張 君,邱江波,屈 翔,張小鋒

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054)

0 引言

線控轉(zhuǎn)向(steer-by-wire,SBW)系統(tǒng)是當(dāng)下研究的熱點(diǎn),是繼電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)之后的全新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向輪與方向盤間的機(jī)械連接,不僅簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而且能提升車輛的駕駛舒適性、安全性和操縱性,是未來(lái)智能駕駛的重要基礎(chǔ)[1]。但SBW系統(tǒng)無(wú)法將路感通過(guò)方向盤直接傳遞給駕駛員,只能通過(guò)電機(jī)模擬生成。

目前,對(duì)于路感模擬主要有傳感器測(cè)量法、動(dòng)力學(xué)計(jì)算法、參數(shù)擬合法。Bhardwaj等[2]提出了一種基于車輛和不同輪胎模型的齒條力估計(jì)器,根據(jù)輪胎模型復(fù)雜度的增加,估計(jì)器精度也會(huì)提高,從而準(zhǔn)確估計(jì)齒條力。Bhardwaj等[3]提出了一個(gè)可以產(chǎn)生無(wú)干擾齒條力估計(jì)的道路高頻輪廓變化模型,與傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了其模型的估計(jì)精度與優(yōu)點(diǎn)。謝立剛等[4]利用動(dòng)力學(xué)計(jì)算法計(jì)算目標(biāo)力矩,并采用粒子群優(yōu)化PID算法實(shí)現(xiàn)路感反饋功能。王曉峰等[5]分析了動(dòng)力學(xué)計(jì)算法的弊端,在此基礎(chǔ)上采用權(quán)重法對(duì)路感力矩進(jìn)行設(shè)計(jì),最終通過(guò)不同車速來(lái)取不同權(quán)值。袁臣虎等[6]采用了直接測(cè)量轉(zhuǎn)向電機(jī)電流等效路面負(fù)載來(lái)模擬路感。Xu等[7]設(shè)計(jì)了一種具有容錯(cuò)模塊的小階PID(FOPID)控制器對(duì)路感電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,并采用遺傳算法(GA)來(lái)調(diào)整FOPID控制器的參數(shù),通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證了該控制方法的可行性。而針對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)角和扭矩閉環(huán)控制策略的同時(shí)保證SBW系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在的問(wèn)題,Zheng等[8]提出了一種具有轉(zhuǎn)向和路感反饋控制的SBW系統(tǒng)雙邊控制方案,最后通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證了所提算法的有效性。趙含雪等[9]針對(duì)車輛在低速回正不足,高速回正超調(diào)的問(wèn)題,提出了一種基于傳統(tǒng)滑?？刂扑惴ǖ闹鲃?dòng)回正控制策略,但傳統(tǒng)滑模控制無(wú)法消除方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題,謝有浩等[10]基于時(shí)變滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)了不同路面附著系數(shù)下的回正控制策略,有效減小了方向盤的抖動(dòng)程度。

采用轉(zhuǎn)向電機(jī)電流等效負(fù)載,需要采用復(fù)雜濾波器進(jìn)行濾波,而采用齒條力估計(jì)方法估計(jì)的齒條力時(shí),其估計(jì)精度較大程度取決于輪胎模型的復(fù)雜度,并且需要進(jìn)一步采用補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償,以達(dá)到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感輕便的目的。方向盤回正時(shí)需采用較復(fù)雜控制器來(lái)控制電機(jī),針對(duì)以上問(wèn)題,本文通過(guò)建立輪胎回正力矩動(dòng)力學(xué)模型對(duì)方向盤反饋力矩進(jìn)行計(jì)算;并設(shè)計(jì)補(bǔ)償算法,確保車輛在低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便與高速時(shí)路感清晰,與傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法直接計(jì)算回正力矩相比,本文能夠減小車輛在低速時(shí)方向盤的反饋力矩,高速時(shí)加強(qiáng)路感;同時(shí)與其他主動(dòng)回正方法相比,本文基于方向盤轉(zhuǎn)角和車速2個(gè)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)主動(dòng)回正算法,能夠精確提升方向盤在不同車速下的回正性能。

1 路感產(chǎn)生原理與分析

通過(guò)分析傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感產(chǎn)生原理可知,駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)需要克服的轉(zhuǎn)向阻力矩稱為路感,該阻力矩主要由回正力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力矩、慣性力與阻尼力產(chǎn)生的力矩,以及輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的摩擦阻力矩等組成。其中,回正力矩由輪胎拖距與主銷內(nèi)傾或內(nèi)移產(chǎn)生的回正力矩2部分組成?；卣乜梢杂行Х从陈访嫘畔?、輪胎的受力狀況,能夠給駕駛員提供有效的路感信息,因此,回正力矩的準(zhǔn)確計(jì)算與駕駛員的駕駛舒適度息息相關(guān)。摩擦力矩主要指轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間相互作用產(chǎn)生的阻力矩,是阻礙駕駛員獲得有效路感的障礙。但是,對(duì)于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向汽車而言,當(dāng)車輛行駛在不平的路面環(huán)境下,該摩擦力矩會(huì)起到阻尼的作用,抵消一部分來(lái)自路面的沖擊。

2 SBW系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

SBW系統(tǒng)主要由方向盤模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊組成。其中方向盤模塊主要由方向盤、路感模擬電機(jī)、減速器組成。

方向盤至扭矩傳感器的數(shù)學(xué)模型[11]表示為

(1)

式中：Tsw為方向盤輸入力矩;Jsw為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;δsw為方向盤轉(zhuǎn)角;Bsw為方向盤阻尼系數(shù);Ksw為轉(zhuǎn)向管柱扭轉(zhuǎn)剛度;δm為路感電機(jī)轉(zhuǎn)角;Gm為路感電機(jī)減速器減速比。

路感電機(jī)數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中：Tm為路感電機(jī)電磁力矩;Bm為路感電機(jī)阻尼系數(shù);Km為路感電機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度。

本文采用的路感電機(jī)為無(wú)刷直流電機(jī),根據(jù)基爾霍夫定律,其電學(xué)平衡方程可表示為

(3)

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成正比,可表示為

Tm=ktIa

(4)

式中：Ua為路感電機(jī)電壓;Ra為路感電機(jī)電阻;Ia為路感電機(jī)電流;La為路感電機(jī)電感;ke為路感電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù);kt為路感電機(jī)電磁力矩系數(shù)。

3 路感模擬與主動(dòng)回正控制

3.1 基于回正力矩半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆答伭赜?jì)算

通過(guò)分析傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正力矩產(chǎn)生原理,SBW系統(tǒng)的路感模擬需要根據(jù)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輪胎回正力矩半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐罁?jù)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輪胎回正力矩主要由輪胎拖距產(chǎn)生的回正力矩和主銷內(nèi)傾或內(nèi)移造成的回正力矩組成。

輪胎拖距由氣胎拖距與后傾拖距組成,如圖1所示。

圖1 氣胎拖距與后傾拖距

由輪胎拖距產(chǎn)生的回正力矩[12]為

(5)

主銷內(nèi)傾或內(nèi)移產(chǎn)生的回正力矩與車速無(wú)關(guān),其表達(dá)式為[13]

(6)

式中：Mzv為輪胎拖距產(chǎn)生的回正力矩;m、v、a、b、L、k1、k2、ξ′、ξ″、δ分別為整車質(zhì)量、車速、質(zhì)心到前后輪的距離、前后輪軸距、前后輪側(cè)偏剛度、氣胎拖距、后傾拖距、前輪轉(zhuǎn)角;Q、D、β′分別為輪荷、主銷內(nèi)移量和主銷內(nèi)傾角。

當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角δ較小時(shí),sinδ≈δ,則式(6)可表示為

(7)

則輪胎總回正力矩為

Mh=Mzv+MA

(8)

在實(shí)際行駛情況下,輪胎與地面的相互作用也會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩,可表示為

Tf=Fwsinδ

(9)

式中：Fw為阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和軸荷等相關(guān)的常數(shù)。

考慮到SBW系統(tǒng)的路感應(yīng)盡量減小與側(cè)向力無(wú)關(guān)的摩擦力,因此只考慮回正力矩,所以初步確定方向盤上的反饋力矩為

(10)

式中：i為傳動(dòng)比。

為了驗(yàn)證回正力矩動(dòng)力學(xué)模型的有效性,在雙紐線工況下將方向盤轉(zhuǎn)角輸入設(shè)置為正弦輸入,低速時(shí)幅值設(shè)置為120,高速時(shí)幅值設(shè)置為20進(jìn)行仿真,仿真中用到的某車輛參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表(部分)

將車速分別設(shè)置為30 km/h和80 km/h,在Matlab/Simulink與Carsim里進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得到如圖2所示的轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線。在同樣的工況條件下,在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)方向盤進(jìn)行手動(dòng)輸入正弦變化的轉(zhuǎn)角信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3與圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤力矩仿真曲線

車輛在低速時(shí)影響回正力矩的主要因素為方向盤轉(zhuǎn)角,高速時(shí)由于方向盤基本保持在中間位置,影響反饋力矩的主要因素為側(cè)向加速度。圖2—4為車輛在不同車速下行駛時(shí)對(duì)應(yīng)的方向盤力矩變化曲線,仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果接近。車速為30 km/h下行駛時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角輸入幅值較大,因此對(duì)應(yīng)的方向盤力矩較大。而在車速為80 km/h時(shí),此時(shí)處于高速下行駛,方向盤長(zhǎng)時(shí)間處于中間位置,轉(zhuǎn)角輸入幅值正常情況下較小,因此方向盤反饋力矩較小,導(dǎo)致路感較差。

圖4 80 km/h時(shí)方向盤力矩試驗(yàn)曲線

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6323—2014雙紐線評(píng)價(jià)指標(biāo)[14],對(duì)所計(jì)算的方向盤反饋力矩進(jìn)行輕便性評(píng)價(jià)。中高速時(shí)駕駛員偏好力矩[15]與低速穩(wěn)態(tài)時(shí)方向盤力矩理想值[16]如表2與表3所示。

表2 駕駛員偏好力矩(參考值) N·m

表3 低速穩(wěn)態(tài)下方向盤力矩(參考值) N·m

通過(guò)對(duì)表2和表3分析可知,當(dāng)車速為30 km/h歸為低速行駛,方向盤力矩理想值參考值范圍為1.70～3.00 N·m,而此時(shí)方向盤力矩8.57 N·m遠(yuǎn)超出理想值范圍;車速為80 km/h時(shí)方向盤力矩2.04 N·m,超出理想值參考范圍2.29～3.27 N·m,均不能滿足駕駛員對(duì)路感低速輕便性和高速清晰穩(wěn)定的要求,此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

3.2 SBW系統(tǒng)路感補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為了保證方向盤低速輕便性,首先需要進(jìn)行助力控制,根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力控制策略,SBW系統(tǒng)的助力控制可設(shè)計(jì)為隨車速和方向盤轉(zhuǎn)角改變而改變,具體公式設(shè)計(jì)如下

(11)

式中：TA為助力力矩;KA、Kv分別為方向盤轉(zhuǎn)角增益、速度增益。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了機(jī)械連接,為了提醒駕駛員方向盤已經(jīng)轉(zhuǎn)到極限位置,需要對(duì)其極限位置進(jìn)行設(shè)計(jì),其表達(dá)式為

(12)

式中：Tlimit為限位力矩;Kl、δr、δl分別為限位系數(shù)、右極限轉(zhuǎn)角、左極限轉(zhuǎn)角。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中摩擦力矩主要存在于方向盤中,在機(jī)械裝配時(shí)摩擦力矩存在不確定性,不能完全滿足駕駛員對(duì)路感的需求。為了駕駛員能快速適應(yīng)SBW系統(tǒng),需要進(jìn)行一定的摩擦補(bǔ)償,而庫(kù)倫摩擦力矩會(huì)在方向盤角速度為零時(shí)使摩擦補(bǔ)償力矩突變,因此將摩擦力矩設(shè)計(jì)成車速與方向盤角速度的函數(shù),能夠根據(jù)車速和方向盤轉(zhuǎn)角改變摩擦補(bǔ)償力矩,即

(13)

式中：n1、n2分別為與摩擦力矩大小和變化快慢有關(guān)的參數(shù)。

從傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可知,汽車高速下行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)方向盤過(guò)輕,不僅有“發(fā)飄”的感覺,而且在回正時(shí)方向盤會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,容易發(fā)生安全事故。根據(jù)前文的仿真分析可知,為了使高速時(shí)駕駛員獲得更清晰的路感,抑制方向盤的回正超調(diào)現(xiàn)象,應(yīng)當(dāng)加入阻尼控制力矩。將阻尼力矩設(shè)計(jì)為

(14)

式中：Tdamp為阻尼力矩;C(v)為車速函數(shù),可將其設(shè)計(jì)為

(15)

式中：kdamp為阻尼系數(shù);v1為臨界車速。

阻尼控制在高速時(shí)不僅能夠給駕駛員提供清晰路感和抑制方向盤回正超調(diào)現(xiàn)象,而且能夠在一定程度上減小方向盤因路面不平或者顛簸帶來(lái)的抖動(dòng)。

綜上,路感模擬綜合控制力矩為

T=Msw-Ta+Tl+Tf+Tdamp

(16)

3.3 主動(dòng)回正力矩算法設(shè)計(jì)

汽車在低速行駛時(shí)方向盤會(huì)出現(xiàn)回正不足的問(wèn)題,因此需要設(shè)計(jì)主動(dòng)回正力矩Tat,以保證方向盤在低速行駛時(shí)能夠正常回正,從而減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)以及提升車輛行駛安全性,將主動(dòng)回正力矩公式設(shè)計(jì)為隨車速和方向盤轉(zhuǎn)角變化的函數(shù),具體為隨著車速的增大而減小,隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大而增大,即

Tat=(Kvt-Cv)Cδδsw

(17)

其中

(18)

(19)

將式(18)、(19)代入式(17)得到

(20)

式中：Kvt為車速相關(guān)的常數(shù);nv為車速影響因子;Gδsw為方向盤轉(zhuǎn)角增益系數(shù);Kδsw為方向盤轉(zhuǎn)角影響系數(shù)。

為了便于控制,本文將方向盤整個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)程分為轉(zhuǎn)向和回正2個(gè)過(guò)程,回正是指駕駛員撒手后方向盤的自動(dòng)回正。通過(guò)方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的乘積與零比較進(jìn)行2個(gè)過(guò)程的判定,當(dāng)乘積大于零時(shí)表示轉(zhuǎn)向過(guò)程,小于等于零時(shí)表示回正過(guò)程。主動(dòng)回正力矩僅在回正過(guò)程起作用,其表達(dá)式設(shè)計(jì)為

(21)

式中包含車速和方向盤轉(zhuǎn)角2個(gè)影響因素,能夠隨車速增大而減小,隨方向盤轉(zhuǎn)角增大而增大,滿足低速大轉(zhuǎn)角時(shí)輔助方向盤回正的目的;在不同行駛條件下通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)的參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同條件下的回正控制。

最終回正過(guò)程的控制力矩為

T=Msw+Tat+Tdamp

(22)

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建模型,并聯(lián)合車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn),分別為阻尼試驗(yàn)、雙紐線試驗(yàn)、限位試驗(yàn)和主動(dòng)回正試驗(yàn),仿真原理如圖5所示。

圖5 聯(lián)合仿真原理

4.1 阻尼試驗(yàn)

4.1.1高速阻尼效果

選取角階躍試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證阻尼控制算法對(duì)方向盤抖動(dòng)和回正超調(diào)的抑制效果,將車速設(shè)定為80 km/h,以30°的角階躍作為輸入,與無(wú)阻尼時(shí)對(duì)比,觀察方向盤轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化規(guī)律與達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間,結(jié)果如圖6所示。

圖6 方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真結(jié)果

由圖6可知,在車速一定時(shí),與無(wú)阻尼控制相比,方向盤抖動(dòng)明顯減小,并且能夠增加方向盤力矩,給駕駛員提供穩(wěn)定且清晰的路感。

4.1.2高速回正效果

以相同的車速和轉(zhuǎn)角作為輸入條件,觀察方向盤在撒手回正時(shí)的阻尼效果,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 高速時(shí)方向盤回正試驗(yàn)仿真結(jié)果

由圖7結(jié)果可以看出,有阻尼控制時(shí),方向盤回正控制效果更佳,并且能夠抑制回正超調(diào)現(xiàn)象,延長(zhǎng)了方向盤的回正時(shí)間,提升了方向盤的回正性能。

4.2 雙紐線仿真試驗(yàn)

雙紐線試驗(yàn)主要作用是檢測(cè)車輛在不同車速下方向盤轉(zhuǎn)矩隨著方向盤轉(zhuǎn)角的變化情況,確保車輛在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便、高速時(shí)路感清晰。在Carsim軟件中分別設(shè)定車速為10、80 km/h沿著雙紐線工況繞行一周進(jìn)行仿真試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 車速為10 km/h時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角-力矩特性

圖9 車速為80 km/h時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角-力矩特性

根據(jù)圖8、9并結(jié)合表2、3可知,方向盤轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)角變化處于閾值內(nèi),在低速時(shí)方向盤反饋力矩為2.68 N·m,高速時(shí)方向盤最大力矩達(dá)到了3.69 N·m,符合駕駛員偏好的力矩值,表明本文所設(shè)計(jì)的路感模擬控制算法能夠給駕駛員提供合適的路感。

4.3 限位控制試驗(yàn)

為了驗(yàn)證限位力矩是否起到限位作用,此時(shí)將車速設(shè)置為0 km/h,將最大轉(zhuǎn)角設(shè)定為500°。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 限位控制試驗(yàn)仿真結(jié)果

由圖10可知,當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到450°后力矩已達(dá)到4.6 N·m,轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大時(shí),方向盤力矩不斷增大到7.59 N·m,能夠很好地提醒駕駛員已轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角位置。

4.4 低速主動(dòng)回正試驗(yàn)

仿真時(shí)確定公式中各個(gè)參數(shù)值,取Kvt=2、nv=20、Gδsw=4和Kδsw=8,車速設(shè)定為30 km/h,以一恒定力矩對(duì)方向盤進(jìn)行輸入,7 s后松開方向盤,得到方向盤轉(zhuǎn)角與時(shí)間變化曲線如圖11所示。

圖11 低速轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)仿真結(jié)果

從圖11中可以看出,與無(wú)主動(dòng)回正力矩控制比較,本文所設(shè)計(jì)的主動(dòng)回正力矩控制算法使方向盤回正效果更佳,能夠減小回正殘余角,較大程度提升了方向盤低速回正性能。

5 硬件在環(huán)試驗(yàn)與分析

5.1 硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的路感模擬控制策略和方向盤的主動(dòng)回正控制的有效性,搭建了SBW系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)實(shí)物如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

試驗(yàn)臺(tái)主要由線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、負(fù)載加載裝置、數(shù)據(jù)采集卡、通信設(shè)備(CAN卡、CANApe)以及上位機(jī)組成。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤、路感電機(jī)及路感電機(jī)控制器、轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩傳感器、減速器、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器等組成;而CAN卡結(jié)合上位機(jī)將模型對(duì)應(yīng)的程序代碼燒錄到控制器,CANApe是進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與顯示,并且將控制器與上位機(jī)之間進(jìn)行通信;控制器則是用于實(shí)現(xiàn)路感控制策算法;負(fù)載加載裝置被用于各種阻力的模擬。

5.2 路感控制試驗(yàn)

5.2.1阻尼控制試驗(yàn)

在上位機(jī)中將車速設(shè)置為80 km/h,方向盤輸入角度幅值為30°的角階躍輸入,分別在有阻尼和無(wú)阻尼控制的條件下進(jìn)行試驗(yàn),得到方向盤力矩隨時(shí)間變化關(guān)系以及方向盤回正實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別如圖13與圖14所示。

圖13 方向盤角階躍輸入硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

從圖13中可知,有阻尼控制時(shí)轉(zhuǎn)向盤力矩波動(dòng)明顯減小,即方向盤抖動(dòng)明顯減小,從而使駕駛員獲得更舒適的手感。

圖14 高速回正試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出本文設(shè)計(jì)的阻尼控制能夠抑制方向盤超調(diào)現(xiàn)象,保障車輛行駛更加穩(wěn)定,有效減小了高速時(shí)一些不利因素對(duì)駕駛員的影響。

5.2.2雙紐線試驗(yàn)

為了進(jìn)一步觀察汽車在不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)矩特性,以雙紐線工況來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤,將車速也分別設(shè)置為10、80 km/h進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖15、16所示。

圖15 車速為10 km/h時(shí)方向盤力矩試驗(yàn)結(jié)果

圖16 車速為80 km/h時(shí)方向盤力矩試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)車速為10 km/h時(shí)也能測(cè)試方向盤的低速輕便性,從圖中可以知道隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大,方向盤力矩也在增大,且最大值為2.72 N·m內(nèi)。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T6323—2014雙紐線評(píng)價(jià)指標(biāo),通過(guò)對(duì)比助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤力矩對(duì)比,結(jié)果如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4可以看出,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)最大作用力均值和最大力矩均值均小于EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng),表明汽車在低速行駛時(shí),SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更加輕便,滿足路感要求。

從圖15、16的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,高速下對(duì)應(yīng)的最大力矩為3.68 N·m,在閾值內(nèi)。表明該路感模擬算法在高速時(shí)能夠增大反饋力矩,給駕駛員提供比較清晰且穩(wěn)定的路感。

5.2.3限位控制試驗(yàn)

與仿真時(shí)的條件一致,設(shè)定最大極限轉(zhuǎn)角為500°,車速為0 km/h進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖17所示。

圖17 限位控制硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果反映出當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到450°后力矩不斷快速上升,當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到500°時(shí),力矩已經(jīng)達(dá)到7.46 N·m,能夠快速傳遞一個(gè)較大力矩給駕駛員,從而阻止駕駛員繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤,從而起到限位作用。

5.2.4低速回正性能測(cè)試試驗(yàn)

在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn),將車速設(shè)置為30 km/h進(jìn)行試驗(yàn),同樣的時(shí)間松開方向盤,試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

圖18 低速回正性能試驗(yàn)硬件在環(huán)試驗(yàn)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文中所設(shè)計(jì)的主動(dòng)回正力矩算法能夠?qū)⒎较虮P回正殘余角減小到1°以內(nèi),使方向盤很好地進(jìn)行回正,同時(shí)也減輕了駕駛員手動(dòng)回正時(shí)帶來(lái)的體力負(fù)擔(dān),給駕駛員更多的時(shí)間和精力觀察駕駛環(huán)境的情況。

6 結(jié)論

1) 分析傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感來(lái)源,基于回正力矩動(dòng)力學(xué)模型對(duì)車輪回正力矩進(jìn)行計(jì)算,得到低速與高速時(shí)方向盤力矩分別為8.57 N·m和2.04 N·m,存在低速重、高速輕的問(wèn)題,因此設(shè)計(jì)補(bǔ)償力矩算法,最終通過(guò)仿真試驗(yàn)得到補(bǔ)償后的低速與高速對(duì)應(yīng)的方向盤最大力矩分別為2.68 N·m與3.69 N·m,證明了該路感模擬控制策略的可行性。

2) 將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)分為轉(zhuǎn)向和回正2個(gè)過(guò)程,設(shè)計(jì)主動(dòng)回正控制力矩以改善車輛在低速行駛時(shí)的回正性能,并通過(guò)調(diào)整對(duì)應(yīng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同駕駛員和不同車速時(shí)的路感與回正效果,充分發(fā)揮了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感自由設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。利用Carsim和Matlab/Simulink 聯(lián)合仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的路感模擬方法的正確性和有效性。

3) 通過(guò)搭建硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的路感模擬控制算法和不同車速條件下的方向盤主動(dòng)回正算法的有效性。得到路感低速與高速對(duì)應(yīng)方向盤最大力矩分別為2.72 N·m和3.68 N·m,與仿真結(jié)果非常接近,相差的部分在誤差范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了所設(shè)計(jì)的算法不僅能為駕駛員提供舒適可靠的路感,還能提升方向盤的回正性能。