新能源汽車線控轉向系統路感模擬

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(云南機電職業技術學院 汽車技術工程系,云南 昆明 650203)

汽車轉向系統是汽車重要組成部件,與行駛系統搭配共同保證汽車操作穩定性與安全性。消費者對汽車駕駛性能的要求越來越苛刻,智能化的汽車轉向系統能滿足消費者日益增加的客觀需要。線控轉向(SBW)系統是繼電動助力轉向系統(EPS)后提出的新轉向系統,傳統汽車轉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向盤的轉角指令,然后控制器根據轉向盤的轉角及車輛信息,依照相關控制算法確定合適的轉角,實現駕駛員的轉向意圖。

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

1 線控轉向系統概述

線控是用信號傳送取代機械連接。隨著線控的發展,線控制動、線控轉向、線控換檔等成為線控系統的子系統,它們之間數據共享,通過通信系統來實現它們之間的通信。

線控轉向系統主要由3個模塊組成:轉向盤總成、控制器和前輪轉向總成。轉向盤總成包括轉向盤、轉向柱、轉向盤力矩轉角傳感器、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;轉向盤力矩轉角傳感器測量駕駛員的轉向意圖,控制器根據此信號向前輪轉向總成提供目標前輪轉角。前輪轉向總成包括齒條位移傳感器、轉向電機等,它可實現以下2個基本功能:控制轉向電機驅動轉向輪,并跟蹤目標前輪轉角,從而實現主動轉向;齒條位移傳感器測量前輪的運動狀態以進行前輪轉角的反饋控制,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。控制器包括以下2個控制環:轉向盤力反饋控制環和前輪位置反饋控制環[3]。線控轉向系統如圖1所示。

圖1 線控轉向系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of steer-by-wire system

駕駛員轉動轉向盤時,控制器根據轉向盤轉角傳感器、車速傳感器的信號,由主動轉向控制策略得到前輪轉角,然后向轉向電機發出控制信號,并對轉向電機進行位置閉環控制,以實現參考前輪轉角。同時,控制器根據路感控制策略(轉向盤回正力矩算法)得到參考轉向盤回正力矩,路感電機對電流進行控制,以提供期望的轉向盤回正力矩。控制器控制轉向盤總成和前輪轉向總成協調工作[4]。

2 路感

2.1 路感定義

汽車路感是在汽車轉向過程中,轉向系統把車輛運動狀態和路面狀態信息反饋給駕駛員的一種現象。駕駛過程是一個人-車-路相互作用的過程,也是一個閉環系統。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。汽車轉向系統除了能夠讓駕駛員通過車輛前輪轉角來控制車輛的轉向外,還有一個重要功能就是借助轉向盤獲得力感。該力感將整車以及輪胎的運動、受力狀態等信息反饋給駕駛員,同時駕駛員也希望通過轉向盤的力矩信息感知車輛的行駛狀態,做到“心中有數”。轉向盤力(或轉向盤力矩)是駕駛員輸入轉向盤用以操縱汽車的力,轉向盤反作用力輸送給人手的力,即為路感[5]。

在線控轉向系統中,由于轉向盤和前輪轉向機構之間沒有機械連接,力矩傳不到轉向盤,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,在汽車線控轉向系統中,路感設計的關鍵點在于如何呈現整車以及輪胎的運動規律、受力情況等信息。目前的方法是:在線控轉向系統中,通過電機模擬整車以及輪胎的運動規律、受力情況等信息,由轉向系統控制器控制路感電機模擬產生路感,模擬產生的路感信息和汽車轉向盤力特性基本一致;同時路感還可以根據不同的要求實現靈活多變、人性化的設計思想[6]。

2.2 路感分類

路感按汽車行駛狀態或轉向盤所處位置,可以分為直線行駛路感、轉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向盤處于中間位置的路感。轉向路感體現在以下2個方面:一是汽車轉向盤的操縱力應隨轉角或阻力矩的變化而變化,二是汽車轉向盤的操縱力應隨車速的變化而變化。回正過程路感也表現為以下2個方面:一是轉向盤的操縱力應隨轉角的減小而減小;二是當車輛以較低的速度運行并轉向或回正時,車輪的回正能力較差(路面的摩擦力較大),為了提高轉向操縱性,應盡可能使轉向盤回正力矩特性曲線通過或接近轉向盤的中間位置,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定性和轉向盤穩定感,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

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

(1)轉向盤轉動時動力學方程

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

Jhθh(s)s2-fhθh(s)s

式中:s為復變量。

(2)電機電磁轉矩與電流關系

Tm=KeI

式中:Tm為電機電磁轉矩;Ke為電機電磁轉矩系數;I為通過電機的電流。

(3)轉向盤轉動時路感模擬方程

式中:fm為電動機軸與轉向盤支撐架間的摩擦系數;J1為轉向電機轉動慣量。經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向盤與轉向柱之間轉角差,如下所示:

式中:Ts為扭矩。

根據路感多變量模糊控制函數算出對應的路感電機參考力,然后將力轉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。電流差經過比例-積分-微分調制器由脈沖寬度調制控制輸出為電壓,該電壓經過驅動電路后直接驅動路感電機[9]。控制框圖如圖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機械轉向系統的路感與線控轉向系統的路感進行對比。

路感設計的優劣主要表現在高速工況下路感清晰和低速工況下大轉角時轉向輕便。仿真結果如圖3所示。

圖3 轉向盤轉矩-轉角曲線Fig.3 Torque-angle curve of steering wheel

從圖3可以看出,線控轉向盤轉角小于機械轉向盤轉角,由此說明線控轉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,線控轉向盤力矩平均值和最大平均值均小于機械轉向盤。因此,本文設計的線控轉向系統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 結語

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

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