新能源汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬

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(云南機電職業(yè)技術(shù)學院 汽車技術(shù)工程系,云南 昆明 650203)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車重要組成部件,與行駛系統(tǒng)搭配共同保證汽車操作穩(wěn)定性與安全性。消費者對汽車駕駛性能的要求越來越苛刻,智能化的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能滿足消費者日益增加的客觀需要。線控轉(zhuǎn)向(SBW)系統(tǒng)是繼電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)后提出的新轉(zhuǎn)向系統(tǒng),傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向盤與車輛之間的機械連接被2個電機取代,這樣完全打破了機械連接的限制。駕駛員只需向車輛提供轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角指令,然后控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角及車輛信息,依照相關(guān)控制算法確定合適的轉(zhuǎn)角,實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

本文針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點進行了路感方面的研究。從路感的影響因素出發(fā),提出路感模擬的經(jīng)驗公式,并采用路感函數(shù)多變量模糊控制的方法來研究經(jīng)驗公式中各函數(shù)與路感的關(guān)系。通過多變量模糊控制的方法并根據(jù)汽車的行駛工況細化各種影響因素,以達到產(chǎn)生較理想路感的目的[1-2]。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

線控是用信號傳送取代機械連接。隨著線控的發(fā)展,線控制動、線控轉(zhuǎn)向、線控換檔等成為線控系統(tǒng)的子系統(tǒng),它們之間數(shù)據(jù)共享,通過通信系統(tǒng)來實現(xiàn)它們之間的通信。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由3個模塊組成:轉(zhuǎn)向盤總成、控制器和前輪轉(zhuǎn)向總成。轉(zhuǎn)向盤總成包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機等。它有以下2個基本功能:路感電機向駕駛員反饋路感;轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器測量駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,控制器根據(jù)此信號向前輪轉(zhuǎn)向總成提供目標前輪轉(zhuǎn)角。前輪轉(zhuǎn)向總成包括齒條位移傳感器、轉(zhuǎn)向電機等,它可實現(xiàn)以下2個基本功能:控制轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪,并跟蹤目標前輪轉(zhuǎn)角,從而實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向;齒條位移傳感器測量前輪的運動狀態(tài)以進行前輪轉(zhuǎn)角的反饋控制,為路感反饋提供參考信號,然后將車輛運動狀況反饋給駕駛員?？刂破靼ㄒ韵?個控制環(huán):轉(zhuǎn)向盤力反饋控制環(huán)和前輪位置反饋控制環(huán)[3]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steer-by-wire system

駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時,控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器的信號,由主動轉(zhuǎn)向控制策略得到前輪轉(zhuǎn)角,然后向轉(zhuǎn)向電機發(fā)出控制信號,并對轉(zhuǎn)向電機進行位置閉環(huán)控制,以實現(xiàn)參考前輪轉(zhuǎn)角。同時,控制器根據(jù)路感控制策略(轉(zhuǎn)向盤回正力矩算法)得到參考轉(zhuǎn)向盤回正力矩,路感電機對電流進行控制,以提供期望的轉(zhuǎn)向盤回正力矩?？刂破骺刂妻D(zhuǎn)向盤總成和前輪轉(zhuǎn)向總成協(xié)調(diào)工作[4]。

2 路感

2.1 路感定義

汽車路感是在汽車轉(zhuǎn)向過程中,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把車輛運動狀態(tài)和路面狀態(tài)信息反饋給駕駛員的一種現(xiàn)象。駕駛過程是一個人-車-路相互作用的過程,也是一個閉環(huán)系統(tǒng)。駕駛員需要獲得從汽車和道路上反饋來的信息,進而對駕駛操作進行修正,以保證汽車安全高效運行。路感正是這些反饋信息中的重要組成部分,因此路感對于駕駛安全性等有重要影響。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了能夠讓駕駛員通過車輛前輪轉(zhuǎn)角來控制車輛的轉(zhuǎn)向外,還有一個重要功能就是借助轉(zhuǎn)向盤獲得力感。該力感將整車以及輪胎的運動、受力狀態(tài)等信息反饋給駕駛員,同時駕駛員也希望通過轉(zhuǎn)向盤的力矩信息感知車輛的行駛狀態(tài),做到“心中有數(shù)”。轉(zhuǎn)向盤力(或轉(zhuǎn)向盤力矩)是駕駛員輸入轉(zhuǎn)向盤用以操縱汽車的力,轉(zhuǎn)向盤反作用力輸送給人手的力,即為路感[5]。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,由于轉(zhuǎn)向盤和前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)之間沒有機械連接,力矩傳不到轉(zhuǎn)向盤,如果不做任何處理,駕駛員將沒有辦法感知整車以及輪胎的運動、受力狀態(tài)等信息,這對駕駛員來說是相當不安全的。因此,在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,路感設(shè)計的關(guān)鍵點在于如何呈現(xiàn)整車以及輪胎的運動規(guī)律、受力情況等信息。目前的方法是:在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,通過電機模擬整車以及輪胎的運動規(guī)律、受力情況等信息,由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器控制路感電機模擬產(chǎn)生路感,模擬產(chǎn)生的路感信息和汽車轉(zhuǎn)向盤力特性基本一致;同時路感還可以根據(jù)不同的要求實現(xiàn)靈活多變、人性化的設(shè)計思想[6]。

2.2 路感分類

路感按汽車行駛狀態(tài)或轉(zhuǎn)向盤所處位置,可以分為直線行駛路感、轉(zhuǎn)向路感和回正過程路感。直線行駛路感,即汽車直線行駛時轉(zhuǎn)向盤處于中間位置的路感。轉(zhuǎn)向路感體現(xiàn)在以下2個方面:一是汽車轉(zhuǎn)向盤的操縱力應(yīng)隨轉(zhuǎn)角或阻力矩的變化而變化,二是汽車轉(zhuǎn)向盤的操縱力應(yīng)隨車速的變化而變化?；卣^程路感也表現(xiàn)為以下2個方面:一是轉(zhuǎn)向盤的操縱力應(yīng)隨轉(zhuǎn)角的減小而減小;二是當車輛以較低的速度運行并轉(zhuǎn)向或回正時,車輪的回正能力較差(路面的摩擦力較大),為了提高轉(zhuǎn)向操縱性,應(yīng)盡可能使轉(zhuǎn)向盤回正力矩特性曲線通過或接近轉(zhuǎn)向盤的中間位置,當車輛高速行駛時,車輪的回正能力較強,為了提高車輛行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向盤穩(wěn)定感,應(yīng)該使回正特性曲線不通過中間位置而留有一定角度,使轉(zhuǎn)向盤靠回正力矩的作用自動回正[7]。

3 路感模擬

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了駕駛員與地面之間的直接聯(lián)系,因此獲得路感的基本途徑是通過轉(zhuǎn)向裝置和執(zhí)行機構(gòu)向駕駛員傳遞可靠信息。在駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的同時,路感電機通過減速齒輪由控制器實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感的模擬。將轉(zhuǎn)向柱模型簡化(把轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向電機合成為轉(zhuǎn)向柱),根據(jù)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學模型[8],運用牛頓定律,得出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的動力學方程,如下所示:

(1)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時動力學方程

式中:Jh為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量;Th為轉(zhuǎn)向盤上的額外力矩;Td為轉(zhuǎn)向柱反作用在電機上的力矩;fh為轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向盤支撐架間的摩擦系數(shù);G1為電機與轉(zhuǎn)向柱的傳動比;θh為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;θ1為電機轉(zhuǎn)角;Ks為扭矩傳感器剛度系數(shù)。經(jīng)過拉普拉斯變換后得到

Jhθh(s)s2-fhθh(s)s

式中:s為復(fù)變量。

(2)電機電磁轉(zhuǎn)矩與電流關(guān)系

Tm=KeI

式中:Tm為電機電磁轉(zhuǎn)矩;Ke為電機電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù);I為通過電機的電流。

(3)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時路感模擬方程

式中:fm為電動機軸與轉(zhuǎn)向盤支撐架間的摩擦系數(shù);J1為轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)動慣量。經(jīng)過拉普拉斯變換后得到

(4)扭矩傳感器模型

對于扭矩傳感器,其測試值為其剛度乘以轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向柱之間轉(zhuǎn)角差,如下所示:

式中:Ts為扭矩。

根據(jù)路感多變量模糊控制函數(shù)算出對應(yīng)的路感電機參考力,然后將力轉(zhuǎn)化為與之對應(yīng)的參考電流ICR。ICS表示路感電機的實際測得電流,電流差用ΔI表示。電流差經(jīng)過比例-積分-微分調(diào)制器由脈沖寬度調(diào)制控制輸出為電壓,該電壓經(jīng)過驅(qū)動電路后直接驅(qū)動路感電機[9]?？刂瓶驁D如圖2所示。

4 仿真分析

為了驗證本文提出的路感模擬算法的合理性,選取典型工況對設(shè)計的路感策略進行驗證,并且將相同車型傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感進行對比。

路感設(shè)計的優(yōu)劣主要表現(xiàn)在高速工況下路感清晰和低速工況下大轉(zhuǎn)角時轉(zhuǎn)向輕便。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.3 Torque-angle curve of steering wheel

從圖3可以看出,線控轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角小于機械轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,由此說明線控轉(zhuǎn)向可變傳動比的設(shè)計能夠有效降低車輛在低速行駛時駕駛員的操縱強度,線控轉(zhuǎn)向盤力矩平均值和最大平均值均小于機械轉(zhuǎn)向盤。因此,本文設(shè)計的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬算法可以減輕駕駛員的操縱負擔,提高駕駛員的操控舒適性。

5 結(jié)語

本文通過函數(shù)擬合的方法對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感進行分析,選取典型工況進行仿真,并與傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行對比,結(jié)果表明本文所選取的路感模擬策略能有效地滿足汽車穩(wěn)定性要求,保證駕駛員安全,具有一定的理論與實用價值。

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