殷凡青，姜良超

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線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動比設計

殷凡青，姜良超

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于其可以自由設計傳動比的特點，可以保證在不同工況下，汽車都有著良好的轉(zhuǎn)向特性和操縱穩(wěn)定性。文章主要對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動比進行了研究設計。在中低速段，采用基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變的設計方案；在高速段，采用模糊控制對傳動比進行設計。最后通過仿真試驗，驗證了設計的理想傳動比的控制效果。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；理想傳動比；穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益；模糊控制

前言

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于受到自身機械連接的制約[1]，其傳動比不能根據(jù)行駛工況合理的變化，這導致汽車的轉(zhuǎn)向靈敏度一直處在變化之中，增加了駕駛員準確掌控汽車響應狀態(tài)的難度。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）利用電控單元和總線技術取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機械連接，可以自由設計傳動比，能夠很好地滿足不同工況下駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性的要求，從而降低駕駛難度，提高汽車的操縱穩(wěn)定性。本文主要研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動比的變化規(guī)律，在不同車速段下，采用不同的設計方法，聯(lián)合確定了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動比，并通過仿真試驗驗證了所設計傳動比的控制效果。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構及整車建模

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ECU）三大模塊組成，此外還有故障容錯系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)[2]。其結構圖如圖1所示。

方向盤總成作為汽車與駕駛員之間的“橋梁”，一方面將駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向信號，傳遞給主控制器，另一方面將路感電機產(chǎn)生的模擬路感傳遞給駕駛員。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成也有兩個功能，一是接收主控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)向指令，通過轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機完成汽車轉(zhuǎn)向，二是將前輪轉(zhuǎn)角以及路面信息，反饋給主控制器。主控制器通過采集傳感器信號，根據(jù)提前設定好的控制策略做出合理決策。主控制器一方面控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成完成轉(zhuǎn)向，另一方面控制路感電機產(chǎn)生合適的模擬路感。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結構示意圖

結合SBW系統(tǒng)的工作原理，對SBW系統(tǒng)進行動力學分析，聯(lián)合Carsim和Simulink建立起裝備有SBW系統(tǒng)的整車模型，如圖2所示。

圖2 SBW系統(tǒng)整車模型

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動比設計

本文結合傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的不足，分析了SBW系統(tǒng)理想傳動比所應滿足的設計要求，提出了分段設計的思路，即中低速段和高速段采用不同的控制策略，來對傳動比變化規(guī)律進行設計。

2.1 中低速段傳動比設計

為保證汽車在不同速度下有著一致的轉(zhuǎn)向靈敏度，中低速段采用基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變來設計理想傳動比。根據(jù)汽車二自由度模型可以得出：

式中，G—穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益；l—理想傳動比。其余參數(shù)含義見文獻[3]。

穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益G不變，令G=K?？傻美硐雮鲃颖龋?/p>

本節(jié)將中低速段速度范圍設為0~90/，考慮到轉(zhuǎn)向輪的極限位置，設定理想傳動比最小值為i，其對應下臨界車速1為20/。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在進行泊車、倒車入庫等大幅度轉(zhuǎn)向操作時，駕駛員需要變換手握方向盤的位置，才能得到想要的前輪轉(zhuǎn)角，為避免這種情況，本文將方向盤范圍設為-180°~ 180°，轉(zhuǎn)向輪極限轉(zhuǎn)角為30°，可得最小傳動比i為6。故中低速段理想傳動比為：

選定K=0.32，結合方向盤轉(zhuǎn)角對傳動比設計的影響[4]，確定的理想傳動比如圖3所示。

圖3 理想傳動比與車速和方向盤轉(zhuǎn)角的關系

2.2 高速段傳動比設計

由圖3可以看出，基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變設計的傳動比最大值為19.8，難以滿足汽車高速行駛時大傳動比的要求，故汽車高速段傳動比采用模糊控制策略來確定。

本文中模糊控制器的輸入量為車速和方向盤轉(zhuǎn)角，輸出量為理想傳動比。高速段車速范圍設為90/~160/，即模糊論域為{90，160}，方向盤轉(zhuǎn)角范圍為-180°~180°，模糊論域為{-180，180}，高速段理想傳動比的范圍為19~25，模糊論域為{19，25}，各變量模糊集均設為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。各變量隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)。模糊規(guī)則[5]如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

綜上所述，模糊控制設計的高速段理想傳動比如圖4所示。將中低速段和高速段確定的理想傳動比聯(lián)合起來，得到最終的理想傳動比如圖5所示。

圖4 基于模糊控制的理想傳動比

圖5 聯(lián)合控制確定的理想傳動比

3 仿真驗證

選取Carsim中的Double Lane Change試驗工況，路面附著系數(shù)設為0.85，車速設為80/，比較線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整車模型和傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車的仿真結果。

圖6 行駛軌跡

圖7 橫擺角速度響應

圖8 側(cè)向加速度響應

圖9 質(zhì)心側(cè)偏角響應

由仿真結果可以看出，采用理想傳動比控制的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車在行駛軌跡上跟蹤效果更好，而且汽車主要參數(shù)的響應值及曲線變化幅度都有所減小。該仿真結果說明理想傳動比的設計提高了汽車的操縱穩(wěn)定性，驗證了理想傳動比控制策略的有效性。

4 總結

本文建立了SBW系統(tǒng)整車模型，對SBW系統(tǒng)的理想傳動比進行了分段設計，并通過雙移線試驗工況仿真驗證了所設計理想傳動比的控制效果，證明本文的設計有利于提高汽車轉(zhuǎn)向時的操縱穩(wěn)定性。

[1] 左建令,吳浩.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及展望[J].上海汽車,2005(01): 37-40.

[2] 高曉程.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動轉(zhuǎn)向控制策略研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2018.

[3] 余志生.汽車理論(第5版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:144-155.

[4] 宋洋洋.基于線控技術的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法研究及路感模擬分析[D].遼寧:東北大學, 2015.

[5] 鄭宏宇,宗長富,田承偉等. 基于理想轉(zhuǎn)向傳動比的汽車線控轉(zhuǎn)向控制算法[J].吉林大學學報(工學版), 2007(06): 1229-1235.

Design of Ideal Transmission Ratio for Steering-by-Wire System

Yin Fanqing, Jiang Liangchao

（Automobile of School, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

Due to its freely designed transmission ratio, the steer-by-wire system can ensure that the vehicle has good steering characteristics and handing stability under different working conditions. This paper mainly studies and designs the ideal transmission ratio of steering-by-wire system. In the middle and low speed section, the design scheme based on constant steady yaw rate gain is adopted; in the high speed section, the transmission ratio is designed by fuzzy control. Finally, the control effect of the designed ideal transmission ratio is verified by simulation test.

Steering-by-wire system;Ideal transmission ratio;Steady yaw rate gain;Fuzzy control

U463.4

A

1671-7988(2019)09-95-03

U463.4

A

1671-7988(2019)09-95-03

殷凡青（1993-），男，就讀于長安大學汽車學院車輛工程專業(yè)，研究方向：車輛控制技術。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.031