（车辆工程专业论文）线控转向系统控制算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着控制技术的高速发展，越来越多的电子控制设备被运用到汽车上。线控 转向系统就是在这样的背景下产生的，其主要特征是用控制信号取代了转向盘和 转向车轮之间的机械连接。虽然，线控转向系统至今还没有形成成熟的理论和产 品，但其所显现的变传动比等优势是传统机械转向系统所无法比拟的，它是转向 技术未来的研究方向，是转向系统发展的最高形式。到目前为止，几乎世界上的 各大汽车厂商和研究机构都投入了一定人力和物力对线控转向系统进行研究。 本文在借鉴国内外研究成果的基础上，围绕基于理想传动比的线控转向系统 的控制算法，做了以下工作： 介绍了线控转向技术的国内外研究现状和发展前景，对线控转向系统的系统 结构、性能特点及关键技术作了简单阐述。在此基础上，进一步介绍了线控转向 系统的结构原理，包括转向盘总成、转向执行机构、主控制器、自动防故障系统、 电源等。 建立了线控转向汽车的动力学模型和a d a m s 整车模型。线控转向汽车动力 学模型：在线控转向系统受力分析的基础上，建立了转向盘总成动力学模型和转 向执行机构动力学模型。其次介绍了d u g o f f 轮胎模型，推导了轮胎回正力矩的 数学表达式并建模。最后建立了一个中等复杂的四自由度( 车辆的纵向、横向、 横摆以及侧倾自由度) 汽车整车动力学模型。a d a m s 整车模型：用a d a m s 软 件建立了用于实验仿真的整车模型，建模过程中，对不影响汽车转向系统性能的 结构作了简化。在a d a m s 整车模型的基础上，引入驾驶员模型和道路信息进行 仿真试验，验证了模型的可行性。 探讨了线控转向系统目标前轮转角控制算法。为了满足汽车的操作稳定性对 转向系统提出的要求，在分析了转向系统角传动比的影响因素后，提出了线控转 向系统的理想角传动比的概念。在理想角传动比的理论基础上，设计了线控转向 系统目标前轮转角控制算法，并结合车辆模型进行了仿真试验。试验结果表明目 标前轮转角控制算法对改善汽车的转向特性有很大的帮助。 线控转向系统p i d 控制算法。为了进一步改善汽车的转向特性，结合线控转 向系统的特点，提出了线控转向系统p i d 控制算法，并进行了仿真试验分析。分 析结果表明该算法对线控转向系统具有较好的效果，能增强汽车的操作稳定性和 安全性。 关键词：线控转向系统，前轮转角，控制算法，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i c c o n t r o ld e v i c e sa p p l i e dt ot h ec a l u n d e rs u c hab a c k g r o u n d , s t e e r - b y - w i r e ( f o rs h o r t s b w ) s y s t e ma p p e a r s ，t h ed i f f e r e n c ef r o mt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e mi s t h a tt 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 ns t e e r i n gw h e e la n ds t e e r i n gw h e e li sr e p l a c e d b yc o n t r o ls i g n a l c u r r e n t l y , t h e r ei sn om a t u r et h e o r yo rp r o d u c t s ，b u tt h ev a r i a b l e s t e e r i n gr a t i oa n do t h e ra d v a n t a g e so fs t e e r - b y - w i r es y s t e mc a n tb es u r p a s s e db y t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e m t h et e c h n o l o g yi st h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h e f u t u r e ，i st h eh i g h e s tf o r mf o rd e v e l o p m e n to fs t e e r i n gs y s t e m s of a r , a l m o s ta l lt h e m a j o rc a rm a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n si nt h ew o r l dh a v ei n v e s t e da n a m o u n to f h u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e st ot h es t u d yo ns t e e rb yw i r e b a s e do nd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s ，t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h e f o l l o w i n gw o r k sw i t hf o c u so ns t u d yo fc o n t r o la l g o r i t h ma b o u tf r o n t w h e e lc o m e rf o r s b w s y s t e m r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t sa th o m ea n da b r o a do ns t e e r - b y - w i r e t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d s y s t e ms t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e y t e c h n o l o g i e so fs b ws y s t e ma r eb r i e f l yd e s c r i b e d o nt h i sb a s i s ，i n f o r m a t i o na b o u t s y s t e mp r i n c i p l e so fs t e e r - b y - w i r es y s t e mi sg i v e n ，i n c l u d i n gt h es t e e r i n gw h e e l a s s e m b l y , s t e e r i n ga c t u a t o r , t h em a i nc o n t r o l l e r , f a i l s a f es y s t e m s ，p o w e rs u p p l ya n d s oo n e s t a b l i s h e das b ws y s t e md y n a m i cm o d e la n da d a m sv e h i c l em o d e l s b w s y s t e md y n a m i c sm o d e l ：b a s e do nf o r c ea n a l y s i sa b o u ts b ws y s t e m ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h sd y n a m i cm o d e lo fs t e e r i n gw h e e la s s e m b l ya n dt h es t e e r i n ga c t u a t o r t h e n ，w ei n t r o d u c ed u g o f ft i r em o d e l ，d e r i v eam a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no ft h et i r e a l i g n i n gm o m e n t f i n a l l yf o u n dam o d e r a t ec o m p l e xf o u rd e g r e e so ff r e e d o m ( 1 0 n g i t u d i n a l ，l a t e r a l ，y a wa n dr o l l o fav e h i c l e ) d y n a m i cm o d e lo fa u t o m o b i l e a d a m sv e h i c l em o d e l ：w eb u i l dav e h i c l em o d e lf o rt h ee x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n t h r o u g h ta d a m ss o f t w a r e ，u n d e rm o d e l i n gp r o c e s s ，w es i m p l i f ys o m es t r u c t u r a l w h i c hd o n ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gs y s t e m b a s e do nt h ea d a m sv e h i c l e m o d e l ，w ec o n d u c t e das i m u l a t i o nt e s tb yj o i n i n gap i l o tm o d e la n dr o a di n f o r m a t i o n ， a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e lh a sb e e nv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nt e s t s t u d yo fc o n t r o la l g o r i t h ma b o u tf r o n t w h e e lc o m e rf o rs b ws y s t e m i no r d e rt o m e e tt h ed e m a n do fao p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo fav e h i c l e ，a f t e ra n a l y s i n gt h ef a c t o r so fa u 武汉理工大学硕士学位论文 a n g l et r a n s m i s s i o nr a t i oo fs t e e r i n gs y s t e m ，w em a d et h ei d e a la n g l et r a n s m i s s i o nr a t i o o fs t e e r i n gs y s t e m b a s e do nt h et h e o r yo ft h ei d e a la n g l et r a n s m i s s i o nr a t i o ，c o n t r o l a l g o r i t h ma b o u tf r o n t w h e e lc o m e rf o rs b ws y s t e mi sd e s i g n e d ，a n dw ec o n d u c t e d s i m u l a t i o nt e s t t h er e s u l t ss h o w st h a tc o n t r o la l g o r i t h ma b o u tf r o n t w h e e lc o r n e ri s h e l p f u lf o ri m p r o v i n gt h es t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s p i dc o n t r o la l g o r i t h mf o rt h es b ws y s t e m t oi m p r o v e a ，c a r ss t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，w ep r o p o s ep i dc o n t r o la l g o r i t h m ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs b w , a n dc o n d u c t e ds i m u l a t i o nt e s t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi sg o o df o r s b w , c a i le n h a n c et h ev e h i c l e so p e r a t i o ns t a b i l i t ya n ds e c u r i t y k e y w o r d s ：s t e e rb yw i r e , f r o n t - w h e e lc o m e r , c o n t r o la l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n i l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：邀e 噍e t 期：忍丛生茎土吵 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 汽车作为机械制造技术、电子技术、信息技术、高新材料技术等多种技术的 集成体，逐渐走进了千家万户。汽车刚诞生时，仅仅是作为代步工具使用的，而 目前它已经承担了代步、通讯、办公甚至娱乐等多种功能，汽车从刚诞生时的纯 机械产品开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，电子装置占汽车整车价值 量的比例逐步提高。汽车，早已经成为人类现代生活中不可缺少的重要组成部 分，成为了衡量人类生活水平和综合科技水平进步重要标准之一。近些年来，我 国汽车产业发展迅速，被列为了国家发展的一大支柱产业，在国民经济中占有十 分重要的地位。为了尽快赶上发达国家的汽车制造水平，国家出台了一系列的鼓 励政策，力求加快我国的自主开发和技术创新能力建设。 汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，是用来保持或者改变汽车 行驶方向的机构，能与行驶系统配合共同保持汽车的操纵稳定性和安全性。随着 交通问题的日益严峻化、车辆行驶的高速化、驾驶人员非职业化、车流的密集化， 广大车辆设计人员迫切需要设计出一款具有良好操纵性能的车辆转向系统，而汽 车相关电子信息和控制技术的引入，为其提供了良好的契机瞳3 。 汽车传统的机械转向系统，驾驶员的转向操作是通过转向器和一系列的杆件 传递到转向车轮的。目前应用较多的是液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n g ，简称h p s ) ，其技术成熟、工作可靠，并可以减轻驾驶员体力负担。 近年来，随着技术的发展，越来越多的汽车开始采用电液助力转向系统 ( 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 ) 和电动助力转向系统 ( e l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) ，与液压助力转向系统相比，两者不 仅具有安全、节能、环保等优点，还能通过修改控制器算法轻松地改变转向系统 的助力特性。但是，无论是液压助力转向系统，还是电液助力转向系统或者电动 助力转向系统，由于受到固有的机械原理方面的限制，转向系的角传动比是固定 不变的，这导致了汽车的转向特性随车速的变化而变化，无法实现汽车的主动转 向控制等缺点。也就是说，在汽车转向时，驾驶员必须根据转向特性的变化进行 一定的补偿操作，从而控制汽车按其意愿行驶，很大程度上影响了汽车的操纵稳 定性和驾驶舒适性。 线控( x - b y - w i r e ) 技术最初是应用在航空航天领域，是利用电气信号的形式， 通过电缆实现人对操作对象的运动进行控制的一门新技术。就汽车转向系统而 言，如果去掉传统转向系统中的传动机构，如转向柱等，而将驾驶员转动转向盘 武汉理工大学硕士学位论文 的操作与转向车轮的偏转之间通过电气信号及控制器连接起来，从而实现驾驶员 对汽车行驶方向的控制这就是线控转向系统( s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ，简称 s b w ) 。该系统中，驾驶员转动转向盘的操作仅仅是向车辆输入自己的驾驶指令， 而由控制器根据驾驶员指令、当前汽车实时工况和路面状况确定合理的前轮转 角，从而实现转向系统的智能控制。线控转向系统在汽车上的应用，将在很大程 度上提高汽车的操纵稳定性和安全性，并降低驾驶员操作负荷。 线控转向系统中，转向盘和转向轮之阃不再采用机械方式连接，取而代之的 是电气信号及控制器，彻底摆脱了传统转向系统的固有限制，使车辆设计人员能 自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带来 了很大的自由发展空间。 线控转向系统的角传动比由控制器控制，容易实现变传动比，使转向系的角 传动比能随着车速以及转向盘转角等参数的变化而变化。一方面，可以解决一直 困扰传统转向系统的“轻”与“灵”的矛盾，低速时采用较小的传动比，此时转 向系统“灵”，高速时采用较大的传动比，转向系统变得“轻”。另一方面，可以 实现主动转向，线控转向系统的控制器可以接受如侧偏传感器、横摆角速度传感 器等传感器的信号。当监测到汽车出现紧急或危险情况时，线控转向系统就能够 在驾驶员做出反应之前采取相应动作以避免事故的发生。 本课题在充分消化和吸收国内外晟新研究成果的基础卜，着重研究线控转向 汽车前轮转角控制算法，以满足转神系统在低速时的灵活性与高速时的稳定性要 求，降低驾驶员工作负荷，实现理想转向特性。 图卜i 斯坦福德大学的线控转向实验车一p 1 。1 1 2 线控转向技术的发展现状及前景展望 线控转向系统中，转向盘和转向轮之问不再采用机械方式连接，取而代之的 是电气信号及控制器，彻底摆脱了传统转向系统的固有限制，使车辆设计人员能 自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，给汽车转向特性的设计带束 武汉理 大学硕士学位论文 了很大的自由发展空间。实践证明：线控转向系统可咀大幅度的改善汽车转向特 性，提高汽车的操纵稳定性，并降低驾驶员的操纵负荷。 1 2 1 线控转向技术的发展现状”l 早在二十世纪五十年代，1 r w 等转向系统开发商就提出线控转向系统的概 念试图取消转向盘和转向轮之间的机械连接。六十年代束德国的k a s s e m a n n 等也设计了与此类似的主动转向系统，这便线控转向系统的雏形。但受到当时电 子控制技术的制约；线控转向系统没有得到深入研究。 随着电子控制技术的发展，近年来，世界各大汽车厂家和研发机构，如奔驰、 宝马、z f 以及光洋( k o y o ) 精工技术研究所等，都丌始对汽车线控转向系统做深 入研究，并已取得了一些可喜成果，某些国际著名汽车生产商已在其概念牟上安 装了线控转向系统，如宝马公司的b w mz 2 2 概念车，图卜2 所示。 1 9 9 0 年，奔驰公_ 【j j 丌始了前轮线控转向系统的深入研究，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。1 9 9 8 年，z f 公司宣布成功开发了电 动助力转向系统( e p s ) ，之后也丈力丌展线控转向系统的开发研究目前已经有 整套的线控控转向系统，如图卜3 所示。 2 0 0 0 年9 月的注兰克稿卡车展览会上，d a i m e r c h r y s l e l * 与z f 公司均展示 了各自开发的线控转向系统。其中，由d a i m l c rc h r y s l e r 开发的用操纵杆操纵 的线控转向系统被列为2 0 0 0 年汽车十大新技术之一。 固卜2b 州z 2 2 转向盘图卜3z f 公司的s b w 系统 2 0 0 1 年的第7 1 届日内瓦国际汽牟展览会上，世界各大汽车厂家都展示了最 新的线控转向技术。意大利的b e r t o n e 汽车设计丌发公司的概念车“f i l o ”、该 车转向、加速、制动、换档、离台均借助线控技术，驾驶员所有的操作都通过控 制信号控制相应的执行器。宝马公司展示了概念车“b 悱z 2 2 ”，其应用了线控转 向和线控制动技术，该车转向盘的转动范围减少到了1 6 0 度，大大降低了汽车大 转弯时驾驶员的操作负荷。另外，本届展览会上，雪铁龙和奔驰公司也展出了装 有线控转向系统的概念车，“cc r o s s e r ”和“r 1 2 9 ”。 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 0 2 年9 月，通用汽车公司的燃料电池车“h y w i r e ”在巴黎车展上首次全 球亮相，“i 【yw i f e ”为t l y d r o g e n 与b yw i r e 的组合词，意为“氢燃料驱动 线控操作”。该车仅用一个称为xd r i v e 的电控操作面板代替了转向盘和脚踏板 的全部功能，转向、加速和减速完全采用电子控制方式。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。 2 0 0 3 年纽约国际车展上日本丰田公司推出了采用线控转向系统的概念车 1 e x u sh p x ，实现了车辆的自动控制。 2 0 0 7 年，第4 0 届东京车展，闩本精工展示了“双连杆臂式线控转向系统 ( d p a s s ) ”，圈卜4 所示。该系统左右转向轮处各布置了一个转向执行电机，分 别操纵左右转向轮，可以实现阿克曼转向。由于电机直接操作转向车轮，省掉了 转向转动机构，如齿条、转阳器等，结构大幅简化、提高空间效率。另外，两个 转向执行电机还能互为备份，具备故障保护功能。 2 0 0 8 年7 月2 3 日，在“a ti n t e r n a t i o n a l2 0 0 8 ”上捷太格特现场演示 t 其诈在开发的线手搴转向抟术如罔1 5 所示。 图卜4 双连杆臂式线控转向系统( d p a s s ) 图卜5 捷太格特研制的线控转向系统 在国内，线控转向系统方面的研究起步较晚，与国外的研究水平相比，还存 在比较大的差距，但在相关技术上也取得了较大的进步。目前国内部分科研机构 也开始涉足线控转向系统相关研究领域，纷纷投入的人力、物力对其进行研发。 线控转向系统的研究对提高我国汽车产业的国际竞争力和开发自主知识产权品 牌具有重要意义。 在理论研究方面，部分汽车厂商和高校已经取得了一些进展。上海大众汽车 有限公司总结了国外汽车线控转向技术的研究成果，阐述了线控转向系统的关键 技术、主要问题及解决方法。吉林大学宗长富教授等进行了变传动比、转向盘 回正力矩和稳定性算法等关键技术进行了研究，并建立起了线控转向系统的实验 台架。北京理工大学于蕾艳等通过建立系统的动力学模型，仿真研究表明线控转 向系统可以实现主动转向，既改善了汽车安全性又提高了操纵稳定性。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，提出了模 武汉理工大学硕士学位论文 糊p i d 和p i d 控制算法，并做了仿真分析。 在应用研究方面，2 0 0 4 年第六届上海国际工业博览会上，同济大学展出了国 内首辆装备线控转向系统的概念车“春晖三号 ，该概念车属于线控转向四 轮驱动微型概念车，“春晖三号的研制成功标志着我国线控转向领域研究的一 个质的突破。中科院合肥智能机械研究所在国家8 6 3 计划的资助下相继成功开发 了两款智能转向控制器，并应用到叉车上，取得了很好的效果。 目前，我国在线控转向系统方面的研究和开发尚处于起步阶段，很多方面的 研究还仅仅处于理论阶段，没有经过实践的考证，还需要我们投入大量的人力和 物力去进行研究。 1 2 2 线控转向技术的前景展望1 4 。7 l 汽车线控转向系统的基本设计理念是以减轻驾驶员的操作负荷、有效改善车 辆转向系统响应特性、提高汽车安全性、降低燃油消耗为目标的。线控转向系统 使汽车的转向特性更易被掌握，更适合广大非职业驾驶员的要求，对广大消费者 有着巨大的吸引力。正因为如此，线控转向技术得到了世界各大汽车制造厂商、 科研机构及设计机构的重视。 从线控转向系统生产成本来看，随着电子技术和微型计算机技术的高速发 展，线控转向系统所需要的电子芯片和电子元器件的成本会迅速降低，成本会在 不久的将来达到消费者能够接受的水平。采用线控转向等电子控制技术后，电子 部件更换方便的优点使得汽车维护费用降低，而且还能够推动远程诊断、远程维 护技术的新发展，进一步降低汽车的维护费用。另外，从汽车生产商来看，线控 转向系统的应用也会降低其开发费用。对不同的车型而言，线控转向系统只是软 件部分的不同，硬件部分改变不大，只要修改软件部分的控制参数，就可以使其 适合其它车型，节省大量的开发费用和时间。 从线控转向系统实现的条件来看，电动助力转向系统e p s 已经发展成熟，线 控转向系统可以借鉴其相关技术。车用4 2 v 电源的即将普及，使线控转向系统的 供能问题得到圆满解决。另外，随着电子芯片和电子元器件处理能力和可靠性的 大大提高，各种车用传感器如非接触扭矩、转角传感器、横摆角速度传感器等的 精度的不断提高，大量应用成为可能。 从现代汽车的发展趋势来看，线控转向系统符合安全、环保、智能的要求， 辅助驾驶系统和无人驾驶系统等新兴热门领域将迫切需要开发出一款线控转向 系统，这些都给线控转向系统带来了广阔的应用前景。 1 3 线控转向系统的结构、性能特点及关键技术 在线控转向系统中，驾驶员转动转向盘的操作并未直接施加于汽车的转向 武汉理工大学硕士学位论文 轮，而是通过转向盘和转向轮之间的传感器，控制信号、控制器、执行电机等一 系列的步骤来间接实现的，驾驶员转动转向盘的操作仅向传感器输入了控制信 号，该控制信号通过信号电缆输入转向主控制器，主控制器再结合当前车辆状态 和路面状况确定台理的前轮转角，并控制转向执行电机完成转向任务 1 3 1 线控转向系统的结构 汽车线控转向系统由机槭装置、微控制器、电机、控制软件、电子助力装置 和车用传感器等组成。根据功能模块的不同，可以将线控转向系统划分为转向盘 总成、主控制器、转向执行机构三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助 系统。结构如图卜6 所示n 。 图16 线控转向系统的结示意图”1 1 3 2 线控转向系统的性能特点 在汽车的线控转向系统中，转向盘和转向车轮之间的机械连接已不复存在， 取而代之的是电线电缆之间的信号连接，这样不仅解决了转向机械机构之间可能 存在的干涉问题，还可以实现一系列传统转向系无法实现的特殊功能。汽车线控 转向系统的主要性能特点如下： l 、提高汽车的操纵稳定性能 传统转向系统的转向特性随着车速的变化而变化，在不同的车速下，驾驶员 要时刻调整自己的转向操作，以修正由于转向特性带来的变化。而线控转向系统 可以任意设置转向系统的传动比，并且可以对随车速变化的参数进行补偿，使汽 车转向特性不随车速的变化而变化，从而减轻了驾驶员的负担。线控转向系统还 可以与其它控制系统如a b s 、汽车动力学控制、丰动防碰撞、自动导航以及自动 驾驶等相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体操纵稳定性。 2 、优化驾驶员的路感“2 1 “路感”是车辆向驾驶员提供路面信息，维持车辆稳定性控制的一项重要属 武汉理工大学硕士学位论文 性。由于一定的侧向加速度和不同的路面状况而引起的，作用于转向车轮上的转 向阻力和力矩信息反馈到转向盘上，就行成了驾驶员能感受到的“路感 ，驾驶 员就是依靠转向“路感 来得知车轮与路面的接触状况的。 在线控转向系统中，由于取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，驾驶员 的“路感 必须通过回正力矩电机模拟生成。在模拟路感的各种信号中，我们可 以剔除一些干扰信息而提取最能反映汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为 回正力矩电机的控制变量，使转向盘向驾驶员只提供有用信息，从而使驾驶员的 “路感 更能反应汽车行驶状态。 3 、节省空间，减少碰撞伤害，缩短新车型的开发周期n 羽 线控转向系统取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，既节省了空间，给 车内总布置带来了很大的方便，又减少了在发生交通事故时，由于转向盘的后移 而造成的驾驶员伤亡，提高了安全性。采用了线控转向系统的不同的车型，其最 大的区别在于控制软件的不同，硬件则具有很大的通用性，在开发新车型中，只 要通过修改软件部分参数就可以满足不同车型的使用要求，缩短了新车型的开发 周期。 4 、提高汽车智能化程度 汽车智能化是汽车设计一贯追求的目标，线控转向系统的转向控制器可以和 汽车的主控制器进行数据交换与共享，这样转向控制器就可以知道整个汽车的运 动状况，通过相关算法，就可以提高车辆的操纵稳定性。另外配合汽车上的其它 导航系统、控制系统、识别系统等便可自动驾驶。 当然，就目前而言，线控转向系统也有一些缺点和不足需要我们来解决，比 如：系统成本过高、电源能耗过高、电磁干扰、可靠性以及路感优化等问题。 1 3 3 线控转向系统的关键技术衅1 6 l 1 、可靠性技术 线控转向系统可靠性是指在保证系统正常功能的情况下，各部件能牢靠稳定 工作的性能，它与车辆的安全性直接相关。线控转向系统用电控系统代替了转向 盘和转向车轮之间的机械连接，与机械装置相比较，电控系统的可靠性，耐久性 还有很大的差距，一旦电控系统出现了故障，车辆就会处于失控状态。如何保证 电控系统工作的可靠性是线控转向系统最为突出的问题之一。 2 、容错技术 线控转向系统容错技术是指当系统中某一零部件出现故障或者控制信号出 错时，系统能保持正常工作的性能。线控转向系统采用电控系统来进行工作，这 就必须采用容错技术。容错技术的实现主要依靠冗余设计，即对一些脆弱的关键 的部件进行备份，当系统中这类部件在某一时刻出现故障时，备份部件可以承担 7 武汉理工大学硕士学位论文 起其相应的功能。容错技术在线控转向系统上的应用，可以大大的提高系统的可 靠性，对行车安全有利。容错技术包括软件容错和硬件容错。 3 、总线技术 汽车总线技术是指通过某种通讯协议( 如c a n ) ，将汽车内部的各个e c u 节点 联结起来，从而形成一个汽车内部局域网络的技术。随着电子设备在汽车上的应 用越来越多，各个设备之间传输的信号越来越复杂，要求也越来越高，这就需要 一种实时性好，传输量大，容错率高的总线标准和协议，使线控转向系统成为一 个高速的、容错的、以通信总线相连的电气系统。目前，随着汽车总线技术的发 展，已经研究出多种汽车总线标准，主要有c a n 、t t p 、b y t e n i h g t 和f l e x r a y 。 4 、动力电源 动力电源承担着全车的供电，其性能至关重要。线控转向系统和一些其它的 电子电器设备，消耗了大量的功率，如果继续采用现有的1 2 v 供电系统，导线中 的电流大大提高，汽车电路中的发热量也相应大大增加，导致了系统的不安全因 素。我们必须采用提高动力电源电压的方法来降低导线中的电流，以降低发热量， 同时满足汽车电器负荷同益增长的需要，于是，4 2v 供电系统便应运而生。 1 4 本文研究的主要内容 在消化和吸收国内外最新的研究成果的基础上，采用理论分析计算与计算机 仿真相结合的方法对课题进行研究，研究的主要内容为。 1 、建立线控转向汽车动力学模型和a d a m s 整车仿真模型。在线控转向系 统受力分析的基础上，建立转向盘总成动力学模型、转向执行机构动力学模型、 四自由度汽车整车动力学模型、轮胎回正力矩动力学模型。在动力学模型的基础 上，利用机械系统动力学仿真分析软件a d a m s ，建立可用于试验分析的仿真模 型，为系统仿真以及控制算法的研究提供基础。 2 、分析线控转向系统前轮转角的影响因素，确定线控转向系统的角传动比 算法，建立线控转向系统前轮转角的控制方法。在分析了转向盘转角与理想传动 比的关系和车速与理想传动比的关系后，提出了线控转向系统理想角传动比的概 念，基于此概念，设计了线控转向系统基于理想传动比的目标前轮转角控制算法。 最后，通过几种工况的仿真试验，对该控制算法进行了评价。 3 、提出线控转向系统p i d 控制算法。结合线控转向系统的特点，利用经验 公式( z n 法) 对p i d 控制参数进行了整定，设计了线控转向系统的p d 控制 算法，并进行了仿真试验分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章线控转向系统的结构原理 线控转向系统由转向盘总成、转向 执行机构、主控制器三个主要部分以及 自动防故障系统、车载网络和电源等辅 助系统组成，其结构如图2 一l 所示。一 方面，驾驶员通过操纵转向盘，把转角 和转矩信号传给主控制器，主控制器接 受车辆状态信息并按照预设程序对转 角和转矩信号进行处理，输出转向轮执 行电机激励信号，以使车辆转向；另一 方面，路感反馈信号亦传给主控制器， 主控制器对其处理后向路感反馈电机 发出激励信号，路感反馈电机便能模拟 传统转向系统的路感信息，从而伎驾驶 者获取转向路感。车载网络承担了整个 系统的信号传递工作，使各个采集到的 信号形成一个有机的整体。 下面通过介绍转向盘总成、转向执 行机构、主控制器、自动防故障系统和 电源等，简要阐述线控转向系统的工作 原理。 童挖嬲嚣 焉 辑戆嚣 转向盘总成 汽车状态信号 l l l l l l l l i ：转向执行机构 i l l l l l l l 图2 - 1 线控转向系统结构原理图n 7 1 2 1 转向盘总成 转向盘总成主要由四个部分组成，包括转向盘组件、转向盘转角传感器、转 矩传感器、路感反馈电机以及辅助控制电路。当驾驶员转动转向盘时，安装在转 向盘总成中的转向盘转角传感器和转矩传感器测量驾驶员转动转向盘的角度、速 度以及施加于转向盘上转矩大小，并将其转化成数字信号传递给主控制器，主控 制器根据相应的控制算法来判断驾驶员的转向意图，并结合采集到的其它汽车状 态信息，如车速，横摆加速度等，通过预设的程序来驱动转向执行电机，完成汽 车前轮的转向运动；同时主控制器根据汽车的状态信息、路面情况以相应的路感 控制算法，经过处理后向路感反馈电机发出控制信号，产生方向盘回正力矩，提供 驾驶员相应的路感信息n 引。 9 武汉理丁大学硕士学位论文 2 2 转向执行机构 转向执行机构按执行元件的不同可以分为电气式、液压式与气压式三种。电 气式主要由电机及其控制器和各种电气一机械转换装置等组成，其优点是成本低、 体积小、可靠性好、控制调节方便、缺点是定位刚度及负载能力比不上液压执行 元件：液压式执行机构主要由液压缸、液压马达等组成，其优点是输出功率大、 快速性好、动作平稳，但是受到其结构复杂、成本高和维护难等缺点其应用较 电气式困难；气压式执行机构主要由气缸、气马达等组成，其优点是成本低、动 作快、可靠性高，但是其输出功率小，工作噪声大，占用体积也丈。 考虑到线控转向系统的实际使用情况以及车辆总布置局限，转向执行机构一 执行电机及其控制嚣前耗转角待感器 圈2 2 转向执行机构原理图“ 般选用是电气式，工作原理及其机构简图如图22 所示。转向执行机构包括转向 执行电机及其控制器、转向器及前轮转向组件和前轮转角传感器等。转向执行机 构的主要功能是依照车辆状志信息及驾驶员的转向意图，完成自d 轮转向的动作。 过程大致如下所述：首先前轮转角传感器将测得的前轮位置信号反馈给主控制 器，同时，主控制器将接收到的转向盘总成的信息经过了定运算后发送给转向 执行电机控制器部分，转向执行电机控制器驱动转向执行电机完成指定动作。 2 3 主控制器 主控制器相当干线控转向系统的“大脑”，是最关键的部分，它决定着线控 转向系统的控制效果，其主要作用是对吾传感器所采集的信号进行分析处理，判 别汽车的运动状态，形成决策，并输出相应的响应输入信号的控制信号。具体而 占，一方面主控制器埘采集到的信号进行分析处理向转向执行电机和路感反 馈电机发送指令，使其协调工作，以实现车辆的转向功能和驾驶员路感的模拟 保证车辆在各种工况下都具有理想的转向响应特性，减少驾驶员由于汽车转向特 性的变化而进行的补偿工作。另一方面，主控制器还可以对驾驶员的操作和车辆 武汉理工大学硕士学位论文 的实时状态进行监控，实现汽车的智能控制。当系统检测到驾驶员的转向操作不 合理，系统指令出现错误或汽车处于非稳定状态时，主控制器能及时屏蔽错误指 令，并以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快恢复到稳定状态。另外，当线控 转向系统出现故障时，主控制器能及时、准确采取措施进行补救，使驾驶员有效 控制车辆。 在结构上，主控制器包括输入处理电路、微处理器、输出处理电路和电源电 路等部分。其中微处理器是主控制器的核心，需要对各种传感器所采集的信号进 行实时处理，必须具有高速解算、实时输入和输出、多中断响应等特性；输入处 理电路和输出处理电路是微处理器与外界联系的通道；电源电路部分则是主控制 器的能量来源，负责整个系统的能量供给n 9 。 主控制器容易受到电磁环境的干扰，在设计时必须要采取必要的抗干扰措施 来保证其正常工作，通常采用的办法是硬件抗干扰和软件抗干扰，例如屏蔽、接 地和数字滤波技术等。 2 4 自动防故障系统 汽车的速度越来越高，作为同常使用最多的交通工具之一，其安全性越来越 受到重视，是一切的基础。自动防故障系统是线控转向系统最重要的组成部分， 它包括一系列的监控和实施算法，当线控转向系统的出现某一故障时，能够按照 事先设定好的程序采取不同的处理措施，以期消除或者减小这一故障带来的危 害，最大限度地保持汽车的安全行驶，极大地提高汽车转向系统的安全性能。 根据目前的研究，在线控转向技术方面，应用的最多的自动防故障系统是冗 余系统，即为一些主部件设计一个功能完全相同的冗余部件，当某一主部件出现 故障时，冗余部件能够快速的取代故障部件，以实现其同样功能，提高系统的安 全性。需要说明的是，主部件和冗余部件是相对而言的，没有固定哪个部件是主 部件，也没有固定哪个部件就是冗余部件，它们的工作是一个交替的过程，主部 件可以变成冗余部件，冗余部件也可以变成主部件，主、冗余部件是动态的。 自动防故障系统可分为硬件自动防故障系统和软件自动防故障系统两大类。 如图2 3 所示结构，即是一种硬件自动防故障系统，该结构由a i s i n 精工有 限公司设计，采用“线控转向系统+ 机械转向系统 的冗余设计方法。系统同时 具有线控转向系统和机械转向系统，两者均能实现汽车转向的功能，但机械转向 系统是作为备用件存在的，通常情况下不使用机械转向系统，只使用线控转向系 统。该系统采用行星齿轮作为故障离合器和减速机构，当线控转向系统出现故障 时，主控制器立即检测到故障信号，并向冗余设计的控制单元发出指令，行星齿 轮参与工作，实现线控转向系统向机械转向系统的转变，驾驶员仍可操纵汽车转 向，保证车辆的转向功能。采用该系统的缺点是当线控转向系统出现故障时， 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 硬件自动防故障系统呦】 转为机械系统工作，车辆性能会出现很大的变化，可能引起驾驶员不适应乜。 如图2 - 4 所示结构，则是一种软件自动防故障系统，采用实时分发的c a n 总线技术作为通信网络，采用c a n 通信总线( c a n l 、c a n 2 ) 和微处理器( 微处理器 l 、微处理器2 ) 的冗余设计方法。从图中可以看出，微处理器1 、微处理器2 分别都和c a n l 、c a n 2 通信总线相连，任意一微处理器和任意一c a n 通信总线均 能构成一条独立的控制回路，当一条控制回路出现故障时，另一条控制回路可完 全取代其功能心。 假定图2 - 4 中转向盘转角传感器、转矩传感器、微处理器2 、c a n l 、转向执 行电机、转角传感器、微处理器2 、路感反馈电机为主部件组成一回路，当转动 方向盘时，转角传感器和转矩传感器将测得的模拟数据转换成数字信号后传给微 处理器2 ，微处理器2 根据预先设定的程序对数据进行处理并同时对通信总线 c a n l 和c a n 2 输出信号，此阶段，微处理器1 也对数据进行处理，并和微处理器 2 的结果进行对比，检测其正确性，当检测到微处理器2 数据错误时，微处理器 转向盘总成 主控制器c a n l c u 1 1 2 转向执行机构 图2 - 4 软件自动防故障系统 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 l 就代替微处理器2 。转向执行电机从通信总线c a n l 上接收信号，电机带动前轮 执行转向动作，完成转向。转角传感器测量前轮的位置，并将信号通过通信总线 c a n l 和c a n 2 同时对微处理器2 发送反馈信号，最终微处理器2 结合车辆状态将 路感反馈信号和转向反馈信号传送给路感模拟电机和