對限速控制精度的要求。車速信號首先經(jīng)過預(yù)處理模塊，經(jīng)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(jié)構(gòu)。

為了保證限速的平穩(wěn)，避免車速限制時出現(xiàn)較大的上、下超調(diào)。限速分為三個狀態(tài)：自由駕駛、限速狀態(tài) 1、限速狀態(tài)2。車速低于標(biāo)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(tài)，車輛不受限速控制器的影響。車速處于標(biāo)定值V2和V3之間時，最高車速限制控制器提前進(jìn)行預(yù)控制，此時控制量較小，對發(fā)動機(jī)的影響平緩，即限速狀態(tài)1。當(dāng)車速大于標(biāo)定值V3，車速已經(jīng)接近最高車速限值，PI的閉環(huán)控制會保證車輛限速的效果。當(dāng)車速降低到標(biāo)定值 V1以下，車輛進(jìn)入自由駕駛狀態(tài)退出限速狀態(tài)。限速的三個狀態(tài)如圖4所示。

4、標(biāo)定及應(yīng)用效果

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

表1 限速車輛信息

在限速車輛上首先標(biāo)定最高車速限值，如標(biāo)定最高車速限值為80km/h或者100km/h等。然后標(biāo)定好進(jìn)入限速狀態(tài)和退出限速狀態(tài)的三個速度閾值V1、V2和V3。最后標(biāo)定相應(yīng)檔位的 PI控制參數(shù)，PI控制參數(shù)標(biāo)定的指標(biāo)是確保車輛進(jìn)入限速狀態(tài)時車速穩(wěn)態(tài)誤差較小，上下超調(diào)較小。標(biāo)定結(jié)束后將數(shù)據(jù)固化在ECU中，最終在道路上對車輛限速進(jìn)行驗證。驗證結(jié)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(yīng)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(guān)空調(diào)等負(fù)載變化時，限速控制器可以自動的控制最高車速穩(wěn)定在給定的設(shè)定值。且駕駛感受平順性良好。

5、結(jié)論

本文討論的采用基于扭矩控制的最高車速限制系統(tǒng)，它內(nèi)嵌在ECU中。通過標(biāo)定可以適應(yīng)不同的車速限值，同時無需更改車輛原有的硬件設(shè)計，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和便利性。本系統(tǒng)完全可以滿足相關(guān)法規(guī)對車輛限速的要求。

[1]《2014年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)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(shù)條件.

[3] 工信部聯(lián)產(chǎn)業(yè)[2011]632號文件《關(guān)于進(jìn)一步提高大中型客貨車安全技術(shù)性能加強(qiáng)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(shè)計[J].裝備制造技術(shù).2013.12：51-53.