新型主動前輪轉(zhuǎn)向直流電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

向丹楊寧原健鐘

（1.廣東技術(shù)師范學院 自動化學院 2.華南理工大學 機械與汽車工程學院）

新型主動前輪轉(zhuǎn)向直流電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

向丹1,2楊寧1原健鐘2

（1.廣東技術(shù)師范學院 自動化學院 2.華南理工大學 機械與汽車工程學院）

本文介紹了主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學模型，并對電機及其負載進行了數(shù)學建模，對電機系統(tǒng)性能進行了分析。分析結(jié)果表明：曲線符合理論分析，系統(tǒng)具有較好的動、靜態(tài)特性，控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，具有良好的運行性能。

主動前輪轉(zhuǎn)向；直流電機；控制系統(tǒng)；仿真

1 引言

隨著汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Power Steering System，簡稱EPS系統(tǒng))的成熟和普遍使用，主動轉(zhuǎn)向技術(shù)（Active Steering System）成為當前本領(lǐng)域的研發(fā)熱點?！爸鲃愚D(zhuǎn)向”為汽車操縱和穩(wěn)定性控制提供了更好的控制方法和性能，為未來自動駕駛、自動避撞和自動導航技術(shù)的發(fā)展和實現(xiàn)提供了可能。主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Active Front Steering ，AFS）可以通過在駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入的基礎(chǔ)上疊加附加的轉(zhuǎn)向角，實現(xiàn)獨立于駕駛員的轉(zhuǎn)向干預，優(yōu)化車輛對駕駛員輸入的響應(yīng)或在緊急情況下提高車輛的穩(wěn)定性[1]。中低速時，減小轉(zhuǎn)向傳動比，以達到低速轉(zhuǎn)向輕便靈活的要求；高速時，增大轉(zhuǎn)向傳動比，以提高高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。因此，從安全性和路感的角度而言，主動前輪轉(zhuǎn)向是當前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的一個主要趨勢。

2 AFS的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大多基于齒輪齒條液壓轉(zhuǎn)向技術(shù)，采用行星齒輪機構(gòu)實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)中通過伺服機構(gòu)調(diào)節(jié)液壓油的輸入輸出，且必須對液壓油進行冷卻，因而系統(tǒng)復雜且不可避免地存在弊端。

本文在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了新型的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向管柱通過一套行星齒輪機構(gòu)與主動轉(zhuǎn)向電機(AFS執(zhí)行器)相連。如圖1所示[2]，主動轉(zhuǎn)向電機用來增加或者減少駕駛員施加在轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)可變傳動比和對車輛穩(wěn)定性的控制；原電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的助力電機(EPS執(zhí)行器)，則根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和當前車輛行駛情況，對駕駛員轉(zhuǎn)向手力進行調(diào)整。因而該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可通過助力電機和助轉(zhuǎn)角電機，分別對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩和前輪轉(zhuǎn)角進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向。由于新的主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械連接且吸取了線控轉(zhuǎn)向的長處，采取電動助力轉(zhuǎn)向和附加轉(zhuǎn)向疊加的形式實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的主動控制，這樣的系統(tǒng)能夠獲得線控轉(zhuǎn)向的絕大多數(shù)優(yōu)點，且沒有技術(shù)和法規(guī)上的問題。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點[3]：① 在原來電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；② 可變的轉(zhuǎn)向傳動比；③ 結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高；④ 便于與汽車其他主動安全系統(tǒng)進行集中控制。

圖1 新型主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制原理圖

本文所研究和設(shè)計的新型主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在原有的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)向軸截斷后在中間增加雙行星齒輪機構(gòu)和驅(qū)動電機，作為實施主動轉(zhuǎn)向的附加裝置，雙行星齒輪外圈通過渦輪蝸桿機構(gòu)與電機相連接，主要用于增加或者減少駕駛員施加在轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)角，但不影響原有的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電機對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供助力，并對轉(zhuǎn)向過程中的轉(zhuǎn)向力矩進行調(diào)節(jié)[3]。因此，該主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括兩部分：電動助力轉(zhuǎn)向機構(gòu)和帶有雙行星齒輪的主動轉(zhuǎn)向機構(gòu)，如圖2所示。

圖2 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

3 AFS的動力學模型

寶馬公司AFS系統(tǒng)的基本方法是通過一個機械傳動裝置將電機動力控制和人對方向盤的控制復合在一起，實現(xiàn)兩個控制的疊加。當電機驅(qū)動裝置出現(xiàn)故障時，仍可以進行正常人工操縱，解決了主動轉(zhuǎn)向的安全性問題。主動轉(zhuǎn)向的機械傳動裝置安裝在前車廂內(nèi)，由于前車廂內(nèi)布置十分擁擠，轉(zhuǎn)向裝置容易與其它零部件發(fā)生干涉，因此要求該裝置設(shè)計具有盡量小的體積。由于傳動裝置有多個齒輪傳動，存在輪齒側(cè)隙，會影響輸出軸的轉(zhuǎn)動定位精度?；谏鲜鰡栴}，本文提出了一種新型的汽車主動轉(zhuǎn)向傳動裝置。通過對比分析，本新型傳動裝置在體積上明顯縮小，傳動效率提高，轉(zhuǎn)動定位精度改善，制造成本下降。

本文的新型主動轉(zhuǎn)向傳動裝置與寶馬公司的裝置相似，但傳動路線不同?；緲?gòu)成包括：主動轉(zhuǎn)向電機，蝸輪蝸桿傳動和由兩個行星排構(gòu)成的雙自由度行星齒輪傳動，新型主動轉(zhuǎn)向傳動裝置示意圖如圖3所示。輸入軸4與行星架5連接，輸出軸13與行星架11連接，兩個太陽輪6和9為一體。方向盤與輸入軸4連接構(gòu)成1個自由度控制，電機3驅(qū)動蝸桿1、蝸輪2，內(nèi)齒圈8構(gòu)成另一個自由度控制。當電機制動時，可以操縱方向盤實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱，由輸入軸4到輸出軸13按傳動比等于1輸出。當方向盤不動時，也可以控制電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向操縱。當方向盤和電機同時轉(zhuǎn)動時可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的復合操縱，按需要的傳動比輸出。蝸輪也可以裝在內(nèi)齒圈12上，即輸入軸和輸出軸可互換。

圖3 新型主動轉(zhuǎn)向傳動裝置示意圖

根據(jù)文獻[3]可知，前輪總轉(zhuǎn)角的表達式為：

現(xiàn)在考慮從系統(tǒng)的動力學模型作為分析起點，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供一個輸入轉(zhuǎn)角作為系統(tǒng)的命令輸入，輪胎的側(cè)傾力和回正力矩是汽車對命令的響應(yīng)輸出。

系統(tǒng)在閉環(huán)控制下按照駕駛員的參考命令提供位置跟蹤?？刂破骺梢詤⒖己喕膭恿W模型設(shè)計一個位置跟蹤控制系統(tǒng)。電機模型可以用穩(wěn)定的二階微分方程表示，系統(tǒng)的輸入是駕駛員所要求的轉(zhuǎn)向角θsw，輸出是電機所要到達的位置、速度和加速度，控制器根據(jù)這些要求的量跟蹤電機位置[4]。參考動力學方程為：

式中，kb為直流增益；ζ為阻尼比；nω為電機的帶寬。

轉(zhuǎn)向靈敏度直接影響汽車的中心操作性能。轉(zhuǎn)向靈敏度定義為橫向加速度相對于轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角的變化率，它揭示了汽車前輪對于人輸入角度的反應(yīng)能力。在給定車速情況下的轉(zhuǎn)向靈敏度和轉(zhuǎn)向比之間的關(guān)系可以表示為：

當速度為一定值時，轉(zhuǎn)向傳動比的計算公式可以表示為：

式中，S是轉(zhuǎn)向靈敏度，R是轉(zhuǎn)向比，L是前后輪之間的軸距，Kus是轉(zhuǎn)向傾斜度，g為重力加速度，u為車速。

4 主動前輪轉(zhuǎn)向電機及其負載的建模

對電機進行建模與仿真是進行控制策略設(shè)計與仿真的基礎(chǔ)，因此本文首先對主動轉(zhuǎn)向電機進行分析，建立其數(shù)學模型，并對其特性進行仿真分析。

主動轉(zhuǎn)向電動機的參數(shù)如表1所示。

表1 主動轉(zhuǎn)向電機參數(shù)

主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的主要控制對象就是直流電動機，所以電動機的模型建立就是比較關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。電力拖動控制系統(tǒng)中，直流電動機通常以電樞電壓為輸入量，以電動機轉(zhuǎn)速為輸出量。假設(shè)電機補償良好，不計電樞反應(yīng)、渦流效應(yīng)和磁滯的影響，并設(shè)勵磁電流恒定，圖4為直流電動機的驅(qū)動裝置的等效結(jié)構(gòu)圖。

圖4 直流電動機等效電路圖

圖4所示，在電樞控制電壓ua的作用下，產(chǎn)生電樞電流ia，電樞線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢eg，從而產(chǎn)生電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TM帶動負載。其中：

電動機的角速度為：

由KVL定律得直流電機電樞回路電壓平衡方程：

忽略粘性摩擦，根據(jù)剛體的轉(zhuǎn)動定律，電動機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

以電樞電壓ua為輸入，電動機轉(zhuǎn)速Mω為輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

圖5 直流電動機開環(huán)驅(qū)動裝置特性的結(jié)構(gòu)圖

在這里本文引入系統(tǒng)的電氣時間常數(shù)Te和電機的機電時間常數(shù)Tm：

根據(jù)以上直流電機的動態(tài)特性方程和己有的參數(shù)，在MATLAB/Simulink中建立了直流電動機的模型，如圖6所示。電機模塊中的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖6直流電機在Simulink中的模型

圖7 直流電機的具體模型

5 電機系統(tǒng)性能分析

為進一步加深對不同控制策略和控制算法下控制系統(tǒng)的研究，必須首先研究電機系統(tǒng)的相關(guān)特性，可以從以上的推導和實驗過程得到其轉(zhuǎn)移函數(shù)，進而分析其行為和穩(wěn)定性。

5.1 電機系統(tǒng)的機械特性

電機的機械特性是指電機在額定情況及未串聯(lián)任何電阻的情況下，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，它反映了在不同轉(zhuǎn)速下電機所能提供的力矩的大小。

由式（11）～式（14）可以得出：

電機在不同電樞電壓下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線

問題的關(guān)鍵就是設(shè)計出主動轉(zhuǎn)向電機的疊加轉(zhuǎn)角與方向盤轉(zhuǎn)角以及車速的關(guān)系，得出主動轉(zhuǎn)向電機疊加轉(zhuǎn)角表達式如下：

具體仿真曲線如圖9所示。

圖9 主動轉(zhuǎn)向電機疊加轉(zhuǎn)角—轉(zhuǎn)向傳動比--轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線

5.2 電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

由電機系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及二階傳遞函數(shù)的特點可得出系統(tǒng)的無阻尼自然頻率：

該系統(tǒng)屬于一個二階過阻尼系統(tǒng)，忽略電極系統(tǒng)的摩擦影響，當電阻和慣性力矩增加時，系統(tǒng)阻尼會增大，而當電樞阻抗減少時，系統(tǒng)就會趨于過阻尼甚至欠阻尼。主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個隨車速、路面狀況、轉(zhuǎn)向特點等進行快速變傳動比和跟蹤的系統(tǒng)，因而這剛好也就滿足了主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對快速跟蹤和穩(wěn)定性的要求。

6 結(jié)束語

本文在分析直流電機數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，采用MATLAB/Simulink軟件建立了直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型，采用閉環(huán)控制方法對該模型進行了測試，仿真結(jié)果表明了該控制系統(tǒng)的合理性和有效性，為系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了重要的理論價值和實際應(yīng)用價值。

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DC Motor Implement of New Active Front Steering System

Xiang Dan1,2Yang Ning1Yuan Jianzhong2

（1.College of Automation,GuangDong Polytechnic Normal University 2. School of Mechanical&Automotive Engineering, South China University of Technology）

In this paper, the structure of the Active Front Steering system (AFS) is introduced. The dynamic model of AFS, and mathematical model of the motor and the load are presented. The performance of the motor system is also analyzed. The experimental results show that curves tally with the theoretical analysis, the system has good dynamic and static characteristics, the control system can exhibit an outstanding performance.

Active Front Steering; DC Motor; Control System; Simulation

向丹，女(漢族)，1980年生，湖北人，副教授，博士生，研究方向為汽車電子技術(shù)。