（光学工程专业论文）线控转向系统实验台研究.pdf

摘要 汽车线控转向系统的成功开发必须进行大量的实车试验，实车试验需要消耗大量的 物力、人力、财力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某 些基本参数与算法，是非常有益的。因此，对线控转向系统实验台进行系统的研究有着 非常重要的意义。 本论文研究工作主要包括以下几方面内容： 1 在对线控转向系统国内外研究现状进行分析的基础上，详细阐述线控转向系统 的结构、性能特点、发展趋势；提出了开发线控转向系统实验台的目的、意义和国内外 研究现状；最后确定了本文的技术路线。 2 对线控转向系统实验台的方案进行了设计。建立了线控转向系统动力学模型， 阐述了实验台工作原理与基本功能，并对实验台用到的硬件进行了选择。该实验台的硬 件选择主要包括转向器的选择、联轴器的选择、电动机的选择及各个传感器的选择。 3 应用宏晶科技公司的s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 单片机芯片开发了线控转向试验台的电控 单元。并设计了电控单元的外围电路和电动机驱动电路。 4 在开发了e c u 硬件的基础上，对其进行了软件程序设计。主要包括主程序设计、 a d 转换程序设计、p w m 程序设计和串口通信程序设计。 5 应用v i s u a lc + + 6 0 串行通信控件m s c o m m ，设计了线控转向系统的人机交互 界面。可将系统中传感器采集的信号通过a d 转换后，实时的输入到人机界面，便于对 系统参数进行控制。 关键词：线控转向；电控单元；实验台；人机交互； a b s t r a c t t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fs t e e r i n g b y - w i r en e e d sam a s so ft e s t sb yv e h i c l e a n d t e s t sb yv e h i c l ew i l lc o s tal o to fm a t e r i a lr e s o u r c e s ，h u m a nr e s o u r c e s ，f i n a n c i a lr e s o u r c e s i f w ed os o m en e c e s s a r yt e s t b e dt e s t sb e f o r ea p p l y i n gi nv e h i c l e ，w ew i l lg e ts o m eb a s i c p a r a m e t e r sa n da r i t h m e t i c s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tt od oas y s t e m i cs t u d yo ft h et e s t - b e dt e s t o f s b w ( 1 ) o nt h eb a s eo fr e s e a r c ht h ed e v e l o p m e n to ft h es b w ，m a k e ad e t a i l e ds t a t e m e n to n t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，c h a r a c t e r i s t i co fp e r f o r m a n c e ，c u r r e n td e v e l o p m e n t ；a n db r i n g f o r w a r dt h ep u r p o s eo fd e s i g n i n gt e s t - b e dt e s t s ，s i g n i f i c a n c ea n ds t a t eo fs t u d y ；a n df i n a l l y d e f i n et h et e c h n i c a lr o u t e ( 2 ) m a k ead e s i g no fs b w st e s t - b e d b u i l dad y n a m i c sm o d e lo fs b ws y s t e m e x p o u n d t h ep r i n c i p l ea n db a s i cf u n c t i o nt e s t b e do fs b w a n a l y z et h es e l e c t i n gm e t h o do fh a r d w a r e c o n t a i n st h es t e e r i n gg e a r ，s h a f tc o u p l i n g ，e l e c t r o m o t o ra n de v e r yk i n do fs e n s o r s ( 3 ) t h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i to ft h es i m p l es b wt e s t - b a di sd e s i g n e db a s e do nt h e h o n g j i n gt e c h n o l o g yc o m p a n y ss t c 12 c 5 410 a dc h i p e x t e r n a lc i r c u i to fe c ua n d e l e c t r o m o t o rd r i v ec i r c u i ta r ed e s i g n e d ( 4 ) o nt h eb a s eo fh a r d w a r ed e s i g n i n g ，t h ee c u ss o f t w a r ep r o g r a mi sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gt h ed e s i g n i n go ft h em a i np r o g r a m ，t h ea ds i g n a lc o n v e r s i o np r o g r a m ，p w m p r o g r a ma n ds e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ( 5 ) t h eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni s d e s i g n e db yu s i n g t h es e r i a l p o r t c o m m u n i c a t i o n sm s c o m mo fv i s u a lc + + 6 0 i tc a ni n p u tt h es i g n a l s w h i c hh a v eb e e nu s e d a ds i g n a lc o n v e r s i o nt ot h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s oi t se a s yf o ru st oc o n t r o lt h e p a r a m e t e r so ft h es y s t e m k e yw o r d s ：s t e e r i n g b y w i r e ，e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，t e s t b e d ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n h u m a na n dc o m p u t e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：葛怨硷 如。拜月3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 血日霉年月3 日 7 洲鼋年占真3b 长安大学硕 ：学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 近年来汽车市场竞争的加剧，引发了汽车开发和制造从理念到方式、方法的一系列 变革。世界各国企业为了竞争取胜，纷纷把电子技术、信息技术、高新材料技术应用于 汽车系统中，以提高车辆行驶的主动安全性能【l 】。如何合理地设计转向系统，使汽车具 有良好的操纵性能，始终是设计人员的重要研究课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业 化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为 重要。汽车线控转向系统( s t e e r i n g b y - w i r es y s t e m ，简称s b w ) 的发展，正是迎合这种 客观需求【2 1 。 汽车线控转向系统的成功开发必须进行大量的实车试验，将系统的性能调整到最佳 的工作状态。而转向实验台在转向系统开发、改进及测试方面起到了至关重要的作用。 实验台将取代大量的实车试验，节省大量的人力和财力，缩短开发周期；进行在实际中 不可能或不易进行的试验，如故障模拟、故障诊断、软件测试及紧急状况的处理等；台 架试验重复性好。目前，线控转向系统还没有应用于实车，主要是因为与传统的带有机 械连接的转向系统相比，其在安全可靠性方面仍存在一定问题。这就充分显示出了线控 转向系统实验台在线控转向系统研发中的重要性。通过相对安全性更高的台架实验，我 们可以充分了解线控转向系统的各项参数及主要性能，从而对其进行设计和改进，以提 高其可靠性。经过实验台充分测试的线控转向系统，可以进行实车实验，对其性能进行 进一步的评估研究。本文就是在这样的背景下开展对线控转向系统实验台的研究。 1 2 汽车转向系统概述 汽车转向系统的经历了如下几个发展阶段：机械转向系统、传统液压助力转向系统、 电液助力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统。目前，市场上主要以液压助力 转向系统为主，少量的车上装备了电动助力转向系统，线控转向系统尚处于研究阶段【3 】。 1 2 1 机械转向系统 机械转向系统是建立在机械转向的基础上的。是以驾驶员的体力作为转向能源，通 过对方向盘的操纵，经由转向器、直拉杆等一系列的杆件机构将转向运动传递到汽车的 转向车轮从而实现车辆的转向过程。机械转向系统结构简单、工作可靠、造价较低，但 第一章绪论 机械转向系统由于方向盘和转向车轮之f b j 的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷： 汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；转向传动比固定，使汽车转向响应特性 随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变 化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵 负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患。 1 2 2 液压助力转向系统 2 0 世纪4 0 年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助 力系统，借助于汽车发动机的动力驱动油泵，控制通向转向动力缸的油压大小，从而控 制助力大小。以液力增大驾驶员操纵前轮转向的力量。这种动力转向系统比较好的缓解 了“轻”与“灵”的矛盾，减少驾驶员的疲劳强度，衰减道路冲击，提高行驶安全性。 液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向盘的冲击【4 1 。但传统液压助力转向系统 同样存在很多缺点：油泵由发动机驱动，持续工作，能量消耗多；液压油泄漏、橡胶管 污染环境；系统元件较多，所占空间大；低温助力性能不好。 1 2 3电液助力转向系统 近年来，由于电子技术的发展出现了电液助力转向系统( e 肿s ) 。电液助力转向 系统根据作用的方式可以分为两类：电动液压助力转向系统和电控液压助力转向系统。 电动液压助力转向系统与液压助力系统相比，它节省了发动机的燃油消耗，提高了车辆 的燃油经济性。电控液压助力转向则是在原有的液压助力系统的基础上增加了相应的电 控装置而构成的。其助力特性可以根据车辆速度、侧向加速度等设计成可变助力特性 5 1 1 6 1 。电液助力转向系统可以解决传统机械转向系统由于转向器固定传动比而造成的转 向“轻 与“灵 之间的矛盾。但是由于其发展是基于液压助力系统的，因此无论是电 动液压助力转向系统还是电控液压助力转向都与传统液压助力系统同样存在着液压油 泄漏，管路复杂，不利于维修和检测等问题。而且，增加了电子控制系统，成本也会上 升。 1 2 4 电动助力转向系统 电动助力转向( e p s ) 系统是在机械转向系统基础上加入电动机作为动力源，其原理 是驾驶员转动方向盘，转矩传感器检测转向轴的转矩，将驾驶者的意图转化为数字信号 传到e c u ，e c u 经过判断分析，选择合适的助力特性来控制电动机以最佳的助力特性 助力f 7 】f 8 1 。电动助力转向系统结构如图1 i 。 2 长安人学硕十学位论文 电动助力转向系统由助力电动机提供转向助力矩，助力矩的大小由电控单元进行实 时调节与控制，因此该系统能在各种工况下获得最佳的转向助力矩，有效的改善汽车的 转向特性，可以较好解决传统转向系统操纵时“轻与“灵”的矛盾，从而提高转向的 灵敏度和安全性；与液压助力转向系统及电液助力转向系统相比，由于其去除了液压油 泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等零件，使结构更紧凑，质量更轻，更 适合总布置设计，取消了液压回路，有效消除了液压助力转向系统中液压油泄漏问题， 可大大降低保修成本，减小对环境的污染，同时由于是电动机助力，仅在需要转向时电 动机才提供助力，能减少燃料消耗，电动机由蓄电池供电，因此电动助力转向系统能否 助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力【9 】。 图1 1电动助力转向系统结构图 1 2 。5 线控转向系统 线控转向系统是随着线控技术发展的最新成果而成长起来的一种全新转向系统，它 通过电线传递信号控制执行机构动作来取代传统转向系统的机械传动和机械连接，助力 矩由主控制器在对相应参数进行解算之后向转向执行电动机下达指令，由转向助力电动 机提供。 线控转向系统由于将驾驶员的转向操作与转向车轮之间通过信号及控制器连接，驾 驶员转向操作所需做的仅仅是向车辆输入自己的驾驶指令，由控制器根据驾驶员指令、 当前车辆状态和路面状况确定合理的前轮转角，实现转向系统的智能控制，可以大幅度 的提高车辆操纵稳定性，降低驾驶员的操纵负担，改善人一车闭环系统性能。线控转向 系统是汽车技术和电子技术结合的必然产物。它可以完全摆脱机械系统所带来的一系列 缺陷和不便，可以对汽车转向系统的力传递特性和角传递特性进行自主设计，从根本上 改善汽车的转向“轻”与“灵z 的矛盾，是汽车转向系统发展史上的一次重大革新 1 0 - 1 2 】。 3 第一章绪论 1 3 线控转向系统概述 1 3 1 线控转向系统的结构 线控转向系统由方向盘总成、转向执行机构总成和主控制器( e c u ) 三个主要部分组 成【1 3 15 1 。如图1 2 所示。 方向盘总成包括：方向盘、方向盘转角传感器、转矩传感器、方向盘回正力矩电动 机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图通过传感器测量方向盘转角转换成数 字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩， 以提供给驾驶员相应的路感信息。 图1 2 线控转向系统结构示意图 转向执行机构总成包括前轮转角传感器、转向电动机、转向电动机控制器和前轮转 向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电动机控制器控 制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。 主控制器对传感器采集的方向盘转角、转矩、车速等信号进行分析处理，判别汽车 当时的运动状态，e c u 实时的向方向盘回正力矩电动机和转向电动机发送指令，控制 两个电动机的工作，保证各种工况下都具有良好的车辆响应特性，以减少驾驶员对汽车 转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还必须能对驾驶员的操 作指令进行识别，判定当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态 或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统要能将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进 行稳定控制，使汽车尽量控制在稳定状态。 自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它应该包括一系列的监控设备和实施算 4 长安大学硕士学位论文 法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度的保持汽车的正常 行驶。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切 研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。 它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大程度的提高汽车安全性能。 1 3 2 线控转向系统的性能特点 汽车线控转向系统是一种全新概念的转向系统，它取消了方向盘和转向车轮之间的 机械连接，操纵装置接受驾驶员指令，经过总线发送消息并从控制装置获得相应的反馈； 同时，转向控制单元由操纵装置接受驾驶员的指令，而转向执行装置则接受来自转向控 制单元的控制命令，实现转向车轮对应角度的转向，通过一系列的软件协调使它们之间 的运动关系达到和谐，因而可以实现一系列传统转向系统所不能实现的功能。 汽车线控转向系统的优点如下【1 昏1 9 】： 1 方便汽车总布置设计。由于线控转向系统没有机械连接，省去了转向柱、皮带 轮等机械部件，从而为发动机舱的空间布置节省了空间，给总布置带来极大的方便。驾 驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，可以减少事故发生时对驾驶员的伤害。同时 由于减少了部件，可以从一定程度上提高车辆系统的可靠性。 2 提高车辆操纵性能，提高交通系统安全性。由于没有了机械传动，可以实现转 向系统的传动比任意设置，通过软件设计可以使传动比的设置能满足不同的行驶工况和 不同的驾驶员喜好，并能够根据方向盘转角和车速的数据对转向响应特性进行补偿，使 汽车转向特性在高低速以及大角度和小角度转向时能够保持较好的操纵性能，最大限度 的减轻驾驶员的负担，提高“人一车闭环系统”的主动安全性。 3 有效改善驾驶员的“路感”。线控转向系统中，方向盘和转向车轮之间没有机 械连接，驾驶员的“路感”信息完全通过模拟生成。在回正力矩的控制方面可以选择从 信号中提取最能够反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息来反馈给驾驶员，使转向盘 仅向驾驶员提供有用的信息，而将其他信号屏蔽，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”， 减轻驾驶员的脑力负担，提高对道路条件的跟踪特性。 4 提高转向系统的响应速度和准确性。由于线控转向系统减少了从执行机构到转 向车轮之间的传递过程，使转向系统在惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以 降低，从而使系统的响应速度和准确性能得到大幅度提高。 5 提高汽车的稳定性能。线控转向系统通过前轮转向控制算法，不仅能实现动态 5 第一章绪论 稳定控制系统的功能，而且能够与汽车上的其它主动安全设备如a b s 、汽车动力学控制、 防碰撞、轨道跟踪、自动侧向导航等功能结合使用，从而实现系统对汽车的整体控制， 提高汽车的稳定性能。 6 提高转向操纵方便性。线控转向系统能提高操纵的方便性，有研究表明，未来 车辆转向系统的转向运动可以通过操纵杆来实现，从而能提高转向操纵的方便性。 7 其它方面的优点。线控转向系统仅在需要转向时转向电动机才有功率输出，因 此能有效减少燃油消耗，节省能源，并能极大的提高传动效率。与液压助力系统相比， 线控转向系统避免了液压油泄漏、液压部件废弃物对环境造成的污染。 1 。3 3国外线控转向系统的发展概况 二十世纪五十年代，t r w 等转向系统开发商就做了假设，将转向盘与转向车轮之 间用控制信号代替机械连接。德国的k a s s e l m a n n 等也设计了与此类似的主动转向系统 【2 0 1 。他们试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接以取代原有的机械连接，这就是线 控转向系统的最初模型。奔驰公司1 9 9 0 年开始了前轮线控转向系统的深入研究 2 ，并 将其开发的线控转向系统安装于f 4 0 0 c a r v i n g 的概念车上。随后世界各大汽车厂家、研 发机构包括d a i m l e r c h r y s l e r 、宝马、z f 、d e l p h i 、t r w ，以及日本的光洋精工技术研 究所、日本国立大学、本田汽车公司等都对汽车线控转向系统做了深入研究。 日本光洋技术研究所利用线控转向系统进行主动控制的汽车，在摩擦系数很小的坚 实雪地上进行蛇形，移线侧向风试验中基本按照预定的轨迹行驶，比传统转向系统在路 线跟踪性能上有较大的提高。在对开路面上试验也能保证汽车的直线行驶，制动距离也 大大缩短。图1 3 是只有a b s 、在a b s 的车上加装稳定性控制( d y c ) 、在a b s 的车上 安装线控转向系统三种车的紧急制动的试验结果( 初始车速为2 2 ，2 m j s ) 2 2 1 2 3 j 。日本大学 和本闸汽车公司在汽车线控转向系统方面也做了一些理论工作和模拟器试验研究。他们 设计了理想的转向系统传动比【2 4 1 ，使汽车的稳态增益不随车速变化，最大限度的降低驾 驶员的负担。重点研究了驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响。 在欧洲，以d a i m l e r - c h r y s l e r 、f i a t 、f o r d e u r o p e 和v o l v o 等汽车公司和c h a l m e r s 、 v i e n n a 等大学联合发起了“b r i t e e u r a m x b y - w i r e 计划”进行线控转向系统的实现以及 安全性和可靠性方面的研究。d a i m l e r - c h r y s l e r 已经开发出电子驱动概念车”r 1 2 9 ”。它取 消了转向盘、加速踏板和制动踏板，完全采用操纵杆控制，实现了d r i v e b y w i r e 技术。 图1 4 为操纵杆控制的“r 1 2 9 概念车。 6 砼立大学目l 学位谴女 【0 辜 篙。 喧 萆】0 2 0 3 0 02 03 04 05 06 07 0 汽车姒自位i 无稳定性汽车 窿日采用d y c 做稳定性控制的汽车 皿采用郅t 鼓捂定性控制的r 气车 图1 3 线控转向对制动稳定性的提高 z f 公司在9 8 年丌发出电动助力转向系统之后也积极进行了线控转向系统的开发研 究图15 是由z f 公一j 丌发的线控转向系统，该系统利用感应电动机产生转向力矩， 无刷直流电动机提供驾驶员力矩反馈。 篮述 图1 4“r 1 2 9 ”概念车图1 5z f 开发的线控转向系统 宝马汽车公司在巴黎车展上展出了应用s t e e r - b y - w i r e 和b r a k e - b y - w i r e 技术的概念 车- - b m w z 2 2 ，该车仍然使用转向盘与制动踏板来操作车辆，但是没有了如转向柱、脚 踏板连杆等机械结构，可以减少在车辆发生掩击时机械部件对驾驶员的伤害。转向盘的 转动范围减少到了1 6 0 度，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。第 5 9 届法兰克福汽车展的雪铁龙越野概念车“c c r o s s e r ”，也采用了线控转向系统。在 2 0 0 1 年的第7 l 届n 内瓦国际汽车展览会上，意大利的b e g o n e 汽车设计及开发公司展 示了新型概念车“f 1 l o ”。“f i l o ”采用了“d r i v e b y w i r e ”系统，所有的驾驶动作都通过信 号传递的。它使用操纵杆进行转向操作，并采用了最新的4 2 v 供电系统。 在美国，德尔福公司继成功推出了电动助力转向系统系统后，又开发出了前轮和四 轮线控转向系统，并应用十加州的自动高速公路系统中。9 7 年德尔福公司与意大利 菲亚特公司箍订了应用于小型车的线控转向系统研制合同。荚倒斯坦福大学的动态设计 第一帝绪论 实验室自丰开发了“p 1 ”线控转向汽车，如图16 所示，改车是具有左右两套独立的前 轮转向系统和后轮驱动助能的电动车，冗余设计的前轮转向系统，为该车的安全提供r 保障。 13 4 国内线控转向系统的发展概况 目前国内部分科研机构也_ 1 = 始重视s b w 的研究，纷纷投入的人力、物力对其进行 研发。在2 0 0 4 年第六届上海国际工业博览会上，同济大学汽牟学院万钢教授及其课题 组研制出国内首辆装备线控转向系统的概念车 “春晖三号”。“春晖三号”属十线控 转向四轮驱动微型概念午，缓车基于场馆电动车辆的殴计在国内首次使用线控转向技 术取消了传统的机械式转向装置，是国内在线控转向领域进行研究的个质的突破。 同济大学在2 0 0 5 年9 月国家“十五”重大科技成就展1 - ，展出了自己开发的线控转向 系统，如图17 ，醣系统采用双传感器冗余设计。 图1 6“p i ”线控转向汽车图1 7 同济大学线控转向系统 吉林大学左建令设置了用于车辆线控转向系统的转向系传动比方案，制定了线控转 向系统回正力矩建模方案。对车辆稳定性控制方法进行了研究1 2 6 。蔡英武进行了线控 转向系统参数与整车匹配设计的研究。提出了优化设计的方法，确定系统理想的横摆角 速度增益值，进而计算理想传动比。李涛涛建立线控转向执行系统的数学模型和具有线 摔转向系统的c a r s i m 车辆模型：分析比较了前馈控制和自n 馈控制加p i e ) 修正两种控制 策略。建立转向盘反力电动机的模型，研究转向盘反力屯动机控制策略，并在线控转向 系统实验台转向盘反力模拟系统上进行了测试和验证。 武汉理工大学刘永肘线控转向系统的基本结构、工作原理和性能特点进行了研究， 着重介绍了线控转向系统控制策略中的模糊p i d 控制算法1 2 7 1 。杨新诺提出线控转向系 统牛辆横摆角速度的控制方法，并对模糊控制算法进行研究。探讨了虚拟环境下s b w 系统的设计方法。 长安人学硕士学位论文 1 3 5 线控转向系统的发展趋势 由于s b w 符合汽车转向系统安全、环保、节能和舒适的发展要求，现在世界各大 汽车整车和零部件厂商竞相开发s b w 系统，已经取得了显著的成果，其主要发展趋势 如下： 1 实现s b w 系统的智能化。线控转向系统的转向控制单元可以接受汽车上其他传 感器的信号，这样它就可以知道整个汽车的运动状态。当出现紧急或意外情况时，线控 转向系统就能在驾驶员做出反应之前丌始采取相应的动作以避免意外事故的发生。另 外，使s b w 系统与其他汽车电控单元集成，可实现控制一体化。如当汽车以巡航速度 在公路上行驶时，配合其他导航系统和识别系统，可以实现自动驾驶【2 8 】。 2 提高s b w 系统的可靠性和安全性。目前欧洲的汽车法规要求方向盘与转向车轮 之间必须有机械连接，线控转向系统还不允许在欧洲上市。但只要生产商能够有足够的 证据表明线控转向系统的安全可靠性，它得到上市许可还是完全可能的【2 9 1 。 3 降低s b w 系统的成本。采用容错技术中的硬件冗余，使得系统成本过高，是目 前s b w 系统所面临的主要瓶颈。但随着技术的进步，电子设备成本的下降，产品可靠 性的提高，以及其他如采取非硬件冗余容错控制技术的发展f 3 0 1 ，同时研究和开发高灵敏 度、高精度、低成本的传感器，s b w 系统的成本将会逐渐下降，为s b w 系统的具体应 用提供前提条件。 4 采用总线技术和4 2 v 电源技术。总线技术的应用使线控转向系统能更好的发挥 其性能优点，基于总线技术的线控转向系统可以将传统的机械转向系统变成通过高速容 错通信总线相连的电气系统【3 1 】【3 2 】，实现系统的自动化、智能化、网络化与信息化。线控 转向系统中方向盘回正力矩电动机和使前轮转向的转向电动机共同工作，对功率的需求 比较高，若继续维持1 2 v 的供电系统，就必须通过提高电流来获得更多的功率，但是过 高的电流将给整个系统带来不安全的隐患，汽车电路上的热能消耗将大大增加，所以汽 车供电系统必须提高电压以满足现代汽车电器系统负荷日益增长的需要。采用4 2 v 电源 可以为发展线控转向系统创造条件：电动机的质量减轻了2 0 ；减小了线束直径，降低 了设计与使用成本，方便安装；降低了负载电流；提高了电子原件的集成度等 3 3 1 。 5 线控转向系统将作为一个全面实现汽车全电动化的分支。未来汽车的主体是低 排放汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 、电动汽车( e v ) 四大e v 汽车，这给线控转向系统带来了更加广阔的应用前景。 对于我国来说，目前线控转向技术的发展还无法与国外相比。要从我国现有条件出 9 第一章绪论 发，对该系统进行深入的研究，拓展电气传动技术的应用、加快国产汽车的电子化发展 以及提供未来智能汽车驾驶技术支持。 1 4 开发线控转向系统实验台的目的和意义 随着线控转向在国内受到日益重视，线控转向的开发设计势必需要进行大量的试 验，一方面将系统的性能调整到一个最佳的工作状态，另一方面对系统的可靠性进行考 核。线控转向试验包括整车试验与台架试验两个部分，整车试验与台架试验应相辅相成， 如直接进行实车试验会有一定盲目性，且需要消耗大量的财力和物力。特别是进行一些 特定环境下的整车试验：如在积雪覆盖的路面上的小摩擦测试就只能局限于冬季的几个 月；而在进行某些极限环境下的测试还存在安全问题：如测试爆胎时的系统性能。另外 用真实汽车进行测试存在可重复性差、不能复现同一测试条件等缺点。如果在实车试验 之前进行必要的台架试验，为后续实车试验提供一定的数据积累，无疑是非常有益的。 实验台的建设和开发能够节省线控转向系统的开发周期和费用，加快对线控转向系 统的研究和开发进度，促进国内线控转向技术的发展。 1 5 国内外线控转向系统实验台的建设情况 线控转向系统作为一种先进的汽车转向系统，引起了各大汽车厂商以及高校的极大 关注。1 8 所示为韩国h a n y a n g 大学搭建的线控转向系统实验台的总体方案。该实验台 包括：线控转向系统、控制器、液压系统以及实时控制器等部件。实验台采用齿轮齿条 转向器，使用两部电动机分别实现路感模拟和执行转向操作；信号发生器用于模拟输入 实车车速等信号；液压系统用于模拟车辆转向时轮胎受到的侧向力；数字信号处理器主 要用于实时控制。主控制计算机对车辆模型以及液压系统控制信号进行实时计算处理。 除此之外，韩国的k w a n g j u 科技学院开发了用于e p s 和s b w 系统开发的虚拟环境， 用气缸模拟齿条上的转向阻力【3 4 】；德国的f l u i d o n 公司开发的转向系统实验台能够进 行e h p s 、e p s 、s b w 特性测试。为了满足产品设计和质量验证的需要，奔驰公司、 d a i m l e r - c h r y s l e r 、采埃孚( z f ) 等也已经成功地研制出高性能的线控转向实验台，它们在 结构和测试方面都很具有特色。在结构设计上充分考虑现场操作的实际情况，从人机工 程学角度出发指导实验台的结构设计。重点仍然是实验台结构的合理性和可靠性，同时 还兼顾到台架的美观。在测试技术方面，都大量采用了计算机测控技术，因此测试精度 高、检测速度快、检测结果以屏幕直观显示。 1 0 长安 学硬十学位镕i p _ lt o _ j j k “$ 图1 8 韩国h a n y a n g 大学线控转向系统实验台方案图 与国外的研究水、f 帽比，线控转向系统实验台在国内的建设还处于起步阶段。仪在 相关技术上取得了一些进步，主要表现在测试技术的应用方面。例如：吉林大学汽车动 态模拟国家重点实验室已经成功研发小型固定式车辆驾驶模拟器。该系统采用上业控制 计算机作为测控系统的主机，并配备相应的工业控制板 和接口模块组成实验台测控硬 件系统，通过对相关配套软件的二次开发，以确保系统具有实用性、互换性、可靠性、 町扩容性，而且维护方便。它集成了图像和声响系统，可以为驾驶员提供逼真的驾驶环 境，因此可以作为我们开发线控转向系统提供了参考依据。 1 6 本文主要研究内容 l 在对线控转向系统田内外研究现状进行分析的基础上，详细阐述线控转向系统 的结构、性能特点和发展趋势：提出开发线控转向系统实验台的目的、意义和国内外研 究现状：最后确定本文的技术路线。 2 对线控转向系统实验台的方案进行设计 建立线控转向系统动力学模型，阐述实验台工作原理与基本功能，并对实验台用到 的硬件进行选择。该实验台的硬件选择主要包括转向器的选样、联轴器的选择、电动机 的选择及备个传感器的选择。 3 线控转向系统实验台i u | 孛单元硬件设计与挣制程序的软件设计 第一章绪论 拟采用宏晶科技公司的8 位、定点、高速低价位的s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 芯片开发线控 转向系统实验台的电控单元。在开发电控单元硬件的基础上，对线控转向系统实验台的 软件控制程序进行设计，主要包括主程序设计、a d 转换程序设计、p w m 程序设计、 串口通讯程序设计。 4 线控转向系统实验台人机交互界面的开发 应用v i s u a lc + + 6 0 串行通信控件m s c o m m ，实现电控单元与p c 机的串口通信， 设计线控转向系统实验台的人机交互界面。 1 7 本文的技术路线 根据本文所需完成的工作，制定本文技术路线如下图1 9 本文技术路线所示： 厂司 i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 0 图1 9 本文技术路线 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章线控转向系统实验台的方案设计 汽车线控转向系统的成功开发必须进行大量的实车试验，实车试验需要消耗大量的 物力、人力、财力，如果在实车试验之前进行必要的台架试验，为后续实车试验获得某 些基本参数与算法，是非常有益的。因此，本文提出了线控转向系统实验台的方案设计， 首先建立了线控转向系统动力学模型，接着介绍了国内外线控转向系统实验台的建设情 况、实验台的工作原理、基本功能、硬件组成和硬件的选择。 2 1线控转向系统动力学模型的建立 2 1 1 降阶建模思想 从机械系统的观点来看，转向系统是由许多质量、惯性组件以及弹簧、阻尼( 或摩 擦) 组件组成的。如果把转向系统实物中每个部件都用相应的机械组件表示出来，便可 得到转向系统的全阶物理模型，这种建模方法称为全阶建模方法。用全阶建模的方法得 到的模型可以完整地反映系统的特征，理论上来说应该能够更好地模拟真实的物理系 统，得到更好的仿真结果。但是，全阶建模方法也有它内在的缺点：首先，对于复杂的 系统，全阶建模将使得整个模型变得非常复杂，甚至变得根本无法求解；并且，模型中 所考虑的因素并非越多越好，太多了，反而会使影响系统的主要因素不能够得到突出， 同时也很难精确地得到模型中所需要的所有参数，这样反而使系统模型精度下降，变得 不准确了。如果把全阶模型中两个或多个机械组件合并，使得整个机械组件的数目得以 减少，便可得到转向系统的降阶物理模型，这种建模方法称为降阶建模方法。本文拟用 降阶建模方法建立线控转向系统的动力学模型【3 6 1 。 2 1 2 系统动力学模型的建立 通过对线控转向系统硬件结构的分析，本文采用降阶建模方法，将复杂的汽车线控 转向系统简化为只包括几个重要动力学元件的汽车线控转向系统物理模型。这些元件包 括：方向盘、转向轴、回正力矩电动机、转向电动机、齿轮齿条机构、转向轮。汽车线 控转向系统简化模型如图2 1 所示。建立此模型的目的是为了后期研究线控转向系统的 上层控制策略，为转向执行电机的力矩控制提供决策依据。 1 方向盘模块动力学模型 线控转向系统的转向系统模型就是将方向盘转动通过传感器、e c u 的模拟传递到转 1 3 第二章线控转向系统实验台的方案设计 向电动机，使前轮转向，而系统同时接收来自反馈模块的反馈，据此建立方向盘模块模 型。方向盘模块的受力情况如图2 2 所示。 图2 1 控转向系统简化模型 h i l 磊 瓦 图2 2 方向盘模块受力示意图 根据方向盘力矩平衡可得： 厶瓯+ 巩瓯+ 瓦= 瓦 ( 2 1 ) 其中：l 为转向盘的转动惯量，日n 为方向盘操纵阻尼系数，瓦为方向盘回正力矩 电动机的反馈扭矩，瓦为方向盘输入力矩。 转向电动机的力矩平衡为： j 。屯+ g 氏+ k m 屯= l ( 2 2 ) 另一方面由于机械对电器的作用，电动机会产生一个反电动势，该电动势与电 动机的角速度成j 下比，即： u e2 屯。氏 ( 2 3 ) 换算成电流的关系就是： 1 4 厂、 长安大学硕上学位论文 其产生的反方向扭矩为： ；一屯 b5 彳 瓦= k ， ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中：瓯为电动机电枢转角，l 为电动机转动惯量，c 卅为电动机旋转阻尼系数， k 。为电动机扭转刚度，乙为电动机输出扭矩，k l , 为感应电势系数，r d 为电枢电阻，尼p 为比例系数。 方向盘回正力矩电动机的反馈扭矩和电流之间的关系为： 瓦= k 。屯 ( 2 6 ) 2 齿轮齿条机构动力学模型 该机构受力如图2 3 所示，假设在转向器小齿轮带动下齿条产生向左的平移运动， 则其平移运动微分方程为： 耻_ 6 r 以一惫一卺专 f 伍川 ( 2 7 ) 其中：r b 为转向器逆向传动效率，孙为转向器正向传递效率，耳为转向控制阀中 扭力杆传递的力矩。 电机转子产生的电磁力矩为t e ，转子的转动惯量为厶，转子的输出力矩为t d ，其 运动方程为： 疋一l = jo 。 ，。卜刳 亿8 ， 转向过程中，转向主销传递的力矩为： f 瓦，= k 即。u 。一。) 1 瓦：= k 即：+ u z 一z ) ( 2 9 ) 而齿条的平移运动经转向横拉杆的传递转换成转向节臂绕其主销的旋转运动，齿条 平移x ，与转向节臂转角位移气研之间的运动关系可用转向杆系组件的传动比“ ( 滓1 ，2 ) 来描述，即 1 5 第_ 二章线控转向系统实验台的方案设计 f 左侧：x ，= 札。氏c ，。 【右侧：x r = n l ：氏u ： ( 2 1 0 ) 图2 3 齿轮齿条组件受力示意图 3 左、右侧转向前轮组件动力学模型 左侧转向前轮组件受力如图2 4 所示，其中为回正力矩，则可以建立左转向前轮 的平衡方程为： 图2 4 转同轮受力不葸图 i8 6 8 + h m 6 f l k 试婶m l 一60 一t 砒2t w l q 11 ) 右转向前轮的平衡方程为： 如露+ 日w z 如一k “z ( 屯r 一誓) 一瓦，= o ( 2 1 2 ) 其中：厶、0 为左、右转向前轮的转动惯量，岛、颤为左、右转向前轮的转角， 日。、。z 为左、右转向主销的阻尼系数，k - 、k 麒z 为左、右转向主销的转动刚度， 、为左、右转向轮转向节臂绕转向主销的角位移。 至此，我们完成了对线控转向系统动力学模型的建立。 1 6 长安大学硕士学位论文 2 2 实验台工作原理与基本功能 2 2 1 实验台的工作原理 线控转向系统实验台的基本结构框图如图2 5 所示，它由方向盘系统模块，前轮转 向系统模块，主控制系统模块、执行机构与测量系统模块组成。它的工作原理是： 线控转向控制器根据测量得到的方向盘转矩传感器信号、车速信号、方向盘转角信 号，向回正力矩电动机输出电流控制信号，产生路感信息；由前轮转角的p i d 策略控制 转向电动机的力矩输出，平衡转向阻力矩，使前轮转向，得到前轮转角，最后又将前轮 转角信号重新返回到主控制计算机内的车辆动力学模型中，进行实时修i e t 3 7 1 。 图2 5 实验台的基本结构框图 2 2 2 实验台实现的功能 线控转向系统实验台预计可以实现如下五方面的功能： 1 研究s b w 的路感特性 线控转向系统实验台可以为最佳路感特性的设计提供理想的实验平台。驾驶员的 1 7 第二章线控转向系统实验台的方案设计 “路感是指在一定侧向加速度下，作用于转向轮上的转向阻力矩在方向盘上所产生的 手感，能够向驾驶员提供路面信息。在线控转向系统中，由于方向盘和转向车轮之间的 机械连接已不复存在，驾驶员“路感 通过回正力矩电动机模拟生成。从信号中取出最 能够反映汽车行驶状态和路面状况的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘 向驾驶员只提供有用信息，从而提供更符合驾驶员喜好的“路感”。 2 研究s b w 基本控制策略 控制策略是系统控制的核心部分，利用线控转向系统实验台可以实现硬件在环实验 仿真的优点，可以研究不同控制策略对线控转向系统的控制效果，也可以对线控转向系 统的结构参数和控制参数进行优化设计。通过台架试验确定基本的控制策略、结构参数 和控制参数，可以为将来实车试验打下理论基础。 3 研究s b w 系统振动特性 通过模拟转向阻力电动机向齿条施加脉冲力矩和阶跃力矩，模拟路面的冲击，研究 s b w 对路面冲击的衰减作用( 转向电动机) 以及电动机本身的力矩波动与齿槽力矩( 回 正力矩电动机) 对线控转向系统性能的影响。 4 研究电动机的控制方法 电动机的动态性能与控制方法密切相关。对于s b w 系统，其性能决定s b w 系统 的性能，其控制技术是s b w 的关键技术之一。电动机一方面应能保持快速的响应特性； 另一方面，由于电动机本身存在力矩波动与齿槽力矩，特别是当工作在最大输出力矩附 近时，电动机力矩波动可能会使转向盘或齿轮齿条发生振动，但采用先进的控制技术可 以消弱这种振动。线控转向系统实验台为研究电动机的控制方法提供了一个理想的实验 平台。 5 研究s b w 故障诊断技术 s b w 是采用电动机提供回正力矩和转向力矩的先进转向系统。作为一项新技术， 它没有传统转向系统那么长的历史，没有成功的经验可以借鉴，而且电子器件可靠性和 稳定性