智能车辆线控底盘与控制技术 课件 第2章 线控转向

第二章线控转向系统2.1线控转向系统结构及原理2.2线控转向控制2.3线控转向电控系统2.4线控转向系统的失效与容错控制本章内容线控转向系统的结构类型、工作原理线控转向的两个基本控制问题线控转向电控系统结构与BLDC驱动控制线控转向系统的冗余设计及故障诊断学习重点几种典型结构与特点2.1线控转向系统结构及原理结构形式代表产品/装备车型特点双电机前轮转向英菲尼迪Q50冗余性好，单个电机功率要求较小后轮主动转向ZFAKC控制自由度增加，转向能力增强四轮独立转向舍弗勒e-Corner控制自由度最大，机动能力更强单电机前轮转向采埃孚ReAX结构简单，易于布置双电机独立前轮转向斯坦福大学X1无转向器，控制自由度和空间利用高双电机前轮转向2.1线控转向系统结构及原理两个电机共同驱动一根蜗杆轴两个电机分别驱动两个小齿轮轴转向驱动力耦合方式人机接口路感反馈机构磁流变制动器位置传感器电磁驱动的机械备份离合器后轮主动转向2.1线控转向系统结构及原理车辆的机动性能平顺性操纵稳定性分离路面的制动稳定性无路感反馈无冗余备份名称装备车型特点RearAxleSteering保时捷911等ZF公司AKC上改进而来，最大转向角3°DAWS动态全轮转向系统奥迪A6，A8等低速时相对前轮反向转动5°，减少转弯半径，高速时，前后轮同向转向约2°IntegralActiveSteering整合式主动转向系统BMW7系，X5等后轮最大转向角为3°RearWheelSteeringBenzS、C、GLC等低速下相对前轮反向转动10°，高速时最大同向转向1.7°RAS主动式后轮转向凯迪拉克CT6英菲尼迪FX50后轮最大转向角大3.5°后轮主动转向2.1线控转向系统结构及原理单电机后轮主动转向双电机后轮主动转向四轮独立转向2.1线控转向系统结构及原理取消了左右车轮转向的机械约束关系执行器数量多于车辆平面运动自由度具有多种转向模式四轮独立转向2.1线控转向系统结构及原理转向主销位于摆臂上转向主销位于车架上线控转向控制：路感反馈控制、转向控制2.2线控转向控制路感反馈控制——根据驾驶员的驾驶意图、车辆动力学状态与路面附着状况，过滤来自路面的冲击和振动，实时输出反馈力矩作用在转向盘上，使驾驶员获得实时的路面作用力反馈转向控制——根据当前路况和车辆状态，结合控制目标（驾驶员或智能驾驶系统发出的转角指令、目标轨迹等）、优化目标（操纵性、稳定性等）和约束边界等确定期望转向角，并由电动驱动转向机构跟踪期望转向指令转向控制器结构2.2线控转向控制上层——对输入转向指令的修正获得期望转向角下层——控制电机驱动转向器以跟踪期望转向角变传动比控制——理想传动比，满足低速灵活、高速稳定的转向性能要求车辆稳定性控制——满足车辆侧向动力学不失稳、具有参考模型的转向特性转向控制——变传动比控制2.2线控转向控制转向系统的传动比——转向盘到车轮转向角的速比

理想转向特性：轮胎线性区内转向时的稳态横摆角速度增益不随车速和转向盘转角改变≠转向控制——变传动比控制2.2线控转向控制理想传动比的主要问题低速时总传动比小，小角度转向输入下，车轮转向也可能到达极限，与现有转向操作习惯不适配横摆角速度增益不变时，车辆侧向加速度与车速成正比。高速时过大转向灵敏度增加驾驶员精神压力，影响驾驶安全

转向控制——车辆稳定控制2.2线控转向控制稳定状态——横摆角速度、质心侧偏角

以二自由度线性模型为参考转向控制——车辆稳定控制2.2线控转向控制路面附着限制

参考横摆角速度

参考侧偏角

转向控制——车辆稳定控制2.2线控转向控制

PI控制器二自由度模型模糊控制器

整车

侧偏误差为PI控制器输入侧偏和横摆误差为模糊逻辑输入，修正PI控制参数，自适应PI多跟踪目标对象非线性计算效率转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制机构间隙、摩擦、变形非线性负载助力解决控制器快速、准确、稳定高效率、低成本实现位置环地面反力矩转矩环期望车轮转向角转矩控制器位置控制器转向机构模型电机模型车轮转向角期望转矩输出转矩

转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制转矩内环模型

电机模型

转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制0，1，2，3…….转矩内环的模型阶次？1阶系统前向通道传递函数

转矩内环控制器采用PI控制应为积分环节

齿条力转向器响应转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制转向执行机构模型忽略内外侧车轮转角的差异；车轮转角与齿条位移成正比；忽略传动系统中的间隙及传动机构的弹性变形；转向机构中的摩擦力用粘滞摩擦和库伦摩擦近似描述

转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制

转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制

基于LDO的干扰力矩观测

状态方程可观转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制

转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制

位置控制器转矩内环模型转向机构模型干扰观测器1/k干扰转矩输入期望转角输入实际转角输出－＋转向控制——转向角跟踪控制2.2线控转向控制位置控制器——经干扰力补偿后，系统近似为线性定常系统LQR（Linearquadraticregulator）位置控制器设计偏差

指标泛函控制率路感反馈2.2线控转向控制目的——模拟转向过程中的回正力和地面摩擦力，使驾驶员对转向过程中的路面反力和车辆状态具有灵敏的感知能力确定反馈力矩，即路感设计路感电机准确地输出反馈力反馈力矩设计为车速、转向盘角度和角速度、侧向加速度等参数的函数表达式基于车辆动力学模型，估计转向过程中的总回正力矩和摩擦力通过观测转向器齿条推力等获得转向过程中的回正力、摩擦力转向阻力估计路感反馈——路感补偿2.2线控转向控制部分转向反力施加到方向盘上驾驶员操作转向盘时具有与助力转向相近的负载特性；转向盘系统具有足够的阻尼，避免撒手时转向盘振荡转向阻力矩估计车速、转向角横摆角速度齿条推力路感补偿阻力/回正车速转向盘转角转向盘角速度转向盘转矩

路感反馈——路感补偿2.2线控转向控制

高速回正力矩大，低速回正力矩小。为使高速时转向盘回正稳定，低速时转向盘较快速回到中位，采用变阻尼方法策略路感反馈——反馈力跟踪控制2.2线控转向控制SMC（SlidingModeControl）力矩跟踪控制器设计

路感反馈——反馈力跟踪控制2.2线控转向控制滑模面

路感反馈——转向盘回正控制2.2线控转向控制M

回正时转向盘运动微分方程

电控系统结构2.3线控转向电控系统集中式分布式转向盘单元转向执行单元电机驱动2.3线控转向电控系统PMSMBLDCMU/V/W三相绕组，每个时刻有两相绕组导通，共有UV、UW、VU、VW、WU、WV等六种组合，对应六个感应磁场方向。驱动器通过位置传感器检测转子位置，产生正确的感应磁场方向，驱动转子旋转电机驱动——BLDCM控制原理2.3线控转向电控系统两两导通方式，即在任意时刻只有两相绕组导通，另一相绕组悬空电机驱动——BLDCM控制原理2.3线控转向电控系统在两相导通下，BLDCM有六种导通状态对应六个电压空间矢量。电机驱动——BLDCM控制方法2.3线控转向电控系统双闭环控制：以转速/位置为外环，根据转速/位置反馈误差，计算目标电流，在电流内环的控制下跟踪目标电流磁场定向控制：将定子电流矢量分解为励磁电流和转矩电流分量，分别产生磁场和转矩，实现两者的解耦控制直接转矩控制：转矩为被控参数，通过改变定子、转子磁链间的夹角实现转矩大小调节电机驱动——基于DTC的BLDCM控制2.3线控转向电控系统

电机驱动——基于DTC的BLDCM控制2.3线控转向电控系统VI扇区，施加矢量V1（100001），定子磁链逆时针旋转，使电磁转矩增加

故障危害分析（HazardAnalysisandRiskAssessment，HARA）2.4线控转向系统的失效与容错控制将线控转向系统中可能存在的危险识别出来，并根据危险程度对危害事件进行分类，对不同的风险设置不同的功能安全目标场景分析行驶环境道路类型高速公路、城市公路、乡村公路、路口、非铺装路面、停车场路面条件水泥/沥青/沙石路面、干燥/湿滑路面、斜坡、路宽其他侧风、车流、行人、事故场景等驾驶场景驾驶操作倒车、直行、转弯、变道车辆状态巡航、车速、加减速、驻车等其他车辆特性点火开关状态、重载、维护等失效模式2.4线控转向系统的失效与容错控制分为传感、控制、执行、电源和通信等五个功能模块，对其进行失效模式与后果分析（FaultModeandEffectAnalysis，FMEA）。分析潜在失效后果导致的潜在危险，得出有害的潜在失效后果失去转向能力：驾驶员（或智能驾驶系统）无法控制车轮转向；非驾驶员预期转向：转向角与驾驶员（或智能驾驶系统）的意图不一致，如转向角相反、突然转向等；转向角过大、过小或滞后：虽然能够按照驾驶员意图转向，但转向幅值不一致，响应明显滞后；手感异常：转向盘抖动，转向盘手力过大或过小。ASIL等级2.4线控转向系统的失效与容错控制结合运行场景，对失效后果导致的危害事件的严重度、暴露度和可控性进行评估，确定失效模式引起危害事件在特定运行场景下的ASIL等级冗余设计2.4线控转向系统的失效与容错控制对于L3级以下智能驾驶，线控转向系统应提供失效安全和失效静默的安全状态，对于L3及以上的智能驾驶，线控转向系统应够提供完整或降级功能的安全状态，即失效运行或失效降级的安全状态。e驾驶员反馈电机TAS电磁离合器转向电机齿轮齿条TAS机械冗余供电冗余冗余设计2.4线控转向系统的失效与容错控制控制器冗余传感器1传感器2主通道从通道1oo2D执行器1执行器2诊断监视模块名称ASIL等级MCUASILB（D）FlexRay收发器ASILB（D）CAN收发器ASILB（D）驱动桥ASILB（D）SBCASILB（D）SPIASILB（D）ASIL功能安全目标分解2.4线控转向系统的失效与容错控制ABCD

E

F

A+

B+

C+

C-

A-BDAFCED+F-E+D-F+B-E-BEDAFC

冗余设计2.4线控转向系统的失效与容错控制电机冗余两个电机联共同驱动转向器，一个电机失效后，另一电机在性能降级情况下实现基本转向能力电机绕组冗余，如双绕组冗余，出现若干个绕组失效时，电机仍能在剩余绕组驱动下输出动力故障诊断与容错控制2.4线控转向系统的失效与容错控制基于信号的方法：对信号的幅值、变化速率、频率和统计特征等进行分析比较，通过信号异常检测故障基于模型的方法：建立对象的动力学方程或拟合模型来预测输出，分析模型预测输出与实际测量之间的残差，根据残差判断是否失效基于数据驱动的方法：构建人工智能预测模型，采用实测数据对模型进行训练，使模型能够准确表达系统的非线性特性，直接进行失效分类或预测输出故障诊断与容错控制——电机驱动系统故障诊断2.4线控转向系统的失效与容错控制驱动桥故障、电机本体绕组故障、转子位置传感器故障驱动桥故障：桥臂开路故障、短路故障和基极驱动电源故障故障诊断与容错控制——电机驱动系统故障诊断2.4线控转向系统的失效与容错控制电机绕组故障：绕组短路、绕组开路绕组开路故障时，对应相电流为零，母线电流为零