（车辆工程专业论文）汽车线控转向系统的研究.pdf

摘要 汽车线控转向系统由于取消了转向盘和转向轮之间的机械连接( 即转向盘 与转向轮之间通过控制信号连接) ，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无限的空间，提高了汽车的转向性能，是汽车 转向系统的重大革新。 本文涉及的研究内容主要有： 第一章介绍了助力转向的发展过程及发展状况，并介绍了线控转向系统的 国内外研究现状、发展水平，以及开发线控转向系统的意义及其关键技术。 第二章介绍了线控转向系统的基本结构、工作原理及性能特点，并提出了 一种提供驾驶员“路感”的新型结构一路感模拟器。重点介绍了线控转向系统 微处理器的硬件系统，并探讨了转向系统的抗干扰性，及为实现系统安全性和 可靠性采用的容错技术和时间触发系统。 第三章通过建立线控转向系统的数学模型，得出系统的动力学方程。在对 系统模型研究的基础上，分析了线控转向的操纵“路感”及前轮转角控制算法， 通过横摆角速度和侧向加速度反馈控制，提高了汽车的稳定性。提出了针对目 标电流的控制策略，并对控制算法进行了研究。分析比较了p i d 和模糊p d 的 控制算法。 第四章控制系统选用了m o t o r o l a 公司的1 6 位单片机，根据模块化设 计思想对控制系统软件的各个模块的软件进行设计。 最后，文中第五章对前述内容进行总结。并对存在的问题和需要进一步改 进的地方进行了分析和讨论。 关键词：线控转向、m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 、p i d 、模糊控制。 a b s t r a c t f o rt h em e c h a n i c a lc o n n e c t i o n sb e t w e e ns t e e r i n gw h e e la n dt u r n i n g v e h i c l ew h e e la r ee l i m i n a t e d ( s t e e r i n gw h e e lc o m m u n i c a t ew i t ht u r n i n g v e h i c l ew h e e lt h r o u g he l e c t r i ec o n t r o ls i g n a l ) a u t o m o t i v es t e e r b y w i r e s y s t e mg e tr i do fl i m i t a t i o no ft r a d i t i o ns t e e rs y s t e m ，w h i c hc a nn o to n l y d e s i g nf o r c et r a n s f e rt r a i tf r e e l y ，b u td e s i g na n g l et r a n s f e rt r a i tf o r v e e h i l e s t e e r i n g a u t o m o t i v e s t e e r b y - w i r es y s t e m i sa i m p o r t a n t i n n o v a t i o nw h i c hb r i n gi n f i n i t yd e s i g ns p a c ea n dg r e a ti m p r o v es t e e r c a p a b i1i t y m a i nc o n t e n t s ： i nc h a p t e ro n e ，w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fp o w e ra s s i s ts t e e r s y s t e ma n dr e s e a r c hs t a t u s 、p r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，k e yp a r t s ，c l a s s i f i c a t i o n o fs t e e r b y w i r es y s t e m i n c h a p t e rt w o ，t h eb a s i cs t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i co fs t e e r b y w i r es y s t e m & r ei n t r o d u c e d w em a k eo u tanew d r i v ef e e ls i m u l a t o rw h i c hc a np r o v i d ee n o u g hd r i v ef e e lf o rt h ed r i v e r m i c r o p r o c e s s o rh a r d w a r es y s t e mo fs t e e r b y w i r es y s t e m ，a n t i j a m m i n ga n d t i m e t r i g g e rt e c h n o l o g ya r et h ee m p h a s e so ft h i sc h a p t e r i nc h a p t e rt h r e e ， s t e e r b y w i r es y s t e mm a t h e m a t i c sm o d e li sb u i i d e d u pa n dw em a k eo u td y n a m i a se q u a t i o no fs y s t e m b a s eo nt h er e s e a r c ho f s y s t e mm o d e l ，w ea n a l y s et h ec o n t r o ld r i v ef e e la n dc o n t r o la r i t h m e t i e f o rf r o n tw h e e ls t e e r i n go fs t e e r b yw i r es y s t e m ， i m p r o v ev e h i c l e s t a b i l i t yt h r o u g hs i g n a lf e e d b a c kc o n t r 0 1 w ew o r ko u tc o n t r o ls t r a t e g y f o rt a r g e tc u r r e n ta n di n v e s t i g a t et h ec o n t r o la r i t h m e t i c a tl a s t ， w ec o m p a r et h ep i da r i t h m e t i cw i t hf u z z y p i dc o n t r o la r i t h m e t i c i nc h a p t e rf o u r ，w ec h o o s e1 6 b i ts c b lf o rc o n t r o ls y s t e ma n dd e s i g n e v e r ym o d u l es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mb a s eo nm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n f i n a l l y ，c h a p t e r5s u m su pa b o v ec o n t e n t s p r o c e e dt oa n a l y z ea n d d i s c u s sf o rs o m ep r o b l e m sa n d t h ep l a c et h a tn e e d e dt h ef u r t h e r i m p r o v e m e n t k e y w o r d ：s t e e r b yw i r e 、m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 、f u z z y p i d i i 武汉理工大学坝i 学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构。其作用是使汽 车在行驶过程中能按照驾驶员的操作要求而适当的改变其行驶方向，并在受到 路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合共同保 持汽车的操纵稳定性和安全性。对于汽车转向系统，除了要求其工作安全可靠、 操纵轻便、机动性好、高效节能外，还要求它能够在各种工况( 包括直线行驶、 正常转向、快速转向、原地转向等) 下，根据不同的行驶速度和路面状况，提 供最佳的路感“。 传统的汽车转向系统是机械系统，汽车转向运动是由驾驶员操纵转向盘， 通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。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( h p s ) ， 由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。近年来，由于电子技术的发展， 转向系统中越来越多地采用电子部件。电液助力转向系统( 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。由于驱动部分与发动机分离，减少了燃油消耗， 起到节能作用；驱动电机由控制单元控制，可通过修改转向速率、车速等参数 将其设计为可变助力特性。电动助力转向系统( e p s ) 是在机械转向系统基础 上加入电机作为动力源，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；整套系统对不同车型、不同工况以及不同驾驶员所 需的不同转向助力特性可通过软件修改，方便快捷。以上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，提高了汽车的行驶稳定性能，但却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”“。 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 ) 由于取消了转 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无限的空间，是汽车转向系统的重大革新”“。 1 2 汽车助力转向系统概述 武汉理工大学硕士学位沦立 汽车转向系统根据转向动力能源的不同可分为机械转向和动力转向两大类。 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向动力能源，其传力部件都是机械的，可靠 性高，受外界干扰较小。但由于驾驶员自身体力的限制，机械转向系统输出的转 向力矩较小，应用范围受到限制。动力转向系统是在机械转向系的基础上增设了 一套转向加力装置所构成的转向系，它兼以驾驶员体力和发动机动力作为转向能 源，在低速行驶或原地不动时，转向加力装置提供较大的助力转矩，减轻驾驶员 的负担：在高速行驶时，提供较小的助力转矩或不提供助力转矩，使得驾驶员在 高速行驶时有较好的路感”。 根据提供动力方式的不同动力转向系统可以分：液压助力转向系统( h p s - - h y d r a u l i cp o w e r e ds t e e l i n g ) 、电动液压转向系统( e h p s - - e l e c t r i c a l l y h y d r a u l i cp o w e r e ds t e e r i n g ) 、电动助力转向系统( e p s e 1 c c t r i c p o w e r s t e e r i n g ) 和线控转向系统( s b w - - s t e e r i n g b y w i r e ) ，其中线控转向系统( s b w ) 是未来的发展方向。传统的液压助力转向系统( h p s ) 的油泵与发动机直接联 结，即使汽车直线行驶，没有转向时油泵也一直处在工作状态，能量损耗大。 电动液压助力系统( e h p s ) 由一个专门的电动机驱动油泵来建立液压油压力， 以液压油作为传递动力的媒介。由e c u 控制电动机的起动和停止，一般仅在 需要助力转向的时候启动电动机，这样减少了机械损失，也减少了发动机燃油 油耗。e 肿s 系统虽然与传统h p s 系统相比有了较大得改进，也使得液压动 力转向系统日趋成熟和完善。但与此同时，也使得该系统结构更复杂、价格更 昂贵，而且仍然不能克服液压动力转向系统的一些固有缺点，如液压传动噪声 大、效率低、能耗大、转向盘中间位置路感差等。目前主要应用于高级轿车及 运动型乘用车上。 图1 1 电动助力转向的三种助力方式 电动助力转向系统( e p s ) 不需要油泵，转向助力由电动机直接提供，助力 的大小和方向由e c u 控制，并且只在需要的时候起动电动机助力，连液压系统和 液压油也省掉了，这样安装更加方便。由于不存在漏洞问题，可靠性提高了，且 有利于环保。e p s 依据助力电机助力位置不同可分：( a ) 转向轴式电动助力转向系 武汉理工大学硕士学位论文 统( c e p s ：c o l u m n e p s ) ；( b ) 齿轮轴式电动助力转向系统( p e p s ：p i n i o n e p s ) ； ( c ) 齿条轴式电动助力转向系统( r - e p s ：r a c k - - e p s ) ，如图l l 所示。电动助力 转向系统一般由扭矩传感器、车速传感器、电控单元( 控制器) 、电动机、离合 器和减速机构等组成。当转动转向盘时，扭矩传感器测出施加于转向轴的扭矩， 并产生一个电压信号。与此同时，速度传感器测出汽车的速度，也产生一个电压 信号。这两个信号经a d 转换后被送往控制器，经过控制器运算处理后，传 送给电动机一个合适的电流以产生扭矩，经减速机构减速以增加扭矩，施加在转 向机构上而得到一个与工况相适应的转向作用力。该系统与液压助力转向系统相 比：能显著改善汽车动态性能和静态性能、降低能源消耗、提高行驶中驾驶员的 舒适性和安全性、减少环境污染：同时该系统结构简单，占用空间小，布置方便。 此外，电动助力转向系统由蓄电池提供动力而独立于汽车发动机，不受发动机工 作的影响。一个完整的电动助力转向系统还应包括故障诊断与安全保护系统。当 发生故障时，能停止助力，并发出报警信号。显示所记忆的异常内容( 如传感器 本身异常及电动机工作是否正常，蓄电池是否正常工作等等) ，并在出现故障后， 自动恢复到手动控制方式转向“”。 e p a s 的关键技术既有硬件方面也有软件方面，硬件是其骨架，软件是其灵 魂。在硬件方面，高度可靠、价格便宜且精度又能满足要求的转矩传感器是一 项关键技术，因为在目前阶段，转矩传感器在各种e p a s 中都是必须的，它不仅 要在e p a s 正常工作时能够准确测量驾驶员施加的转矩，而且在e p a s 失效时也不 因为驾驶员施加的转矩增大而损坏；另一项关键技术就是提供助力的电动机， 因为在不同的情况下转向盘的转动速度相差很大，电动机要能够实现助力，其 转速范围也要很大，响应快，而且在堵转时也要能够提供助力作用。所以电动 机也是限制e p a s 在大型车辆上应用的主要原因之一。在软件方面，要实现对助 力电动机的助力控制、回正控制、阻尼控制，并实时监测转向系统豹情况，当 出现异常情况时采取相应的控制措施。好的控制方法还可以实现硬件的功能， 比如能够估计驾驶员输入的转矩。 1 3 汽车线控转向系统概述 1 3 1 线控转向系统的国内外研究现状( 包括发展水平和存在的 问题等) 川 汽车助力转向系统处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特 性随车速变化，驾驶员必须提前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。如果转向盘与转向轮通过控制信 3 武汉理工大学硕。学位论文 号连接，即采用线控转向系统，转向盘转角和汽车前轮转角之间关系( 汽车 转向的角传递特性) 的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担， 改善人一车闭环系统性能。 图1 2 线控转向系统结构示意图 线控转向的概念早就提出，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 _ l z 。德国凯撒 斯劳朦( k a i s e r sl a u t e r n ) “”大学和奔驰公司联合开发的样机，在实验室的 测试结果表明样机能够同时容许一个执行器( 包括微机) 故障和一个传感器故 障。欧洲b r i t e - e u r a m 涉及了与车辆安全相关的容错系统的研究，并制作了线 控转向的样机作为代表，证明这种概念的可行性。日本k o y o 也开发了线控转向 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。在 2 0 0 0 年9 月的法兰克福卡车展览会上，奔驰与z f 展示了自己的线控转向系统。 此外美国的d e l p h i 也开发了线控转向系统。2 0 0 2 年1 1 月在德国慕尼黑举行的 t t a 组织的论坛上，展出了a u d is 8 的线控转向系统，道路识别系统将路线轨 迹的信息通过t t p 总线传给计算机，计算机控制汽车的转向系统沿着道路行驶， 驾驶员可以随时对线控转向系统进行纠正“。 日本k o y o 技术研究所利用线控转向系进行主动控制的汽车，在附着系数 很小的坚实雪地上进行蛇行、变道、侧向风试验，根据它们的研究及实验结 果，基本能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。日本大学和本田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。他们从人一车闭环系统特性出发，设计了理想的转 向系统传动比，使汽车的稳态增益不随车速变化，并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。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少到了1 6 0 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“”“。意大利的b e r t o n e 设计开 发的概念车“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 t - - - c h r y s l e r 概 念车“r 1 2 9 ”，都采用了线控转向系统。美国的德尔福公司也丌发出了前轮和 武汉理工大学硕士学位论文 四轮线控转向系统，并应用于加州自动高速公路系统。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线控转向系统的研究，并开发出了实 用性的线控转向系统。其中d a i m l e r - - c h r y s l e r 开发的用操纵杆操作的线控转 向系统被列为2 0 0 0 年汽车十大新技术之一“”“。 目前由于汽车供电系统的因素，转向电机难以提供较大功率，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。要在重型载货汽车 上应用，还必须采用液压执行机构。 2 0 0 2 年9 月，通用汽车线传操控燃料电池车h y w i r e 在巴黎车展上首次全球亮 相，h y w i r e 为h y d r o g e n 与b y w i r e 的组合词，意为氢燃料驱动一线传操控。h y w i r e 车型的驱动和操控系统全部安装在酷似滑板的底盘内。车内没有发动机，也 没有操作踏板，仅有一个称为x d r i v e 的电控操作面板，方便地放置在车的左侧 或右侧。h y w i r e 彻底摒弃了转向、加速和制动等机械操控方式而采用线传电子 控制，使汽车的内部空间、车身外型以及汽车的整体设计都发生了前所未有的改 变。 线传( b y w i r e ) 操控技术的核心是智能机电传动装置，这些装置将司机指令的 电子信号转变为机械动作，该系统也通过电子信号向司机提供动态的反馈信息。 当汽车需要转向对，司机只需转动控制装置上的手柄，传感器即会捕捉到该动作 的数字信号，控制器便随即向电机发送一个控制指令，指示其带动转向齿条按转 向的需要移动。 现在，h y p e r c a r 、b m w 、d a i m l e rc h r y s l e r 等公司开发的线控转向系统已将 转向盘去掉，而在驾驶员身边设置一个转向操纵杆( b p s i d e s t i c ks t e e r i n g - b y w i r e ) ，这种系统已在他们的概念车上进行试验。转向操纵杆式的线控转向系统 具有具有如下众多的优点“： ( 1 ) 提高了安全性。汽车的正面碰撞时，转向盘、转向柱和踏板是造成驾驶 员伤害的3 个主要部件，取消了转向盘和转向柱自然就减少了由此造成的伤害； 此外，使用操纵杆后，由于主安全气囊可以布置在仪表板上，安全气囊与驾驶员 的距离增大，当撞车时，安全气囊就可以张得更大，增强了对驾驶员的保护。 ( 2 ) 降低成本。因为采用了操纵杆，省去了座位的调节装置，装配更加容易。 线控转向系统既保持了传统的e p a s 节能、环保等优点，又克服了e p a s 固有 的缺点，它的研制成功将为实现汽车智能化驾驶提供技术支持。 在我国，线控转向技术的开发尚属空白。本项目具有较高的学术价值，研究 结果对指导线控转向技术的国产化具有重要的现实意义。 1 3 2 开发线控转向系统的意义。5 武汉理工大学硕士学位论文 1 满足汽车智能化发展的需要 汽车智能化一直是人们追求的目标，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 或意外情况的时候，线控转向系统就能够在驾驶员做出反应之前开始采取相应的 动作以避免意外事故的发生。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，便可自动驾驶。 2 是提高汽车操纵稳定性能的必然需要 研究表明，变传动比( 是指转向系传动比随着车速以及转向盘转角的变化而 变化，而不是传统意义上仅仅随着转向盘转角的变化而变化) 的转向系能够提高 汽车的操纵性能，但普通的电动转向由于存在机械连接而很难满足这一要求。文 献”介绍的变传动比机构不仅结构复杂，而且汽车高速行驶转向系的传动比较 大，虽然这在一定程度上提高了操纵性能，但传动比的增大往往使得驾驶员获得 的“路感”信息减少，而适度的“路感”对高速行驶的车辆是十分重要的。 3 在发生撞车事故时，转向盘是造成驾驶员伤亡的重要因素，而转向盘的后移往 往也是由于存在机械连接造成的。 4 动力转向存在机械连接的主要目的之一就是出于安全的考虑，即在助力作用部 分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶的能力，这也是许多法规的要求。 但这样存在另一方面问题，即：若助力作用突然失效，虽然驾驶员可以靠机械连 接进行转向，但若驾驶员一时无法适应这种突然的变化，也会给驾驶汽车带来潜 在危险。 5 有利于汽车的设计与制造 由于线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，既可以腾出空间 以安装其他零部件，又可以根据不同国家的法规，实现转向盘左置和右置的灵活 改造。 1 3 3 线控电动转向系统关键闯题 汽车线控转向系统的实现，必须解决如下关键问题”“： 1 由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，提供给驾驶员的“路感”必须模 拟生成。如何生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的路感，是 实现线控电动转向系统必须解决的问题之一。 2 汽车线控转向系统的转向是通过转向拉杆位移的改变来带动汽车车轮的转 向，则如何实现转向随动是线控转向系统必须解决的另一关键问题。 3 电子部件如何保证线控转向系统稳定、安全、可靠也是线控转向系统应解决 重要问题。 武汉埋工大学硕士学位论文 1 3 4 本课题研究的主要内容 本课题的主要内容是： 1 建立了线控转向系统的硬件系统； 2 建立线控转向系统的动力学模型，基于此动力学模型建立了整个控制系统 的仿真模型。 3 根据系统的控制策略，确定了线控转向系统控制方案； 4 研究开发基于m o t o r o l a 公司1 6 位m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 单片机的控制电路。 5 对模糊控制在线控转向系统控制上的应用做了初步的研究，并根据所确定的 控制方案编制了相应的软件。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车线控转向系统的硬件系统 2 汽车线控转向系统的组成 方向盘 方向盘转角 图2 一l 线控转向系统结构示意国 汽车线控转向系统有两转向轮分别调节式和整体调节式两种，由于整体调 节式具有对传统结构的继承性好、结构简单、控制方便等特点，因此整体调节式 将是我国优先发展的一种结构型式。整体调节式线控转向系统的结构如图2 1 所示。它由以下四部分组成： 机械转向机构：包括转向盘，转向柱，转向电机，电磁施力器，原车型上 的转向器，转向拉杆。 传感器：包括方向盘转角、转矩传感器，拉杆位移传感器，安装在转向节 臂上的侧向加速度传感器。 电子控制单元：包括控制电路板及动力电路板两部分。 r ；i ；i ；_ 一一一1 一 图2 2 控制电路图 8 武汉理1 二大学硕士学位论文 线控转向系统的控制系统基本结构如图2 2 所示。控制系统硬件由控制 电路板及动力电路板两部分组成。控制电路板主要负责信号的采集，并通过已 制定的助力转向策略，计算和输出转向电机需要的控制信号“”“。动力电 路板将控制板输出的控制信号转变为电压信号来驱动电动机。 图2 3 是线控转向系统工作原理图。驾驶员的转向意图( 通过转向柱上 的转向盘角位移传感器输出转向盘左转或右转的转角信号) 转换成数字信号并 传递给转向控制器，在转向拉杆上安装一线位移传感器，利用转向拉杆左、右 移动的位移量s 来反映转向车轮转角0 的大小即转向控制器根据转向盘转角 由计算出拉杆的位移量s ，当转向拉杆的位移量达到所需值s 时，转向控制器 贝切断转向电机的电源，转向轮的偏转角不再改变。由于所选用的转向电机是 蜗轮蜗杆式减速电机，其运动不能逆向传动，因此，转向轮可保持所设定的偏 转角不变。当再次改变转向盘转角巾的大小时，转向控制器便重复上述控制 过程，并计算出新的转向拉杆的移动位移量s ，转向拉杆的位移量达到s 。时， 转向控制器再次切断转向电机的电源，汽车便保持新的转向状态。这种转向轮 偏转角0 随转向盘转角的变化而变化的功能，就是所谓的转向随动作用。 图2 3 线控转向系统工作原理图 当汽车需由转弯行驶回复到直行状态时，驾驶员只需松开转向盘，回位弹 簧便将转向盘推回到原直行位置，转向控制器反向接通转向电机的电源，转向 电机驱动转向器并通过拉杆机构将转向轮拉回到直行状态，这就是转向回正。 2 汽车线控转向系统微处理器 2 2 1 微处理器的选择 微处理器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向电机 武汉理工大学硕士学位论文 和方向盘电磁施力器发送命令，控制其工作，尽可能保证在不同车速下汽车转 向响应特性基本一致，减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化而进行补偿的任 务，减轻驾驶员负担。同时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，线控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，而以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快恢复到稳定状态。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掩算法，针对不 同的故障形式和故障等级作出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行 驶2 “。 微处理器的选择是系统设计的重要环节，直接影响到助力转向控制系统的 性能。微处理器要处理大量的输入输出信号，而且要实现高精度和实时控制， 因此微处理器必须有高速实时计算、高速实时输入和输出、高速高精度a d 、多 中断响应等特性。满足助力转向性能要求的主控制器有可编程逻辑器( p l c ) 、 高性能单片机、工控机和数字信号处理( d s p ) 等，这四种控制器各有优缺点 2 5 【2 6 ) 1 可编程逻辑器件( p l c ) ：p l c 是专门为顺序生产过程而设计的控制器， 它替代传统的继电器，具有很强的时序性。抗干扰能力强，因为p l c 是专门用 于工业现场环境，在抗干扰方面优越于单片机。而且p l c 的输出形式为数字脉 冲形式，与电磁阀连接容易，可以通过开关量直接驱动电磁阀、电磁继电器和 电磁开关等；同时可以节省大量的外围驱动电路。但是，p l c 难以完成某些控 制，因为p l c 是一种时序性很强的步序式控制器，所以其计算能力不是很强， 这就限制了一些控制方案的实现。虽然最近也出现了一些具有较强计算能力的 p l c ，但其本质并没有脱离原来的特点，仍然是基于循环扫描和程序执行的方 式，往往影响计算速度。 2 单片机：在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片 机，尤其是新型的8 位、1 6 位单片机具有a d 、p w m 、e e p r o m 、比较输出、捕 捉输入、s p i 接口、异步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。单片机成 本低，易开发，虽然单片机价格不断下降，但其技术含量却不断提高。另外， 单片机的应用已相当广泛，有许多可以借鉴的成功范例与大量的公用程序，提 高程序设计的效率。单片机尺寸小，结构易布置，芯片及其外围接口电路可以 紧凑地放在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便( 面板的形 状和大小都可以在一定程度上随意设计) 。对于一些比较复杂的控制，其计算 量往往很大，这样计算速度将直接影响计算精度，因此单片机一般用于下位机 和小型控制上：与此同时，单片机易受外界干扰，单片机系统属于弱电系统， 武z 理工大学硕士学位论文 比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响，甚至也容易受到恶劣工作环境的影 响，所以必须采取抗干扰措施。 3 数字信号处理器( d s p ) ：具有典型的数字信号处理能力的d s p 芯片普 遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构，采用流水线技术，即每条指令 都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个步骤，从而在 不提高时钟频率的条件下减少每条指令的执行时间：d s p 芯片大多带有d m a 通 道控制器和串行通讯口。 综合以上分析和基于性价比的考虑，本课题选用m o t o r o l a 公司于2 0 0 2 年 推出的性能最好的一款1 6 位m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 顶级单片机，它内置b m d 背景 调试模式，只需要6 根线即可进行在线调试，f l a s h 可以重复擦写1 0 万次以上。 图2 4 为m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 单片机功能结构图，其主要特点有“： ( 1 ) 1 6 位h c s l 2c p u 指令集于m 6 8 h c l l 向上兼容，c r g 模块( 低电流晶振，锁相环p l l ，复位 功能，看门狗，实时中断) ，2 5 6 kf l a s he e p r o m ，4 ke e p r o m ，1 2 kr a m ，支持 嵌入式操作系统。 ( 2 ) 两个8 通道1 0 位a d 转换，具有外部转换保持功能。1 0 位单次a d 转换只需7s ，可编程a d 采用时间，a d 转换完毕触发中断。 ( 3 ) 增强型输入捕捉时间模块 1 6 位的计数器，提供七种不同的预分频，8 个可编程的输入捕捉和输出比 较功能的通道，2 个8 位或1 个1 6 位的脉冲累加器。 ( 4 ) 8 个p 1 i i m 通道 可编程的周期和占空比，8 位次通道或1 6 位4 通道，为每个通道提供独立 的频率和占空比的控制，占空比可以中间对齐或左边对齐，可编程的时钟选择 逻辑可以提供宽范围的频率选择，快速紧急判断功能。 ( 5 ) 五个c a n 模块，传输速率1 m s ，与c a n 2 o a b 软件兼容。五个接收缓 冲器和三个发送缓冲器，o 8 字节可编程数据长度，可编程序的标识符，支持 2 3 2 、4 x 1 6 、8 8 的滤波功能，四个独立的中断源，接受缓冲区满中断、发 送缓冲区空中断、错误中断、唤醒中断，提供自我检测的回环控制功能，独有 的监听模式，可监听c a n 总线上所有的信号。 ( 6 ) 串行接口 两个异步全双工通讯接口s c i ，1 3 种频率选择，标准n r z 传输格式，硬件 奇偶校验，三种工作模式，8 个中断标志。三个同步串行外围设备接口s p i ， 采用主从模式，双缓冲区操作，三种工作模式。 ( 7 ) 内部i c 总线和1 2 c 总线标准兼容，支持多主器件工作模式，可编程 武汉理工大学硕士学位论文 , r 口l y t , l v 口一 v 骆 - 、，s g 一 士 釜 ，u 一馏粼各柏 ) 讽l _哪- + 飙一蝌， 毒 士 q 咄m a 雄# w j 徽一 幅霹 守 珏6 6 葡j ： 柚c h ， x 叼。刚： q 均r 了i 砑啦o m ! 瑚岫o 刖，l 嚣 图2 4m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 单片机简图 &最羞丧o29j；鼍；i工lj毒 武汉理工大学硕士学位论文 的2 5 6 种不同的串行时钟频率，提供起动、停止、重新起动、反馈、总线忙等 各种信号的检测和产生。 ( 8 ) 1 1 2 脚l o f p 封装 u o 口5 v 输入和驱动功能，5 va d 转换输入，能工作在2 5 mh ，的总线频率， 单线的背景调试( b d m ) ，芯片内置的硬件断点功能。 由以上特点可以看出，1 6 位的m c 6 8 h c 9 s 1 2 d p 2 5 6 单片机具有丰富的片上 硬件资源及高运算速度，这为实现复杂的控制算法提供了保障，而且几乎不需 系统扩展即可满足控制系统对硬件资源的需求，极大提高了系统可靠性。 2 2 2 系统的抗干扰性n 8 单片机的工作可靠9 0 取决于抗干扰设计，较强的干扰很容易造成i c 卡 电度表控制系统出现软件故障，使程序因干扰而脱离正常运行顺序或飞出程序 可执行区而进入死循环失去控制，如不能快速脱离此状态，恢复程序的运行， 电度表将无法正常工作。若干扰窜入计量采样脉冲，将会导致计量失误，造成 单片机误动作而失去计量的准确性。因此必须采取有效措施遏制干扰地窜入， 保证电度表可靠地运行。 不同系统的工作环境不同，干扰源也不同，抗干扰所采取的措施就有所不 同。工业现场环境中干扰是以脉冲的形式进入单片机系统，其主要的渠道有三 条：空间干扰，供电系统干扰，过程通道干扰。干扰对系统性能的影响有：使 数据采集误差的加大：程序运行失常；系统被控对象误操作；被控对象状态不 稳定：数据发生变化：定时不准。 可以通过硬件和软件两个方面的设计来提高单片机应用系统抗干扰力。 2 2 3 系统的安全性m o 作为一个事关汽车行驶安全的控制系统，转向系统必须配备安全模块和自检 模块以确保系统安全可靠的运行和维修的方便。对于机械系统而言，可以通过 精心设计来实现系统的安全性和可靠性，就像机械转向系统和助力转向系统一 样。线控转向系统中转向盘与转向轮之间的机械连接不再存在，完全依靠电子 和电气元件来工作，因此要实现系统的安全性和可靠性，这就需要采用容锗技 术。 容错技术的实现主要依靠冗余，即所设计的系统在功能上或者数量上有一 定的冗余，在某个零部件出现故障时，其冗余部分就承担起相应的功能。容错 技术是近二三十年来发展起来的新技术，采角容错技术可以设计高度可靠性的 武汉理工大学硕士学位论文 产品，并且已经取得了一些应用成果，这也为线控转向系统的开发创造了条件。 线控转向系统的容错技术的研究方法主要有基于硬件结构的研究方法和基于 鳃析冗余度的研究方法；硬件结构的方法可以用硬件冗余或者智能结构来实 现。而解析冗余度则主要采用重构容错控制方法和鲁捧容错控制方法实现；其 中硬件冗余、重构容错控制方法和鲁棒容错控制方法实现都依赖于冗余；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。考虑到成本因素，不希望有太多的冗余。二重冗 余是最少的冗余结构，在二重冗余中只可采用重构容错控制方法，这样故障检 测与诊断是实现系统容错功能的一项关键技术；在其中一个部件发生故障后， 用重构容错控制方法重构系统( 包括重新调整控制方法和分配硬件功能) 的过 程中，如何实现性能的平稳过渡而不至于让驾驶员感到明显不适也是一个值得 研究的问题；对于发生暂时性故障的部件，如何在故障消除以后重新集成到系 统中也很重要。为了实现系统的容错功能，控制单元必须时刻监控各个零部件 的工作状态，因此系统内部的通信就显得尤为重要。研究发现，现在常用的采 用事件触发的通信系统( 如广泛采用的c a n ，v a n ，a u t o l a n 等) 都不能够满足 高度安全性的要求，而采用时间触发可以较好满足这个要求”“。 应用层 1 。r p ，c 逼 于蕞筑 1 r 引c ：总 图2 5t t a 基本结构 时间触发系统的控制信号起源于时间进程，它与事件触发系统的工作原理 大不相同，事件触发系统的控制信号起源于事件的发生，因此，时间触发通信 具有较高的可预测性和较为简便的及时测试功能。“。 时间触发通信协议的典型代表是时间触发协议( t i m et r i g g e r e d p r o t o c o l ，简称t t p ) ，建立在这种协议基础之上的计算机架构称为时间触发架 构( t i m et r i g g e r e da r c h i t e cs u r e ，简称t t a ) 。图2 5 为3 个节点的t t a 示意图。t t p 是一种用于分柿式实时容错系统中电子模块之问进行实时通信的 武汉理工大学硕士学位论文 协议，t t p c 的最初目的是为了满足s a e 对c 类电子应用的要求，现在的协议 是针对与汽车、航天的电子设备以及工业控制的分布式容错系统”“。它的基本 工作原理是基于时分多址的总线访问策略，即每一个节点都被分配了一个时间 片，在这个时间片内，这个节点具有对总线的独占权，以发送消息，可以用图 2 6 表示。在时间片s 1 内，节点l 占用总线，发送消息，而节点2 、3 无权利 用总线发送消息，只能接收消息。同理在时间片s 2 、s 3 内，节点2 、3 分别占 用总线，发送消息。这样就能够保证在任一个节点发生故障时，其信息会及时 发出而得到相应的处理。除了t t p c 外，f l e x r a y 是另一种新的更具有灵活性 的通信协议，它也是采用了时间触发的通信方式。 n nn i nn nn nn 几n f s - 一一 最 一一 蜀 一 图2 6t t p c 的工作过程 2 3 汽车线控转向系统电磁施力器口叼 图2 7 电磁式施力器 线控转向操纵的路感由电磁施力器提供：电磁施力器的结构如图2 7 所 示，由固定在转向柱上的环形永磁铁及鼠笼式导条等两大部分组成，鼠笼式导 条固装在车身上。 当汽车转向轮偶遇路面凸起物的冲击而偏转时，安装在转向节臂上的侧向 加速度传感器测出转向轮横向偏摆的加速度a 。并将其传送给e c u ，e c u 根据 加速度a ，的方向确定加在电磁施力器上的电流方向，以获得与之对应的电磁力 武汉理工：k 学硕士学位论文 的方向；且根据加速度a ，的大小确定加在电磁施力器上电流的大小，以获得所 需的作用在方向柱上的电磁力，即得到合适的路感。 若加在鼠笼式导条上的电流方向如图2 7 所示，由左手定则知，转向柱 将受到一逆时针电磁力的作用，力的大小与电流i 成正比，即f = k i ，若改变电 流方向，即电流方向与图2 7 所示的方向相反时，则转向柱将受到一顺时针 的作用力。 2 4 转向电机的选择b 劬 转向电机是线控转向系统的核心部件，它的性能决定着整个系统的性能。 在行驶过程中，驾驶员根据实际道路情况不断地转动方向盘，调整行驶方向， 因此，线控转向系统的驱动电动机要能够实现双向运行。由于汽车供电系统的 因素( 汽车是以蓄电池为其电源) ，转向电机难以提供较大功率，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( 轿车提供的电源为 1 2 v ) ，确定了转向电机的额定电压也为1 2 v ，由于助力电机的功率一般较大， 此时额定电流也较大，易造成电机发热。又考虑到线控转向系统的随动性和反 应的快速性，这样就决定了选用蜗轮蜗杆式减速电杌作为其助力源。对电动机 驱动控制电路的要求是能够以高精度，快速地调整电动机的转速和输出转矩， 且因蜗轮蜗杆式减速电机的运动不能逆向传动，可使转向轮保持所设定的偏转 角不变，而达到线控转向系统助力的要求。“”。 2 5 传感器的选择扭铂 汽车振动、温差、电磁干扰、车辆振动、灰尘等特定行驶环境和人身安全 的考虑要求汽车用传感器必须可靠而灵敏。在线控转向系统中，电控单元需要 从多种传感器获得与控制有关的信号，这些传感器用以确定转向助力和进行故 障自诊断。因此，对于转向系统得到正确、稳定的信号至关重要。 方向盘转角、转矩传感器分为非接触式和接触式两种。目前接触式用得较 多的是电位计式扭矩传感器，非接触式用得较多的是电磁感应式、光电式和超 声波式扭矩传感器。接触式成本较低；但受温度与磨损影响易发生漂移、使用 寿命较低、需要对制造精度和扭杼刚度进行折中，难以实现绝对转角和角速度 的测量。非接触式的测量精度高、抗干扰能力强、刚度相对较高、易实现绝对 转角和角速度的测量；但成本较高。因此传感器类型的选取应根据线控转向系 统的性能要求进行综合考虑。 线控转向系统中的转角、转矩传感器测量的功能是检测