汽車線傳轉向系統(tǒng)的轉向盤操縱識別與雙向同步控制

李尚司 蔡智凱 陳曦 連小珉

（清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室）

汽車線傳轉向系統(tǒng)的轉向盤操縱識別與雙向同步控制

李尚司 蔡智凱 陳曦 連小珉

（清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室）

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

1 前言

汽車線傳轉向系統(tǒng)取消了轉向盤與轉向器之間的直接機械連接，主要由電控方向機與電控轉向機進行控制，電控方向機與電控轉向機之間的角度信息與力矩信息交互通過線傳遞進行。相比于現階段應用在量產車上的傳統(tǒng)機械轉向系統(tǒng)，汽車線傳轉向系統(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。

目前有關線傳轉向系統(tǒng)回正控制的研究[1～4]集中在主動控制轉向盤回正及車輪轉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，本文在現有控制方法基礎上設計了一種汽車線傳轉向系統(tǒng)的雙向同步控制策略，通過對電控方向機和電控轉向機在不同模式下的主動-從動切換協調控制，考慮汽車自由回正特性，提高汽車的操縱性能。首先根據轉向盤部分的轉矩變化率[5]，對不同的轉向盤操縱模式進行識別；然后對不同轉向盤操縱模式下電控方向機與電控轉向機的主從控制關系進行分類考慮，以PID（比例積分微分）控制進行從動機的跟蹤隨動控制；最后通過試驗臺架進行試驗，驗證汽車線傳轉向系統(tǒng)轉向盤操縱識別與雙向同步控制的可行性與合理性。

2 汽車線傳轉向系統(tǒng)的雙向同步控制

2.1 汽車線傳轉向系統(tǒng)的結構及工作原理

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

電控方向機子系統(tǒng)由轉向盤、傳感器組和回正電機及方向機控制器組成。電控轉向機子系統(tǒng)由轉向器、傳感器組和轉向電機及轉向機控制器組成。兩個子系統(tǒng)相應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，計算相應的控制目標值，并對相應的電機進行控制。

2.2 汽車線傳轉向系統(tǒng)的雙向同步控制

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

對線傳轉向系統(tǒng)的雙向主從工作模式進行分類如下：

a.轉向機跟蹤隨動模式。當轉向盤上的操舵力矩趨向于克服回正電機再生的回正力矩時，電控方向機作為主動機。此時電控轉向機進入跟蹤隨動模式，成為從動機，跟隨轉向盤轉角的變化進行協同跟蹤。

b.轉向機受控回正模式。當轉向盤上的操舵力矩趨向屈服于回正電機再生的回正力矩時，電控方向機作為主動機，處于駕駛員受控的回正模式。此時電控轉向機作為從動機，進入隨動的受控回正模式，跟隨轉向盤回正的轉角變化進行轉向機的回正控制。

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

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

式中，MA表示電控方向機為主動機的模式，轉向機跟蹤隨動與轉向機受控回正歸類到此種模式；MP表示電控方向機為從動機的模式，轉向機自由回正屬于此種模式。

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

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

在方向機為從動機的模式中，通過方向機控制器控制回正電機進行對轉向機轉角的跟蹤隨動。在方向機跟隨協同控制中與轉向機部分一樣，使用PID控制器。具體的控制結構框圖如圖3所示。方向機控制器將傳輸總線傳遞過來的轉向機小齒輪實時轉角作為轉向盤的目標轉角。由于在電控方向機中回正電機與轉向盤中間未增加變速機構，轉角比例為1，因此這也是回正

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

3 轉向盤操縱的不同模式識別

3.1 轉向盤操縱模式的分類說明

由于轉向盤的操縱模式與轉向電機的工作模式有著一一對應的關系，根據2.2節(jié)中對轉向機工作模式的分類，相應地將轉向盤操縱模式B做如下分類：

式中，BP為轉向盤受控轉向模式，對應轉向機跟蹤隨動模式；BN為轉向盤受控回正模式，對應轉向機受控回正模式；BZ為轉向盤跟隨回正模式，對應轉向機自由回正模式。

根據式（1）中電控方向機主從模式與轉向機工作模式的關系，得到轉向盤操縱模式與電控方向機主從模式的關系如下：

3.2 轉向盤不同操縱模式下的轉矩變化率分析

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

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

3.3 轉向盤不同操縱模式的識別

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

設定轉向盤轉矩變化率閾值為Tm，通過比較實時轉矩變化率δT與設定閾值Tm的大小，對轉向盤操縱模式進行識別，具體如下：

根據式（3）和式（5），得到電控方向機主、從工作模式與轉向盤轉矩變化率的關系如下：

因此，通過對轉向盤操縱模式的識別，能夠完成對電控方向機主、從工作模式的判斷，從而進一步完成線傳轉向系統(tǒng)的同步控制。

4 試驗驗證

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

4.1 轉向盤操縱模式識別的驗證

按照3.1節(jié)中說明的3種轉向盤操縱模式，在試驗臺架上進行相應的轉向盤操縱試驗，得到的數據結果如圖7所示。

圖7中，用主從標志位表示電控方向機的主從模式，0表示電控方向機為主動機，1表示電控方向機為從動機；左側圖表示轉向盤操縱模式從受控轉向到受控回正的過程，在此過程，主從標志位的數值一直為0，電控方向機一直處于主動機模式；右側圖表示轉向盤操縱模式從受控轉向到跟隨回正的過程，在轉向盤轉換到跟隨回正的同時，主從標志位的數值從0跳變?yōu)?，表示電控方向機轉換為從動機模式。由此，驗證了轉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主從模式的判斷。

4.2 汽車線傳轉向系統(tǒng)雙向同步控制的驗證

在完成對電控方向機主從模式判斷后，進行線傳轉向系統(tǒng)的雙向同步控制試驗，得到的數據結果如圖8和圖9所示。

圖8表示轉向盤操縱模式從受控轉向到受控回正的過程，電控方向機一直處于主動機的工作模式，轉向機轉角跟蹤轉向盤的轉角進行隨動。由圖8所示的跟隨結果可知，轉向機轉角在跟隨過程中超調較小，響應較快，在最終跟蹤角度上的偏差較小，滿足轉向控制要求。

圖9表示轉向盤操縱模式從受控轉向到跟隨回正的過程，電控方向機經歷從主動機到從動機的模式轉換。由圖9所示的結果可見，在電控方向機轉換到從動機模式的過程中有較短時間的抖動，同時轉向機自由回正。轉向盤跟蹤轉向機的轉角進行隨動回正，在跟隨過程中沒有發(fā)生超調，響應較快，跟隨效果較好，最后的回正殘余角較小。

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

5 結束語

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

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

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

1 鄭宏宇，宗長富，田承偉，等.基于理想轉向傳動比的汽車線控轉向控制算法.吉林大學學報（工學版）,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.線控轉向系統(tǒng)轉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，季學武.電動助力轉向系統(tǒng)的主動回正控制.汽車技術,2008（09）:9～12.

（責任編輯 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

線傳轉向系統(tǒng) 轉向盤操縱識別 雙向同步控制 PID

U463.4

A

1000-3703（2015）12-0017-04