汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤操縱識別與雙向同步控制

李尚司 蔡智凱 陳曦 連小珉

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室）

汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤操縱識別與雙向同步控制

李尚司 蔡智凱 陳曦 連小珉

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室）

為了實現(xiàn)汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本轉(zhuǎn)向回正功能的模擬再生，首先根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化率對轉(zhuǎn)向盤操縱模式進(jìn)行識別，完成線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中電控方向機(jī)的主從工作模式轉(zhuǎn)換判斷。運用PID的轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制，實現(xiàn)線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向同步控制，包括電控方向機(jī)主動模式中轉(zhuǎn)向機(jī)小齒輪的轉(zhuǎn)角跟隨及電控方向機(jī)從動模式中轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角跟隨。通過臺架試驗驗證了轉(zhuǎn)矩變化率識別法和雙向同步控制的可行性。

1 前言

汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器之間的直接機(jī)械連接，主要由電控方向機(jī)與電控轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行控制，電控方向機(jī)與電控轉(zhuǎn)向機(jī)之間的角度信息與力矩信息交互通過線傳遞進(jìn)行。相比于現(xiàn)階段應(yīng)用在量產(chǎn)車上的傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有提高汽車操縱穩(wěn)定性、提高被動安全性及改善駕駛環(huán)境等一系列優(yōu)勢。

目前有關(guān)線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制的研究[1～4]集中在主動控制轉(zhuǎn)向盤回正及車輪轉(zhuǎn)角隨動跟蹤控制方面。這些控制方法能夠保證回正沒有振蕩，但未考慮汽車在車輪回正力矩下的回正特性，會降低汽車的操縱性能。為此，本文在現(xiàn)有控制方法基礎(chǔ)上設(shè)計了一種汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向同步控制策略，通過對電控方向機(jī)和電控轉(zhuǎn)向機(jī)在不同模式下的主動-從動切換協(xié)調(diào)控制，考慮汽車自由回正特性，提高汽車的操縱性能。首先根據(jù)轉(zhuǎn)向盤部分的轉(zhuǎn)矩變化率[5]，對不同的轉(zhuǎn)向盤操縱模式進(jìn)行識別；然后對不同轉(zhuǎn)向盤操縱模式下電控方向機(jī)與電控轉(zhuǎn)向機(jī)的主從控制關(guān)系進(jìn)行分類考慮，以PID（比例積分微分）控制進(jìn)行從動機(jī)的跟蹤隨動控制；最后通過試驗臺架進(jìn)行試驗，驗證汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤操縱識別與雙向同步控制的可行性與合理性。

2 汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向同步控制

2.1 汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電控方向機(jī)、電控轉(zhuǎn)向機(jī)與傳輸總線組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)之間的機(jī)械連接后，電控方向機(jī)與電控轉(zhuǎn)向機(jī)之間的傳動信息交互通過傳輸總線來完成。

電控方向機(jī)子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤、傳感器組和回正電機(jī)及方向機(jī)控制器組成。電控轉(zhuǎn)向機(jī)子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向器、傳感器組和轉(zhuǎn)向電機(jī)及轉(zhuǎn)向機(jī)控制器組成。兩個子系統(tǒng)相應(yīng)的控制器通過融合傳輸總線傳遞過來的信息及自身系統(tǒng)傳感器獲取的信息，計算相應(yīng)的控制目標(biāo)值，并對相應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行控制。

2.2 汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向同步控制

汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)之間的機(jī)械連接，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上對轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)行解耦，使得兩者之間的控制變得更加靈活，同時也使得純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中自然形成的轉(zhuǎn)向盤-轉(zhuǎn)向機(jī)雙向主從轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)向特性，在線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中需要通過對回正電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制來完成。

對線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向主從工作模式進(jìn)行分類如下：

a.轉(zhuǎn)向機(jī)跟蹤隨動模式。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤上的操舵力矩趨向于克服回正電機(jī)再生的回正力矩時，電控方向機(jī)作為主動機(jī)。此時電控轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)入跟蹤隨動模式，成為從動機(jī)，跟隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化進(jìn)行協(xié)同跟蹤。

b.轉(zhuǎn)向機(jī)受控回正模式。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤上的操舵力矩趨向屈服于回正電機(jī)再生的回正力矩時，電控方向機(jī)作為主動機(jī)，處于駕駛員受控的回正模式。此時電控轉(zhuǎn)向機(jī)作為從動機(jī)，進(jìn)入隨動的受控回正模式，跟隨轉(zhuǎn)向盤回正的轉(zhuǎn)角變化進(jìn)行轉(zhuǎn)向機(jī)的回正控制。

c.轉(zhuǎn)向機(jī)自由回正模式。當(dāng)駕駛員完全松手讓轉(zhuǎn)向盤成為自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，此時操舵力矩為零，為了能夠反映原來純機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由回正特性，電控方向機(jī)成為從動機(jī)。而電控轉(zhuǎn)向機(jī)成為主動機(jī)，并且撤消施加于轉(zhuǎn)向電機(jī)上的驅(qū)動電流，讓轉(zhuǎn)向機(jī)在地面-車輪的回正力矩作用下進(jìn)入自由回正模式。電控方向機(jī)跟隨轉(zhuǎn)向機(jī)的自由回正轉(zhuǎn)角變化，對轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行跟隨控制。

因此，汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向主從工作模式M可以分成兩種模式進(jìn)行考慮，表示為：

式中，MA表示電控方向機(jī)為主動機(jī)的模式，轉(zhuǎn)向機(jī)跟蹤隨動與轉(zhuǎn)向機(jī)受控回正歸類到此種模式；MP表示電控方向機(jī)為從動機(jī)的模式，轉(zhuǎn)向機(jī)自由回正屬于此種模式。

對線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向主從工作模式進(jìn)行分類確定之后，針對不同的工作模式進(jìn)行相應(yīng)從動機(jī)的跟隨控制。本文采用工程應(yīng)用上較為成熟的PID控制法，完成從動機(jī)中對目標(biāo)轉(zhuǎn)角的跟隨控制。

在方向機(jī)為主動機(jī)的模式中，轉(zhuǎn)向機(jī)作為從動機(jī)，通過轉(zhuǎn)向控制器對轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)角的PID閉環(huán)控制。具體的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。轉(zhuǎn)向機(jī)控制器通過傳輸總線獲取轉(zhuǎn)向盤的實時轉(zhuǎn)角，按照傳動比計算得到轉(zhuǎn)向機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角值；通過轉(zhuǎn)角傳感器獲取轉(zhuǎn)向機(jī)實際的實時角度，因為線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控轉(zhuǎn)向機(jī)控制的是轉(zhuǎn)向器小齒輪轉(zhuǎn)角，因此轉(zhuǎn)角傳感器獲取的是轉(zhuǎn)向機(jī)小齒輪實際轉(zhuǎn)角，將其作為反饋控制信息，設(shè)計PID控制器，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實際反饋轉(zhuǎn)角之間的偏差，計算輸出給轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動電壓，完成轉(zhuǎn)向機(jī)的小偏差角跟蹤隨動控制。

在方向機(jī)為從動機(jī)的模式中，通過方向機(jī)控制器控制回正電機(jī)進(jìn)行對轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)角的跟蹤隨動。在方向機(jī)跟隨協(xié)同控制中與轉(zhuǎn)向機(jī)部分一樣，使用PID控制器。具體的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。方向機(jī)控制器將傳輸總線傳遞過來的轉(zhuǎn)向機(jī)小齒輪實時轉(zhuǎn)角作為轉(zhuǎn)向盤的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。由于在電控方向機(jī)中回正電機(jī)與轉(zhuǎn)向盤中間未增加變速機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)角比例為1，因此這也是回正

電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角傳感器測量回正電機(jī)的實時實際轉(zhuǎn)角，作為PID閉環(huán)控制的反饋信息，方向機(jī)控制器中的PID控制運算單元根據(jù)回正電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角之間的偏差，計算輸出給回正電機(jī)的驅(qū)動電壓，從而完成對方向機(jī)的協(xié)同跟隨控制。

3 轉(zhuǎn)向盤操縱的不同模式識別

3.1 轉(zhuǎn)向盤操縱模式的分類說明

由于轉(zhuǎn)向盤的操縱模式與轉(zhuǎn)向電機(jī)的工作模式有著一一對應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)2.2節(jié)中對轉(zhuǎn)向機(jī)工作模式的分類，相應(yīng)地將轉(zhuǎn)向盤操縱模式B做如下分類：

式中，BP為轉(zhuǎn)向盤受控轉(zhuǎn)向模式，對應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)跟蹤隨動模式；BN為轉(zhuǎn)向盤受控回正模式，對應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)受控回正模式；BZ為轉(zhuǎn)向盤跟隨回正模式，對應(yīng)轉(zhuǎn)向機(jī)自由回正模式。

根據(jù)式（1）中電控方向機(jī)主從模式與轉(zhuǎn)向機(jī)工作模式的關(guān)系，得到轉(zhuǎn)向盤操縱模式與電控方向機(jī)主從模式的關(guān)系如下：

3.2 轉(zhuǎn)向盤不同操縱模式下的轉(zhuǎn)矩變化率分析

為了實現(xiàn)汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙機(jī)雙向在不同模式下的同步控制，需要對轉(zhuǎn)向盤的不同操縱模式進(jìn)行識別。在試驗臺架上進(jìn)行2.2節(jié)中所描述的3種不同模式下轉(zhuǎn)向盤操縱試驗，記錄轉(zhuǎn)矩傳感器輸出值的變化情況。轉(zhuǎn)向機(jī)跟蹤隨動時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化曲線如圖4所示。圖5為轉(zhuǎn)向機(jī)受控回正時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化曲線。圖6為轉(zhuǎn)向機(jī)自由回正時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩的變化曲線。

通過對比圖4～圖6中的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化曲線可知，轉(zhuǎn)向盤不同操縱模式下的轉(zhuǎn)矩變化率不同：轉(zhuǎn)向機(jī)跟蹤隨動時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在增加，變化率為正；轉(zhuǎn)向機(jī)受控回正時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩在緩慢降低，變化率為負(fù)，較小；轉(zhuǎn)向機(jī)自由回正時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩快速降低，變化率為負(fù)，較大。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化率的不同，能夠完成對不同操縱模式的識別。

3.3 轉(zhuǎn)向盤不同操縱模式的識別

分析圖4～圖6中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化與時間幅值的特點，設(shè)計固定長度時間窗Δt，檢測采樣時間窗起始時刻的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩TS及終點時刻的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩Te，定義固定長度時間窗Δt內(nèi)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化率δT為：

設(shè)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化率閾值為Tm，通過比較實時轉(zhuǎn)矩變化率δT與設(shè)定閾值Tm的大小，對轉(zhuǎn)向盤操縱模式進(jìn)行識別，具體如下：

根據(jù)式（3）和式（5），得到電控方向機(jī)主、從工作模式與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩變化率的關(guān)系如下：

因此，通過對轉(zhuǎn)向盤操縱模式的識別，能夠完成對電控方向機(jī)主、從工作模式的判斷，從而進(jìn)一步完成線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的同步控制。

4 試驗驗證

在試驗臺架上，對轉(zhuǎn)向盤操縱模式識別以及汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙向同步控制進(jìn)行試驗驗證，通過彈簧模擬地面-車輪間的回正力矩。

4.1 轉(zhuǎn)向盤操縱模式識別的驗證

按照3.1節(jié)中說明的3種轉(zhuǎn)向盤操縱模式，在試驗臺架上進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤操縱試驗，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。

圖7中，用主從標(biāo)志位表示電控方向機(jī)的主從模式，0表示電控方向機(jī)為主動機(jī)，1表示電控方向機(jī)為從動機(jī)；左側(cè)圖表示轉(zhuǎn)向盤操縱模式從受控轉(zhuǎn)向到受控回正的過程，在此過程，主從標(biāo)志位的數(shù)值一直為0，電控方向機(jī)一直處于主動機(jī)模式；右側(cè)圖表示轉(zhuǎn)向盤操縱模式從受控轉(zhuǎn)向到跟隨回正的過程，在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)換到跟隨回正的同時，主從標(biāo)志位的數(shù)值從0跳變?yōu)?，表示電控方向機(jī)轉(zhuǎn)換為從動機(jī)模式。由此，驗證了轉(zhuǎn)向盤操縱模式識別方法的有效性，同時驗證了對電控方向機(jī)主從模式的判斷。

4.2 汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙向同步控制的驗證

在完成對電控方向機(jī)主從模式判斷后，進(jìn)行線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向同步控制試驗，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8表示轉(zhuǎn)向盤操縱模式從受控轉(zhuǎn)向到受控回正的過程，電控方向機(jī)一直處于主動機(jī)的工作模式，轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)角跟蹤轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角進(jìn)行隨動。由圖8所示的跟隨結(jié)果可知，轉(zhuǎn)向機(jī)轉(zhuǎn)角在跟隨過程中超調(diào)較小，響應(yīng)較快，在最終跟蹤角度上的偏差較小，滿足轉(zhuǎn)向控制要求。

圖9表示轉(zhuǎn)向盤操縱模式從受控轉(zhuǎn)向到跟隨回正的過程，電控方向機(jī)經(jīng)歷從主動機(jī)到從動機(jī)的模式轉(zhuǎn)換。由圖9所示的結(jié)果可見，在電控方向機(jī)轉(zhuǎn)換到從動機(jī)模式的過程中有較短時間的抖動，同時轉(zhuǎn)向機(jī)自由回正。轉(zhuǎn)向盤跟蹤轉(zhuǎn)向機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)行隨動回正，在跟隨過程中沒有發(fā)生超調(diào)，響應(yīng)較快，跟隨效果較好，最后的回正殘余角較小。

因此，圖8和圖9的試驗結(jié)果驗證了從電控方向機(jī)到電控轉(zhuǎn)向機(jī)的同步控制以及從電控轉(zhuǎn)向機(jī)到電控方向機(jī)的同步控制，即驗證了汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的雙向同步控制。

5 結(jié)束語

針對汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的雙向傳動問題，本文通過研究得出以下兩點結(jié)論：

a.轉(zhuǎn)向盤操縱模式的轉(zhuǎn)矩變化率識別法能夠解決汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中對轉(zhuǎn)向盤不同操縱模式的識別問題，為汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電控方向機(jī)的主從工作模式轉(zhuǎn)換提供判斷基礎(chǔ)。

b.通過PID閉環(huán)控制策略汽車線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙向同步控制能夠解決電控方向機(jī)在主動模式和從動模式下的轉(zhuǎn)角跟蹤隨動問題，實現(xiàn)線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向回正功能的再生。

1 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.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）,2007（06）: 1229～1235.

2 Yao Y.Vehicle steer-by-wire system control.SAE Techni?cal Paper,2006.

3 羅石,商高高,蘇清祖.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤力回饋控制模型的研究.汽車工程,2006,28（10）:914～917.

4 Nguyen B H,Ryu J H.Direct current measurement based steer-by-wire systems for realistic driving feeling//Industri?al Electronics,2009.ISIE 2009.IEEE International Sympo? sium on.IEEE,2009:1023～1028.

5 景立群，季學(xué)武.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動回正控制.汽車技術(shù),2008（09）:9～12.

（責(zé)任編輯 簾 青）

修改稿收到日期為2015年8月1日。

Recognition of Steering Wheel Manipulating and Bilateral Synchronous Control in the Steering By Wire Control System for Vehicles

Li Shangsi,Cai Zhikai,Chen Xi,Lian Xiaomin
（State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation,Tsinghua University）

In order to simulate regeneration of basic steering and return-to-center functions of traditional mechanic steering system in steering by wire control system for vehicles,we firstly apply steering torque gradient to recognize steering wheel manipulating mode,and accomplish the judgment of when to switch the operating mode between driving mode and driven mode of electronic steering wheel machine.PID closed loop control of steering angle is designed to realize the bilateral synchronous control of steering by wire control system,which includes angle tracking of steering gear pinion in electronic steering machine driving mode and angle tracking of steering wheel in electronic steering machine driven mode.Test results in the bench test verify the feasibility of recognizing method with steering torque gradient and bilateral synchronous control.

Steering by wire control system，Recognition of steering wheel manipulating，Bilateral synchronous control，PID

線傳轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向盤操縱識別 雙向同步控制 PID

U463.4

A

1000-3703（2015）12-0017-04