（车辆工程专业论文）汽车线控转向控制器的开发研究.pdf

摘要 汽车线控转向系统融合了先进的电子技术、信息技术、控制技术，是一种全新概念 的转向系统。它取消转向盘和转向车轮之间的机械连接，完全摆脱了传统转向系统的各 种约束限制，给汽车转向特性带来很大的设计空间。由于它的角传递和力传递都是通过 传感器和控制器完成的，控制器的工作稳定性和工作可靠性是线控转向系统最需要解决 的关键问题。 本文针对线控转向控制系统的性能和系统设计进行了研究，分析了线控转向系统匹 配设计的特点及方法，并对系统参数、各传感器参数、电机功率及减速机构的减速比进 行了匹配设计。采用脉宽调制波控制功率输出电机前轮转向电机、路感电机，进行 闭环模糊p i d 调节。尝试设计了模糊p i d 控制器，通过在线实时地对p i d 的三个参数 进行整定，改善控制系统的动态效果和鲁棒性。本文以p h i l i p s 公司的高速单片机芯片 p 8 9 c 5 9 1 和芯片p 8 7 l p c c 7 7 8 为核心开发系统控制器j 由逻辑控制电路和功率驱动电路 组成。控制器拥有传感器信号的采集电路、三相全桥式驱动电路、故障报警电路，同时 具备故障自动诊断功能。丰富的硬件资源为以后的功能扩展和升级提供了空间。在开发 控制器硬件的基础上，采用单片机c 语言开发线控转向系统的控制程序，利用中断程序 实施对系统状态信息的采集，实现前轮转向电机的实时控制。经验证，该线控转向控制 器实现了所有的设计功能，具有良好的控制性能和稳定性。为线控转向系统的进一步研 究开发奠定了一定的基础。 关键字：线控转向，模糊p i d 控制，无刷直流电机，p w m ，全桥驱动 a b s t r a c t s t e e r i n g b y - w i r ew h i c hi si n c o r p o r a t ew i t ha d v a n c e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt h e o r yi sak i n do fb r a n d - n e wc o n c e p tf o rt h ed e s i g no fs t e e r i n g s y s t e m i te l i m i n a t e dt h em e c h a n i c a lc o n n e c t i o nb e t w e e nt h es t e e r i n gw h e e la n dt h et u n r i n g w h e e la n db r e a ka w a yf r o ml i m i t a t i o no ft r a d i t i o ns t e e r i n gs y s t e mt ob r i n gm o r ed e s i g ns p a c e f o ra u t o m o t i v es t e e r i n g t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fas b wc o n t r o l l e ri sas t i c k i n gp o i n tt o s t u d yf o rt h er e a s o no ft r a n s p o r t a n t i o no fa n g l ea n df o r c es i g n a l t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e do nt h ep e r f o r m a n c eo fs b wa n d d e s i g no fs y s t e ma n da n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fs w ba n dg a v es o m ed e s i g nm e t h o d sw h i c hc o n s i s t so fs y s t e m p a r a m e t e r sm a t c hd e s i g n ，s e n s o r sm a t c hd e s i g n ，e l e c t r o m o t o rt y p em a t c hd e s i g na n d r e t a r d m e n tm a t c hd e s i g n p w mw a su s e dt oc o n t r o le l c t r o m o t o r f r o n tw h e e ls t e e r i n gm o t o r , s t e e r i n gf e e l i n gm o t o r , u s i n gt h ef u z z y - p i dc o n t r o lp r i n c i p l et ot h ec u r r e n t t h ed i s s e r t a t i o n 仃i e dt od e s i g nf u z z y - p i dc o n t r o l l e rw h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fp i da n df u z z yc o n t r o l a n di m p r o v e st h ed y n a m i cc o n t r o le f f e c ta n dr o b u s t n e s so fs y s t e mb ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r s o fp i dc o n t r o l l e ro nl i n e t h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i to fs b ww h i c hc o n s i s t so fl o g i cc o n t r o l c i r c u i tm o d u l ea n dp o w e rd r i v e rc i r c u i tm o d u l e ，w h i c hb a s e do np h i l i p s sh i 9 1 l s p e e ds i g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e rp 8 7 c 5 9 1a n dp 8 7 l p c 7 7 8i sd e v e l o p e d i tc a l lc o l l e c tt h es i g n a lo f t u t n i n gw h e e la n g l ea n dc u r r e n tr e p l y t h es t u d yd e s i g n e dc o l l e c t i n gc i r c u i t r y , d r i v i n gc i r c u i t r y a n db a c k c h e c kc i r c u i t r yb yo n e s e l f a n dt h ec o n t r o l l e ra l s oh a v et h ef u n c t i o no fa u t o d i a g n o s i sa n da u t o m a t i ca l a r m t h er i c hr e s o u r c e so fh a r dw a r eg i v e st h es u p p o r tf o rl a t e r u p d a t e i n g b a s e do nt h e d e v e l o p m e n to fh a r d w a r e ，w eu s e dcl a n g u g et od e v e l o pt h ec o n t r o l p r o g r a m ，t oc o l l e c tt h e s t a t u so fs y s t e m b yi n t e r r u p t i o na n dc o n t r l o lt u r n i n gw h e e l e l e c t r o m o t o rr e a lt i m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i tc a nr e s u l t s s h o w st h a tt h ee l e c t r i cc o n t r o lu n i tc a nr e a l i z ea l lr e q u i r e df u n c t i o n sw i t hs t r o n gs t a b i l i t i o n a n dh a v eg o o dp e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i n l a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hi n s t e e r i n g b y w i r es y s t e m k e yw o r d s ：s t e e rb yw i r e ，f u r r y p i dc o n t r o l ，p w m ，b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n t m o t o r , w h o l eb r i d g ed r i v e 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：肖咩矽留年夕月歹7 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： 商略 腑r 月3 f 日 导师签名： 伽阵多其； 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定 性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶 员的工作条件起着重要的作用。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。 e h p s 和e p s 助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向的力控制特性，降低了驾 驶员的转向负担，提高了汽车性能，但却无法改变转向系统的角传递特性，更无法实现 汽车转向的主动控制。怎样合理地设计车辆转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始 终是车辆设计人员的重要研究课题。 1 1 汽车转向系统发展概述 汽车转向系统的发展经历了以下阶段：机械式转向系统一传统液压助力转向系统一 电液助力转向系统一电动助力转向系统一线控转向系统。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， 只出现在一些概念车或原型车上【1 1 。线控转向系统是继e p s 后发展起来的新一代转向系 统，具有比e p s 操纵稳定性更好的特点，在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安 全性。 机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中传动机构都是机械的。机械转向系 由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。驾驶员对转向盘施加的转向力 矩通过转向轴输入到转向器。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆， 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轮偏转，从而改变了汽 车的行驶方向。 传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向 轮偏转，且使转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时前轮与地面的相对滑动 尽可能小。 转向器是完成由旋转运动到直线运动的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传 动装置。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式等。 第一章绪论 增大转向器的角传动比可以增加力传动比乎1 ，从f 。= 2 e e ，( e 为地面中心作用 在轮上的力，e 为作用在转向盘上的操纵力) 可知：增大转向器的角传动比，可保证转 向轻便性；但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转 动转向盘进行紧急避障等转向操作，即显得不够“灵”。汽车转向一直存在“轻 与“灵” 的矛盾【2 1 。 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( h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) ，借助汽车发动机的动力驱动油泵，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，因为可以在 不牺牲轻便性的前提下减小转向器的传动比。由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛 应用。传统液压助力转向系统的好处是：减少驾驶员的疲劳强度，衰减道路冲击，提高 行驶安全性【3 】。 当然，这种转向系统也有它的缺点： 1 燃油经济性差。在传统的液压助力转向系统中，液压油的不停旋转导致机械和 液压系统的摩擦损失；其以发动机传送带作为其动力源，由传送带带动液压泵旋转，液 压泵在整个车辆运作过程中转个不停，因而它要不断消耗发动机的功率，从而造成额外 的燃油消耗。 2 转向特性调整烦琐。选定参数完成设计后，液压助力转向系统的助力特性就确 定了，若要调整转向系统的转向特性，需要加工转向控制阀断面，改变扭力杆的刚度， 整个调整过程十分烦琐，所花费的时间也很长。 3 转向系统与发动机相连，当发动机熄火时不能提供助力。 电液助力转向系统( e l e c t r i ch 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 ) 是在液压助力 转向系统基础上发展起来的，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。由于液压助力泵由电机驱动，所以助力特性可以根据车速发生变化， 从而驾驶员的转向操纵力根据行驶条件的变化而变化，即在低速行驶或急转弯的时候能 以很小的转向操纵力进行操作，在高速行驶的时候能以稍重的转向操纵力进行稳定操 作，使操纵性和稳定性达到最合适的平衡状态。电液助力转向系统同样也有优缺尉4 。】。 优点是：电液助力转向是在原液压助力转向的基础上发展起来的，原来的系统都可 以利用，不需要更改布置。低速时转向效果不变，高速时可以根据车速逐步减小助力， 增加路感，提高车辆行驶的稳定性。采用电机驱动油泵可以节省能量。 2 长安大学硕十学位论文 其缺点是：与传统液压助力转向一样，仍然存在渗油问题，管路复杂，不利于维修 和检测等，而且，增加了电子控制系统，成本也会上升。 e p s ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 用电机直接提供助力，助力大小由电控 单元( e c u ) 控制。系统一般由机械转向系统加上转矩传感器、车速传感器、电子控制 单元、减速器、电机等组成。e p s 系统结构如图1 1 所示。 其基本工作原理是：驾驶员转动转向盘时，转矩传感器检测转向盘上的转矩大小和 方向，控制器根据转向盘转矩的大小进行助力控制。转向盘转矩越大，助力电机提供的 助力转矩也越大，从而解决了转向轻便性的问题。车速变高时，控制助力适当减少，从 而保证了高速转向时驾驶员有合适的路感，提高了驾驶的安全性和稳定性。另外，为综 合改善汽车转向系统的性能，有的电动助力转向系统还进行阻尼控制和回正控制。 图1 1e p s 系统结构 电动助力代替了液压助力系统，与液压助力系统相比，除节省能源外，由于取消了液 压系统而提高了环保性能，且装配方便；以机械系统为基础发展起来的转向系统改变了 转向系统的力传递特性，有效地降低了驾驶员体力负担，提高了汽车稳定性能。但电动 助力转向系统无法改变转向系统的角传递特性，即无法控制汽车的转向特性，更无法实 现汽车转向的主动控制。 线控转向系统( s t e e r i n gb yw i r e ) 是更新一代的汽车线控转向系统，线控转向系统 技术也成为国内外的研究热点。线控转向系统取消了转向盘和转向前轮之间的机械连 接，其角传递和力传递都是通过传感器和控制器进行的，相互之间可以独立进行互不影 响。完全摆脱了传统转向系统的各种约束限制，可以自由设计汽车转向系统的力传递特 性和角传递特性，给汽车转向特性带来很大的设计空间，是汽车转向系统的重大革新。 线控系统是通过控制线传输必要信息的，故该系统也称作柔性转向系统。线控转向 3 第一章绪论 系统的基本性能是保证车辆在任何工况下转动转向盘时都有较理想的操纵稳定性。 线控转向系统具有两个电机：路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上，控 制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的路感转矩，向驾驶员提供模拟路面信 息。驱动电机连接在齿轮齿条上，汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服，转向盘作为 转向系统的一个转角信号输入装置1 6 - s l 。 线控转向系统的主要优点： 。 ( 1 ) 线控转向系统能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制，并为 汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成控制提供了先决条件； ( 2 ) 对前轮驱动轿车，在安装发动机时需要考虑刚性转向轴占用空间，转向轴必 须依据汽车是左侧驾驶还是右侧驾驶安装在发动机附近，设计人员必须协调处理各种需 要安排部件。线控转向系统中，由于转向盘和转向轮之间是柔性连接，使转向系统在汽 车上的布置更加灵活，转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置； ( 3 ) 舒适性得到提高。在刚性转向系统中，路面不平和转向轮的不平衡引起的冲 击负荷会传递到转向盘，而线控转向系统没有这样的问题； ( 4 ) 转向的回正力矩和转向传动比能通过软件进行调整。因此，可以使转向系统 对任何目标和环境进行调整，而不需要对系统进行重新设计；与转向有关的驾驶行为都 可以通过软件来实现； ( 5 ) 消除了撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防伤机构； ( 6 ) 驾驶员腿部活动空间增加，出入更方便自由。 1 2 汽车线控转向系统发展与研究现状 1 2 1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大胆的假设，将转向盘与转向 车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。六十年代末，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，这便是早期的线控转向系统【9 1 。 在欧洲，d a i m l e r - 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 等零 部件厂商和c h a l m e r s 、v i e n n a 等大学联合开展b r i t e e u r a m “x b y - w i r e ”计划【l o 】，对 线控转向系统的实现、安全性和可靠性方面进行了研究。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。此项技术被列为2 0 0 0 年汽车十大新技术之一【1 1 1 。在 4 k 尘大学删i 学位呛文 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 r s t g n e 汽车设计及丌发公司 展示了新型概念车“f i l o ”。“f 1 l o ”采用了“d r i v e - b y - w i r e ”的技术，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。德 国奔驰公司在1 9 9 0 年开始了前轮线控转向的研究，并将它扦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。z f 公司也在1 9 9 8 年开发出电动助力转向系统( e p s ) 之后积 极进行了线控转向系统的开发研究，目前已经有整套的线控转向系统上市。宝马汽车公 司的概念车b m w z 2 2 ，应用了s t e e r b y w i r e 技术，转向盘的转动范围减小到1 6 0 0 ，使紧 急转向时驾驶员的忙碌程度得到丁很大降低。 图1 2n o v a n t a 线控概念车 日本k o y o 也，r 发了线控转向系统，但为了保证系统的安全，仍然保留了转向盘与 转向轮之间的机械部分，即通过离合器连接，当线控转向失效时通过离合器结合回复到 机械转向1 1 2 , 13 i 。2 0 0 3 年r 本本用公司在纽约国际车展上推出了l e x u s h p x 概念车，该车 也采用了线控转向系统，在仪表盘上集成了各种控制功能，实现车辆的自动控制。 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卡t 的方式束操纵的 “双连杆臂式线控转向系统( d p a s s ) ”，并在第4 0 届东京车展( 2 0 0 7 年1 0 月2 7r 1 1 月1 1 日) 上进行了展出。该系统将精工丌发的多传感轮毂单元( m u s e n s i n 2h u b u n i t ) 与两个马达组合使用，利用相对于马达旋转轴呈直角伸出的臂( 转向臂) 来分别操 纵左右轮。多传感轮毂可检测来自路面的3 方向负荷( 横方向力：转弯时施加给轮胎的 力；前后方向力：加减速时施加给轮胎的力：上下方向力：轮胎与路面接触的力) ，即 使路面状况发生变化，也可将轮胎舵角控制到最悻状态，从而使车辆驶向驾驶员希望的 方向。 12 2 国内线控转向系统也有所发展 国内对线控转向系统的研究还很少，部处于起步阶段。月时，同济大学、北京理工 第一章绪论 大学、吉林大学、江苏大学等高校对此进行了研究。 图13 同济大学线控转向系图1 回正力矩的控制模型 同济大学课题组在国家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 装备线控转向系统的概念车“春晖三号”。“春晖三号”属于线控转向四轮驱动微型 概念车，鹾车基于场馆电动车辆的设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一个质的突破。 同济大学在2 0 0 5 年9 月国家“十五”重大科技成就展上，展出了自己开发的线控 转向系统，如图13 ，其采用双传感器冗余。 江苏大学罗石等【”1 对线控转向系统的转向盘力回馈模型进行研究，提出了采用测量 转向盘的转角和车速直接计算回正力矩的控制模型，如图1 4 所示，并对模型进行了仿 真和试验。提高了响应速度和系统的可靠性，结构简单，容易获得较好的频响特性。 吉林大学进行了线控转向系统参数与整车匹配设计的研究【”】。针对线控转向系统提 出了优化设计的方法，实现与整车的参数匹配设计，使线控转向系统汽车的操纵稳定性 达到最优。 1 3 线控转向技术存在的问题及前景 13 1 稳定可靠及安全性 阻挠线控转向系统普及的一个重要冈素是其可靠性问题，现在还无法在可靠性与成 本之间取得- 个很好的平衡。目前，电子部件还没有达到机械部件那样可靠的程度，如 何保证在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f n 保证线控转 向系统的稳定可靠、安全工作是十分重要的，这也是线控转向系统目前最为突h 的问题。 为了保证车辆的行驶安全性，即车辆只要是在运行中，都应该保证转向系统能够起作用。 长安大学硕：学位论文 线控转向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线控转向系统由于转向盘和转向前轮之间无机械连接，完全依 靠电子和电器元件来工作。这也是线控转向系统最需要解决的关键技术。为解决这个问 题，国外一些汽车公司采用了系统冗余和容错技术【1 7 】。 1 3 2 模拟“路感 由于转向盘和转向前轮之间无机械连接，提供给驾驶员“路感 的转向盘回正力矩 必须要模拟生成。如何生成让驾驶员能够感知的汽车行驶状态和路面状况，是实现线控 转向系统必须解决的问题之一。线控转向系统的一个突出优点就是能够提供驾驶员最为 有利的路感，而不是不加区分的将所有的路感都提供给驾驶员，因此如何为驾驶员提供 最为有利的路感，选取哪些参数来进行模拟成了线控转向系统研究必须解决的一个关键 性问题【1 她1 1 。 汽车转向系一直存在着轻与灵的矛盾。操纵力与路感也是相互制约的，操纵力小意 味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗；但操纵力过小，就缺乏路感。从而影响操纵 稳定性。由于线控转向系统由电机提供动力，电机又具有弹簧阻尼的效果，能减少不平 路面对转向盘的冲击力和车轮不平衡引起的震动，这样同时也减少了驾驶员的“路感 。 采用模拟路感的电机震动控制技术可以有效地解决这一问题。 1 3 3 传感器的精度和成本 传感器是线控转向系统中最重要的器件之一。在线控转向系统中需要多个转向传感 器参与工作。控制器根据转向盘转角传感器的信号及轮胎回正力矩传感器信号按照控制 策略进行分析运算与判断，然后将该信息送至转向盘电机与两个转向电机。汽车线控系 统的控制效果却紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度，因而传感器的科技含量直接 影响整个汽车线控系统的性能。如何制造出体积小、成本底、可靠性高而且测量精度高 的传感器就成为线控系统的关键问题之一。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对线控转向系统控制器的设计，进行了以下几个方面的工作： 1 线控转向系统匹配 分析线控转向系统的结构及各部件的匹配特点，对线控转向系统的性能特点作了详 细的了解。提出线控转向系统匹配的方法。线控转向系统的匹配主要包括系统参数匹配、 7 第一章绪论 传感器匹配、电机功率及减速结构匹配。 2 模糊自适应p i d 控制算法 针对传统p i d 控制器的不足，提出了将模糊控制和p i d 控制相结合的混合控制算 法一模糊自适应p i d 控制。对系统的反馈信号进行闭环控制，可在线对p i d 的三个 参数进行整定，将改善了控制系统的动态效果和鲁棒性。 3 线控转向系统控制器开发 文中采用p h i l i p sp 8 7 l p c 7 7 8 和p 8 7 c 5 9 1 单片机试验开发线控转向系统的控制器。 该控制器由逻辑控制电路和功率驱动电路组成，包括无刷直流电机的换向控制、三相无 刷直流电机的驱动电路、传感器的接口电路和报警功能电路的设计。 4 线控转向系统控制程序设计 在完成控制器硬件电路的基础上，进行控制系统的软件编写，经试验验证，该控制 器实现了控制器要求的功能，具有良好的控制性能和稳定性。 8 长安大学硕上学位论文 2 1 线控转向系统 第= 章线控转向系统结构及匹配 汽车线控转向系统的设计以减轻驾驶员的体力和脑力劳动、提高整车主动安全性为 根本出发点，使汽车性能适合于更多非职业驾驶员的要求。从现代汽车的发展趋势来看， 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，辅助驾驶系统和无人驾驶汽车是新兴的热门研究领域，实 现汽车智能转向的最佳方案就是采用线控转向系统，这些都给线控转向系统带来了更加 广阔的应用前景。下面介绍一下线控转向系统的结构和性能特点。 2 1 1 线控转向系统的的结构 汽车线控转向系统主要由转向盘模块、前轮转向模块、主控制器三个主要模块，以 及自动防故障系统和电源等辅助模块组成【2 2 1 ，其结构如图2 1 所示。 图2 1 线控转向系统的的结构 1 转向盘模块 转向盘模块包括转向盘组件、转向盘转角传感器、力矩传感器、转向盘回正力矩电 机。其主要功能是将驾驶员的转向意图( 通过测量转向盘转角) 转换成数字信号并传递 给主控制器，同时主控制器向转向盘回正力矩电机发送控制信号，产生转向盘回正力矩， 以提供给驾驶员相应的路感信息【2 3 1 。 2 前轮转向模块 前轮转向模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、电机控制器和前轮转向组件等。 9 第二章线控转向系统结构及匹配 其功能是接受主控制器的命令，控制转向电机完成所要求的前轮转角，实现驾驶员的转 向意图，并将测得的前轮转角信号反馈给主控制器。 3 主控制器 主控制器对采集的信号分析处理，判别汽车的运动状态，向转向盘回正力矩电机和 前轮转向电机发送命令，控制两个电机协调工作。主控制器还可以对驾驶员的操作指令 进行识别，判定在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，前轮转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏 蔽，以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快恢复到稳定状态。 4 自动防故障系统【2 4 】 自动防故障系统是线控转向系统的重要模块，它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，以求最大限度的保持汽车的正常行驶。 线控转向技术采用严密的故障检测和处理逻辑，以最大程度地提高汽车安全性能。 5 电源系统承担着控制器、两个执行电机以及其它车用电器的供电任务，其中仅 前轮转向执行电机的最大功率就有5 0 0 w ；加上汽车上的其它电子设备，电源的负担相 当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。 2 1 2 线控转向系统的性能特点 汽车线控转向系统取消了转向盘和转向前轮之间的机械连接，通过软件协调它们之 间的运动关系，可以实现一系列传统转向系无法实现的特殊功能。线控转向系统具有以 下性能特点： 1 改善转向特性，减轻驾驶负担 线控转向系统可以由主控制器根据汽车的行驶工况实时设置可变传动比，并对前轮 转角进行实时补偿，使汽车转向特性保持不变。把传统的“人一车闭环系统”中应该由 驾驶员负担的部分工作交给控制器完成，从而减轻驾驶员的负担，提高了汽车系统对驾 驶员转向输入的响应能力。由于减少了从执行机构到转向前轮之间的传递过程，从而使 转向系统的响应速度和准确性都得以提高。 2 改善驾驶路感，实现智能驾驶 驾驶员所需的“路感”信息是主控制器根据汽车实际的行驶工况，向转向盘回正力 矩电机提供控制信号生成的。由于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，作为生成转向盘回正力矩的控制变量，能够使转向盘仅向驾驶员提供有 1 0 长安大学硕士学位论文 用的信息，从而获得更加符合驾驶员喜好的“路感”；同时，线控转向系统可以通过前 轮转向控制，实现控制系统的功能，还可以与其它主动安全设备如制动防抱死、电子稳 定程序、电子防滑、防碰撞、自动侧向导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽车的 整体控制，全面提高汽车主动安全性。 3 拓展研发空间，降低开发成本 线控转向系统的最终发展趋势是使用操纵杆的线控系统( x b y - w i r e ) ，它取消了转 向柱，皮带轮皮带等部件，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了事故发 生时对驾驶员的伤害。由于硬件部分具有很大的通用性，系统采用软件控制，可以通过 修改部分参数就可以应用于其它车型，为新车型的开发节省了大量的时间，降低开发的 成本。采用线控转向系统后，避免了驱动油泵与发动机同步运转，使汽车的加速性能得 到提高，这对于以加速性能作为重要武器吸引消费者的汽车生产厂家来说，有着一定的 吸引力。 4 提高经济效益，有利环境保护 由于线控转向取消了机械连接，减轻了整车的重量，仅仅在需要转向时电机才有功 率输出，同时省去了传递效率极低的皮带传动，提高了传动效率，从而提高汽车的燃油 经济性，节省了能源，减少废气排放。同时线控转向系统中取消了液压转向，避免了液 压油泄漏、液压油管、油封等废弃物对环境造成的污染。因此，线控转向研究对汽车制 造业的进一步发展，有着巨大而深远的推动力，代表着今后汽车转向系统的发展方向。 2 1 3 线控转向系统的工作原理 汽车线控转向系统的工作原理如图2 2 所示。驾驶员转动转向盘，把转动信息通过 转向盘转角传感器传送给e c u ，e c u 根据各种车辆当前状态的信息进行分析计算，向 前轮转向子系统发出控制指令，启动电机。电机拖动前轮转向横拉杆，拖动前轮转向。 前轮转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和轮胎回正力矩反馈给系统的 其他部分，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统 计算，传给转向盘子系统中的路感电机，模拟“路感。 第二章线控转向系统结构及匹配 车身状况 传感器 转向盘转 角传感器 主控单元前轮转向 控制单元 墨 电流、转速 传感器 动 驱 动 转向 电机 路感 电机 图2 2 线控转向系统的工作原理 1 前轮转向驱动的控制 前轮转向的驱动控制是线控转向系统的主要部分，它是转向能够执行的核心。包括 转向执行单元、驱动器、桥式电路、执行电机、减速齿轮和横拉杆等执行机构。转向执 行单元从控制器中得到目标前轮转角，运用模糊自适应p i d 控制算法，计算并输出p w m 波，对执行电机调速。完成前轮转向或前轮回正的控制。 2 驾驶员路感的控制 包括转向盘对驾驶员的路感控制和转向盘回正控制。控制器由前轮轮胎回正力矩获 得反馈信号，通过控制路感电机传给转向盘，使驾驶员获得路面情况。 3 控制器原理 线控转向系统控制包括上层控制( 转向控制和路感控制) 及下层控制。如图2 3 控 制器原理，上层控制又包括转向控制( 根据转向盘转角得到目标前轮转角) 和路感控制 ( 根据轮胎回正力矩得到目标转向盘回正力矩) 。下层控制分别对目标前轮转角与实际 前轮转角的偏差、目标转向盘力矩与实际转向盘力矩的偏差进行作用，得到转向电机电 压和路感电机电压。 1 2 叫囤 e 9 ；_ 由珊和啪8 汀 默 咫 长安大学硕十学位论文 一一一一一一7 一一一一1 前轮转角目标前轮转角 实际前轮转角 目标转向盘力矩 实际转向盘力矩 图2 3 控制器原理图 与此同时，自动防故障系统对整个系统进监控。它对各个传感器、执行电机和电源 等进行故障分析。发现器件故障后，与主控单元通信，并启用冗余器件，保证系统正常 运行。它也对e c u 监控和查询，确定e c u 正常工作。同时它也检查e c u 的输出信号 并把它与自己的计算结果进行比较。如果发现故障，立即启动故障离合器，保证转向系 的安全性。 2 1 4 线控转向系统的容错技术 为了满足汽车的可靠性与安全性的要求，线控转向系统必须采用容错控制技术，容 错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法2 类【1 刀。硬件冗余方法主要是通过对重 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；比如：传感器的冗余、电 机的冗余、车载电源系统的冗余等，使线控转向系统的可靠性得到了明显提高。 解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度，从而改善系 统的容错性能。解析冗余度采用重构容错控制方法和鲁棒容错控制方法实现；重构容错 控制方法以故障的检测与诊断为基础，在检测到故障后，根据系统状态与故障的严重程 度来调整控制规律和重新配置硬件的功能以完成要求的任务；鲁棒容错控制方法是使设 计的系统对故障不敏感，它不需要在线故障监测与诊断，但是却需要更多的冗余。在兼 顾系统其他性能要求的同时，合理、经济地配置元器件，充分利用系统结构上的冗余和 参数上的自由度来对故障所产生的影响进行屏蔽，进而对系统进行重构性设计和鲁棒性 设计。 在线控转向系统中，相对于e c u 来说，传感器和执行机构更易发生故障，一些传 感器和执行机构间存在着冗余，冗余是实现容错控制的基础，一旦某部件发生故障，则 利用冗余关系，用其他部件代替故障部件，以消除故障【1 8 】。e c u 的可靠性较高，但是 e c u 出现故障时，后果更为严重，因为当传感器和执行机构出现故障时，系统还可以继 1 3 罩 一一 囤 l勇 第二章线控转向系统结构及匹配 续工作，而当e c u 出现故障时系统不能进行任何操作，因此在设计线控系统时可以考 虑采用双e c u 结构的控制器。 2 2 直流电机匹配 2 2 1 电机的选择 电机是线控转向系统的关键部件，电机应具有调速范围宽、转速高、启动转矩大、 体积小、质量小、效率高且有动态制动和能量回馈等特性。目前，汽车用电机主要有有 刷直流电机( b l d c m ) 、感应电机( i m ) 、永磁无刷电机( p m b l m ) 和开关磁阻电机( s r m ) 4 类，它们的性能对比如表2 1 所示【2 7 。3 0 1 。 表2 1 电机驱动系统的性能比较 电机类型 比较内容 有刷直流电机感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机 电机功率密度差一般好 一般 转矩转速特性一般好好好 转速范围小 一般 大最大 效率 差一般高一般 易操作性 最好好好好 可靠性差好一般好 电机尺寸大一般小小 电机质量重一般轻轻 控制性好好好一般 综合性能差一股最好好 由于直流电机结构简单，技术成熟，具有交流电机所不可比拟的优良电磁转矩控制 特性，是国内外汽车用电机的主要研发对象，但是，直流电机价格高、体积和质量大， 因此在汽车上的应用受到了限制。 感应电机，它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、 运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点，但因转速控制 范围小，转矩特性不理想，因此不适合频繁起动、频繁加减速的电动控制。 开关磁阻电机( s r m ) 具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行，控制灵 活、可4 象限运行、响应速度快和成本较低等优点，实际应用发现，开关磁阻电机存在 着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，所以应用受到了限制f 3 5 1 。 1 4 长安大学硕士学位论文 永磁无刷直流电机，采用了电子换向原理代替延续了有刷直流电机的优点，同时避 免了电刷给电机带来的弊端。由于没有励磁装置，效率高、结构简单、可靠性更高、控 制更容易、应用范围更广。永磁无刷电机可以分为由方波驱动的无刷直流电机系统 ( b l d c m ) 和由j f 弦波驱动的无刷直流电机系统( p m s m ) ，它们都具有较高的功率密度， 因此在汽车上得到了广泛的应用，b l d c m 系统不需要绝对位置传感器，一般采用霍尔 元件或增量式码盘，p m s m 系统需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器，这 类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，永磁无刷直流电机输 出扭矩较大，能够满足恶劣路况下提供转向驱动力矩。采用闭环伺服控制，可以实现电 机转速的大小、方向的控制，能够满足线控转向系统的控制要求。 综上所述，选择永磁无刷直流电机为本系统的驱动电机。 2 2 2 永磁无刷直流电机工作原理 无刷直流电机是指无电刷和换向器的直流电机，这种电机称为电子换向式电机。目 前的无刷直流电机的机械结构为：电枢绕组作为定子一部分，转子则是作为磁场的永磁 体，这与永磁同步交流电机非常相似【3 2 - 3 4 。 永磁无刷直流电机一般由以下几部分构成：电机本体( 带有电枢绕组的定子和永磁 转子) 、位置传感器和电子换向电路。如图2 4 所示。 图2 4 无刷直流电机原理 永磁式直流电机的定子由永久磁铁组成，其主要的作用是在电机气隙中产生磁场。 其电枢绕组通电后产生反应磁场。在无刷直流电机的运行过程中，借助反映转子位置的 位置传感器的输出信号，通过电子换向电路导通与电枢绕组相联接的功率开关元件，使 电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，使得无刷直流电机的定子绕 组所产生的磁场和转动中的转子磁铁所产生的永久磁场，在空间始终保持在9 0 0 左右的 电角度，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，电子换向 电路改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这 就是无刷直流电机的无接触式换流过程的实质。 1 5 第一二章线控转向系统结构及匹配 下面将对本系统采用的两相导通三相六拍运行方式的无刷直流电机的工作原理进 行具体的分析。 ， 运行中转子位置信号控制相应的绕组导通，如图2 5 所示，正转时的导电顺序如下： a b 、a c 、b c 、b a 、c a 、c b ( 产生正转力矩) ，如果要产生反转力矩则以反序通电。这 样在任意一个状态中仅有两个绕组导通，一相绕组正相导通，一项绕组反相导通，而另 相绕组对应的功率器件上下桥臂均不会导通。任一相绕组，在一个电气周期内有1 2 0 0 正导通，然后6 0 0 不导通，再有1 2 0 0 反向导通，然后是6 0 0 不导通。 图2 5 无刷直流电机通电绕组与转子关系 无刷直流电机的电子换向电路用来控制电机定子上各相绕组的通电顺序和通电时 间，它主要由功率开关单元和位置传感器的信号处理单元两个部分组成。功率开关单元 以一定的逻辑关系给无刷直流电机的各项绕组通电，使电机产生持续不断的转矩。而各 相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的转子位置信号。 2 2 3电机目标转矩的确定 根据人机工程学中的要求，转向系统设计时通常要求行驶转向时作用在转向盘上的 操纵力5 0 1 0 0 n ，对装备动力转向的轿车转向时，对转向盘操纵力的要求一般为2 0 5 0 n 。 通常普通级轿车转向盘直径为3 6 0 m m 。最大主向盘边缘的转向力矩： t = f 木d 2 = 1 8n m( 2 1 ) 转向时驾驶员作用到转向盘上的操纵力与转向轮在地面上回转时产生的转向阻力 矩有关。因此，可根据计算选出路感电机的输出扭矩及功率。 一般认为，汽车原地转向时具有最大的转向阻力矩z 一，转向器的最大输出转矩 乙应根据这一工况确定，即满足下式： 乙z 一 ( 2 2 ) 1 6 长安大学硕士学