微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性研究

賈建忠

（烏魯木齊職業大學，烏魯木齊 830001）

引言

微型計算機是由大規模集成電路組成的、體積較小的電子計算機，它以微處理器為基礎，配以相關的硬件、接口及輔助電路，可以控制車輛自動轉向[1]。車輛自動轉向控制存在于車輛的自動轉向系統中，它可以通過電線傳遞信號控制執行機構動作，來取代傳統轉向系統中的機械轉動和機械連接[2]。隨著汽車制造技術不斷的革新，車輛自動轉向控制逐漸與微型計算機聯合起來，車輛在實際駕駛過程中，會根據微型計算機傳輸的道路信息，轉換為轉向控制指令，防止車輛在行駛過程中，受到路面沖擊和意外。研究微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性分析，可以幫助分析解決微型計算機在車輛自動轉向控制中發生的問題，增強車輛的安全性能，提高車輛自動轉向系統的準確性和適用性[3]。

1 微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性研究

1.1 微計算機應用時的阻尼控制參數

在計算微計算機應用后車輛轉向的阻尼控制參數時，將車輛視為高速勻速行駛[4]。設此時的車輛在行駛過程中的一個角度θVZ為轉向時的臨界角，車輛的轉向角大于該臨界角時，車輛會發生回正超調，固定車輛的轉向角度，此時的臨界角隨車速變化的關系曲線，如圖1所示。

由圖1所示的變化曲線，在確定阻尼控制參數時，得到車輛的EPS工作模式的判斷算法，如表1所示。

圖1 臨界角隨車速變化的關系曲線

表1 工作模式判斷算法

由表1所示，θS為車輛的轉向角。結合上圖1可知，當車輛車速超過設定值，但扭矩信號落在數值區間[-1，1]時，車輛出現阻尼控制[5]。控制自動轉向時，EPS工作模式則會出現較大的轉動慣量和粘性阻力，此時的微型計算機會對車輛行駛系統進行慣性補償和阻尼補償，也就是在靜態助力曲線的基礎上，增加一個附加的電流，計算公式為：

式中：

Ia—慣性補償或阻尼補償的電流；

Ka—慣性補償或阻尼補償系數。

但車輛在自動轉向時會存在一定的摩擦，在克服這部分阻力矩時，微型計算機還會進行部分的摩擦補償，控制補償部分的自動轉向摩擦補償電流，計算公式為：

式中：

Ib—電機摩擦補償系數；

sgn(θs)—方向盤的轉動方向。

所以微型計算機在實際應用時，會控制車輛的助力電機的特性曲線來獲得電流及三個補償電流，所以在計算最終的阻尼控制參數時，按照轉向阻力矩與最大助力矩進行計算，轉向阻力矩Tf的計算公式為：

式中：

f—車輛輪胎和路面之間的滑動摩擦系數，取經驗值0.7；

G—車輛前軸負荷；

P—輪胎氣壓。

所以計算得到車輛轉向盤上的轉矩為：

式中：

Tz—轉動盤上提供的總轉矩；

L—轉向搖臂長；

L'—轉向節臂長；

j—轉向器角傳動比；

η—轉向器的總效率。

聯合上式（2）、（3）上的各項參數，即為最終計算出的阻尼控制參數，利用計算出的阻尼控制參數，讀取微型計算機在車輛自動轉向控制時的轉速信號，計算讀取信號過程的可靠度，完成對微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性研究[6]。

1.2 讀取微型計算機控制時的轉速信號

在讀取微型計算機控制時的轉速信號時，在上述阻尼參數的控制下，微型計算機的扭矩輸入信號和電壓輸出間呈現出線性關系，如圖2所示。

由圖2所示，橫坐標為車輛方向盤上的扭矩，縱坐標為微型計算機輸出的ECU電壓值[7]。將微型計算機輸出信號分為主扭矩和副扭矩，當微型計算機的輸出電壓值為2.5 V時，車輛方向盤上的扭矩為0，此值為判斷微型計算機的扭矩輸入輸出特性，自動轉向時呈現出的特性變化，如圖3所示。

圖2 微型計算機的扭矩輸入信號和電壓輸出關

圖3 微型計算機扭矩信號輸入輸出特性

由圖3所示的輸入輸出特性，在讀取微型計算機控制時車輛轉速信號時，盡量減少外部對扭矩和轉角信號的干擾[8]。采用二階有源低通濾波器預處理上圖中顯示的輸入輸出特性，計算濾波器在頻帶內的增益，計算公式為：

式中：

Rf—濾波器中的電阻；

R—頻帶內的電阻。

所以計算得到轉速信號的傳遞函數為：

式中：

CR—RC濾波器的RC值。

利用上式（5）（6）計算得到轉速信號的頻率，計算公式為：

式中：

f0—濾波器的頻率。

所以在讀取轉矩信號時，微型計算機采用超前滯后校正網絡，將超前校正網絡看作一個PD環節，預處理自動轉向控制信號，提高微型計算機自動控制時抗干擾性能[9]。考慮車輛自動轉向控制助力特性的實際，控制傳感器的輸出電壓在2.25～2.75 V之間，設定微型計算機的應用方式為非接觸形式，保持多路信號的輸出，在實際讀取時，微型計算機通過分動器的輸出軸，向車輛自動轉向控制ECU輸入6個脈沖電壓信號[10，11]。此時的轉速信號就直接可以在汽車儀表盤上直接讀取得到。計算微型計算機得到轉速信號過程中的可靠度，完成微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性分析。

1.3 計算應用可靠度

在計算微型計算機在車輛自動轉向控制的應用中的可靠度時，利用FTA分析方法來分析微型計算機讀取控制信號的過程，得到應用可靠度[12]。假設T為微型計算機應用時的故障樹的頂事件，表示故障樹的n個相互獨立的底事件的集合，所以此時的結構函數就可表示為：

對上式（8）予以假設條件，假設條件為：

式中：

n—故障樹所有底下所有底事件的個數；i

Y—此事件發生的狀態；

0—第i個底事件不發生；

1—i個底事件發生。

計算這些底事件基本的概率可靠度，計算公式為：

式中：

Igi—概率重要度；

Fi(t)—微型計算機元部件不可靠度；

g—自動轉向控制頂事件發生的概率。

利用上式可計算得到微型計算機在車輛自動轉向控制中應用時的概率可靠程度，從車輛自動轉向控制系統的安全角度出發，計算微型計算機臨界可靠度，計算公式為：

式中：

IG—臨界可靠度。

利用此公式，計算得到微型計算機在車輛自動轉向控制中應用的臨界可靠度，得到可靠度的取值范圍：當上式（11）呈現出連續可導的變化情況時，可靠度貼近于1，表示研究出的可靠性結果準確[14，15]。基于以上，完成對微型計算機在車輛自動轉向控制中的可靠性研究。

2 仿真實驗

2.1 搭建實驗臺架

實驗臺架設定EPS控制器為核心，配合原車轉向裝置、傳感器、電磁離合器、助力電機、減速增扭裝置以及加載裝置，實驗臺架共設計為三部分控制器部分、臺架部分以及信號采集及顯示部分。EPS控制器及基本的I/O接口控制器的接口，采用橫向拉桿處設置彈簧加載的方法，整體的臺架設計，如圖4所示。

由圖4所示搭建的實驗臺架，準備一輛含有微型計算機、擁有自動轉向控制的車輛，車輛的參數，如表2所示。

基于上述搭建的臺架，設置表2中的參數到車輛自動轉向控制參數中，分別使用兩種傳統可靠性研究方法與微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性研究方法進行實驗，對比三種可靠性研究方法處理表2數據后，數據產生噪聲的情況。

2.2 實驗結果分析

圖4 搭建的實驗臺架

三種可靠性分析方法最終得到的實驗結果，如圖5所示。

由上三實驗圖所示，傳統可靠性研究方法1在處理數據時數據噪聲數據幅值變化為[-3，2]，傳統可靠性研究方法2在處理的噪聲數據幅值變化為[-2，2]，微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性研究方法幅值變化為[-1，1]。綜上所述，與兩種傳統可靠性分析相比，微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性研究方法在處理數據時噪聲數據的幅值變化更小，對可靠性分析的干擾更少，適合實際研究使用。

表2 車輛參數

圖5 三種研究方法實驗結果

3 結束語

隨著自動化控制的不斷發展，在車輛自動轉向控制中應用微型計算機，已經成為了大勢所趨。研究微型計算機在車輛自動轉向控制中的應用可靠性，幫助解決了傳統應用可靠性研究方法適用性不強的問題，為研究可靠性提供了新思路。