微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性研究

賈建忠

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，烏魯木齊 830001）

引言

微型計算機(jī)是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機(jī)，它以微處理器為基礎(chǔ)，配以相關(guān)的硬件、接口及輔助電路，可以控制車輛自動轉(zhuǎn)向[1]。車輛自動轉(zhuǎn)向控制存在于車輛的自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，它可以通過電線傳遞信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，來取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械轉(zhuǎn)動和機(jī)械連接[2]。隨著汽車制造技術(shù)不斷的革新，車輛自動轉(zhuǎn)向控制逐漸與微型計算機(jī)聯(lián)合起來，車輛在實(shí)際駕駛過程中，會根據(jù)微型計算機(jī)傳輸?shù)牡缆沸畔?，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)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(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性分析，可以幫助分析解決微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中發(fā)生的問題，增強(qiáng)車輛的安全性能，提高車輛自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和適用性[3]。

1 微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性研究

1.1 微計算機(jī)應(yīng)用時的阻尼控制參數(shù)

在計算微計算機(jī)應(yīng)用后車輛轉(zhuǎn)向的阻尼控制參數(shù)時，將車輛視為高速勻速行駛[4]。設(shè)此時的車輛在行駛過程中的一個角度θVZ為轉(zhuǎn)向時的臨界角，車輛的轉(zhuǎn)向角大于該臨界角時，車輛會發(fā)生回正超調(diào)，固定車輛的轉(zhuǎn)向角度，此時的臨界角隨車速變化的關(guān)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(shù)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(guān)系曲線

表1 工作模式判斷算法

由表1所示，θS為車輛的轉(zhuǎn)向角。結(jié)合上圖1可知，當(dāng)車輛車速超過設(shè)定值，但扭矩信號落在數(shù)值區(qū)間[-1，1]時，車輛出現(xiàn)阻尼控制[5]。控制自動轉(zhuǎn)向時，EPS工作模式則會出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)動慣量和粘性阻力，此時的微型計算機(jī)會對車輛行駛系統(tǒng)進(jìn)行慣性補(bǔ)償和阻尼補(bǔ)償，也就是在靜態(tài)助力曲線的基礎(chǔ)上，增加一個附加的電流，計算公式為：

式中：

Ia—慣性補(bǔ)償或阻尼補(bǔ)償?shù)碾娏鳎?/p>

Ka—慣性補(bǔ)償或阻尼補(bǔ)償系數(shù)。

但車輛在自動轉(zhuǎn)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(jī)還會進(jìn)行部分的摩擦補(bǔ)償，控制補(bǔ)償部分的自動轉(zhuǎn)向摩擦補(bǔ)償電流，計算公式為：

式中：

Ib—電機(jī)摩擦補(bǔ)償系數(shù)；

sgn(θs)—方向盤的轉(zhuǎn)動方向。

所以微型計算機(jī)在實(shí)際應(yīng)用時，會控制車輛的助力電機(jī)的特性曲線來獲得電流及三個補(bǔ)償電流，所以在計算最終的阻尼控制參數(shù)時，按照轉(zhuǎn)向阻力矩與最大助力矩進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)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(shù)，取經(jīng)驗(yàn)值0.7；

G—車輛前軸負(fù)荷；

P—輪胎氣壓。

所以計算得到車輛轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩為：

式中：

Tz—轉(zhuǎn)動盤上提供的總轉(zhuǎn)矩；

L—轉(zhuǎn)向搖臂長；

L'—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；

j—轉(zhuǎn)向器角傳動比；

η—轉(zhuǎn)向器的總效率。

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

1.2 讀取微型計算機(jī)控制時的轉(zhuǎn)速信號

在讀取微型計算機(jī)控制時的轉(zhuǎn)速信號時，在上述阻尼參數(shù)的控制下，微型計算機(jī)的扭矩輸入信號和電壓輸出間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，如圖2所示。

由圖2所示，橫坐標(biāo)為車輛方向盤上的扭矩，縱坐標(biāo)為微型計算機(jī)輸出的ECU電壓值[7]。將微型計算機(jī)輸出信號分為主扭矩和副扭矩，當(dāng)微型計算機(jī)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(jī)的扭矩輸入輸出特性，自動轉(zhuǎn)向時呈現(xiàn)出的特性變化，如圖3所示。

圖2 微型計算機(jī)的扭矩輸入信號和電壓輸出關(guān)

圖3 微型計算機(jī)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(jī)控制時車輛轉(zhuǎn)速信號時，盡量減少外部對扭矩和轉(zhuǎn)角信號的干擾[8]。采用二階有源低通濾波器預(yù)處理上圖中顯示的輸入輸出特性，計算濾波器在頻帶內(nèi)的增益，計算公式為：

式中：

Rf—濾波器中的電阻；

R—頻帶內(nèi)的電阻。

所以計算得到轉(zhuǎn)速信號的傳遞函數(shù)為：

式中：

CR—RC濾波器的RC值。

利用上式（5）（6）計算得到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩信號時，微型計算機(jī)采用超前滯后校正網(wǎng)絡(luò)，將超前校正網(wǎng)絡(luò)看作一個PD環(huán)節(jié)，預(yù)處理自動轉(zhuǎn)向控制信號，提高微型計算機(jī)自動控制時抗干擾性能[9]?？紤]車輛自動轉(zhuǎn)向控制助力特性的實(shí)際，控制傳感器的輸出電壓在2.25～2.75 V之間，設(shè)定微型計算機(jī)的應(yīng)用方式為非接觸形式，保持多路信號的輸出，在實(shí)際讀取時，微型計算機(jī)通過分動器的輸出軸，向車輛自動轉(zhuǎn)向控制ECU輸入6個脈沖電壓信號[10，11]。此時的轉(zhuǎn)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(jī)得到轉(zhuǎn)速信號過程中的可靠度，完成微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性分析。

1.3 計算應(yīng)用可靠度

在計算微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制的應(yīng)用中的可靠度時，利用FTA分析方法來分析微型計算機(jī)讀取控制信號的過程，得到應(yīng)用可靠度[12]。假設(shè)T為微型計算機(jī)應(yīng)用時的故障樹的頂事件，表示故障樹的n個相互獨(dú)立的底事件的集合，所以此時的結(jié)構(gòu)函數(shù)就可表示為：

對上式（8）予以假設(shè)條件，假設(shè)條件為：

式中：

n—故障樹所有底下所有底事件的個數(shù)；i

Y—此事件發(fā)生的狀態(tài)；

0—第i個底事件不發(fā)生；

1—i個底事件發(fā)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(jī)元部件不可靠度；

g—自動轉(zhuǎn)向控制頂事件發(fā)生的概率。

利用上式可計算得到微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中應(yīng)用時的概率可靠程度，從車輛自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的安全角度出發(fā)，計算微型計算機(jī)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(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中應(yīng)用的臨界可靠度，得到可靠度的取值范圍：當(dāng)上式（11）呈現(xiàn)出連續(xù)可導(dǎo)的變化情況時，可靠度貼近于1，表示研究出的可靠性結(jié)果準(zhǔn)確[14，15]?；谝陨希瓿蓪ξ⑿陀嬎銠C(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的可靠性研究。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)臺架

實(shí)驗(yàn)臺架設(shè)定EPS控制器為核心，配合原車轉(zhuǎn)向裝置、傳感器、電磁離合器、助力電機(jī)、減速增扭裝置以及加載裝置，實(shí)驗(yàn)臺架共設(shè)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(shè)置彈簧加載的方法，整體的臺架設(shè)計，如圖4所示。

由圖4所示搭建的實(shí)驗(yàn)臺架，準(zhǔn)備一輛含有微型計算機(jī)、擁有自動轉(zhuǎn)向控制的車輛，車輛的參數(shù)，如表2所示。

基于上述搭建的臺架，設(shè)置表2中的參數(shù)到車輛自動轉(zhuǎn)向控制參數(shù)中，分別使用兩種傳統(tǒng)可靠性研究方法與微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性研究方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對比三種可靠性研究方法處理表2數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)產(chǎn)生噪聲的情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 搭建的實(shí)驗(yàn)臺架

三種可靠性分析方法最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

由上三實(shí)驗(yàn)圖所示，傳統(tǒng)可靠性研究方法1在處理數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)噪聲數(shù)據(jù)幅值變化為[-3，2]，傳統(tǒng)可靠性研究方法2在處理的噪聲數(shù)據(jù)幅值變化為[-2，2]，微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性研究方法幅值變化為[-1，1]。綜上所述，與兩種傳統(tǒng)可靠性分析相比，微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性研究方法在處理數(shù)據(jù)時噪聲數(shù)據(jù)的幅值變化更小，對可靠性分析的干擾更少，適合實(shí)際研究使用。

表2 車輛參數(shù)

圖5 三種研究方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

隨著自動化控制的不斷發(fā)展，在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中應(yīng)用微型計算機(jī)，已經(jīng)成為了大勢所趨。研究微型計算機(jī)在車輛自動轉(zhuǎn)向控制中的應(yīng)用可靠性，幫助解決了傳統(tǒng)應(yīng)用可靠性研究方法適用性不強(qiáng)的問題，為研究可靠性提供了新思路。