王陽陽, 潘 定, 李 巍, 付 濤

(1.同濟大學 新能源汽車工程中心,上海 201804； 2.同濟大學 汽車學院,上海 201804；3.同濟大學 電子信息與工程學院,上海 201804； 4.浙江吉利汽車研究院,浙江 杭州 317000)

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面向側(cè)翻試驗的線控主動轉(zhuǎn)向試驗臺架構(gòu)建

王陽陽1,2, 潘 定2, 李 巍3, 付 濤4

(1.同濟大學 新能源汽車工程中心,上海 201804； 2.同濟大學 汽車學院,上海 201804；3.同濟大學 電子信息與工程學院,上海 201804； 4.浙江吉利汽車研究院,浙江 杭州 317000)

為了研究通過線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)的側(cè)翻控制，需要建立合適的試驗臺架.首先分析了面向側(cè)翻的線控主動轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)實驗平臺結(jié)構(gòu)，建立了整車模型、實驗管理軟件和硬件平臺.硬件平臺中包括轉(zhuǎn)向器、磁粉制動器轉(zhuǎn)矩模擬加載裝置和數(shù)據(jù)采集裝置.分別在75°方向盤角脈沖、25°方向盤角階躍、20 km·h-1車速緊急調(diào)頭、80 km·h-1車速雙移線和70 km·h-1車速蛇形工況下，對仿真和實驗下的表征整車側(cè)翻程度的車身側(cè)傾角進行了監(jiān)測，得到兩種結(jié)果相近，說明了該試驗臺架的側(cè)翻實驗的適用性.

汽車側(cè)翻； 線控主動轉(zhuǎn)向； 硬件在環(huán)； 磁粉制動器

側(cè)翻是汽車轉(zhuǎn)向時發(fā)生的一種極限危險工況，是汽車側(cè)向動力學的典型非線性工況.側(cè)翻往往是在急速轉(zhuǎn)向或高速轉(zhuǎn)向時發(fā)生，通常通過汽車車身側(cè)傾角來表示側(cè)翻的危險程度[1-2].

根據(jù)汽車系統(tǒng)動力學分析，汽車側(cè)翻與汽車的懸架、整車側(cè)傾剛度和整車質(zhì)心分布等有關(guān).Hocine研發(fā)了一種用于估計車輛動力學狀態(tài)的高階滑模觀測器，可以監(jiān)測側(cè)向加速度極限和整車質(zhì)心高度.并通過算法控制側(cè)向位移和側(cè)向速度以保證整車穩(wěn)定性從而避免側(cè)翻[3].但是在汽車被設(shè)計好后，為了減少側(cè)翻危險，通常需要通過監(jiān)測左右車輪的載荷轉(zhuǎn)移控制整車的姿態(tài)來實現(xiàn).Chad研發(fā)了一種預測載荷轉(zhuǎn)移率控制側(cè)翻，通過監(jiān)測駕駛員方向盤轉(zhuǎn)角和其它從車輛穩(wěn)定程序中獲得的傳感器信號實現(xiàn)[4].汽車的側(cè)滑危險一般是通過制動或驅(qū)動執(zhí)行器的整車穩(wěn)定程序?qū)崿F(xiàn)控制；而對于汽車的側(cè)翻有不少是通過主動轉(zhuǎn)向控制實現(xiàn).Solmaz S.提出一種利用主動轉(zhuǎn)向來避免側(cè)翻的魯棒性控制設(shè)計方法，通過在駕駛員方向盤轉(zhuǎn)角輸入下控制載荷轉(zhuǎn)移率在某一水平以下實現(xiàn)[5].其中線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是主動轉(zhuǎn)向領(lǐng)域的一個熱點.Nam提出通過線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來實現(xiàn)橫擺穩(wěn)定性控制.其中包括一個內(nèi)環(huán)控制器通過補償轉(zhuǎn)向角來防止轉(zhuǎn)向干擾輸入和一個外環(huán)路徑控制器來實現(xiàn)穩(wěn)定性控制[6].緊急調(diào)頭、雙移線等工況都可以檢驗側(cè)翻[7-8].

為了研究側(cè)翻問題，可以通過主動線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn).但是純仿真虛擬環(huán)境對于汽車來說，又不能真實反應(yīng)汽車側(cè)翻動力學特性.硬件在環(huán)(Hardware-in-the-loop, HIL)半實物仿真技術(shù)能在“虛擬車輛”中模擬汽車各種行駛工況，對實物硬件進行大量測試，而無需真實的車輛，因此是測試汽車電子控制器的一種理想實驗工具[9-11].同時,硬件在環(huán)測試技術(shù)的關(guān)鍵還在于對硬件的真實性構(gòu)建,已有一些研究進行了轉(zhuǎn)向加載的模擬[12-14].

綜上，為了深入研究汽車側(cè)翻問題，通過線控主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，利用硬件在環(huán)技術(shù)進行研究是一套行之有效的方法.但是目前多是通過對橫拉桿處簡單加載或成本較高的駕駛模擬器等實現(xiàn),本文創(chuàng)新性將紡織業(yè)使用的磁粉制動器用于轉(zhuǎn)向模擬主銷處加載,可以實現(xiàn)實時跟隨加載,更加接近實際動力學特征.首先設(shè)計和開發(fā)了面向側(cè)翻的主動線控轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)實驗實驗管理平臺結(jié)構(gòu)，通過實時軟件模型、實驗管理軟件和硬件平臺實現(xiàn)；在轉(zhuǎn)向角脈沖、角階躍、緊急調(diào)頭、雙移線和蛇形典型緊急轉(zhuǎn)向工況下，對仿真和實驗結(jié)果進行了比較.

1 HIL實驗管理平臺結(jié)構(gòu)

作為具有低成本優(yōu)勢的硬件在環(huán)實時仿真試驗技術(shù)已成為研究熱點.為了實現(xiàn)硬件在環(huán)實驗管理，需要在Labview中建立與硬件平臺通訊的接口.圖1所示為面向側(cè)翻的主動線控轉(zhuǎn)向HIL實驗管理平臺結(jié)構(gòu).主要包括整車仿真模型、控制、臺架執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集模塊.相互之間的邏輯關(guān)系明確,如圖1.

圖1 HIL實驗平臺結(jié)構(gòu)

2 線控主動轉(zhuǎn)向側(cè)翻試驗臺

試驗臺由三部分組成：實時軟件模型、實驗管理軟件和硬件平臺[9].實時軟件模型為整車仿真模型，實驗管理軟件為LabVIEW，硬件平臺由轉(zhuǎn)向器、電機控制器、磁粉制動器、張力控制器、轉(zhuǎn)向電機、通信板塊、傳感器和其他機械機構(gòu)組成.

2.1 實時軟件模型

根據(jù)電動小車的整車參數(shù)和側(cè)傾彈性特性參數(shù)，建立了包含側(cè)翻自由度的整車模型，可以通過設(shè)立整車轉(zhuǎn)向工況來驗證該車的側(cè)翻穩(wěn)定性能.

2.2 實驗管理軟件

采用虛擬儀器測試軟件LabVIEW作為實驗管理軟件[10].如圖2為LabVIEW實驗程序?qū)崿F(xiàn)框圖，包括轉(zhuǎn)向電機控制、磁粉制動器控制、轉(zhuǎn)向載荷轉(zhuǎn)移(LTR)控制和位移傳感器輸入模塊.

圖2 LabVIEW實驗程序?qū)崿F(xiàn)框圖

2.3 硬件平臺

硬件平臺主要由轉(zhuǎn)向部分(轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向器)，轉(zhuǎn)向阻力模擬加載部分(主銷軸、減速器、磁粉制動器)，信號采集部分(齒條位移傳感器、板卡)以及各部分機械機構(gòu)組成，如圖3所示.

轉(zhuǎn)向阻力模擬加載通過工業(yè)用磁粉制動器及張力控制器實現(xiàn)，如圖4所示.

利用一個位移傳感器PM-75測量轉(zhuǎn)向橫拉桿齒條的實時位移，并設(shè)計可以實現(xiàn)精調(diào)和粗調(diào)的位移傳感器夾具，如圖5所示.

圖3 轉(zhuǎn)向試驗臺圖

圖4 轉(zhuǎn)向模擬加載裝置

圖5 轉(zhuǎn)向橫拉桿齒條位移傳感器及夾具

2.4 側(cè)翻控制原理

沒有轉(zhuǎn)向時左右輪的垂直載荷近似相等.當發(fā)生轉(zhuǎn)向時，左右輪垂直載荷轉(zhuǎn)移，側(cè)傾動力學模型如圖6所示.

圖6 側(cè)傾動力學模型

圖中，F(xiàn)s1y為前軸懸掛質(zhì)量受到的慣性力;FΦr1為前懸掛受到的側(cè)傾力矩.

側(cè)傾程度可以用載荷轉(zhuǎn)移率LTR反映,記作r，即

(1)

(2)

通過式(1)—式(2)得到

(3)

式中:ΔFz1l為左前輪垂直載荷變化；Fz1l為左前輪垂直載荷；Fsy為汽車懸掛質(zhì)量部分受到的慣性力；Fu1y為前軸非懸掛質(zhì)量受到的慣性力；B1為輪距；bs為后軸到質(zhì)心的距離；L為軸距；h1為前軸側(cè)傾中心的高度；hu1為前軸非懸掛質(zhì)量質(zhì)心離地高度；Kφr1為前懸剛度；Cφr1為前懸阻尼；φr為車身側(cè)傾角；ms1為前懸掛質(zhì)量；mu1為前非懸掛質(zhì)量；ay為側(cè)向加速度.

如果車身側(cè)傾趨勢增大，r將會變大.r接近1，意味著側(cè)傾到達一個臨界狀態(tài)，可采用一個PID控制算法，文獻[15]已給出，這里不再贅述.

3 汽車側(cè)翻轉(zhuǎn)向試驗驗證

為了驗證該線控主動轉(zhuǎn)向試驗臺架在轉(zhuǎn)向側(cè)翻工況下的適用性，在轉(zhuǎn)向角脈沖、角階躍、緊急調(diào)頭、雙移線和蛇形典型緊急轉(zhuǎn)向工況下，對仿真和實驗結(jié)果進行了比較.仿真模型見文獻[15].

3.1 75°方向盤角脈沖實驗

在車速為60 km·h-1，方向盤75°的角脈沖工況測量車身的側(cè)傾角的仿真與實驗如圖7，可以看出，兩種結(jié)果非常相近，說明了該試驗臺架對角脈沖側(cè)翻實驗的適用性.

圖7 角脈沖工況

3.2 25°方向盤角階躍實驗

在方向盤角階躍為25°，車速45 km·h-1的工況下測量車身的側(cè)傾角的仿真與實驗如圖8，可以看出，兩種結(jié)果相近，在特征峰值處實驗和仿真變化趨勢相近但有微小差別，可能是由于臺架的慣量所致；在后期仿真與實驗結(jié)果有較大差異，說明了該試驗臺架在角階躍側(cè)翻實驗需要進一步優(yōu)化.

圖8 角階躍工況

3.3 20 km·h-1車速緊急調(diào)頭實驗

在車速為20 km·h-1緊急調(diào)頭工況下測量車身的側(cè)傾角的仿真與實驗如圖9所示，兩種結(jié)果非常相近，說明了該試驗臺架對于緊急調(diào)頭側(cè)翻實驗的適用性.

3.4 80 km·h-1車速雙移線實驗

在車速為80 km·h-1的雙移線工況下測量車身的側(cè)傾角的仿真與實驗如圖10所示，兩種結(jié)果相近，在特征峰值處實驗和仿真變化趨勢相近但有微小差別，可能是高速下的響應(yīng)時間問題，說明了該試驗臺架在高速雙移線側(cè)翻實驗需要進一步優(yōu)化.

圖9 調(diào)頭工況

圖10 雙移線工況

3.5 70 km·h-1車速蛇形實驗

在車速70 km·h-1蛇形工況下測量車身的側(cè)傾角的仿真與實驗如圖11所示，兩種結(jié)果非常相近，說明了該試驗臺架對于蛇形實驗的適用性.

圖11 蛇形工況

4 結(jié)論

對面向側(cè)翻試驗的線控主動轉(zhuǎn)向電動小車臺架進行了研究，得到如下成果和結(jié)論：

(1)構(gòu)建了用于側(cè)翻試驗的線控主動轉(zhuǎn)向電動小車實驗臺架，包括建立了實時整車仿真模型、實驗管理軟件和硬件平臺.

(2)硬件平臺主要由轉(zhuǎn)向部分(轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向器)，轉(zhuǎn)向阻力模擬加載部分(主銷軸、減速器、磁粉制動器)，信號采集部分(齒條位移傳感器、板卡)以及各部分機械機構(gòu)組成.

(3)分別在角脈沖、角階躍、緊急調(diào)頭、雙移線和蛇形工況下，對仿真和實驗結(jié)果進行了比較，兩種結(jié)果相近，說明了該試驗臺架對于側(cè)翻實驗的適用性.僅在角階躍和高速雙移線工況有較小差異，可能是由于臺架的慣量和高速下的硬件響應(yīng)時間問題,可以通過后期的算法優(yōu)化、硬件進一步調(diào)試來解決.

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Test Bench Construction of Active Steer-by-wire for Rollover Research

WANG Yangyang1,2, PAN Ding2, LI Wei3, FU Tao4

(1. Clean Energy Automotive Engineering Center, Tongji University, Shanghai 201804, China； 2. College of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China； 3. College of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China； 4. Zhejiang Geely Automobile Research Institute, Hangzhou 317000, China)

In order to study the rollover control through active steer-by-wire system, a suitable test bench was requested. First, a hardware-in-the-loop experiment platform structure of active steer-by-wire for rollover was analyzed. The vehicle model, experiment management software and hardware platform were established. The hardware platform was composed of steering system, torque simulation loading device with magnet brake and data acquisition device. On the condition of 75° steering wheel angle of pulse test, 25° steering wheel angle of step test, 20 km·h-1speed of J-turn test, 80 km·h-1speed of double lane change test and 70 km·h-1speed of snake test rollover angle of vehicle body which was used to characterize roll degree in the simulation and experiment were monitored. Results of which are close to each other. It indicates the applicability of the test bench for the rollover test.

vehicle rollover; active steer-by-wire; hardware-in-the-loop; magnet brake

2015-08-21

2015中央高校交叉學科項目;2016同濟大學優(yōu)秀項目

王陽陽(1980—)，女，副教授，工學博士,主要研究方向為汽車系統(tǒng)動力學與控制.E-mail:wyangyang@#edu.cn

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