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南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 摘要 线控转向( s t e e r i n p - b y w i r c ，简称s b w ) 系统是继电动助力转向系统后出现的一种新 型动力转向系统，它在结构上摆脱了机械连接的限制，它不仅提高了汽车的操纵稳定性、 安全性和节能环保性，而且更便于和其他系统进行集成和统一协调控制。s b w 是一项紧 扣现代汽车发展主题的高新技术，是汽车转向系统发展的必然趋势。 本课题充分利用了汽车工程、自动控制理论、机电一体化和嵌入式系统等多学科知识， 从总体方案与软、硬件控制方法两方面对线控转向系统进行了深入细致的研究。 论文首先对系统需求进行分析，制定了s b w 系统的总体方案，包括对总体结构的设 计、各元器件的选取和安装：接着对系统的硬件电路进行了设计，硬件系统是以单片机为 核心的集成控制电路，主要包括：电源电路、信号处理电路、机械执行部件驱动信号的输 出电路和容错控制电路等；对软件系统进行了研究，软件系统的编制遵循模块化设计思想， 采用c 5 1 计算机语言开发，主要功能模块包括：数据处理、数字滤波、电动机模糊p i d 闭环控制、目标电流计算等；为了验证本文所设计的s b w 总体方案和控制策略的可行性， 本课题最终研究设计了s b w 综合性能试验平台，对其部分性能进行了验证，进行了系统的 性能测试。 关键词：汽车，s b w ，总体方案，控制方法，试验 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 a b s t r a c t s t e a r i n 呻y - j w i m ( s b w ) i san e wt y p es t e e r i n gs y s t e ma f t e re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ( e p s ) ，i tg e t sr i do ft h em a c h i n ec o n n e c ti ns t r u c t u r ea n dt h ee o n n a t u r e a la b u s eo f t r a d i t i o ns t e e r i n gs y s e t e md o w n r i g h t ，i tn o to n l yc a l li m p r o v et h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo f v e h i c l e ，s a v ee n e r g ya n db e n e f i te n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n b u ta l s oc a l lb ee a s yc o n t r o la n d i n t e g r a t i o n 、 ，i t l lo t h e rs y s e t e m s b wi sn e wt e c h n o l o g yw h i c hc a nc l o s l yb u c k l e dw i t ht h e d e v e l o p m e n tt o p i co fm o d e mt i m e sv e h i c l e ，i tc a n n o tb u tb et h ev e n do ft h es t e e r i n gs y s e t e m d e v e l o p m e n t t h i st a s km a k e st h eb e s tu s eo fa u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g , e l e c t r o m e e h a n i ce n g i n e e r i n ga n d e m b e d d e ds y s t e m i tm a k e sai n d e p t hs t u d yf o r mf r o mt h eg e n e r a lp l a n n i n ga n dt h ec o n t r o l m e t h o d so f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e f i r s to fa l l ，t h et a s km a k e sas y s e t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n dac o l l e c t i v i t ys c h e m eo f s b w ：s e n c o n d ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ew e r ed e v e l o p e d t h eh a r d w a r ew a sa ni n t e g r a t i o n c o n t r o lc k c u i lt h er u c t i o no fw h i c hi n c l u d i n g ：s i g n a l sc o l l e c t i o n , l o wb a n df i l t e r , p w ms i n g a l o u t p u t ，h - b r i d g ec i r c u i lc l u t c hc o n l r o la n de t c a n dt h e n , f o l l o w i n gt h em o d u l a r i z a t i o ni d e a , t h es o t t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t hc 5 1c o m p u t e rl a n g u a g e t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e st h e d a t ap r o c e s s i n g ，d i g i t a lf i l t e r , p i da l g o r i t h mr o u t i n e ，t a r g e tc u r r e n tc o m p u t a t i o na n de t e f o r i m p r o v i n gt h ee p sp e r f o r m a n e e ，t h en o n - l i n e a rc o n t r o lc u r v ew a sr e a l i z e di nt h es o f t w a r e s y s t e m t h i r d ，f o rt e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h i ss y s t e m ，t h et e s tb e n c hw a sd e s i g n e da n dt h e s y n t h e s i st e s t i n g f l a t f o r mw a si n t e g r a t e d f i n a l l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yt oi n t r o d u c et h ep r o b l e mo f e p s se n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：a t o m o b i l e ，s l e e n n g 毋y _ w j m ，t h em e t h o do fc o n t r o l ，e x p e r i m e n t n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生繇衅一年f 月水 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生懿肄砂 年月狮 ? 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 1 绪论 1 1 现代控制技术和单片机嵌入式系统 1 1 1 关于现代控制技术 现代控制技术在工业、农业、交通运输、航空航天等领域均扮演着重要的角色，它大 大减轻了劳动强度，提高了生产效率，改进了产品质量，改善了工作环境，减少能量损耗 和增加了资源利用率，尤其在2 0 世纪后期。现代控制技术与单片机的结合，使嵌入式系 统成为一种崭新的自动控制形式，扩大了现代控制技术的应用领域0 1 1 2 1 1 3 1 。 现代自动控制系统的典型结构框架如图1 1 1 所示，它包括：输入、比较、控制器、 对象或过程、输出、测量与反馈6 个组成部分。 输y 图i i i 自动控制系统的结构框架图 图中的各部分介绍如下： ( 1 ) 对象：也称被控对象，它是一个设备或是多种部件组成一个的整体，其作用是执行某 种特定的动作或完成某项任务。任何被控的设备、物体均称为对象。 ( 2 ) 过程：在现代控制技术中，任何被控的动力系统的运行状态称为过程。 ( 3 ) 控制器：接收控制指令或信号。并对对象执行控制的部件称为控制器。控制器是现代 控制技术的核心，各种控制理论和技术均是通过控制器实施的。 ( 4 ) 检测：为监视系统的输出结果是否符合控制要求，需要对输出系统状态进彳亍测量，这 一测量过程称为检测。输出状态的器件称为传感器。 ( 5 ) 反馈：在自动控制系统中，对系统的输出信号进行采样，并把结果送回系统的输入端， 这一过程称为反馈。若把输入信号和输出信号进行相加，这一过程成为正反馈；如把 输入信号和输出信号进行相减，这一过程成为负反馈。 1 1 2 关于单片机嵌入式系统 单片机嵌入式系统是指完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的单片机 堕塞堡三奎兰壁主兰丝笙苎塑墼茎塑墨竺璺竺查壅垦丝型互婆! 塞 系统。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口等( 4 】口1 。 单片机嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 单片机嵌入式系统与通用型计算机系统最大的区别为：嵌入式c p u 大多工作在为特 定用户群设计的系统中，通常具有低功耗、体积小、集成度高等特点，可将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部完成，从而有利于单片机嵌入式系统设计趋 于小型化1 6 1 。 ( 2 ) 单片机嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 单片机嵌入式系统的硬件与软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，在极小 的面积上实现极强的功能( 玎。 ( 4 ) 单片机嵌入式系统与具体应用有机地结合，其升级换代也是与具体产品同步进行，因 此单片机嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期f 8 】【9 】。 ( 5 ) 单片机嵌入式系统中的软件一般均固化于存储器芯片或单片机本身，具有较高的执行 速度和系统可靠性。 1 2 汽车转向系统概述 转向系统是汽车的关键总成之一，作用是在各种工况( 包括直线行驶、正常转向、快 速转向、原地转向等) 下，提供出最佳的路感，并把驾驶员的横向控制意图传递给车辆， 是入与车之同的重要连接中介之一箕性能壹接影响着汽车的攮缀稳定性、安全性和节镌 环保性能，所以自汽车诞生以来，人们对汽车转向系统的研究一直没有间断过。 1 2 1 汽车转向系统的发展历程 汽车转向系统的发展一共经历了简单的机械转向系统、禳压助力转舄系统( 籁称 l i p s ) 、电液助力转向系统( 简称e h p s ) 以及电动助力转向系统( 简称e p s ) 几个阶段 其中液压助力转向系统经历了相当长的一段时期。发展相对比较成熟，但由于其存在着固 有的缺点，势必将被新的转向系统所取代。例如，线控转向系统( s t e e r i n y w i r e ， 简称s b w ) 作为一种新的转向技术。已成为国内外研究的热点， 2 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 1 2 2 传统转向系统概述 汽车诞生后，德国人林肯斯藩杰提出了转向节和平行四边形机构，该机构采用转向节， 同时允许车辆前轮独立偏转，从而发明了转向梯形机构。但由于车速提高后，直接转动车 轮很费力，因此设置了一个减速机构( 即转向器) 对转向节进行控制。转向节最早期采用 的是涡轮蜗杆式，后来陆续出现了螺杆螺母式、齿轮齿条式、循环球式等，这便是所谓的 简单机械转向系统【l o j 川。 1 2 3 助力转向系统概述 汽车虽然有了正式的转向系统，但是车辆的转向操作仍然不是一件简单的事情，特别 是随着汽车的重量越来越大，转向越来越费力的时候，简单机械转向系统已经不能满足当 时转向发展的需求，这就需要寻求新的转向技术把驾驶员从繁重、复杂的操纵劳动中解放 出来，于是液压助力转向系统便诞生了【1 2 1 。 液压助力转向系统就是在简单机械转向系统的基础上增加了一套液压部件( 如图 1 2 1 示) 。其工作过程是：驾驶员转动方向盘时，转向摇臂的摆动在推动直拉杆前后移动 的同时，也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辅助力。 图1 2 1 液压助力转向系统示意图 1 转向盘2 - 转向轴3 一梯形臂4 转向节5 - ：j 空制阀6 - 主拉杆7 一摇臂 8 机械转向器9 一油罐l o - 油泵i l 横拉杆1 2 - 动力缸 h p s 的诞生大大降低了驾驶员的转向操作负荷，从2 0 世纪4 0 年代至今，其运行稳 定可靠，发展已相当成熟，但也存在其自身无法克服的缺剧3 】i l 铂： 妻塞里三查竺堡主兰垡丝奎 堡堡堡垒墨竺璺竺查壅墨丝型互垄翌塞 ( 1 ) 由于该系统方向盘和转向车轮之间是机械连接的，因此转向传动比是固定的，即传递 特性无法改变，这就导致了汽车的转向特性无法控制，传动比无法随车速和车辆的侧 向加速度等参数的变化来进行补偿： ( 2 ) 液压系统部件的体积相对比较大，给本已经紧凑的发动机舱带来空间上的压力； ( 3 ) 为了保证转向油罐内的油压，在无需转向时，仍需要发动机提供一部分动力来驱动油 泵，另外液压系统本身所固有的液压油泄漏问题将会造成环境污染。 鉴于以上问题的存在，于是出现了电液助力转向系统。电液助力转向系统是在原有的 液压助力转向系统的基础上发展起来的，可分为两类：电动液压助力转向系统( e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) 和电控液压助力转向系统( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e c h p s ) 。 电液助力转向系统虽然在一定程度上克服了液压助力转向系统的缺点，降低了油耗， 改善了助力特性，但仍然没有摆脱液压油泄漏所造成的环境污染问题，这便推动了电动助 力转向系统的出现。 电动助力转向系统( 简称e p s ) 在1 9 8 5 年首次被日本丰田克雷西达采用，它完全抛 弃了液压助力转向系统的助力执行机构，是在传统机械转向系统的基础上增加了助力电 机、传感器和电子控制单元等装置【l 5 】。 根据电动机布置位置不同，电动助力转向系统可分为三种( 如图1 2 2 示) ：( 1 ) 转向 柱助力式电动转向系统( c - e p s ) 电动机安装在转向柱的一侧，通过减速机构与转向 轴相连，直接驱动转向轴助力转向：( 2 ) 齿轮助力式电动转向系统( p - e p s ) 电动机 和减速机构安装在转向器上直接驱动转向小齿轮；( 3 ) 齿条助力式电动转向系统( r - e p s ) 电动机安装在齿条上直接驱动齿条【l 6 】。 c a ) c e p s( b ) p - e p s ( c ) r e p s 图1 2 2 三种结构的e p s e p s 在近年来一直处于汽车转向系统研究的核心地位，其优点主要表现在：( i ) 具有 4 堕室墨三查兰堡主兰堡丝壅丝丝蔓堕墨竺璺堡查塞星丝型查望堡塞 可编程的助力特性，即可实现在停车或低速转向时，助力系统可提供较大的助力，而随着 车速的增加助力大小会逐渐减小，从而改善了“轻”与“灵”的矛盾i 3 j ；( 2 ) 提高了燃油经济 性，车辆9 0 以上的行驶过程不需要助力，电动助力转向( 包括电动液压助力转向) 系统 只需要在需要助力时提供助力，不需要时不消耗发动机功率，因而比较节能；( 3 ) 结构紧 凑，占用空间小，便于安装。( 4 ) 取消了转向系统中的液压部件，当然就避免了液压油 渣漏造成环境污染的问题。 虽然e p s 存在众多优点，但其仍然属于机械连接的范畴，无法摆脱机械连接的限制。 1 3 线控转向系统( s b w ) 的国内外研究及应用现状 1 , 3 1 线控转向系统概述 线控( x - b y - w i r e ) 是从应用于飞机上的f l y b y w i r e 发展而来的，应用于汽车技术 后，由于其众多优点，已得到高度的认- i t l 6 1 。其中x b y - w i r e 中的x 代表着汽车中传统 上由机械或液压控制的各个部件，如：转向器、悬架、制动器等，于是便诞生了线控转向 ( s t e e r i n g b y w i r e ，简称s b w ) 、线控制动( b r a k e - b y - w i r e ) 等。 s b w 又可称为电子转向系统，如图1 3 1 所示，它取消了转向盘和转向轮之间的机 械连接，完全摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性， 而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来更大的空间，是汽车转 向系统的重大革新旧。 图1 3 1 线控转向系统示意图 该技术利用传感器感知驾驶员的驾驶意图和路感，并将其通过导线输送给e c u ， e c u 再发送指令给相应的执行机构完成驾驶员的相关操作。采用x - b y w i r e 可以降低了 部件的复杂性、减轻质量、降低油耗和制造成本，避免了液压油的环境污染问题，同时也 相应提高了车辆的操纵稳定性和安全性。 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 1 3 2s b w 的国外研究及应用现状 2 0 世纪6 0 年代末，德国k a s s e l m a n n i 式图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接( 即线 控转向系统) ，但由于当时电子和控制技术的制约，电子转向系统一直无法在实车上实现。 奔驰公司于1 9 9 0 年开始了前轮线控转向系统的深入研发，并将它开发的线控转向系统 应用于概念车f 4 0 0 c a r v i n g 上。世界其它各大汽车厂家、研发机构也不甘落后，包括 d a i n t i e r - c h r y s l e r 、宝马、z f 、d e l p h i 、t w r 等以及日本的光洋( k o y o ) 精工技术研究 历、日本国立大学、本田汽车公司等也先后对汽车电子转向系统傲了深入职究。目前许多 汽车公司开发了自己的电子转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该 系统【1 9 1 2 0 l 。 在欧洲，以d a i l m e r - - c h r y s l e r 、f i a tf 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 d t e - - e u r a m x b y w 五o 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瑚剀。 美国的德尔福公司也开发出了前轮和四轮电子转向系统，并应用于加州自动高速公路 系统。1 9 9 7 年德尔福公司与意大利菲亚特公司签订了应用于小型车的线控转向系统研制 合同。到2 0 0 0 年上半年德尔福公司已经与欧美等地的汽车生产厂家签订了关于开发线控 转向系统的合同。 图i 3 2 采用线控技术的d a i m l c r - c h e r s l c rr 1 2 9 在2 0 0 1 年的第7 l 届日内瓦国际汽车展览会上，意大利的b e g o n e 汽车设计开发公司的概 念车。f i l o ”、雪铁龙越野概念车。c - c r o s s e r ”，d a i m l e r - c h e r s l e r 概念车r 1 2 9 7 ( 见 图1 ，3 2 ) 都采用了线控转向系统。其中由d a i r n l * c h e r s l e r 开发的用操纵杆操作的电子转向 系统技列为2 0 0 0 年汽车十大新技术之- - 1 - 2 6 1 。 宝马汽车公司的概念车“b w m - z , 2 2 ”上应用了“s t e e d n g b y - w i r e ”和“b r a k e - b y - w i r e ”技术，使转向盘的转动范围减少到了1 6 0 度，从而能够使车辆做紧急转向时驾驶员的 负担降低1 2 1 】【2 5 1 。 6 堕重型三查兰堡主兰竺丝苎 垡墼茎堕墨竺璺笪查窭墨丝型查堡里圣 z f 公司在1 9 9 8 年开发出电动助力转向系统之后也积极进行了电子转向系统的研究， 并开发出了实用性的电子转向系统( 见图1 3 3 ) 2 2 1 2 8 1 。 可以预测，线控转向技术将是未来车辆的主要控制方式，将逐步取代现有的转向形 式，具有广阔的发展前景。 图1 3 3z f 公司的电子转向系统 1 3 3s b w 的国内研究及应用现状 目前国内部分科研机构也开始重视s b w 的研究，纷纷投入的人力、物力对其进行研发。 在第六届上海国际工业博览会上，同济大学汽车学院万刚教授及其课题组在国家8 6 3 计划 电动汽车重大专项课题的支持下，研制出国内首辆装备电子转向系统的概念车一“春辉一 号”。春辉一号”属于电子转向四轮微型概念车，该车是国内电动车设计中首辆使用电 子转向技术，是国内电子转向领域研究的一个突破【2 刀。 中科院合肥智能机械研究所在国家8 6 3 计划的资助下正在开发智能转向控制器，准备 用在叉车上。 吉林大学宗长富、魏宏等人对电子转向系统进行了相关研究，他们对国外汽车电子转 向系统的研究现状进行了综述，着重介绍了电子转向系统的基本结构、工作原理及性能特 点，同时也阐述了电子转向系统中的关键技术、主要问题和解决方法，为国内继续开展该 方面的研究做出了贡献。 江苏大学部分学者也对汽车线控转向中方向盘的回馈力矩进行了研究，通过对转向盘 转角和转向盘力矩的关系建模，并通过试验验证了理论模型的正确性。 武汉理工大学刘永对电子转向系统的基本结构、工作原理和性能特点进行了研究，着 重介绍了电子转向系统控制策略中的模糊p i d 控制算法。 1 ，4 本课题的提出 通过对s b w 转向系统的学习和了解可以知道其具有以下优点： 堕塞里三查堂堡圭兰竺丝苎 垡丝茎旦墨竺璺堡查塞墨鳖型互鳖竺壅 ( 1 ) 改善汽车的，s b w 转向系统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，同时s b w 转向系统可以与其它主动安全设 备相结合，实现对汽车的整体控制。 ( 2 ) 改善驾驶员的路感，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，可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘 回正力矩的控制变量，使转向盘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。 ( 3 ) 环保节能性，转向系统在需要转向时电机才有功率输出，省去了传递效率极低的皮带 传动，减少了燃油消耗，同时中取消了液压助力，从而避免了液压油泄漏、液压油管 和油封等废弃物对环境造成的污染。 ( 4 ) 安全性，s b w 转向系统在提高操纵稳定性和改善路感的同时，它取消转向盘和转向 执行部件见的机械连接，减少了危险发生时对驾驶员的伤害。 ( 5 ) 节约布置空间，s b w 转向系统取消了转向柱、皮带轮皮带等部件，给发动机舱节省 了空间，给总布置带来了很大的方便。 针对s b w 的诸多优点，结合所学的本学科基础知识以及专业知识，有必要在前人 基础上，继续开展s b w 的技术研究，以期在不远的将来能更好更快完善s b w 系统，并 且也为本课题组在该方面的继续研究提供技术储备。 1 5 课题的主要研究内容和关键技术 1 5 1 课题的主要研究内容 本课题主要从以下几个方面展开了工作： ( 1 ) 总体方案设计：从s b w 系统的原理出发，确定其结构组成、动力特性及控制方法等， 定义了控制电路和软件系统的开发平台，并最终确定s b w 的性能检测方法。 ( 2 ) 信号采集与控制电路设计：各传感器采集的信号包括数字信号和模拟信号，在接入控 制芯片之前需进行处理，包括滤波、隔离及a d 转换等，即信号采集电路；控制电 路主要包括逻辑控制电路、m o s f e t 驱动电路和h 桥电动机驱动电路。 ( 3 ) 电机控制方法研究：本系统对电机的控制是根据p w m 调压调速的原理，然后通过模 糊p i d 控制来实现的。 ( 4 ) 容错控制研究：容错控制是指主控制电路和副控制电路间的连接电路，当主控制电路 出现故障时，实现主副控制电路的切换。 8 堕塞墨三盔兰堡主兰竺丝塞些篓堕旦墨竺璺堡互塞墨丝塑互蕉婴塞 ( 5 ) 软件系统的编制：软件系统遵循了模块化思想，按照“自顶向下”的设计原则，分别 实现控制电路中的各个具体功能，最后通过优化达到实用和精简的特点。 ( 6 ) 各元器件的选取及试验台的搭建：各元器件的选取主要是对几个机械执行部件和六个 传感器的选型，然后安装组成s b w 系统的综合试验平台。 ( 7 ) 性能试验：本文最后对前章提出的动力特性、传动比等性能进行了简单的试验验证。 1 5 2 课题的关键技术 ( 1 ) 系统的稳定可靠及安全性问题 对于传统的机械系统，可以通过精巧设计来实现系统的安全性和可靠性，但在s b w 中 由于没有机械连接，完全依靠电子元件以及导线来工作，而目前电子部件还没有达到机械 部件那样的可靠程度，如何保证电子部件出现故障后，系统仍能实现其最基本的转向功能， 即如何保证s b w 系统可靠、安全地工作十分重要。 ( 2 ) 线控转向系统的动力电源问题 动力电源承担着s b w 系统中电子控制单元和2 个电动机的供电( 1 个路感电机和转向 机1 。路感电机功率大约为5 0 8 0 w ，转向电机功率大约为5 0 0 8 0 0 w 2 9 ，电源负荷相当 重，因此要保证整个系统的稳定工作，动力电源的性能至关重要。 ( 3 ) 容错控制技术 容错控制设计方法有硬件容错和软件容错，硬件容错主要是通过对重要部件及易发生 故障部件提供备份，以提高系统的容错性能；软件容镨主要是通过控制器设计的软件来提 高整个系统的容错性能。 ( 4 ) “路感”反馈问题 由于方向盘和转向车轮间没有机械连接，路面的不平冲击就不会传到方向盘，驾驶员 也就无法直接获得“路感”，这样一来转向操纵性便失去了意义，所以如何才能通过路感 电机反馈真实的路感也将是本课题研究的关键技术之一。 ( 5 ) 传感器的精度和成本问题 传感器是s b w 系统中最重要的器件之一。在s b w 中需要多个传感器参与工作，每个传 感器的信号都是s b w 系统控制模块不可或缺的依据，即传感器的精度直接决定t s b w 系统 的性能，因此如何选择性价比较高的传感器也显得十分重要。 9 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 2 线控转向系统的结构原理及控制策略 2 。1s b w 结构组成及原理 s b w 主要由方向盘总成、转向执行总成、主控制单元( e c u ) 和容错控制单元( r e c u ) 四个主要部分以及电源等辅助单元组成，如图2 1 1 所示： 图2 1 1s b w 结构组成 方向盘总成包括：方向盘、扭矩传感器、路感电机和离合器。方向盘总成的主要功能 是将驾驶员的转向意图转换成数字信号传递给主控制单元( e c u ) ；同时路感电机接受 e c u 传来的路感信号，产生方向盘路感力矩或回正力矩。 主控制单元的作用是对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，对路感电机 和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，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。 转向执行总成包括：线位移传感器、拉压力传感器、转向电机和前轮转向组件等。转 向执行总成的作用是接受主控制单元的指令，通过转向电机来实现车轮转向和回正。 容错控制单元( r e c u ) 是线控转向系统中的重要模块，它包括一系列的监控和实施 处理算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车正 常行驶。 电源系统承担着控制单元、两个执行电机以及其它车用电器的供电任务，其中仅转向 电机的最大功率就有5 0 0 - - - - - 9 0 0 w ，加上汽车上的其它电子设备，电源的负担相当沉重。为 1 0 塑室墨三查堂堡主兰垡堡苎 垡丝茎蜜墨竺璺笪互墨墨篓型查堡里圣 保证电机在大负荷下稳定工作，s b w 系统需采用4 2 v 供电系统【2 9 1 。 s b w 控制流程如图2 1 2 所示：在转向拉杆上装有拉压力传感器和线位移传感器，通过 这两个传感器实时地反映出路面状况，即可得出路感信息，再将这些信息转换为电信号传 给e c u ，e c u 依据车速传感器传来的电信号以及路感电机上反馈来的电流信号来控制路感 电机的转动方向和输出扭矩大小，从而完成对路感电机的实时控制。 图2 i 2s b w 控制流程 扭矩传感器是装在转向轴上的，当转向盘转动时，传感器开始工作，将在转向轴上产 生的扭矩信号和转向信号转换为电信号传给e c u ：同时，e c u 再依据车速传感器传来的电 信号、拉杆上两传感器的路感信号以及转向电机上反馈来的电流信号来决定转向电机的转 向方向和扭矩大小，从而完成对转向执行电机的实时控制。 在对转向电机和路感电机控制的同时，容错控制单元r e c u 又对e c u 进行实时监控， 以在e c u 发生故障时对系统进行弥补控制。 2 2s b w 等效路感研究 2 f 2 f l 路感的含义 汽车转向过程中，转向阻力含有前轮转向力信息，使汽车的运动状态( 包括车轮与路 面的附着状态) 与驾驶员手力有对应关系，这就是所谓的“路感” 3 0 l 3 “。 由于方向盘和转向车轮间没有机械连接，路面的不平冲击不会传到方向盘，但同时驾 驶员缺少对车辆行驶状态和路况的把握，所以模拟恰当的方向盘路感很重要。另外，汽车 转向过程中转向轻便性与路感灵敏性是相互矛盾的。转向轻便性是对汽车低速行驶( 如原 地转向，泊位) 时提出的要求，它要求转向系统提供较大的助力，但当助力增加后，路感 就变差了。 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 路感的强弱通常用路感强度来表示，路感强度e 是指转向负载增加单位值时对应的操 纵手力的相对变化量f 刈【3 2 1 ： e = k 1 ，乙= k 码矾 ( 2 1 ) 式中： k 为摩擦阻力对路感的影响因素；v 乃为驾驶员操纵力矩的变化；v 瓦为转向 负载的变化。 2 2 2s b w 等效路感分析 方向盘扭矩和侧向加速度的关系直接反映了转向的“路感”问题，根据参考文献 3 7 ， 线控转向系统的“路感”可通过经验模拟方法来获取，如图2 2 1 示： 3 蠢2 宣i 蚤。 曩一i 一2 3 - j 。i j jj j 。j 。j j 谚痧虿螽：j 妒曹y ：j 譬夕5 。j j j 。 。 ，。 。一 。? 。i 、 一” 倒向枥塞度r s - 2 图2 2 1 转向扭矩一侧向加速度曲线 上图即为基于经验算法的方向盘扭矩一侧向加速度曲线。图中：a 为转向力矩为0 时的 侧向加速度；b 为侧向加速度为0 时的转向力矩；c 为侧向加速度为l m s 2 时的转向力矩；b 为侧向加速度为0 时的转向力矩梯度；c 为侧向加速度为l m s 2 时的转向力矩梯度。 从中可以得到如下评价指标口7 】： ( 1 ) a 表明了汽车的回正性能。汽车在经历转向过程后，在方向盘没有回正之前，若松开方 向盘，方向盘不能回正而是卡在某处，显然汽车方向盘的扭矩为0 ，此时汽车仍会做大 半径的转向运动，且有一定的侧向加速度，此时加速度越小表明汽车的回正性能越好； ( 2 ) b 表明了转向系中的库仑干摩擦，同时也受到液力阻尼和车辆相位滞后的影响。 ( 3 ) c 表明了刚离开直线行驶时的转向能力的程度； ( 4 ) b 为侧向加速度为0 时的转向力矩梯度，也可理解为方向盘扭矩随汽车侧向加速度的变 化率，即路感； ( 5 ) c , f f , 表了刚离开直线行驶状况时的路感。 1 2 南京理工大学硕士学位论文线控转向系统总体方案及控制方法研究 2 2 3 转向阻力与等效路感 转向轮的转向阻力主要可分为三部分：车轮与路面接触造成的摩擦阻力矩 t 、转向 轮的回正阻力矩j j l “和机械摩擦阻力矩 九 3 3 o 其中，摩擦阻力矩的大小与轮胎表面和路 面间的摩擦系数有关，不同的行驶路面及轮胎表面会有不同摩擦阻力矩；机械摩擦阻力矩 和其设计各参数及润滑程度相关；本文对以上两阻力矩不再做详细介绍。 翻自力 艳糖巾。威： 图2 2 2 气胎拖距和后倾拖距 转向轮的回正阻力矩包括两部分，一部分是由于主销内倾与内移造成的力矩，此力矩 与车速无关，另一部分是由轮胎拖距造成的回正力矩，轮胎拖距可分为气胎拖距和后倾拖 距，如图2 2 2 所示。其中气胎拖距会在车辆行驶过程中随着离心加速度的增大而急剧下 降。 可建立如下关系式阔： 尥= 只( r + 尹) ( 2 2 ) 式中：肘，为由轮胎拖距造成的回正力矩；f 、r 分别为气胎拖距和后倾拖距；0 为 侧向力。 主销内倾造成的回正力矩与行驶车速的大小无关，在低速和高速行驶时有着相同的 值，此力矩是低速时回正阻力矩的主要部分，其值可由下式求得3 6 1 ： 鸩：嬖s i n 2 p s i n 8 ( 2 3 ) 式中：m 。为由主销内倾造成的回正力矩；q 为轮荷；艿为车轮转角；卢为主销内倾 角；d 为主销内移量。 则回正力矩m 。为： m h = m v 七m ， 南京理工大学硕士学位论文线控转向系统总体方案及控制方法研究 通过以上分析，电机转向控制需要克服的阻力矩肘：为： m z = m | ? + m h + m j 2 3s b w 的动力学方程 ( 2 4 ) 线控转向系统的方向盘模块就是将方向盘的转动通过传感器、e c u 传递到转向电机， 系统又同时接收来自反馈模块的反馈，由此建立模型，s b w 转向盘模块受力如图2 3 1 所示： h i 皖 瓦 图2 3 1 转向盘模块受力示慈图 根据方向盘的受力平衡可得方程： l 乡擎+ - 砖+ 瓦= 瓦 ( 2 5 ) 其中：磊为方向盘转向角度，峨为方向盘操纵阻尼系数，瓦为反馈模块路感电机的 反馈扭矩，五为方向盘输入力矩。 由此可得出转向电机的受力平衡方程： 以辟+ q 砖+ 最瓦= 疋 ( 2 6 ) 另一方面由于机械对电器的作用，电机会产生一个反电动势，该电动势与电动机 角速度成正比，即： = 屯砖 转换成电流的关系就是： ：一心砖 铲f 其产生的反向扭矩为： 磊- - k 。毛 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 其中：瓦为电机电枢转角，以为电机转动惯量，c ：为电机旋转阻尼系数，以为电 机扭转刚度，乙为电机输出扭矩，颤为感应电势系数，蜀为电枢电阻，k 为比例系数。 2 4s b w 的转向动力特性 2 4 1s b w 转向动力特性概念 s b w 转向系统动力特性是指电动机的输出动力随汽车运动状况和受力状况发生变化 而变化的规律。 对液压动力转向，助力与液压油压力成正比，故一般用液压油压力与转向盘力矩( 及 车速) 的变化关系曲线来表示助力特性。对于电动助力转向系统，助力与直流电动机电流 成比例，故可采用电动机电流与转向盘力矩、车速的变化关系曲线来表示助力特性1 3 8 l 【3 9 1 。 对于s b w 系统，动力特性分为路感电机动力特性和转向电机动力特性，它们提供的 动力都是与直流电动机的电流成比例，其中路感电机的动力特性可以采用电机电流与转向 轮转向力、车速的变化曲线来表示；转向电机的动力特性可以采用电机电流与方向盘转矩、 车速的变化曲线来表示。 s b w 系统的动力特性由软件设置，是s b w 系统的控制目标，可以根据需要设计成任意 曲线形状，并可方便地进行调节。 2 4 2 路感电机的动力特性 路感电机的主要作用包括两部分：路感控制和回正控制，所以其动力特性也要分为路 感动力特性和回正动力特性。 理想的路感动力特性应处理好转向轻便性和路感灵敏性的关系，本文对所研究的路感 动力特性需具备以下几个特点： ( 1 ) 电动机电流应随着转向阻力的增大而增大； ( 2 ) 在原地转向或低速转向时，即当转向阻力比较大时，为了降低驾驶员劳动强度，路感电 机输出的电流应稍小一些； ( 3 ) 随着车速的增大，即当转向阻力比较小时，为了保持良好的路感，应输出较大一点的 电流； ( 4 ) 在车轮转向阻力从0 到一定值( 不是很大) 时，电机电流应上升迅速，以保证电机良好 的起动；相反，当转向阻力达到一定的范围内，电机电流上升应比较缓慢，以保证良 1 5 堕塞望三奎兰堡主兰垡堡壅丝叁蔓塑墨竺璺竺互墨墨丝型立鲨! 塞 好的路感； ( 5 ) 车速高时的电机电流和低速时相差不大，否贝| j 路感也会给驾驶员造成一定的路感冲击。 通过以上对路感动力特性需求分析，本文设计t s b w 系统的路感动力特性曲线( 流过 电机电流与转向阻力矩的关系曲线) 如下： i ( a ) 0t at m o x 1 n m ) 图2 4 ，1 路感电机的路感动力特性 路感动力特性曲线的关系式i - - f ( r ，y ) 如下： l 毛( v ) e t( 0 t ) j = _ i l ( 乃+ 岛( v ) ( r 一)( r k ) ( 2 7 ) 【南( v ) + 乞( d ( r 一7 0 ) ( r i 。) 式中：i 为目标电流；t 为转向阻力矩；v 为车速；t 1 ( v ) 、k 2 ( v ) 分别为折线形动力特性曲 线的梯度；为梯度增大为如( v ) 时的转向阻力矩；k 为转向阻力矩的理论极值。其中 向( v ) 、赶( v ) 值的大小将在第六章的性能试验中优化确定。 其中理论最大阻力矩7 二可根据半经验公式求得闭： = 吾挣 式中：，为轮胎和路面间的滑动摩擦系数，一般取o 7 左右；g i 为前轴负荷；p 为轮胎气 压。 路感电机的回正动力特性需满足以下要求： ( 1 ) 在原地转向或低速转向后，即当回正阻力比较大时，回正电流也应比较大，同时电机 电流将随着转向阻力减小而减小； ( 2 ) 当转向角比较大时，回正力矩也比较大，且电机电流随着转向角的减小而减小。 本系统所设计的路感电机的回正动力特性曲线如图2 4 2 所示： 1 6 南京理工大学硕士学位论文线控转向系统总体方案及控制方法研究 i ( a ) 0 万m “万( r a d ) 图2 a 2 路感电机的回正动力特性 回正动力特性曲线的关系式i = f ( 8 ) 如下： i = a 8 2 + b 8 ( 2 9 ) 式中：万为转向车轮的转向角；点。为转向车轮的转向角的理论极值，其大小由试验 台架拉杆的最大位移确定；a 和b 为两个待定系数，将在第六章性的能试验中优化确定。 注：当汽车转向车轮在停车状态时，本身就存在一定的转向角度，此时，方向盘无需 回正，也无需再进行路感反馈，但拉压力传感器和位移传感器都能检测到一定的信息，此 时系统通过检测其工作状态将直接切断其电机电流，当汽车再次启动时，系统恢复正常。 2 4 3 转向电机的动力特性 转向电机的主要作用包括两部分：转向控制和回正控制，所以其动力特性也分为转向 动力特性和回正动力特性。 转向电机的转向动力特性是受方向盘转矩大小为依据的，其输出扭矩大小和方向盘转 向扭矩成比例增大或减小，同时又受车速大小的影响。本系统所设计的转向电机的转向动 力特性曲线如图2 4 _ 3 所示。 0t d m a x t d ( n m ) 图2 4 3 转向电机的转向动力特性 1 7 南京理工大学硕士学位论文 线控转向系统总体方案及控制方法研究 图中： 乃为方向盘输入转矩；乃。为方向盘输入转矩的理论极值。 转向电机的回正动力特性路感电机的回正动力特相同，在此不再复述。 2 4 4 关于转向传动比 所谓转向传动比是指瞬时方向盘转角和转向轮转角的比值p 射。传统的转向系统( 不论 是液压助力转向系统还是电动助力转向系统) 都是机械连接的，所以它们都摆脱不了定值 转向传动比的弊端。s b w 转向系统从结构上突破了机械连接的限制，作为新一代转向系统 它可以根据驾驶员的喜好来确定自己转向传动比。这种可变传动比的转向传动系统将具有 以下特点： ( 1 ) 方向盘转角较大时，转