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(云南機電職業(yè)技術學院 汽車技術工程系,云南 昆明 650203)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車重要組成部件,與行駛系統(tǒng)搭配共同保證汽車操作穩(wěn)定性與安全性。消費者對汽車駕駛性能的要求越來越苛刻,智能化的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能滿足消費者日益增加的客觀需要。線控轉(zhuǎn)向(SBW)系統(tǒng)是繼電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)后提出的新轉(zhuǎn)向系統(tǒng),傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向盤與車輛之間的機械連接被2個電機取代,這樣完全打破了機械連接的限制。駕駛員只需向車輛提供轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角指令,然后控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角及車輛信息,依照相關控制算法確定合適的轉(zhuǎn)角,實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

本文針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特點進行了路感方面的研究。從路感的影響因素出發(fā),提出路感模擬的經(jīng)驗公式,并采用路感函數(shù)多變量模糊控制的方法來研究經(jīng)驗公式中各函數(shù)與路感的關系。通過多變量模糊控制的方法并根據(jù)汽車的行駛工況細化各種影響因素,以達到產(chǎn)生較理想路感的目的[1-2]。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

線控是用信號傳送取代機械連接。隨著線控的發(fā)展,線控制動、線控轉(zhuǎn)向、線控換檔等成為線控系統(tǒng)的子系統(tǒng),它們之間數(shù)據(jù)共享,通過通信系統(tǒng)來實現(xiàn)它們之間的通信。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由3個模塊組成:轉(zhuǎn)向盤總成、控制器和前輪轉(zhuǎn)向總成。轉(zhuǎn)向盤總成包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機等。它有以下2個基本功能:路感電機向駕駛員反饋路感;轉(zhuǎn)向盤力矩轉(zhuǎn)角傳感器測量駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,控制器根據(jù)此信號向前輪轉(zhuǎn)向總成提供目標前輪轉(zhuǎn)角。前輪轉(zhuǎn)向總成包括齒條位移傳感器、轉(zhuǎn)向電機等,它可實現(xiàn)以下2個基本功能:控制轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪,并跟蹤目標前輪轉(zhuǎn)角,從而實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向;齒條位移傳感器測量前輪的運動狀態(tài)以進行前輪轉(zhuǎn)角的反饋控制,為路感反饋提供參考信號,然后將車輛運動狀況反饋給駕駛員?？刂破靼ㄒ韵?個控制環(huán):轉(zhuǎn)向盤力反饋控制環(huán)和前輪位置反饋控制環(huán)[3]。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of steer-by-wire system

駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時,控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器的信號,由主動轉(zhuǎn)向控制策略得到前輪轉(zhuǎn)角,然后向轉(zhuǎn)向電機發(fā)出控制信號,并對轉(zhuǎn)向電機進行位置閉環(huán)控制,以實現(xiàn)參考前輪轉(zhuǎn)角。同時,控制器根據(jù)路感控制策略(轉(zhuǎn)向盤回正力矩算法)得到參考轉(zhuǎn)向盤回正力矩,路感電機對電流進行控制,以提供期望的轉(zhuǎn)向盤回正力矩?？刂破骺刂妻D(zhuǎn)向盤總成和前輪轉(zhuǎn)向總成協(xié)調(diào)工作[4]。

2 路感

2.1 路感定義

汽車路感是在汽車轉(zhuǎn)向過程中,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把車輛運動狀態(tài)和路面狀態(tài)信息反饋給駕駛員的一種現(xiàn)象。駕駛過程是一個人-車-路相互作用的過程,也是一個閉環(huán)系統(tǒng)。駕駛員需要獲得從汽車和道路上反饋來的信息,進而對駕駛操作進行修正,以保證汽車安全高效運行。路感正是這些反饋信息中的重要組成部分,因此路感對于駕駛安全性等有重要影響。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了能夠讓駕駛員通過車輛前輪轉(zhuǎn)角來控制車輛的轉(zhuǎn)向外,還有一個重要功能就是借助轉(zhuǎn)向盤獲得力感。該力感將整車以及輪胎的運動、受力狀態(tài)等信息反饋給駕駛員,同時駕駛員也希望通過轉(zhuǎn)向盤的力矩信息感知車輛的行駛狀態(tài),做到“心中有數(shù)”。轉(zhuǎn)向盤力(或轉(zhuǎn)向盤力矩)是駕駛員輸入轉(zhuǎn)向盤用以操縱汽車的力,轉(zhuǎn)向盤反作用力輸送給人手的力,即為路感[5]。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,由于轉(zhuǎn)向盤和前輪轉(zhuǎn)向機構之間沒有機械連接,力矩傳不到轉(zhuǎn)向盤,如果不做任何處理,駕駛員將沒有辦法感知整車以及輪胎的運動、受力狀態(tài)等信息,這對駕駛員來說是相當不安全的。因此,在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,路感設計的關鍵點在于如何呈現(xiàn)整車以及輪胎的運動規(guī)律、受力情況等信息。目前的方法是:在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,通過電機模擬整車以及輪胎的運動規(guī)律、受力情況等信息,由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器控制路感電機模擬產(chǎn)生路感,模擬產(chǎn)生的路感信息和汽車轉(zhuǎn)向盤力特性基本一致;同時路感還可以根據(jù)不同的要求實現(xiàn)靈活多變、人性化的設計思想[6]。

2.2 路感分類

路感按汽車行駛狀態(tài)或轉(zhuǎn)向盤所處位置,可以分為直線行駛路感、轉(zhuǎn)向路感和回正過程路感。直線行駛路感,即汽車直線行駛時轉(zhuǎn)向盤處于中間位置的路感。轉(zhuǎn)向路感體現(xiàn)在以下2個方面:一是汽車轉(zhuǎn)向盤的操縱力應隨轉(zhuǎn)角或阻力矩的變化而變化,二是汽車轉(zhuǎn)向盤的操縱力應隨車速的變化而變化?；卣^程路感也表現(xiàn)為以下2個方面:一是轉(zhuǎn)向盤的操縱力應隨轉(zhuǎn)角的減小而減小;二是當車輛以較低的速度運行并轉(zhuǎn)向或回正時,車輪的回正能力較差(路面的摩擦力較大),為了提高轉(zhuǎn)向操縱性,應盡可能使轉(zhuǎn)向盤回正力矩特性曲線通過或接近轉(zhuǎn)向盤的中間位置,當車輛高速行駛時,車輪的回正能力較強,為了提高車輛行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向盤穩(wěn)定感,應該使回正特性曲線不通過中間位置而留有一定角度,使轉(zhuǎn)向盤靠回正力矩的作用自動回正[7]。

3 路感模擬

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了駕駛員與地面之間的直接聯(lián)系,因此獲得路感的基本途徑是通過轉(zhuǎn)向裝置和執(zhí)行機構向駕駛員傳遞可靠信息。在駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的同時,路感電機通過減速齒輪由控制器實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感的模擬。將轉(zhuǎn)向柱模型簡化(把轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向電機合成為轉(zhuǎn)向柱),根據(jù)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學模型[8],運用牛頓定律,得出轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的動力學方程,如下所示:

(1)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時動力學方程

式中:Jh為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量;Th為轉(zhuǎn)向盤上的額外力矩;Td為轉(zhuǎn)向柱反作用在電機上的力矩;fh為轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向盤支撐架間的摩擦系數(shù);G1為電機與轉(zhuǎn)向柱的傳動比;θh為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角;θ1為電機轉(zhuǎn)角;Ks為扭矩傳感器剛度系數(shù)。經(jīng)過拉普拉斯變換后得到

Jhθh(s)s2-fhθh(s)s

式中:s為復變量。

(2)電機電磁轉(zhuǎn)矩與電流關系

Tm=KeI

式中:Tm為電機電磁轉(zhuǎn)矩;Ke為電機電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù);I為通過電機的電流。

(3)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時路感模擬方程

式中:fm為電動機軸與轉(zhuǎn)向盤支撐架間的摩擦系數(shù);J1為轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)動慣量。經(jīng)過拉普拉斯變換后得到

(4)扭矩傳感器模型

對于扭矩傳感器,其測試值為其剛度乘以轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向柱之間轉(zhuǎn)角差,如下所示:

式中:Ts為扭矩。

根據(jù)路感多變量模糊控制函數(shù)算出對應的路感電機參考力,然后將力轉(zhuǎn)化為與之對應的參考電流ICR。ICS表示路感電機的實際測得電流,電流差用ΔI表示。電流差經(jīng)過比例-積分-微分調(diào)制器由脈沖寬度調(diào)制控制輸出為電壓,該電壓經(jīng)過驅(qū)動電路后直接驅(qū)動路感電機[9]?？刂瓶驁D如圖2所示。

4 仿真分析

為了驗證本文提出的路感模擬算法的合理性,選取典型工況對設計的路感策略進行驗證,并且將相同車型傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感進行對比。

路感設計的優(yōu)劣主要表現(xiàn)在高速工況下路感清晰和低速工況下大轉(zhuǎn)角時轉(zhuǎn)向輕便。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.3 Torque-angle curve of steering wheel

從圖3可以看出,線控轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角小于機械轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,由此說明線控轉(zhuǎn)向可變傳動比的設計能夠有效降低車輛在低速行駛時駕駛員的操縱強度,線控轉(zhuǎn)向盤力矩平均值和最大平均值均小于機械轉(zhuǎn)向盤。因此,本文設計的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感模擬算法可以減輕駕駛員的操縱負擔,提高駕駛員的操控舒適性。

5 結(jié)語

本文通過函數(shù)擬合的方法對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感進行分析,選取典型工況進行仿真,并與傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行對比,結(jié)果表明本文所選取的路感模擬策略能有效地滿足汽車穩(wěn)定性要求,保證駕駛員安全,具有一定的理論與實用價值。

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