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汽车线控四轮转向系统的研究 摘要 汽车线控四轮转向系统结合线控转向系统和四轮转向系统各自的优点，采用 电信号的传递替代传统转向系统的机械连接。系统以电子处理单元结合车体的运 动状态控制四个转向轮独立主动转向，实现汽车转向系统的智能控制。线控四轮 转向系统可以使汽车的转向特性自由设计，而且可以改善汽车的转向性能。 阐述了汽车线控四轮转向系统的基本结构组成和基本工作原理，在对转向系 统各个组成部分进行具体分析的基础上，应用车辆动力学理论建立了每个组成部 分的数学模型；在汽车的传统线性二自由度操纵模型的基础上建立了四个转向角 输入的汽车二自由度线性操纵模型；对目前常用的控制策略进行了对比分析，依 据所建立的数学模型确定了线控四轮转向系统的控制策略。 l 路感通过反馈转向轮转向阻力模拟生成； 2 转向执行机构采用p i d 控制器控制，使转向轮与输入信号随动； 3 前轮通过预设传动比的方法进行控制； 4 后轮采用前轮转角前馈与横摆角速度反馈相结合的控制策略。 论文依据所确定的控制策略求出了各个控制算法。对整个汽车的控制以控制 其质心侧偏角等于零为目标，按a c k e r m a n n 原理对四个车轮的转角进行统一控 制，实现四个车轮在转向时的纯滚动。 使用s i m u l i n k 建立了各个控制器的仿真模型和线控四轮转向系统各个组成 部分的仿真模型，进而建立了整个系统的仿真模型。对转向盘输入转角特性、转 向执行机构的响应、电磁施力器反馈力矩特性以及整车的转向特性进行了仿真分 析。仿真分析结果表明，本文提出的控制策略基本达到控制目的，线控四轮转向 系统可以改善汽车的转向性能。 关键词：线控四轮转向系统；建模；控制策略；s i m u l i n k ；性能分析 i v a b s t r a c t t h ec a rw l r e f o u r 。w h e e ls t e e r i n g s y s t e mc o m b i n ea d v a n t a g e so fs t e e r - b y - w i r e s y s t e ma n df o u 卜w h e e l s t e e r i n gs y s t e m t h et r a n s m i s s i o no fe l e c t r i c a l s i g n a l r e p i a c e st h ec o n n e c t i o no ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lv e h i c l e e a c hw h e e l o ft h ec a r a c t l v e s1 n d e p e n d e n t l yo nt h ec o n t r o lo ft h ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gu n i tc o m b i n e d w i t ht h em o t i o ns t a t eo ft h ev e h i c l e b o d y i tm a k e st h ev e h i c l es t e e r i n g s y s t e m a c h i e v ei n t e l l i g e n tc o n t r o l n o to n l yw ea r ef r e et od e s i g n s t e e r i n gc h a r a c t e r i s t j c so f t n ec a f b u ta l s ot h ef e a t u r eo ft h ev e h i c l es t e e r i n gp e r f o r m a n c e c a nb ei m p r o v e d b v u s i n gt h ec a rw i r e f o u r w h e e ls t e e r i n gs y s t e m 。 i nt h i sp a p e r t h ec a rw i r e f o u r w h e e l s t e e r i n gs y s t e m7 sb a s i cs t r u c t u r ea n d c o m p o s l t l o na n dh o wt h es y s t e mw o r k sa f ee l a b o r a t e d ，b a s e d0 nv e h i c l ed y n a m i c s t h e o r y ，m a t h e m a i i c a lm o d e l so fe a c h c o m p o n e n ti se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so f d e t a i l e da n a l y s i s t h ef o u rs t e e r i n ga n g l e i n p u tt w od e g r e e so ff r e e d o ml i n e a rm o d e l o tt h ec a ri sd e r i v e db a s e do nt h et r a d i t i o n a ll i n e a rt w o d e g r e eo ff r e e d o mv e h i c l e h a n d l l n gm o d e l t h em o s t c o m m o n l yu s e dc o n t r o ls t r a t e g yw e r e a n a l y z e da n d c o m p a r e d ，b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e ld e r i v e db yt h i ss t u d yt od e t e r m i n et h e r e m o t ec o n t r o lu s e di nw i r e - f o u r w h e e ls t e e r i n gs y s t e mc o n t r o l s t r a t e g y 。 1t h er o a df e e l i n gi s g e n e r a t e dt h r o u g ht h ef e e d b a c ko ft h es t e e r i n gr e s j s t a n c e ： 23 l e e 珊ga c t u a t o ri sc o n t r o l e d b yp i dc o n t r o ls e r v ow i t ht h ei n p u ts i g n a l ： 3t h ef r o n tw h e e lo ft h es y s t e mb ys e t e dt r a n s m i s s i o nr a t i o c o n t r o l ： 4t h eb a c kw h e e lu s et h ef r o n tw h e e la n g l e a n dy a wr a t e f e e d b a c kc o n t r o l s t r a t e g y v a r l o u sc o n t r o la l g o r i t h m sa r eo b t a i n e d b a s e do nt h ec o n t r o l s t r a t e g y t o c o n t r o it h es i d e s l i p a n g l et oz e r o a st h eg o a lo ft h ec o n t r o lo ft h ee n t i r e v e h i c l e a c c o r d l n gt oa c k e r m a n np r i n c i p l e ，t h ec o r n e ro ft h ef o u rw h e e l sa r e c o o r d i n a t e d t h e f o u rw h e e l si nt u r na r ep u r er o l l i n g t h l sa r t i c l eu s e ss i m u l i n kt oe s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e l o fe a c hc o n t r o l l e r a n dt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so fw i r e 。f o u r - w h e e l s t e e r i n gs y s t e ms i m u l a t i o n ，t h e f e b v e s t a b l l s h l n gaw h o l es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l t h ee n t e r a n g l ef e a t u r e so ft h e s t e e 舯gw h e e l , t h ea c t u a t o r r e s p o n s e ，t h ef e e d b a c k t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c so f e i e c t r o m a g n e t l cf o r c eo nt h es t e e r i n ga n dv e h i c l ec h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e d t h e r e s u l t ss h o w st h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yc a na c h i e v et h eb a s i c p u r p o s eo fc o n t r 0 1 w l r e 。f o u r - w h e e ls t e e r i n gs y s t e mc a ni m p r o v et h ec a r s s t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s v 汽车线控四轮转向系统的研究 k e yw o r d s ：w i r e - - f o u r - w h e e ls t e e r i n gs y s t e m ；m o d e l i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y ；s i m u l i n k ； p e r f o r m a n c ea n a l y s i s v l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 百歹斜日期：z 胁年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：增严拜 导师虢雒 日期：刃肜年多月7 日 醐吻旧年夕日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 车辆动力学与汽车转向系统简介 1 1 1 车辆动力学概述 车辆动力学是近代发展起来的一门新兴学科，最早可以追溯到1 0 0 多年前有 关车辆行驶振动分析的理论研究。在二十世纪2 0 3 0 年代，人们对车辆行驶平顺 性和操纵稳定性之间的协调关系开始有所认识，之后便开始了独立悬架和转向系 统的设计。这些直接促进了行驶动力学和操纵动力学的发展。1 9 5 6 年，机械工 程师协会( im e c he ) 在伦敦组织了一个以汽车稳定性控制和轮胎性能的研究为 主题的会议。这次会议标志着一套较为完整的关于操纵和转向的基础理论体系得 以形成“，。在过去的几十年中，车辆动力学在理论和实际应用方面都取得了很多 成就，如通过限制发动机输出转矩来防止车轮滑转的驱动力控制系统( t c s ) 和 通过调节四个车轮的纵向力来形成一个回转力矩进而控制汽车横摆角速度的直 接横摆控制系统( d y c ) 等等。 车辆动力学是研究所有与车辆系统运动有关的学科，它主要研究汽车在各种 力的作用下的动态特性，并讨论这些动态特性及其对汽车使用性能的影响。它涉 及的范围很广，除了影响车辆纵向运动及其子系统的动力学响应外，还有车辆在 垂向和横向两个方面的动力学内容，即行驶动力学和操纵动力学。 纵向动力学研究车辆直线运动及其控制的问题，主要是车辆沿前进方向的受 力与其运动的关系，按车辆工况的不同可分为驱动动力学和制动动力学。行驶动 力学主要研究由路面的不平激励，通过悬架和轮胎垂向力引起的车身跳动和俯仰 以及车轮的运动。操纵动力学研究车辆的操纵特性，与轮胎侧向力有关，以及由 此引起的车辆的侧滑、横摆和侧倾运动。 在操纵动力学研究中，对于汽车操纵特性的研究十分重要。汽车的操纵特性 包括相互关联的两个部分：一是操纵性，即汽车能够准确地执行驾驶员转向指令 的能力；二是稳定性，即汽车受到外界扰动后恢复原来运动状态的能力，两者相 互影响，相互制约心1 。操纵动力学研究的范围可以分为三个区域，即：线性域( 侧 向加速度小于0 4 9 ) 、非线性域( 侧向加速度大于0 4 9 而小于极限侧向加速度 o 8 9 ) 和非线性联合工况( 转弯制动和转弯加速) 。在线性域中，分析车辆操纵 特性可从最基本的二自由度车辆模型入手。虽然基本模型很简单，但是模型的合 理性并不是简单地与其复杂程度成正比，在线性范围内，基本模型的预估精度可 以达到7 0 以上，为车辆操纵性能的分析提供了十分重要的基础。 汽乍线控四轮转向系统的研究 1 1 2 汽车转向系统概述 汽车在行驶时，驾驶员根据道路情况和交通状况转动方向盘，使车轮偏转， 改变汽车的行驶方向。汽车转向系统( s t e e r i n gs y s t e m ) 就是用来改变或保持汽车 行驶方向的机构，它控制汽车的行驶方向使其按照驾驶员的意愿行驶。转向系统 是汽车的关键总成之一，它既控制着汽车转向，同时又把汽车运动状态信息反馈 给驾驶员，是人与车之间的重要连接中介之一b 1 。 汽车转向系统的发展大致经历了机械转向系统、动力转向系统和新式转向系 统几个阶段。动力转向系统又分为液压动力转向系统( h p s ) 、液压式电子控制 动力转向系统( e h p s ) 和电动式电子控制动力转向系统( e p s ) 几个阶段。新 式转向系统又分为主动前轮转向系统( a s f ) 、四轮转向系统( 4 w s ) 和线控转 向系统( s b w ) 几个阶段。 机械转向系统是以转向操纵机构、转向器和转向传动机构为主要组成部分的 转向系统，如图1 1 所示。其工作原理为：在需要转向时，驾驶员对转向盘施加 转向力矩，该力矩通过转向轴输入转向器。转向器中的减速传动副将转向力矩放 大并将转动减速后由转向摇臂传到转向直拉杆，再传给固定于转向节上的转向节 臂，使转向节和它所支承的转向车轮偏转，同时经梯形转向机构带动另一侧的转 向车轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。 转同俑谊轩 图1 1 机械转向系统工作原理 当汽车前轴负荷增加到一定程度时，完全靠驾驶员手力操纵的机械转向系统 已经不能满足转向要求，必须借助辅助动力来操纵转向系统，于是动力转向系统 便诞生了h 1 。液压式动力转向系统由机械转向装置和液压转向加力装置组成，液 压转向加力装置包括转向液压泵、转向动力缸、转向控制阀、转向油罐和油管。 液压式动力转向系统分为：联阀式、齿轮齿条式和循环球式。其基本工作原理为： 驾驶员转动方向盘时，借助转向摇臂的摆动或是转向齿轮的转动或是转向螺杆的 转动，来推动转向控制阀的运动，转向控制阀的运动控制着转向油罐中的压力油 进入转向动力缸，进入转向动力缸的压力油推动活塞运动，从而给转向系统提供 2 硕十学位论文 辅助动力。 液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设 了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等。其特点是液压助力泵 由电机驱动，取代了传统液压泵由发动机驱动的方式。其工作原理是：电子控制 单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调， 从而满足高、低车速时的转向助力要求。 液压式动力转向系统的诞生大大降低了驾驶员的转向操作负荷，但是其固定 的转向传动比、较大的体积和对发动机功率的多余消耗也是其无法克服的缺点。 液压式电子控制动力转向系统大大克服了液压动力转向系统的缺点，但是还是无 法解决系统体积大和液压油泄露的问题。这些问题促进了电动式电子控制动力转 向系统的出现。 电动式电子控制动力转向系统是在机械转向机构的基础上，增加电动式助力 机构和转向助力控制系统而形成的，如图1 2 所示。其工作原理为：操纵转向盘 时，装在转向轴上的传感器不断测出转向轴的转角和转矩信号，该信号与车速信 号同时输入到电子控制单元。电子控制单元根据这些信号，确定助力转矩的大小 和方向，即选定电动机的电流的大小和方向，调整转向辅助动力的大小。 7 图1 2 电动式电子控制动力转向系统原理图 1 一输出轴2 一减速器3 一扭杆4 一转距传感器5 一方向盘6 一转向轴 7 一车速信号8 一电动机9 一控制电流1 0 一开关电流 l l 一离合器1 2 一小齿轮1 3 一齿条1 4 一拉杆 随着汽车理论的发展和工业水平的提高，现代出现了在行驶过程中4 个车轮 可根据转向盘转角或行驶速度等信号同时偏转的四轮转向系统( 4 w s ) 和可以根 据汽车行驶状态信号对转向传动比进行控制的前轮主动转向系统( a s f ) 以及取 消掉转向盘与转向轮之间机械连接的线控转向系统( s b w ) 。 1 2 线控转向系统和四轮转向系统的国内外研究及应用现状 1 2 1 概述 3 汽车线控四轮转向系统的研究 线控技术就是用电子信号的传送取代过去由机械、液压或气动连接的部分。 线控转向系统取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，用传感器测量方向盘上的 转矩和转角，把得到的信号输入到电子控制单元，电子控制单元依据车体状态传 感器和转向传动机构上的位移传感器的信号来控制电磁施力器和转向电机来生 成反馈转矩和控制转向轮转向。线控转向系统不仅是取代连接，而且包括操纵机 构和操纵方式的变化，以及执行机构的电气化，这将改变汽车的传统结构晦1 。线 控转向系统完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以使汽车的转向特性自 由设计，而且可以改善汽车的转向性能。 在前轮设置转向装置的基础上，后轮也设置有转向装置，利用车辆行驶中的 某些信息来控制后轮的转角输入，以提高车辆的操纵性和稳定性，此种转向系统 称为四轮转向系统3 。设置4 w s 的汽车根据前轮转向角和车速等条件决定后轮 转向角，其工作方式有机械式、液压式和电动式。机械式四轮转向系统是根据转 向盘的转角进行控制，利用后轮齿轮转向机构中的偏心轴、行星齿轮等部件来实 现后轮的同向或逆向转向。液压式四轮转向系统利用转向盘转动，带动液压系统 中滑阀的移动，从而控制系统的油路把液压油送至后轮转向的动力缸实现后轮的 转向。电动式四轮转向系统是利用计算机控制后轮转向电机来实现后轮的转向。 四轮转向系统可以缩短车辆转向动作过程，缩短车辆最小转弯半径，改善车辆的 转向性能，提高车辆转向时的稳定性。 1 2 2 线控转向系统的研究应用现状 国内对线控转向系统的研究起步较晚，目前国内企业还未见有对此方面进行 产品开发的介绍，只有部分高校进行了研究。 同济大学汽车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 的四轮驱动微型概念车一一“春晖三号”。该车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一个实质性的突破1 。 上海大众汽车有限公司的陈善华及吉林大学的魏宏、宗长富等人对线控转向 系统进行了研究并对国外的发展状况进行了综述，为国内学术界认识、熟悉线控 转向系统做了良好的铺垫h 8 】。 吉林大学的宗长富、麦莉、郭学立通过对方向盘回正力矩的理论建模，模拟 生成了为驾驶员提供“路感 的方向盘回正力矩模型，并利用所提出的前轮转向 控制算法，结合横摆角速度和侧向加速度的反馈控制来提高汽车的稳定性阳3 。 2 0 世纪5 0 年代，t r w 等转向系统开发商就做了大胆的假设，将方向盘与 转向车轮之间用控制信号的传递代替原有的机械连接。但是由于技术条件的限 制，该技术一直无法在实车上实现n0 1 。近几年t r w 与欧洲的一家主机厂签订开 发合同，其目标是实现生产线控转向系统产品，并保证该系统在没有机械后备装 4 硕十学位论文 置的情况下可以容忍故障的发生。世界其他各大研发机构、汽车厂家也先后对汽 车线控转向系统做了深入的研究。 最近，日本精工试制出了通过两个马达的旋转力直接驱动前轮转向拉杆的方 式来操纵的“双连杆臂式线控转向系统 ，并在第4 0 届东京车展上进行了展出。 该系统将日本精工开发的多传感轮毂单元与两个马达组合使用，为提高汽车主动 安全性做出了贡献。 运动控制解决方案提供商丹纳赫传动( d a n a h e rm o t i o n ) 公司推出新型转矩 反馈装置( t f d ) 。该装置将输入信号提供给控制器来控制转向执行机构或提供 给其它线控系统应用。此装置也连续地提供变化的转矩输出来模拟路感，使操作 人员更容易适应电动转向或线控转向车辆。 目前许多汽车公司都开发了自己的线控转向系统。宝马汽车公司的概念车 b m w z 2 2 ，应用了s b w 和b b w ( b r a k e b y w i r e ) 技术，转向盘的转动范围减 少到了1 6 0 。，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低蹲1 。 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“r1 2 9 ”。它取消了方向盘、加速 踏板和制动踏板，完全采用操纵杆控制。在欧洲，以d a i m l e r m c h r y s l e r 、f i a t 、 f o r de u r o p e 和v o l v o 等汽车公司、b o s c h 等电子公司和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 m e u r a mx b v 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n 。 目前，多数线控转向系统都采用两转向轮整体调节的方式，这种结构对传统 结构的继承性好、结构简单、控制方便，但是无法获得与希望的特性十分接近的 旋转运动和平移运动。所以说，前后轮的自由主动控制将是转向控制系统的发展 方向。由于蓄电池电压和功率等因素的影响，线控转向系统只能使用2 4 v 或3 6 v 电源，难以提供较大的转向功率，现阶段线控转向系统的研究以及近期的应用对 象主要是针对轿车。要在重型卡车上应用，还必须采用液压执行机构踊3 。有些厂 商还在研发一套名为f l e x r a y 的新一代应用于汽车上的网络通讯系统。该系统用 于整合所有的“线传控制 系统，让汽车发展成纯粹的由电子系统控制的车辆， 完全不需要机械控制系统的支持n 副。 1 2 3 四轮转向系统的研究应用现状 目前，国内外已经对四轮转向系统进行了大量的分析和研究。 北京理工大学的舒进推导了二自由度四轮转向汽车模型的运动方程，得出了 质心侧偏角、横摆角速度与前轮转角的传递函数。在此基础上，对前后轮转角成 比例控制的四轮转向车辆进行了运动学仿真并对结果进行了具体的分析n 引。 吉林大学的胡立生、邵惠鹤和天津大学的王洪礼都考虑了四轮转向汽车的不 确定性，建立起线性不确定四轮转向汽车的动力学模型，并运用鲁棒控制理论进 5 汽车线控四轮转向系统的研究 行非线性控制设计4 1 5 1 。 在国外方面，早在二十世纪八十年代末，美国和日本的学者就对四轮转向汽 车从结构到前、后轮控制方法以及应用前景等方面进行了研究。二十世纪九十年 代国外对四轮转向汽车的研究逐渐多了起来，许多学者纷纷提出各种复杂的模型 和先进的控制策略。 希腊的s p e n t z a sk n 、a l k h a z a l ii 等人引入m a g i cf o r m u l a 轮胎模型建立 了三自由度四轮转向汽车的动力学模型，并比较了该模型与二自由度模型的开环 评价指标n6 1 。y o o u n gh c h o 和j k i m 探讨了四轮转向系统的最优设计，并把 在4 w s 基础上带反馈的速度性能系统作为研究的实例，提出了以最大稳定性为 目标的4 w s 系统的设计方案n7 1 。m a s a on a g a l 等人介绍了一种考虑汽车轮胎 和悬架非线性特性的4 w s 系统的设计方法，经研究表明非线性模型设计能有效 提高汽车的操纵性和稳定性n8 i 。日本的i t ok 等人借助日产公司的条件对四轮转 向车辆的侧向动力学性能进行了仿真和分析。 1 9 8 6 年，日本本田汽车公司就研制出实用的四轮转向汽车。该车方向盘的 转动首先使前轮转向，同时经输出轴带动后轮转向机，使后轮与前轮同向转向或 反向转向。 由美国通用汽车公司与德尔福公司联合开发的q u a d r a s t e e r t m 四轮转 向系统，通过安装在后轴壳体内的电控电机驱动执行器来控制后轮的转向动作， 其控制指令的生成源自传感器与复杂的电子控制单元e c u 。通用汽车公司于2 0 0 1 年1 0 月量产的g m c2 0 0 2s i e r r ad e n a l i 是第一款装备四轮转向 q u a d r a s t e e r t m 系统的轻型卡车。q u a d r a s t e e r t m 系统使其转弯直径从 1 4 4 m 缩短至1 1 4 m 。 1 3 本课题的提出及意义 本课题所研究的线控四轮转向系统结合了线控转向系统和四轮转向系统各 自的优点。采用电信号的传递替代了传统转向系统的机械连接，车载信息处理单 元接受驾驶员通过方向盘传递的转向指令，再结合车体的运动状态，控制四个转 向轮独立主动转向，实现汽车转向系统的智能控制。 本课题所研究的线控四轮转向系统，既可以改善汽车的转向性能又能使转向 系统的特性自由设计。它可以通过控制前、后轮主动、独立地转向来解决传统四 轮转向车辆在后轮主动转向时的虚拟后轴问题，提高其在行驶时的操纵性和稳定 性n 引。它不仅能发挥四轮转向技术的优点，而且兼顾了车辆转向时的运动协调 性圳。对于线控四轮转向系统，驾驶员的转向操作仅仅是通过转向盘向汽车输 入自己的指令，由控制器控制四个车轮做出合理的转向动作，这必将对车辆操纵 稳定性带来很大的提高，降低驾驶员的操纵负担，改善人一车闭环系统性能。 6 硕士学位论文 汽车的转向系统是关系车辆安全的重要系统，其操纵稳定性好坏对汽车性能 影响很大，因此我们对汽车转向系统的研究具有很现实的意义。汽车线控四轮转 向系统取消了方向盘和车轮以及车轮和车轮之间的机械连接，通过软件协调它们 之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约束和干涉，也减少了驾驶员在事 故中受伤的危险b 1 。另外，它采用线控转向和四轮转向相结合的方式可提高车辆 的瞬态响应，改善转向系统对车辆转向的控制能力。汽车线控四轮转向系统的研 究还具有更深远的意义。第一，满足了汽车智能化发展的需要。线控转向系统 的转向控制单元可以接受汽车上其他车体运动状态传感器的信号，当出现紧急或 意外情况时，线控转向系统就能在驾驶员之前开始采取相应的动作以避免意外事 故的发生。第二，提高了汽车的操纵稳定性心1 。在转向控制方面可以实现传动比 的任意设置，并对随车速变化的参数进行补偿，使汽车转向特性不随车速变化而 变化。从而将传统人一车闭环系统中由驾驶员负担的部分工作由控制器完成，减 轻驾驶员的负担，提高了汽车系统对驾驶员转向输入的响应和人一车闭环系统的 主动安全性。同时，线控转向系统可以和a b s 、汽车动力学控制、防碰撞等功能 相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性。第三，改善驾驶员的路 感心1 。由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员路感通过模拟生成。在转 向盘反馈力矩控制方面可以从信号中提出最能反映汽车实际行驶状态和路面状 况的信息，使转向盘仅仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的 路感。 1 4 课题的主要研究内容和关键问题 1 4 1 课题的主要研究内容 本文首先分析转向系统的基本结构、工作原理及性能特点，建立整个系统中 各个组件的动力学和数学模型。然后在车辆二自由度基本操纵模型的基础上，进 行四个转向角输入的车辆动力学模型的理论推导。最后建立整个线控四轮转向系 统的数学模型。 在所建立起来的线控四轮转向系统的数学模型的基础上，分析线控四轮转向 系统的控制策略。控制策略包括三个部分：一是电磁施力器的控制：一般可以采 用两种方法，一种是采用驾驶模拟器中转向盘力矩模拟的方法，即转向系统动力 学建模方法，模拟传统转向系统的路感特性；另一种是建立基于经验的汽车转向 系统回正力矩算法模型，通过驾驶员主观评价方法确定经验模型中的参数。二是 转向电机的控制：通常设计理想的转向系统传动比来控制前轮转向，使汽车横摆 角速度增益不随车速变化，以提高汽车的可操纵性。采用横摆角速度和侧向加速 度反馈控制后轮以提高汽车的稳定性。本文要确定合适的控制策略以同时控制四 7 汽卞线控四轮转向系统的研究 个车轮做出合理的转向动作。三是整体的控制：结合前两部分的控制完成整个系 统的控制。具体采用哪种控制方式以及如何控制还要根据本课题的实际情况，依 据控制效果的优劣进行调整。理论推导之后用软件进行操纵系统的建模、仿真和 性能分析，分析其特点和性能。 此外，本文对传感器技术和电动机等执行元件进行深入的研究和实际的调 查，为数学模型的建立提供必要的数据支持，使系统仿真、分析的结果更有实际 意义。 1 4 2 本课题的关键问题 l 四个转向角输入车辆操纵动力学模型的理论推导和整个线控四轮转向系 统的数学模型的建立。 2 转向盘操纵路感的生成，转向执行机构的控制以及前、后轮自由转向的控 制策略和控制算法。 3 整个控制系统的仿真模型的建立与对其性能的仿真分析。 8 硕十学位论文 第2 章系统的结构组成和工作原理 2 1 线控四轮转向系统的结构组成 图2 1 线控四轮转向系统结构示意图 l 一转向电机2 一转向轮3 一转向主销4 一转向横拉杆5 一车体状态传感器 6 线位移传感器7 一e c u8 一电磁施力器9 一转角转矩传感器 1 0 一减速器1 1 一转向盘 如图2 1 所示，汽车线控四轮转向系统的结构主要由以下几个部分组成n ： 1 转向盘系统，主要包括转向盘、转向盘转角转矩传感器、路感反馈模块等。 其主要功能是将驾驶员的转向意图转换成数字信号，并传递给电子控制单元；同 时接受电子控制单元送来的信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的 路感信息。 2 电子控制单元，主要功能是对采集的信号进行分析和处理，判断汽车的运 动状态，向四个转向电动机和电磁施力器发送指令，控制汽车转向和向驾驶员反 馈车体信息。同时电子控制单元还识别驾驶员的操作指令，判断当前状态下驾驶 员的操作是否合理，进而自动进行稳定控制。 3 转向执行系统，主要包括线位移传感器、转向电动机、转向电动机控制器 等，其功能是接受电子控制单元的命令，控制车轮转向来实现驾驶员的转向意图。 本文研究的线控四轮转向系统可以控制四个车轮独立自由旋转，之间没有机械结 构的连接，这就要求每个车轮都有独立的转向执行机构来控制。此外，四个车轮 之间还必须在汽车转向时相互协调，同时做出正确的转向动作。 9 汽车线控四轮转向系统的研究 4 自动防故障系统，包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和 故障等级做出相应的处理，以求最大限度的保证汽车正常行驶。目前主要采用容 错控制来保障汽车的安全性。容错控制方法主要有硬件冗余和软件冗余两大类方 法。容错控制系统包括测量、故障分析处理、执行等模块。 5 电源系统，在线控四轮转向系统中，电源系统要为转向电机、电磁施力器、 传感器和电子控制单元供电，除此之外，电源系统还要为其他大量的车载电子设 备供电。汽车的转向功率较大，本身已经给电源带来了沉重的负担，为保证电网 在大负荷下稳定工作，只能选用4 2 v 供电系统。同时，在一定功率下，电压值 的提高可以使系统电流减小，从而降低系统的损耗。提高电压值，也可以减少电 器装置的体积，提高集成度。 2 1 1 路感反馈模块 由于方向盘和转向轮之间没有机械连接，路面的不平冲击不会传到方向盘 上，同时驾驶员也缺少对车辆行驶状态和路况的把握，会降低汽车的行驶安全性。 所以反馈恰当的方向盘转向阻力来给驾驶员相应的路感很重要。 路感反馈模块的主要作用是给驾驶员提供路感信息。路感反馈模块包括：控 制器、动力元件。控制器用来接收电子控制单元的指令；动力元件根据电控单元 的指令向转向轴施加一定的转矩。目前，常用的动力元件有电磁施力器和路感模 拟电动机。 电磁施力器由固定在转向轴上的环形永久磁铁及导条等组成，导条固定安装 在车身上，结构如图2 2 所示瞳剀。在汽车转向过程中，转向轮随着路况和车体运 动状态的改变所受到的转向阻力矩也发生改变。电控单元根据转向轮阻力矩的方 向确定施加在电磁施力器上的电流方向，根据转向轮阻力矩的大小来确定对其施 加电流的大小，以此产生转向盘阻力矩来向驾驶员反馈信息。 图2 2 电磁施力器结构 2 1 2 转向执行机构 转向执行机构接收来自电子控制单元的转向指令，根据指令控制转向轮转 1 0 硕+ 学位论文 向。主要硬件有转向控制单元、转向电动机和转向传动机构组成，这是整个系统 的动作部分。执行元件按照执行机构的形式可以分为电气式、液压式和气压式三 种。电气式主要以各种电机或电气一机械转换装置等为动力元件，这类执行 机构虽然定位刚度及力矩比不上液压式执行机构，但是其优点是控制调节方便， 维护简单，工作噪音小，占用体积小。考虑到汽车线控四轮转向系统使用的实际 情况以及汽车总体布置局限，一般选用电气式转向执行机构。 本系统选用直流伺服电机做转向动力元件，采用目标电流法控制电机。由于 齿轮齿条式传动机构具有效率高、结构简单、工作可靠、使用寿命长、不需要调 整齿轮齿条的间距等优点，所以本文设计的转向传动机构采用齿轮齿条式传动机 构。这样，既能保留齿轮齿条传动的优点又能使汽车对传统的结构有一个很好的 继承性，有利于线控四轮转向系统的大范围推广与使用。齿轮齿条传动的逆效率 很高，为避免过大的路面冲击对转向电机产生不必要的影响，本系统在转向电机 与转向传动机构之间设置蜗轮蜗杆变速器。此外蜗轮蜗杆变速器还可以降低转速 增大转矩，加快执行机构的响应。图2 3 为转向执行机构示意图。 u wr a y 图2 3 转向执行机构 2 1 3 对转向系统的要求 汽车转向系统是保证汽车安全行驶的重要装置之一，对其的主要要求有乜引： 1 工作可靠，操纵轻便、灵活； 2 汽车转弯时，转向车轮有正确的运动关系，所有车轮应绕同一个瞬时中心 滚动； 3 汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮应能自动回到直 线行驶位置，并稳定行驶； 4 汽车在正常行驶状态下，转向盘不应出现摆动现象；车轮跳动时，由于运 动不协调而使转向轮产生的摆动最小； 5 转向系统应能减少由地面经转向轮传到转向盘上的冲击，同时又要使驾驶 汽车线控四轮转向系统的研究 员通过转向盘对转向过程中车轮与地面之间的运动情况保持适当的路感； 6 转向轮和转向盘的转动方向应该一致； 7 当汽车发生碰撞时，转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。 由于线控四轮转向系统自身的结构特点，即用电子信号的传送取代过去由机 械、液压或气动的系统连接，完全取消了之间的机械连接，本身就大大减少了汽 车碰撞时转向装置对驾驶员的伤害b 1 。转向轮的转动方向及转向车轮的运动关系 则可以通过制定合理的控制策略和设计合理的控制器来使其满足要求。线控四轮 转向系统通过转向盘系统来模拟路感，使驾驶员既能感知车体和路面的状态又能 减轻方向盘的冲击、减缓疲劳，同时也控制汽车的回正性。至于系统操纵轻便、 灵活则可以通过测量转向系统的转向力和转向功来衡量，转向轮的摆振则需要对 其进行具体的分析并采取相应的措施来解决，因为这两点不是本文主要解决的问 题，所以不在文中过多的论述。 2 2 线控四轮转向系统的工作原理 图2 4 线控四轮转向系统工作原理图 图2 4 是线控四轮转向系统的工作原理图。当驾驶员根据需要操纵方向盘转 向时，方向盘转角、转矩传感器将驾驶员的转向操作转换成电信号传递给电子控 制单元。电子控制单元接受方向盘信号，同时接受当前由速度、加速度传感器等 其它传感器测得的车体状态信息，再根据相应的控制策略来控制四个转向电机通 过转向传动机构来控制四个车轮做出合理的转向动作。在齿轮齿条传动机构上装 有线位移传感器，利用齿条的位移量来反映转向车轮转角的大小。当车轮转角达 到预定的值时，电子控制单元则切断转向电机的电源，使转向轮的转角保持不变。 由于转向传动机构中设置了蜗轮蜗杆传动机构，不能逆向传动，因此转向轮保持 预定的转角。当再次转动方向盘时，重复上述控制过程，使转向轮转角随驾驶员 的操纵而变化。同时，电子控制单元根据所接收的信号控制电磁施力器在转向轴 1 2 硕十学位论文 上施加一定方向和大小的力矩来模拟生成相应的路感，以便向驾驶员传递相关的 路况和车体状态信息。 线控四轮转向系统的控制策略包括三个部分：一是电磁施力器的控制：一般 可以采用两种方法，一种是采用驾驶模拟器中转向盘力矩模拟的方法，即转向系 统动力学建模方法，模拟传统转向系统的路感特性；另一种是建立基于经验的汽 车转向系统回正力矩算法模型，通过驾驶员主观评价方法确定经验模型中的参 数。二是转向电机的控制：通常设计理想的转向系统传动比，使汽车横摆角速度 增益不随车速变化，并采用横摆角速度和侧向加速度反馈控制以提高汽车的稳定 性。三是整体的控制：结合前两部分的控制完成整个系统的控制。 2 3 转向电机与传感器 2 3 1 转向电机的选择 转向电机的功用是根据四轮转向系统电控单元的指令输出一定大小和方向 的转矩，来提供转向轮的转向驱动动力。作为动力元件，转向电机是整个系统的 关键部件之一。 由于直流电动机具有低速大转矩、转动惯量小、尺寸小、重量轻、可靠性高、 易于控制等优点，且通用化程度高，选型容易，在电动转向机构中，本系统采用 直流伺服电动机。 在汽车转向过程中，低速转向时的转向轮转向阻力大，高速转向时的转向轮 转向阻力小。同时，线控四轮转向系统还要求各个电机根据前轮转角和汽车行驶 速度等一些参数来控制各个车轮实现同相位或异相位转向。因此，转向电机要求： 一是能根据需要调节输出转矩的大小和转速的高低；二是很方便地实现正反转控 制。在参考与本文相近的设计文献的基础上，本系统采用山东淄博新特电机厂生 产的n m r v 3 0 系列精工蜗轮减速机，它是由n r m v 系列精工蜗轮减速器与直流 伺服电机组合而成。其主要参数为： 表2 1n m r v 3 0 直流伺服电机主要参数 项目参数 额定电压 额定功率 蜗轮减速比 最大空载转速 峰值堵转电压 峰值堵转力矩 峰值堵转电流 1 3 m 删 竹 触 刑 m 一 竹 油 删 | 萋 m ) 2 1 汽车线控四轮转向系统的研究 2 3 2 传感器的选择 传感器是一种以一定的精确度将被测量物理量( 如位移、力、加速度等) 转 换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量( 如电量) 的测量 部件或装置乜4 1 。传感器用来检测转向系统的工况信息，控制单元根据这些信息， 通过内部的控制策略来决定控制行为。因此，传感器对于转向系统是否能得到正 确、稳定的信号至关重要。由于汽车运行工况的多样性，工作环境的不同，系统 的高安全可靠性，因此传感器的选用必须可靠而灵敏。 根据实际要求合理确定传感器静态精度与成本的关系，尽量使传感器满足以 下要求：提高精度，降低成本；高灵敏度，工作可靠，长期工作稳定；抗腐蚀性 好，抗干扰能力强；结构简单，通用性强，维护方便。 线控四轮转向系统需要的传感器有：转向盘转角、转矩传感器、速度传感器、 车身横摆角速度传感器、位移传感器等心5 1 。 1 转向盘转角、转矩传感器 转角、转矩传感器安装在转向轴上，其作用是测出转向盘的转角和转矩。由 于非接触型传感器测量精度高、抗干扰能力强、易于实现角度和角速度的测量， 本系统采用非接触型转角、转矩传感器。 非接触型转角传感器的工作原理为：转向盘转动时带着边缘有齿的信号盘转 动，信号盘上的齿切割磁铁的磁力线，在磁铁的线圈中产生交变电动势。线圈中 的交变信号经过放大、整流、成形后变为脉冲信号，分析这些信号就能测出转向 盘的转角和转速。 非接触型转矩传感器的工作原理为t 方向盘转动时，转向传动轴受力而发生 扭转变形，使得装在转向轴上的相对的两个分别带有四个极靴的磁性环发生相对 转动，此时各个极靴的磁通产生差别，使极靴上由线圈接成的桥式回路失去平衡， 形成电位差u ，该电压与转矩成比例，因而可以根据u 求得转矩的大小。 2 速度传感器 目前，汽车的直线运动速度经常通过旋转速度间接测量。车速传感器通过检 测变速器输出轴转速，将输出轴转速变成电压信号从而得出汽车的直线速度。速 度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。本系统采用非接触磁电式传感 器，它是由铁芯、磁钢、感应线圈组成的可变磁阻探头与带齿的轮盘来组成的。 其工作原理为t 当测速轴转动时，带动齿盘转动，因磁路中磁阻的变