線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬與硬件在環(huán)試驗(yàn)研究

劉彥琳, 王 凱, 謝有浩(.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，合肥 30009;.安徽獵豹汽車有限公司，滁州 39064)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Steer-By-Wire)通過控制器接收來自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角信號，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向,從而完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖.SBW系統(tǒng)由電機(jī)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向器控制車輛的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向盤阻力矩需由路感電機(jī)模擬產(chǎn)生.

目前對路感模擬的研究較少，方法分為3類:動力學(xué)計(jì)算法與參數(shù)擬合法為較常用的方法,另一種為傳感器測量法，但是存在安裝困難的問題.文獻(xiàn)[1]中轉(zhuǎn)向器齒條受力通過在齒輪齒條處安裝力矩傳感器測得，等效路面負(fù)載，將其作為模擬路感的阻力矩反饋給駕駛員，該方法能夠較為精確地得到力矩參數(shù)，但是成本過高；文獻(xiàn)[2]通過分析傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感產(chǎn)生原理，根據(jù)主銷后傾角、輪胎拖距、整車參數(shù)以及前后輪側(cè)偏剛度參數(shù)計(jì)算得到路感反饋力矩，但是存在參數(shù)獲取困難且獲取不準(zhǔn)確等問題，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的路感準(zhǔn)確度不高；文獻(xiàn)[3]對轉(zhuǎn)向盤力矩進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，選取與路感信息相關(guān)的變量(如車速、側(cè)向加速度等)擬合出各模塊力矩，該方法擬合出的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩能夠滿足駕駛員的需求，但是該路感均為理想情況下所得，不能實(shí)時反映當(dāng)前路面信息；文獻(xiàn)[4]分別建立低速和高速行駛工況下的轉(zhuǎn)向盤力矩MAP圖，將上述力矩模型作為路感模擬控制的目標(biāo)力矩，對路感電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)路感模擬，但是該方法未考慮路面負(fù)載，與實(shí)際手感存在一定差異.

文中在分析傳統(tǒng)汽車路感來源的基礎(chǔ)上，通過路感電機(jī)電流等效路面負(fù)載，綜合考慮限位控制，阻尼控制等設(shè)計(jì)了路感模擬算法.同時基于LaBVIEW PXI平臺搭建了線控轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)仿真平臺并設(shè)計(jì)了路感模擬控制器驗(yàn)證路感模擬算法的有效性.

1 SBW系統(tǒng)動力學(xué)模型

SBW系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向盤總成和轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成.除此之外，該系統(tǒng)還包括電子控制單元：供電系統(tǒng)、路感電機(jī)與轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器以及故障診斷系統(tǒng)等.其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建立SBW系統(tǒng)動力學(xué)模型.

1.1 轉(zhuǎn)向盤總成

轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)矩傳感器模型為

(1)

式中：θm為路感電機(jī)轉(zhuǎn)角；Tsw為駕駛員輸入力矩；Bsw為轉(zhuǎn)向盤阻尼系數(shù)；gm為路感電機(jī)減速器減速比；kc為轉(zhuǎn)向柱扭轉(zhuǎn)剛度；Jsw為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量；Tfric為轉(zhuǎn)向盤總成等效摩擦力矩；θsw為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角.

路感電機(jī)模型為

(2)

式中:Bm為路感電機(jī)阻尼系數(shù)；Jm為路感電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；Tm為路感電機(jī)電磁力矩.

路感電機(jī)采用直流有刷電機(jī)，其電學(xué)平衡方程為

(3)

電機(jī)電磁力矩為

Tm=ktIa

(4)

式中：ke為路感電機(jī)反電動勢系數(shù)；kt為路感電機(jī)電磁力矩系數(shù)；Ra為路感電機(jī)電阻；Ia為路感電機(jī)電流；La為路感電機(jī)電感；Ua為路感電機(jī)電壓.

1.2 轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成

轉(zhuǎn)向電機(jī)模型為

(5)

式中：Tfm為轉(zhuǎn)向電機(jī)電磁力矩；rp為小齒輪分度圓半徑；kfc為轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成扭轉(zhuǎn)剛度；xr為齒條位移；Jfm為轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；Bfm為轉(zhuǎn)向電機(jī)阻尼系數(shù)；θfm為轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)角；gfm為轉(zhuǎn)向電機(jī)減速器減速比.

轉(zhuǎn)向電機(jī)采用直流有刷電機(jī)，其電學(xué)平衡方程為

(6)

電機(jī)電磁力矩為

Tfm=kftIfa,

(7)

式中：kfe為轉(zhuǎn)向電機(jī)反電動勢系數(shù)；kft為轉(zhuǎn)向電機(jī)電磁力矩系數(shù)；Rfa為轉(zhuǎn)向電機(jī)電阻；Ifa為轉(zhuǎn)向電機(jī)電流；Lfa為轉(zhuǎn)向電機(jī)電感；Ufa為轉(zhuǎn)向電機(jī)電壓.

2 路感模擬控制算法

2.1 反饋力矩

由SBW系統(tǒng)的工作原理可知，轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成所反饋給轉(zhuǎn)向盤總成的路面信息主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，所以電機(jī)的電磁輸出轉(zhuǎn)矩則構(gòu)成了轉(zhuǎn)向盤路感中路面信息的主要來源.文中將轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的輸出力矩和轉(zhuǎn)向負(fù)載進(jìn)行等效處理，其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.通過上述對路感來源的分析可知，將轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向負(fù)載進(jìn)行等效處理，將轉(zhuǎn)向電機(jī)的電流信號用來反映轉(zhuǎn)向輪運(yùn)動過程中的輪胎特性、回正力矩和路面狀況[5].

圖2 路感模擬控制結(jié)構(gòu)框圖

作用在轉(zhuǎn)向電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩或負(fù)載大小決定了電流信號值，而此時的力矩則反映了汽車在行駛過程中的路面信息.根據(jù)上述對傳統(tǒng)汽車路感來源的分析，初步建立路感模擬力矩方程，即[5]：

Td=Gfeel(kftIfa-Ta)，

(8)

式中：Gfeel為路感增益；Ta為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力控制力矩.

在分析傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力控制策略的基礎(chǔ)上，助力控制力矩可設(shè)計(jì)為隨車速和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化而變化，設(shè)計(jì)公式如下.

(9)

式中：Ka為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增益；Kv為速度增益；V為車速.

2.2 摩擦力矩

當(dāng)處于低路面附著系數(shù)的回正過程時，輪胎自回正力矩較小，不足以克服SBW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的內(nèi)部摩擦，導(dǎo)致車輛回正不足.

由于制造及裝配引起的個體化摩擦力矩差異非常小且不確定.文中采用自行開發(fā)的轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)測定，選取5套同型號管柱，采用轉(zhuǎn)向機(jī)器人在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下多次試驗(yàn)確定，根據(jù)試驗(yàn)測得Tfr約在0.1-0.5 N·m范圍以內(nèi)，為了滿足駕駛員在不同車速下對路感的需求，將摩擦力用τsw設(shè)計(jì)為隨車速變化的函數(shù)Ffr[6]，具體計(jì)算公式如下：

(10)

2.3 限位控制力矩

限位控制是指駕駛員在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤到最大轉(zhuǎn)角時，給予駕駛員限位提示.在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，因轉(zhuǎn)向管柱與轉(zhuǎn)向器之間存在機(jī)械連接，駕駛員可以準(zhǔn)確的感知到轉(zhuǎn)向盤允許轉(zhuǎn)過的最大角度.而在SBW系統(tǒng)中，限位裝置需要重新設(shè)計(jì)，讓駕駛員在裝有SBW系統(tǒng)的汽車上能有傳統(tǒng)汽車同樣的限位感觸，提高駕駛的安全性和穩(wěn)定性.與機(jī)械限位相比較，軟件限位的方法更能體現(xiàn)出線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比自由設(shè)計(jì)的優(yōu)勢以及路感設(shè)計(jì)時的靈活性與多樣性.因此，文中通過加入限位控制力矩Tlim，通過程序算法來達(dá)到限位效果，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到極限位置時引入該力矩[7-8]，即：

(11)

式中：klim為限位控制力矩系數(shù)；θlim轉(zhuǎn)向盤左、右轉(zhuǎn)角的極限位置.

2.4 阻尼控制力矩

對于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，由于駕駛員的需求，需要汽車轉(zhuǎn)向盤在到達(dá)某個轉(zhuǎn)角位置后撒手就能以較快及較小超調(diào)量回到轉(zhuǎn)向盤的中間位置.同時，當(dāng)高速行駛時，駕駛員較小的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角操作便會對汽車造成很大的危險，因此,在設(shè)計(jì)路感時加入阻力控制力矩來減少此類情況的發(fā)生.阻尼控制力矩Tdamp可設(shè)計(jì)為隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速度與車速增 大而增大的函數(shù)[9-10]，即：

(12)

(13)

阻尼控制還可以較好的避免駕駛員撒手回正后引起的方向盤回正超調(diào)和抖動現(xiàn)象.

綜上，路感模擬控制力矩可以表示為

Td=Gfeel(kftIfa-Ta)+Tfr+Tlim+Tdamp.

(14)

3 仿真分析

3.1 仿真分析

以上述搭建模型為基礎(chǔ)，在CarSim中選取不同工況與matlab/simulink聯(lián)合仿真進(jìn)行分析，分別為雙紐線試驗(yàn)、阻尼控制試驗(yàn)以及限位控制試驗(yàn)等.

3.1.1 雙紐線試驗(yàn)

雙紐線試驗(yàn)主要考察汽車在低、中、高車速下轉(zhuǎn)向盤力矩隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化，確保線控轉(zhuǎn)向汽車的低速轉(zhuǎn)向輕便性和高速路感清晰.在CarSim中選取雙紐線工況，車速分別設(shè)置為10 km/h，40 km/h，80 km/h進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3～5所示.

圖3 車速為10 km/h下轉(zhuǎn)向盤力矩

圖4 車速為40 km/h下轉(zhuǎn)向盤力矩

從圖中可以看出，在不同車速下，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化較為平穩(wěn)，且高速工況下的轉(zhuǎn)矩變化較低速下急劇，較高的轉(zhuǎn)矩變化可提示駕駛員此時在高速下行駛，避免駕駛員誤操作引起失穩(wěn)情況的發(fā)生.仿真結(jié)果表明,該路感模擬算法可保證低速駕駛的輕便性和高速駕駛的路感清晰.

圖5 車速為80 km/h下轉(zhuǎn)向盤力矩

3.1.2 限位控制試驗(yàn)

根據(jù)仿真需要，文中根據(jù)汽車前輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動范圍，依據(jù)某款車型將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角最大轉(zhuǎn)動角度設(shè)置為360°.取klim=0.2 N·m/(°)，將工況設(shè)為原地轉(zhuǎn)向，以周期為5 s，幅值370°的正弦輸入進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果如圖6所示.

圖6 限位控制仿真結(jié)果

由圖6仿真結(jié)果可知：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大于300°時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增大趨勢較為平緩，減少因轉(zhuǎn)矩急劇增加而對駕駛員造成打手現(xiàn)象的發(fā)生；當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角超過360°時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化趨勢明顯發(fā)生突變，可以對駕駛員起到很好的提示作用：此時轉(zhuǎn)向盤已轉(zhuǎn)到極限位置，可避免因駕駛員誤操作而引起汽車失穩(wěn)情況的發(fā)生.

3.1.3 阻尼控制試驗(yàn)

選取角階躍試驗(yàn)來考察駕駛員快速打轉(zhuǎn)向盤時的阻尼控制效果.分別將車速設(shè)置為50 km/h和80 km/h，輸入為幅值50°的角階躍輸入，觀察不同車速下不同阻尼系數(shù)時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的大小以及趨于穩(wěn)定的時間.仿真結(jié)果如圖7～8所示.

由圖7～8仿真結(jié)果可知：在同一車速下，轉(zhuǎn)向盤力矩隨著阻尼系數(shù)的增大而增大，而在不同車速下，轉(zhuǎn)向盤力矩明顯隨車速增大.阻尼效果明顯.

圖7 車速50 Km/h角階躍試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖8 車速80 km/h角階躍試驗(yàn)仿真結(jié)

4 硬件在環(huán)試驗(yàn)

為驗(yàn)證路感模擬控制策略的可行性，根據(jù)SBW系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于LabVIEW PXI和CarSim的硬件在環(huán)試驗(yàn)臺[11].硬件在環(huán)平臺的試驗(yàn)設(shè)備主要包括：SBW控制器、轉(zhuǎn)向管柱、上位機(jī)、PXI主機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、各類傳感器等.其中，路感電機(jī)控制器通過單電阻采樣的方式采集轉(zhuǎn)向電機(jī)電流.路感電機(jī)控制程序包括各模塊程序的初始化、信號采集處理、電機(jī)驅(qū)動以及故障診斷等程序[12].軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示.

圖9 軟件總體設(shè)計(jì)

硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)過程：根據(jù)項(xiàng)目合作公司提供的車型參數(shù)在CarSim中設(shè)置整車參數(shù)、路面附著系數(shù)，車速以及迎風(fēng)阻力等參數(shù)，將控制算法轉(zhuǎn)換成C語言在路感模擬和轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制器中運(yùn)行，并利用數(shù)據(jù)采集卡和CAN采集卡將控制器需要的各路傳感器信號實(shí)時采集處理；通過LabVIEW軟件實(shí)時顯示和處理各路傳感器信號.

4.1 雙紐線試驗(yàn)

在CarSim中，將路面附著系數(shù)設(shè)置為0.85，車速設(shè)為10 km/h，進(jìn)行雙紐線試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

圖10 雙紐線試驗(yàn)硬件在環(huán)測試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與仿真結(jié)果相比，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩略小，但是整體變化趨勢一致，表明駕駛員可清晰感受到路感的變化.

4.2 限位控制試驗(yàn)

在進(jìn)行限位控制試驗(yàn)時，在CarSim中將車速設(shè)置為0 km/h，即原地轉(zhuǎn)向工況.為驗(yàn)證限位控制試驗(yàn)的有效性，需將轉(zhuǎn)向盤往返操縱至370°，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.

由圖11測試結(jié)果可知：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大于300°時，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩呈曲線型增大，減少因轉(zhuǎn)矩急劇增加而產(chǎn)生對駕駛員的打手現(xiàn)象，一定程度上改善了極限位置的手感；當(dāng)轉(zhuǎn)角為360°時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩已接近5.5 N·m，提示駕駛員轉(zhuǎn)向盤此時已轉(zhuǎn)到極限位置，可避免因駕駛員誤操作而引起汽車失穩(wěn)情況的發(fā)生.

圖11 限位控制試驗(yàn)結(jié)果

4.3 阻尼控制試驗(yàn)

將車速設(shè)置為80 km/h，輸入為幅值50°的角階躍輸入.阻尼控制試驗(yàn)主要在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上驗(yàn)證阻尼控制對路感的影響. 試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示.

圖12 角階躍試驗(yàn)仿真結(jié)果

由圖12試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在加入阻尼控制后，硬件在環(huán)試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向盤力矩明顯增大，阻尼控制起到了較明顯的作用.

5 結(jié) 論

1)在分析傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感來源的基礎(chǔ)上，提出將轉(zhuǎn)向電機(jī)電流等效路面負(fù)載的控制策略，綜合考慮限位力矩等設(shè)計(jì)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程中為駕駛員提供舒適的轉(zhuǎn)向手感，回正過程中保證轉(zhuǎn)向盤能夠順利平穩(wěn)地回正.

2)通過建立線控轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證所提出控制算法的有效性，仿真結(jié)果表明：所提出路感反饋策略能為駕駛員提供合適的路感，限位控制力矩可達(dá)5.5 N·m，明顯起到限位作用.

3)通過硬件在環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的路感反饋策略能夠滿足駕駛員的駕駛需求.充分發(fā)揮了路感可以自由設(shè)計(jì)的特性.

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