線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

殷凡青，姜良超

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線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

殷凡青，姜良超

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于其可以自由設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的特點(diǎn)，可以保證在不同工況下，汽車(chē)都有著良好的轉(zhuǎn)向特性和操縱穩(wěn)定性。文章主要對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。在中低速段，采用基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變的設(shè)計(jì)方案；在高速段，采用模糊控制對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的理想傳動(dòng)比的控制效果。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；理想傳動(dòng)比；穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益；模糊控制

前言

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于受到自身機(jī)械連接的制約[1]，其傳動(dòng)比不能根據(jù)行駛工況合理的變化，這導(dǎo)致汽車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏度一直處在變化之中，增加了駕駛員準(zhǔn)確掌控汽車(chē)響應(yīng)狀態(tài)的難度。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）利用電控單元和總線技術(shù)取代了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械連接，可以自由設(shè)計(jì)傳動(dòng)比，能夠很好地滿足不同工況下駕駛員對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性的要求，從而降低駕駛難度，提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。本文主要研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比的變化規(guī)律，在不同車(chē)速段下，采用不同的設(shè)計(jì)方法，聯(lián)合確定了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動(dòng)比，并通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的控制效果。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及整車(chē)建模

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤(pán)總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ECU）三大模塊組成，此外還有故障容錯(cuò)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)[2]。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

方向盤(pán)總成作為汽車(chē)與駕駛員之間的“橋梁”，一方面將駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)，傳遞給主控制器，另一方面將路感電機(jī)產(chǎn)生的模擬路感傳遞給駕駛員。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成也有兩個(gè)功能，一是接收主控制器發(fā)出的轉(zhuǎn)向指令，通過(guò)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)完成汽車(chē)轉(zhuǎn)向，二是將前輪轉(zhuǎn)角以及路面信息，反饋給主控制器。主控制器通過(guò)采集傳感器信號(hào)，根據(jù)提前設(shè)定好的控制策略做出合理決策。主控制器一方面控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成完成轉(zhuǎn)向，另一方面控制路感電機(jī)產(chǎn)生合適的模擬路感。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合SBW系統(tǒng)的工作原理，對(duì)SBW系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，聯(lián)合Carsim和Simulink建立起裝備有SBW系統(tǒng)的整車(chē)模型，如圖2所示。

圖2 SBW系統(tǒng)整車(chē)模型

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

本文結(jié)合傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的不足，分析了SBW系統(tǒng)理想傳動(dòng)比所應(yīng)滿足的設(shè)計(jì)要求，提出了分段設(shè)計(jì)的思路，即中低速段和高速段采用不同的控制策略，來(lái)對(duì)傳動(dòng)比變化規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 中低速段傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

為保證汽車(chē)在不同速度下有著一致的轉(zhuǎn)向靈敏度，中低速段采用基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變來(lái)設(shè)計(jì)理想傳動(dòng)比。根據(jù)汽車(chē)二自由度模型可以得出：

式中，G—穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益；l—理想傳動(dòng)比。其余參數(shù)含義見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益G不變，令G=K。可得理想傳動(dòng)比：

本節(jié)將中低速段速度范圍設(shè)為0~90/，考慮到轉(zhuǎn)向輪的極限位置，設(shè)定理想傳動(dòng)比最小值為i，其對(duì)應(yīng)下臨界車(chē)速1為20/。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在進(jìn)行泊車(chē)、倒車(chē)入庫(kù)等大幅度轉(zhuǎn)向操作時(shí)，駕駛員需要變換手握方向盤(pán)的位置，才能得到想要的前輪轉(zhuǎn)角，為避免這種情況，本文將方向盤(pán)范圍設(shè)為-180°~ 180°，轉(zhuǎn)向輪極限轉(zhuǎn)角為30°，可得最小傳動(dòng)比i為6。故中低速段理想傳動(dòng)比為：

選定K=0.32，結(jié)合方向盤(pán)轉(zhuǎn)角對(duì)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)的影響[4]，確定的理想傳動(dòng)比如圖3所示。

圖3 理想傳動(dòng)比與車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的關(guān)系

2.2 高速段傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

由圖3可以看出，基于穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益不變?cè)O(shè)計(jì)的傳動(dòng)比最大值為19.8，難以滿足汽車(chē)高速行駛時(shí)大傳動(dòng)比的要求，故汽車(chē)高速段傳動(dòng)比采用模糊控制策略來(lái)確定。

本文中模糊控制器的輸入量為車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，輸出量為理想傳動(dòng)比。高速段車(chē)速范圍設(shè)為90/~160/，即模糊論域?yàn)閧90，160}，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角范圍為-180°~180°，模糊論域?yàn)閧-180，180}，高速段理想傳動(dòng)比的范圍為19~25，模糊論域?yàn)閧19，25}，各變量模糊集均設(shè)為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。各變量隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù)。模糊規(guī)則[5]如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

綜上所述，模糊控制設(shè)計(jì)的高速段理想傳動(dòng)比如圖4所示。將中低速段和高速段確定的理想傳動(dòng)比聯(lián)合起來(lái)，得到最終的理想傳動(dòng)比如圖5所示。

圖4 基于模糊控制的理想傳動(dòng)比

圖5 聯(lián)合控制確定的理想傳動(dòng)比

3 仿真驗(yàn)證

選取Carsim中的Double Lane Change試驗(yàn)工況，路面附著系數(shù)設(shè)為0.85，車(chē)速設(shè)為80/，比較線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整車(chē)模型和傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車(chē)的仿真結(jié)果。

圖6 行駛軌跡

圖7 橫擺角速度響應(yīng)

圖8 側(cè)向加速度響應(yīng)

圖9 質(zhì)心側(cè)偏角響應(yīng)

由仿真結(jié)果可以看出，采用理想傳動(dòng)比控制的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車(chē)在行駛軌跡上跟蹤效果更好，而且汽車(chē)主要參數(shù)的響應(yīng)值及曲線變化幅度都有所減小。該仿真結(jié)果說(shuō)明理想傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)提高了汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，驗(yàn)證了理想傳動(dòng)比控制策略的有效性。

4 總結(jié)

本文建立了SBW系統(tǒng)整車(chē)模型，對(duì)SBW系統(tǒng)的理想傳動(dòng)比進(jìn)行了分段設(shè)計(jì)，并通過(guò)雙移線試驗(yàn)工況仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)理想傳動(dòng)比的控制效果，證明本文的設(shè)計(jì)有利于提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性。

[1] 左建令,吳浩.汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展及展望[J].上海汽車(chē),2005(01): 37-40.

[2] 高曉程.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2018.

[3] 余志生.汽車(chē)?yán)碚?第5版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:144-155.

[4] 宋洋洋.基于線控技術(shù)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法研究及路感模擬分析[D].遼寧:東北大學(xué), 2015.

[5] 鄭宏宇,宗長(zhǎng)富,田承偉等. 基于理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向控制算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2007(06): 1229-1235.

Design of Ideal Transmission Ratio for Steering-by-Wire System

Yin Fanqing, Jiang Liangchao

（Automobile of School, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

Due to its freely designed transmission ratio, the steer-by-wire system can ensure that the vehicle has good steering characteristics and handing stability under different working conditions. This paper mainly studies and designs the ideal transmission ratio of steering-by-wire system. In the middle and low speed section, the design scheme based on constant steady yaw rate gain is adopted; in the high speed section, the transmission ratio is designed by fuzzy control. Finally, the control effect of the designed ideal transmission ratio is verified by simulation test.

Steering-by-wire system;Ideal transmission ratio;Steady yaw rate gain;Fuzzy control

U463.4

A

1671-7988(2019)09-95-03

U463.4

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1671-7988(2019)09-95-03

殷凡青（1993-），男，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院車(chē)輛工程專業(yè)，研究方向：車(chē)輛控制技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.031