关于线控转向系统(SBW)的毕业设计英文文献翻译.doc

SBW系统电子控制单元的开发与硬件在环仿真系统在齿条线控转向系统中的应用Tong-Jin Park1,Chang-Song Han2,Sang-Ho Lee31 汉阳大学，精密机械工程学系，C&R实验室，韩国2 汉阳大学，精密机械工程学系，京畿道，安阳市，韩国3 现代汽车公司，京畿道，华城市，长德洞，韩国摘要汽车线控转向系统（SBW）取消了转向盘与转向轮之间传统的机械联动（即转向盘与转向轮之间由控制信号连接）。本文主要提出了齿条式线控转向系统中控制的概念。控制器必须能够代替传统转向系统中转向盘与转向轮之间机械连接，这是对线控转向系统最基本的要求。电子控制单元（ECU）对线控转向系统的控制得益于硬件在环仿真系统（HILS）的发展。在ECU装上实车SBW之前，HILS系统为控制器的控制算法的开发提供了便利。因为，我们可以在线控转向系统应用于实车之前，利用硬件在环仿真系统，通过大量的仿真实验来确定原型ECU的适用性。关键词 SBW（线控转向）；ECU（电子控制单元）；HILS（硬件在环仿真）符号命名 Jsw 转向盘转动惯量 Bsw 转向盘粘性阻尼系数 Ksw 转向盘刚度系数 Td 转向盘输入转矩 Tb 转向盘回正力矩 Ks 回正转矩与转向执行转矩的比值 mr 齿条转动惯量 br 齿条粘性阻尼系数 Kr 齿条行程与转向盘转角的比值 kt 轮胎侧向刚度 sw 转向盘转角1. 引言作为一种新型的转向系统，SBW已经成了国内外研究的热点。SBW具有许多优点：首先，与传统的机械式转向系统相比，线控转向系统去除了转向盘柱、液压马达和齿轮箱等，所以其振动减小，噪音减少，而且重量变轻。此外，去除了转向盘柱和传动轴等使SBW获得了更大的空间，便于发动机的布置。所以，国内外都在迅速的开展关于SBW的研究来寻求一种具备这些优点的转向系统。Sanket Amberkar等人已经开发出一种线控系统，可完全应用于现代汽车技术。到目前为止，SBW已经发展成了多种类型：齿条式、拉杆式和转向节式等。齿条式线控转向系统由一个六杆机械联动机构和一个电机组成，它和传统的机械式转向系统一样，具有令人满意地操纵稳定性。而拉杆式和转向节式线控转向系统都需要两个带有控制器的电机才能达到机械式转向系统的转向效果。本文主要描述了齿条式线控转向系统，简称为RSBW。在RSBW系统控制器的设计中要遵循以下两点基本要求：第一，控制器必须控制转向盘电机使SBW和传统转向系统一样，满足汽车对操纵稳定性的要求。大量的研究表明，借助辅助电机可以有效提高路感。Masahiko等人提出在电动助力转向系统中使用一个控制器，可以有效的提高路感，而且这种方法取得了不错的效果。与液压助力转向系统相比，转向电机产生的路感比较僵硬且具有低导通中心操控性，所以研究RSBW转向系统的控制是非常有必要。第二，当转向系统的机械连接变为电子线控时，转向执行电机必须能够有效提高汽车的操纵稳定性。线控转向系统中以信号控制代替了传统的机械联动，所以国内外都在致力于转向轮联动控制的研究，以期获得汽车操纵稳定性方面的突破。为了满足汽车的操纵稳定性，Hideki等人研究了电子控制单元的稳定性。Ryouhei等人也提出，要使汽车获得良好的操作稳定性，应着力改善SBW的性能，同时，Masaya等人根据SBW系统提出了一种汽车操纵稳定性控制理论。要开发一个好的控制器，控制算法至关重要，要获得好的控制算法，就必须根据对车辆的各转向输入进行大量的仿真实验，因为好的控制算法就是基于对车辆的动态仿真实验获得的。根据对汽车的各向输入来进行测试可以获得电机的特性和各转向特性，但是该实验需要在良好的测试环境中进行才能更好的获得汽车操纵稳定性与动态仿真的关系。为了达到良好的效果，在实际的线控转向系统中，测试环节往往应用一个实时仿真执行器，也就是我们常说的硬件在环仿真系统（HILS）。其实，RSBW中，转向盘的主要作用就是通过对转向盘电机的控制来使驾驶员获得良好的路感，基于此建模机制，转向轮电机也可用于提高汽车的操纵稳定性。硬件在环仿真的方法还可应用于RSBW系统控制算法开发及其性能试验，从而确认ECU在实车中的应用效果。原型ECU就是基于此开发的。本文的主要内容：第二部分，键合图建模在RSBW中的应用。第三部分，提高汽车操控稳定性的控制理论。第四部分，ECU的开发与HILS系统中硬件的设计。第五部分，HILS系统及全车造型在ECU性能开发中的应用。第六部分，结论总结。2. RSBW建模RSBW主要由转向盘总成、主控制器（ECU）、和转向执行总成三部分构成，如图（一）。转向盘总成包括转向盘、转向盘转角传感器、转向盘力矩传感器、转向盘回正力矩电机和机械传动装置，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给主控制器，同时接收主控制器传来的控制信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感。主控制器是线控转向系统的电子控制单元，对信号进行分析处理，判别汽车运动状态，控制转向盘回正力矩电机和转向执行电机的动作。转向执行总成包括转向轮转向角传感器、转向执行电机（无刷交流电机）、转向电机控制器和转向轮转向组件等。图一 SBW组成示意图为了开发合适的控制器，在RSBW系统的机械建模中使用键合图建模的方法。线性系统可在一个多体系统或电控机械系统中使用键合图。RSBW系统的键合图模型如图（二）。图二 SBW系统键合图模型图二中的Ksmg和Kfmg分别是转向盘电机和转向执行电机的电磁转矩常数，与电机的电流和转矩有关。Se是键合图模型中的势元，表示转向盘的输入转矩Td。Sf是键合图模型中的流元，表示转向执行电机的输入电流if。转向盘总成键合图模型是基于利用传感器测量驾驶员作用于转向盘转向力矩的大小的原理建立的。换句话说，如果转向力矩传感器的测量结果是0，转向执行电机也就相应的无动作。而对于转向执行总成来说，由于齿条与转向执行电机之间的滚珠螺杆连接可视作是无机械损失的，所以完全可以将两者当做一个整体。此外，轮胎的侧向刚度也可以看作转向执行总成的刚度。由于转向执行电机的转轴要比转向柱小得多，所以其转动惯量可以忽略。根据转向盘总成模型建立方程（1）：Jswsw+Bswsw+Kswsw=Tb （1）根据转向盘输入转矩和回正力矩之间的关系建立方程（2）：Td=Ks*Td （2）驾驶员的路感就来源于方程（2）中的变量Ks。RSBW系统建模就是基于驾驶员路感与回正力矩之间的线性关系。而且，这种线性关系便于路感的调节。根据转向执行总成模型建立方程（3）：mryr+bryr+ktyr=Ufm （3）方程（3）中Ufm表示转向执行电机产生的转向力。转向执行总成的刚度可由轮胎侧向刚度代替。因为，RSBW中轮胎侧向刚度在动力学上影响要大于转向执行总成的刚度。根据齿条行程与转向盘转角之间的关系建立方程（4）：yr=Kr*sw （4）方程（4）中Kr表示在传统转向系统的机械连接中齿条行程yr与转向盘转角sw之间的比值。控制此系数在一个合适的数值以满足方程（4）才能获得与传统转向系统一样的路感。3.控制程序转向盘电机是一个有刷直流电动机，其额定转矩为0.407 Nm，额定转速为1026 rpm。而转向执行电机是一个无刷交流电动机，其最大转矩为9.46 Nm，最大转速为450 rpm。本文的这一部分将主要描述这两个电机控制器程序的设计。3.1.转向盘电机的控制程序 在RSBW系统的转向盘中有两个传感器：一个方向盘转角传感器，用于控制转向执行电机以产生转向力；一个转矩传感器，用于控制转向盘回正力电机以产生反馈力矩。对这两个电机控制的基本目的就是产生反馈力矩以使驾驶员有与传统助力转向系统一样的路感。在RSBW控制中，转向盘总成的刚度是主要的控制目标，因为它和驾驶员的路感息息相关。如果控制程序设计不得当，转向盘总成的刚度过大或过小都不能使驾驶员获得良好的路感。由于反馈到控制中心的转向盘特性取决于它的刚度，所以中心操纵稳定性的改善可以通过控制转向盘电机来实现。本文中，转向盘电机控制器的控制目标就是根据传统转向系统产生相应的转向力矩。当转向力矩在低频（小于10Hz）时，转向盘电机控制器将着力于稳态控制而非瞬态控制。为了满足稳态下的参考输入，在转向盘系统中建立了比例-积分（PI）控制器。当然，比例-积分-微分（PID）控制器的性能要优于PI控制器，但是PI控制器的控制算法可借助于ECU以简化计算。此外，ECU还要计算转向盘电机的控制程序（一个复杂的计算），就如同PID控制器或者一个非线性控制器控制的一个滤波程序或一个复杂的故障安全电路一样。在线控转向系统中，一个复杂的电路不利于故障安全系统的构成。图三就是一个模型控制器的设计，是基于方程（1）所建立的。图（三）a中的信号框图显示，在转向盘总成中转向盘回正力电机是受转向柱控制的，而转向柱扭杆转矩是由驾驶员输入的。方程（5）是转向盘总成连续系统的PI控制输入方程：Gc=usw(s)r(s)=Kp+KIs=Kp*s+KIs=Kp(s+KIKp)s （5）Kp和KI分别代表PI控制器中的比例增益和积分增益。为了使系统的增益裕度是10.6dB，相位裕量是89.3, Kp的值取14，KIKp取33，如图（三）中的bode图所示。高相位裕度可以补偿高转角失真，这样，路感可以不那么依赖于转向盘转角。为了应用于ECU，输入方程（5）要转换成下面的推迟方程（6）：usw(k)=-12.685uswk-1-4206.75uswk-2+4219.4uswk-3+176.37rk-6.49rk-1 （6）图（三）b显示了在PI控制器中当采样时间为0.01s时的增益选择。由此可知，转向盘电机控制器是一个刚性控制器，它根据驾驶员的输入转矩产生相应的反馈转矩。3.2.转向执行电机控制程序设计在转向轮总成中有一个位移传感器，用于测量齿条的位移。对于转向轮电机控制器来说，齿条位移是一个反馈信号。转向轮电机控制的基本目的是补偿驾驶员的输入转向角。所以转向轮控制器的稳定性与汽车的操纵稳定性息息相关。如果一个系统符合“严格正实（SPR）”条件，那么这个系统将非常稳定，具有较强的抗干扰能力。为了使转向执行总成成为一个SPR系统，其输入-输出传递函数必须具有以下特性：系统的特征值必须是正定的，而且输入-输出传递函数的相关度是0或1。根据转向执行总成的模型方程（3）所建立的输入-输出传递函数的相关度是2。转向盘电机控制器应减1相关度，也就是额外需要的0。因此，本文还考虑了比例-微分控制器（PD）的微分输入信号。由于转向盘总成的输入信号是低频的，所以其输入信号和反馈信号都是可以微分的。而且，一个具有16位处理器的ECU也是很好的微分器。此外，就像在转向盘电机控制器那部分介绍的那样，虽然PID控制器的性能优于PD控制器，但是PID控制器无法应用于ECU。因为PID控制器的计算量要远大于PD控制器。图（四）就是根据方程（3）的离散模型所设计的控制器。图（四）a中的控制信号框图说明，转向执行电机是受参考输入信号（转向盘转角）的控制。转向执行总成连续系统的控制输入方程（7）：Gc=ufm(s)r(s)=Kp+KD*s=KD(s+KpKD) （7）1700000(s+712),方程（7）中的KD表示PD控制器的微分增益。如果相关度为1，当且仅当系统的特征值为正定时，增益裕度是无限的。由图（四）中的bode图知，为了满足相位裕度的值为59.4，KpKD的值取712，KD取1700000。总的来说，增益裕度在40-60范围内都是允许的。为了应用于ECU，将控制输入转换为下面的推迟方程（8）：ufmk=-ufmk-1+871100000*rk-1+1550000000*r(k) （8）图（四）显示了当采样时间为0.01s时PD控制器的增益选择。因此转向执行电机控制器是一个满足SPR特性的稳定控制器。4.硬件设计硬件在环仿真系统中，全车模型的分析是在主计算机中进行的，而且，转向系统由HILS机制所代替。在硬件在环仿真系统中，ECU是实时控制的。这部分将主要描述硬件在环仿真系统中硬件的设计以及原型ECU的开发。4.1.硬件在环仿真系统为了构建一个硬件在环仿真系统，首先需要进行液压控制数据、输入输出信号数据的处理。硬件在环仿真系统可以结合汽车模型和实验环境，开发一种更先进的RSBW控制器，其过程是由实时控制完成的。硬件在环仿真系统（HILS）是由一个RSBW系统、一个ECU、一个液压系统和一个实时控制器构成的。液压控制器由一个液压缸、一个液压控制器和一个液压马达构成。液压系统的作用是当汽车转向时提供侧向力。在试验中，可根据汽车数学模型提供的速度，输入相应的转向盘转角，根据转向盘转角的大小产生不同的侧向力，然后根据侧向力大小设计合适控制算法。此外，通过此算法在液压系统中测得的力就是Fd.由此得出方程（9）：F=F-Fd （9）Fd是Paceka轮胎模型中轮胎侧向力，F是液压缸的压力，F是Fd与F之间的误差。Paceka轮胎模型常用于数学汽车模型。此研究中，液压系统控制的目标就是应用第一滑模控制理论使误差（F）降到最小值。滑动面s是一个组合的跟踪误差措施，如方程（10）：s=*F （10）如果滑动面S=0，则控制输入u符合如下的方程（11）：u=-F+Fd-*F-kh*sgn(s) （11）图（四）离散系统转向执行电机控制器设计（a）离散系统控制信号框图和bode图（b）其中=20，kh=0.5。和kh值的调整取决于硬件在环仿真系统中的液压缸。由于液压系统是通过控制电流来控制磁通的，所以，常用脉宽调制的方法来控制输入信号的电流。误差F的调整是通过液压缸与转向执行总成之间的压力传感器来完成的。