基于dSPACE的汽車(chē)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

高 峰，王利剛，劉國(guó)良，2

(1.北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191;2.徐州空軍學(xué)院航空兵軍交運(yùn)輸指揮系，江蘇徐州221000)

0 前言

汽車(chē)的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)對(duì)前輪施加一個(gè)不依賴于駕駛員轉(zhuǎn)向盤(pán)輸入的附加轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)可變的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，提高車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性［1－2］。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同，主動(dòng)轉(zhuǎn)向分為機(jī)械式和線控式，機(jī)械式是在原機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)一些機(jī)械結(jié)構(gòu)(比如行星齒輪機(jī)構(gòu))疊加一個(gè)前輪轉(zhuǎn)角;而線控轉(zhuǎn)向則去除了機(jī)械式轉(zhuǎn)向連接，通過(guò)控制器綜合駕駛員輸入和穩(wěn)定性等要求，由轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的前輪轉(zhuǎn)向。由于法規(guī)、安全性、成本等原因，線控轉(zhuǎn)向的實(shí)車(chē)應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題，而機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則在主動(dòng)轉(zhuǎn)向功能失效時(shí)由于機(jī)械連接的保證，仍能正常駕駛。

機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以寶馬和采埃孚公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為代表，它通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)增加了一個(gè)輸入自由度，從而實(shí)現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向，目前已經(jīng)在寶馬的“3系”和“5系”上采用，而美國(guó)的德?tīng)柛！⑷毡镜墓庋缶さ纫惨呀?jīng)有相關(guān)的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)在機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究方面開(kāi)始的比較晚，當(dāng)前主要集中于對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能介紹以及基于主動(dòng)轉(zhuǎn)向的車(chē)輛操縱穩(wěn)定性控制算法研究上［3－6］。

為了驗(yàn)證主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能，同時(shí)也為了加快主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，本文在研究了寶馬和采埃孚聯(lián)合開(kāi)發(fā)的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并搭建了機(jī)械式主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)臺(tái)。

1 主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能

1.1 可變傳動(dòng)比

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)速和駕駛員要求的轉(zhuǎn)向角改變轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比，當(dāng)車(chē)速較高時(shí)為較大的傳動(dòng)比，車(chē)速較低時(shí)為較小的傳動(dòng)比。這樣在車(chē)速較低或停車(chē)入位時(shí)，可減少駕駛員對(duì)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)量，提高轉(zhuǎn)向靈敏度;而在較高車(chē)速時(shí)，大的傳動(dòng)比可降低車(chē)輛響應(yīng)對(duì)方向盤(pán)輸入的敏感度，提高行駛穩(wěn)定性和安全性。

1.2 車(chē)輛穩(wěn)定性控制

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)輛穩(wěn)定性需求，在一定范圍內(nèi)通過(guò)改變前輪轉(zhuǎn)角來(lái)直接改變前輪橫向力，產(chǎn)生一個(gè)橫擺力矩，相比一般的通過(guò)控制輪胎的制動(dòng)或驅(qū)動(dòng)力的橫擺控制更為直接有效。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)彎制動(dòng)，行駛中遇到側(cè)風(fēng)、路面附著系數(shù)變化較大等擾動(dòng)時(shí)，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以獨(dú)立于駕駛員進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)向干預(yù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的穩(wěn)定行駛。

1.3 其他功能

利用車(chē)輛上集成的各類(lèi)傳感器信息，通過(guò)一定的控制算法，主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)諸如主動(dòng)避撞、路徑輔助保持等一系列的功能;通過(guò)集成主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、橫擺控制、主動(dòng)側(cè)傾控制等系統(tǒng)而建立的底盤(pán)綜合控制系統(tǒng)，能夠更好地提高汽車(chē)的舒適性和操縱穩(wěn)定性［7－9］。

2 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)的組成

試驗(yàn)臺(tái)基于寶馬的機(jī)械式主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)建，圖1為搭建的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物，圖2為試驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)。由圖1和圖2可以看出:試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分包括試驗(yàn)臺(tái)支架、主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、模擬力矩反饋系統(tǒng)、執(zhí)行電機(jī)、傳感器、輪胎、方向盤(pán)、懸架等;電子部分包括工控機(jī)、dSPACE板卡、信號(hào)處理器、兩個(gè)執(zhí)行電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器、液壓閥控制器等。

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由永磁無(wú)刷直流電機(jī)、雙行星齒輪機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿等構(gòu)成;電控液壓助力系統(tǒng)由液壓泵、油管、壓力流量控制閥體、v型傳動(dòng)皮帶、儲(chǔ)油罐等部件構(gòu)成;模擬力矩反饋系統(tǒng)主要由力矩電機(jī)和減速器組成，通過(guò)對(duì)齒條施加橫向力來(lái)模擬路面反饋力;電子控制系統(tǒng)主要包括主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制單元、助力轉(zhuǎn)向控制單元、模擬力矩控制單元、電機(jī)控制器、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器、小齒輪轉(zhuǎn)角傳感器、電機(jī)位置傳感器等。

3 試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部分分析

3.1 實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)

主動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)中，以dSPACE為控制平臺(tái)，在Matlab/Simulink下設(shè)計(jì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向的控制算法，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向的快速控制原型及硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真［10］。駕駛員依據(jù)DYNAanimation的虛擬場(chǎng)景轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，dSPACE及各個(gè)控制單元獲取試驗(yàn)臺(tái)上的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、小齒輪轉(zhuǎn)角傳感器及車(chē)速傳感器等信息，實(shí)時(shí)運(yùn)行的車(chē)輛模型計(jì)算出當(dāng)前的車(chē)速、橫擺角速度、側(cè)向加速度、齒條反饋力等，一方面將其傳給DYNAanimation模塊產(chǎn)生新的虛擬實(shí)時(shí)視景;另一方面通過(guò)dSPACE的DA接口將其傳送給相應(yīng)的控制單元，其中主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)車(chē)速、橫擺角速度、側(cè)向加速度實(shí)時(shí)計(jì)算出疊加轉(zhuǎn)角傳送給主動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制器，而助力轉(zhuǎn)向控制單元和模擬力矩控制單元?jiǎng)t根據(jù)相應(yīng)信息計(jì)算并輸出相應(yīng)的指令給電磁閥、模擬力矩電機(jī)控制器等，對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中前輪轉(zhuǎn)角量、轉(zhuǎn)向助力和路面反饋力進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)人車(chē)路的閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)的控制方案

試驗(yàn)臺(tái)采用橫擺角速度反饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性控制，通過(guò)參考模型獲得理想橫擺角速度，與實(shí)車(chē)模型的橫擺角速度進(jìn)行比較，將其偏差送給主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器計(jì)算需要的附加轉(zhuǎn)角，最終通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的疊加轉(zhuǎn)角，圖3為橫擺角速度反饋控制的原理圖。在控制方法方面，可以采用PID控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制、H∞魯棒性控制等。在系統(tǒng)模型方面，參考模型采用二自由度非線性車(chē)輛模型，包括側(cè)向及橫擺自由度;實(shí)車(chē)模型采用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)軟件veDYNA的多自由度非線性車(chē)輛模型，利用它的DYNAanimation模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)視景實(shí)時(shí)顯示虛擬試驗(yàn)車(chē)和道路狀況，駕駛員觀測(cè)虛擬車(chē)輛運(yùn)行狀況，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)的方向盤(pán)控制虛擬車(chē)輛運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)人車(chē)路的閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，圖4為DYNAanimation的一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景。

3.3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)及其控制

選用了無(wú)刷直流伺服電機(jī)，它是利用電子換相技術(shù)來(lái)代替直流電動(dòng)機(jī)電刷換向的一種新型直流電動(dòng)機(jī)，具有運(yùn)行效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞，包括電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分，實(shí)驗(yàn)中電機(jī)采用位置、轉(zhuǎn)速和電流的三閉環(huán)控制方式，如圖5所示。

圖5 直流無(wú)刷伺服電機(jī)的三閉環(huán)控制方框圖

3.4 雙行星齒輪機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)的雙行星齒輪和渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)如圖6所示，該齒輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)有3種驅(qū)動(dòng)方式:

(1)伺服電機(jī)即渦輪固定不動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角通過(guò)主動(dòng)太陽(yáng)輪將動(dòng)力傳遞給雙行星齒輪機(jī)構(gòu)中間的行星架，再由從動(dòng)太陽(yáng)輪輸出。

(2)轉(zhuǎn)向盤(pán)不動(dòng)，即主動(dòng)太陽(yáng)輪固定時(shí)，伺服電機(jī)通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)太陽(yáng)輪。

(3)在通常情況下，主動(dòng)太陽(yáng)輪和伺服電機(jī)是共同工作的，車(chē)輪轉(zhuǎn)角是駕駛員轉(zhuǎn)向角和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向角的疊加。

圖6 主動(dòng)轉(zhuǎn)向行星齒輪和渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)

4 試驗(yàn)臺(tái)功能驗(yàn)證試驗(yàn)

針對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能、電機(jī)的控制以及各種控制器，可以在試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)計(jì)多種類(lèi)型實(shí)驗(yàn)，如變傳動(dòng)比試驗(yàn)、汽車(chē)穩(wěn)定性試驗(yàn)等?；赿SPACE軟件開(kāi)發(fā)的Control Desk可以方便的訪問(wèn)dSPACE硬件中所運(yùn)行的實(shí)時(shí)程序，可以對(duì)采集的信號(hào)和模型中的虛擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化分析、在線調(diào)參等。

4.1 變傳動(dòng)比試驗(yàn)

汽車(chē)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要依賴于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)疊加前輪轉(zhuǎn)角，改變方向盤(pán)與前輪的傳動(dòng)比，使得駕駛員在低速駕駛時(shí)更靈活，高速駕駛時(shí)更穩(wěn)定。

主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比與車(chē)速有關(guān)，所以不同車(chē)速下，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與小齒輪轉(zhuǎn)角的比值也不同，分別設(shè)定30 km/h、125 km/h和200 km/h的車(chē)速在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在某一車(chē)速下轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，待方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)與小齒輪轉(zhuǎn)角信號(hào)比值趨于穩(wěn)定，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、小齒輪轉(zhuǎn)角及兩者的比值分別如表1所示。

表1 變傳動(dòng)比試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出:在以上3種車(chē)速下，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角與小齒輪轉(zhuǎn)角的比值大約為0.526、0.792和0.915，小齒輪轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角的傳動(dòng)比為20，則主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總的傳動(dòng)比分別為10.52、15.84、18.3，可以看出轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比隨車(chē)速的增大而增大，從而驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向的變傳動(dòng)比功能。

4.2 雙移線試驗(yàn)

雙移線試驗(yàn)反映了汽車(chē)典型工況下的行駛性能，基于ISO3888—1—1999和GBT 6323—1994標(biāo)準(zhǔn)，考慮車(chē)速變化時(shí)的適應(yīng)性設(shè)定，是評(píng)價(jià)汽車(chē)穩(wěn)定性的一種試驗(yàn)方法，圖7為雙移線道路示意圖。

圖7中參數(shù)參考值為:S0=2u，S1=15u/22，S2= 30u/22，S3=S4=25u/22，S5=30u/22，S6=3u，變道距離B=3.5 m，u為車(chē)速。

圖7 雙移線道路示意圖

設(shè)定試驗(yàn)仿真車(chē)速u(mài)為120 km/h、道路附著系數(shù)為0.85，分別在打開(kāi)主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和關(guān)閉主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的情況下進(jìn)行雙移線試驗(yàn)，模型中采用經(jīng)典的PID控制器對(duì)實(shí)車(chē)的橫擺角速度進(jìn)行控制。試驗(yàn)過(guò)程中，在Control Desk下采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在Matlab下作圖，則整車(chē)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化和橫擺角速度變化分別如圖8和圖9所示。從圖9中可以看出:未加入主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的橫擺角度最大值約為0.29 rad/s，而加入主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)后的橫擺角速度最大值約為0.25 rad/s，最大相差了0.06 rad/s，汽車(chē)相比較而言會(huì)更加穩(wěn)定。另外，從圖8中可以看出:未加入主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角最大值約為0.52 rad，而加入了主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角最大值約為0.45 rad，最大相差了0.07 rad，也就是在4°左右，比較符合理論分析，汽車(chē)的轉(zhuǎn)向相對(duì)輕便。

5 結(jié)論

機(jī)械式主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向試驗(yàn)臺(tái)為進(jìn)行汽車(chē)主動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究提供了更可靠的方法，該試驗(yàn)臺(tái)以dSPACE為平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物仿真，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，而且能快速的進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和在線調(diào)參，縮短了試驗(yàn)周期，同時(shí)，還可方便的將主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與橫擺控制等系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)合仿真，擴(kuò)展性較強(qiáng)，實(shí)用性更高。

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