線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感反饋與主動回正控制

張 君,邱江波,屈 翔,張小鋒

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400054)

0 引言

線控轉(zhuǎn)向(steer-by-wire,SBW)系統(tǒng)是當(dāng)下研究的熱點(diǎn),是繼電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)之后的全新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向輪與方向盤間的機(jī)械連接,不僅簡化了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu),而且能提升車輛的駕駛舒適性、安全性和操縱性,是未來智能駕駛的重要基礎(chǔ)[1]。但SBW系統(tǒng)無法將路感通過方向盤直接傳遞給駕駛員,只能通過電機(jī)模擬生成。

目前,對于路感模擬主要有傳感器測量法、動力學(xué)計算法、參數(shù)擬合法。Bhardwaj等[2]提出了一種基于車輛和不同輪胎模型的齒條力估計器,根據(jù)輪胎模型復(fù)雜度的增加,估計器精度也會提高,從而準(zhǔn)確估計齒條力。Bhardwaj等[3]提出了一個可以產(chǎn)生無干擾齒條力估計的道路高頻輪廓變化模型,與傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了其模型的估計精度與優(yōu)點(diǎn)。謝立剛等[4]利用動力學(xué)計算法計算目標(biāo)力矩,并采用粒子群優(yōu)化PID算法實(shí)現(xiàn)路感反饋功能。王曉峰等[5]分析了動力學(xué)計算法的弊端,在此基礎(chǔ)上采用權(quán)重法對路感力矩進(jìn)行設(shè)計,最終通過不同車速來取不同權(quán)值。袁臣虎等[6]采用了直接測量轉(zhuǎn)向電機(jī)電流等效路面負(fù)載來模擬路感。Xu等[7]設(shè)計了一種具有容錯模塊的小階PID(FOPID)控制器對路感電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,并采用遺傳算法(GA)來調(diào)整FOPID控制器的參數(shù),通過Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證了該控制方法的可行性。而針對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)角和扭矩閉環(huán)控制策略的同時保證SBW系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在的問題,Zheng等[8]提出了一種具有轉(zhuǎn)向和路感反饋控制的SBW系統(tǒng)雙邊控制方案,最后通過實(shí)車驗(yàn)證了所提算法的有效性。趙含雪等[9]針對車輛在低速回正不足,高速回正超調(diào)的問題,提出了一種基于傳統(tǒng)滑模控制算法的主動回正控制策略,但傳統(tǒng)滑?？刂茻o法消除方向盤抖動現(xiàn)象。針對這一問題,謝有浩等[10]基于時變滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計了不同路面附著系數(shù)下的回正控制策略,有效減小了方向盤的抖動程度。

采用轉(zhuǎn)向電機(jī)電流等效負(fù)載,需要采用復(fù)雜濾波器進(jìn)行濾波,而采用齒條力估計方法估計的齒條力時,其估計精度較大程度取決于輪胎模型的復(fù)雜度,并且需要進(jìn)一步采用補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償,以達(dá)到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感輕便的目的。方向盤回正時需采用較復(fù)雜控制器來控制電機(jī),針對以上問題,本文通過建立輪胎回正力矩動力學(xué)模型對方向盤反饋力矩進(jìn)行計算;并設(shè)計補(bǔ)償算法,確保車輛在低速時轉(zhuǎn)向輕便與高速時路感清晰,與傳統(tǒng)動力學(xué)方法直接計算回正力矩相比,本文能夠減小車輛在低速時方向盤的反饋力矩,高速時加強(qiáng)路感;同時與其他主動回正方法相比,本文基于方向盤轉(zhuǎn)角和車速2個參數(shù)來設(shè)計主動回正算法,能夠精確提升方向盤在不同車速下的回正性能。

1 路感產(chǎn)生原理與分析

通過分析傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感產(chǎn)生原理可知,駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時需要克服的轉(zhuǎn)向阻力矩稱為路感,該阻力矩主要由回正力矩、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部摩擦阻力矩、慣性力與阻尼力產(chǎn)生的力矩,以及輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的摩擦阻力矩等組成。其中,回正力矩由輪胎拖距與主銷內(nèi)傾或內(nèi)移產(chǎn)生的回正力矩2部分組成?；卣乜梢杂行Х从陈访嫘畔ⅰ⑤喬サ氖芰顩r,能夠給駕駛員提供有效的路感信息,因此,回正力矩的準(zhǔn)確計算與駕駛員的駕駛舒適度息息相關(guān)。摩擦力矩主要指轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間相互作用產(chǎn)生的阻力矩,是阻礙駕駛員獲得有效路感的障礙。但是,對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向汽車而言,當(dāng)車輛行駛在不平的路面環(huán)境下,該摩擦力矩會起到阻尼的作用,抵消一部分來自路面的沖擊。

2 SBW系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

SBW系統(tǒng)主要由方向盤模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊組成。其中方向盤模塊主要由方向盤、路感模擬電機(jī)、減速器組成。

方向盤至扭矩傳感器的數(shù)學(xué)模型[11]表示為

(1)

式中：Tsw為方向盤輸入力矩;Jsw為方向盤轉(zhuǎn)動慣量;δsw為方向盤轉(zhuǎn)角;Bsw為方向盤阻尼系數(shù);Ksw為轉(zhuǎn)向管柱扭轉(zhuǎn)剛度;δm為路感電機(jī)轉(zhuǎn)角;Gm為路感電機(jī)減速器減速比。

路感電機(jī)數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中：Tm為路感電機(jī)電磁力矩;Bm為路感電機(jī)阻尼系數(shù);Km為路感電機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度。

本文采用的路感電機(jī)為無刷直流電機(jī),根據(jù)基爾霍夫定律,其電學(xué)平衡方程可表示為

(3)

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電流成正比,可表示為

Tm=ktIa

(4)

式中：Ua為路感電機(jī)電壓;Ra為路感電機(jī)電阻;Ia為路感電機(jī)電流;La為路感電機(jī)電感;ke為路感電機(jī)反電動勢系數(shù);kt為路感電機(jī)電磁力矩系數(shù)。

3 路感模擬與主動回正控制

3.1 基于回正力矩半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆答伭赜嬎?/h3>

通過分析傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正力矩產(chǎn)生原理,SBW系統(tǒng)的路感模擬需要根據(jù)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輪胎回正力矩半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橐罁?jù)。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輪胎回正力矩主要由輪胎拖距產(chǎn)生的回正力矩和主銷內(nèi)傾或內(nèi)移造成的回正力矩組成。

輪胎拖距由氣胎拖距與后傾拖距組成,如圖1所示。

圖1 氣胎拖距與后傾拖距

由輪胎拖距產(chǎn)生的回正力矩[12]為

(5)

主銷內(nèi)傾或內(nèi)移產(chǎn)生的回正力矩與車速無關(guān),其表達(dá)式為[13]

(6)

式中：Mzv為輪胎拖距產(chǎn)生的回正力矩;m、v、a、b、L、k1、k2、ξ′、ξ″、δ分別為整車質(zhì)量、車速、質(zhì)心到前后輪的距離、前后輪軸距、前后輪側(cè)偏剛度、氣胎拖距、后傾拖距、前輪轉(zhuǎn)角;Q、D、β′分別為輪荷、主銷內(nèi)移量和主銷內(nèi)傾角。

當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角δ較小時,sinδ≈δ,則式(6)可表示為

(7)

則輪胎總回正力矩為

Mh=Mzv+MA

(8)

在實(shí)際行駛情況下,輪胎與地面的相互作用也會產(chǎn)生摩擦力矩,可表示為

Tf=Fwsinδ

(9)

式中：Fw為阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量和軸荷等相關(guān)的常數(shù)。

考慮到SBW系統(tǒng)的路感應(yīng)盡量減小與側(cè)向力無關(guān)的摩擦力,因此只考慮回正力矩,所以初步確定方向盤上的反饋力矩為

(10)

式中：i為傳動比。

為了驗(yàn)證回正力矩動力學(xué)模型的有效性,在雙紐線工況下將方向盤轉(zhuǎn)角輸入設(shè)置為正弦輸入,低速時幅值設(shè)置為120,高速時幅值設(shè)置為20進(jìn)行仿真,仿真中用到的某車輛參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)表(部分)

將車速分別設(shè)置為30 km/h和80 km/h,在Matlab/Simulink與Carsim里進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得到如圖2所示的轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。在同樣的工況條件下,在試驗(yàn)臺上對方向盤進(jìn)行手動輸入正弦變化的轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3與圖4所示。

圖2 轉(zhuǎn)向時方向盤力矩仿真曲線

車輛在低速時影響回正力矩的主要因素為方向盤轉(zhuǎn)角,高速時由于方向盤基本保持在中間位置,影響反饋力矩的主要因素為側(cè)向加速度。圖2—4為車輛在不同車速下行駛時對應(yīng)的方向盤力矩變化曲線,仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果接近。車速為30 km/h下行駛時方向盤轉(zhuǎn)角輸入幅值較大,因此對應(yīng)的方向盤力矩較大。而在車速為80 km/h時,此時處于高速下行駛,方向盤長時間處于中間位置,轉(zhuǎn)角輸入幅值正常情況下較小,因此方向盤反饋力矩較小,導(dǎo)致路感較差。

圖4 80 km/h時方向盤力矩試驗(yàn)曲線

根據(jù)國標(biāo)GB/T 6323—2014雙紐線評價指標(biāo)[14],對所計算的方向盤反饋力矩進(jìn)行輕便性評價。中高速時駕駛員偏好力矩[15]與低速穩(wěn)態(tài)時方向盤力矩理想值[16]如表2與表3所示。

表2 駕駛員偏好力矩(參考值) N·m

表3 低速穩(wěn)態(tài)下方向盤力矩(參考值) N·m

通過對表2和表3分析可知,當(dāng)車速為30 km/h歸為低速行駛,方向盤力矩理想值參考值范圍為1.70～3.00 N·m,而此時方向盤力矩8.57 N·m遠(yuǎn)超出理想值范圍;車速為80 km/h時方向盤力矩2.04 N·m,超出理想值參考范圍2.29～3.27 N·m,均不能滿足駕駛員對路感低速輕便性和高速清晰穩(wěn)定的要求,此時需要對其進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計。

3.2 SBW系統(tǒng)路感補(bǔ)償設(shè)計

為了保證方向盤低速輕便性,首先需要進(jìn)行助力控制,根據(jù)EPS系統(tǒng)的助力控制策略,SBW系統(tǒng)的助力控制可設(shè)計為隨車速和方向盤轉(zhuǎn)角改變而改變,具體公式設(shè)計如下

(11)

式中：TA為助力力矩;KA、Kv分別為方向盤轉(zhuǎn)角增益、速度增益。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了機(jī)械連接,為了提醒駕駛員方向盤已經(jīng)轉(zhuǎn)到極限位置,需要對其極限位置進(jìn)行設(shè)計,其表達(dá)式為

(12)

式中：Tlimit為限位力矩;Kl、δr、δl分別為限位系數(shù)、右極限轉(zhuǎn)角、左極限轉(zhuǎn)角。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中摩擦力矩主要存在于方向盤中,在機(jī)械裝配時摩擦力矩存在不確定性,不能完全滿足駕駛員對路感的需求。為了駕駛員能快速適應(yīng)SBW系統(tǒng),需要進(jìn)行一定的摩擦補(bǔ)償,而庫倫摩擦力矩會在方向盤角速度為零時使摩擦補(bǔ)償力矩突變,因此將摩擦力矩設(shè)計成車速與方向盤角速度的函數(shù),能夠根據(jù)車速和方向盤轉(zhuǎn)角改變摩擦補(bǔ)償力矩,即

(13)

式中：n1、n2分別為與摩擦力矩大小和變化快慢有關(guān)的參數(shù)。

從傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可知,汽車高速下行駛時會出現(xiàn)方向盤過輕,不僅有“發(fā)飄”的感覺,而且在回正時方向盤會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,容易發(fā)生安全事故。根據(jù)前文的仿真分析可知,為了使高速時駕駛員獲得更清晰的路感,抑制方向盤的回正超調(diào)現(xiàn)象,應(yīng)當(dāng)加入阻尼控制力矩。將阻尼力矩設(shè)計為

(14)

式中：Tdamp為阻尼力矩;C(v)為車速函數(shù),可將其設(shè)計為

(15)

式中：kdamp為阻尼系數(shù);v1為臨界車速。

阻尼控制在高速時不僅能夠給駕駛員提供清晰路感和抑制方向盤回正超調(diào)現(xiàn)象,而且能夠在一定程度上減小方向盤因路面不平或者顛簸帶來的抖動。

綜上,路感模擬綜合控制力矩為

T=Msw-Ta+Tl+Tf+Tdamp

(16)

3.3 主動回正力矩算法設(shè)計

汽車在低速行駛時方向盤會出現(xiàn)回正不足的問題,因此需要設(shè)計主動回正力矩Tat,以保證方向盤在低速行駛時能夠正?；卣?從而減輕駕駛員操縱負(fù)擔(dān)以及提升車輛行駛安全性,將主動回正力矩公式設(shè)計為隨車速和方向盤轉(zhuǎn)角變化的函數(shù),具體為隨著車速的增大而減小,隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大而增大,即

Tat=(Kvt-Cv)Cδδsw

(17)

其中

(18)

(19)

將式(18)、(19)代入式(17)得到

(20)

式中：Kvt為車速相關(guān)的常數(shù);nv為車速影響因子;Gδsw為方向盤轉(zhuǎn)角增益系數(shù);Kδsw為方向盤轉(zhuǎn)角影響系數(shù)。

為了便于控制,本文將方向盤整個轉(zhuǎn)向過程分為轉(zhuǎn)向和回正2個過程,回正是指駕駛員撒手后方向盤的自動回正。通過方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的乘積與零比較進(jìn)行2個過程的判定,當(dāng)乘積大于零時表示轉(zhuǎn)向過程,小于等于零時表示回正過程。主動回正力矩僅在回正過程起作用,其表達(dá)式設(shè)計為

(21)

式中包含車速和方向盤轉(zhuǎn)角2個影響因素,能夠隨車速增大而減小,隨方向盤轉(zhuǎn)角增大而增大,滿足低速大轉(zhuǎn)角時輔助方向盤回正的目的;在不同行駛條件下通過調(diào)整對應(yīng)的參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同條件下的回正控制。

最終回正過程的控制力矩為

T=Msw+Tat+Tdamp

(22)

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建模型,并聯(lián)合車輛動力學(xué)仿真軟件Carsim進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn),分別為阻尼試驗(yàn)、雙紐線試驗(yàn)、限位試驗(yàn)和主動回正試驗(yàn),仿真原理如圖5所示。

圖5 聯(lián)合仿真原理

4.1 阻尼試驗(yàn)

4.1.1高速阻尼效果

選取角階躍試驗(yàn)來驗(yàn)證阻尼控制算法對方向盤抖動和回正超調(diào)的抑制效果,將車速設(shè)定為80 km/h,以30°的角階躍作為輸入,與無阻尼時對比,觀察方向盤轉(zhuǎn)矩隨時間的變化規(guī)律與達(dá)到穩(wěn)定時的時間,結(jié)果如圖6所示。

圖6 方向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真結(jié)果

由圖6可知,在車速一定時,與無阻尼控制相比,方向盤抖動明顯減小,并且能夠增加方向盤力矩,給駕駛員提供穩(wěn)定且清晰的路感。

4.1.2高速回正效果

以相同的車速和轉(zhuǎn)角作為輸入條件,觀察方向盤在撒手回正時的阻尼效果,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 高速時方向盤回正試驗(yàn)仿真結(jié)果

由圖7結(jié)果可以看出,有阻尼控制時,方向盤回正控制效果更佳,并且能夠抑制回正超調(diào)現(xiàn)象,延長了方向盤的回正時間,提升了方向盤的回正性能。

4.2 雙紐線仿真試驗(yàn)

雙紐線試驗(yàn)主要作用是檢測車輛在不同車速下方向盤轉(zhuǎn)矩隨著方向盤轉(zhuǎn)角的變化情況,確保車輛在低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便、高速時路感清晰。在Carsim軟件中分別設(shè)定車速為10、80 km/h沿著雙紐線工況繞行一周進(jìn)行仿真試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 車速為10 km/h時方向盤轉(zhuǎn)角-力矩特性

圖9 車速為80 km/h時方向盤轉(zhuǎn)角-力矩特性

根據(jù)圖8、9并結(jié)合表2、3可知,方向盤轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)角變化處于閾值內(nèi),在低速時方向盤反饋力矩為2.68 N·m,高速時方向盤最大力矩達(dá)到了3.69 N·m,符合駕駛員偏好的力矩值,表明本文所設(shè)計的路感模擬控制算法能夠給駕駛員提供合適的路感。

4.3 限位控制試驗(yàn)

為了驗(yàn)證限位力矩是否起到限位作用,此時將車速設(shè)置為0 km/h,將最大轉(zhuǎn)角設(shè)定為500°。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 限位控制試驗(yàn)仿真結(jié)果

由圖10可知,當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到450°后力矩已達(dá)到4.6 N·m,轉(zhuǎn)角繼續(xù)增大時,方向盤力矩不斷增大到7.59 N·m,能夠很好地提醒駕駛員已轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角位置。

4.4 低速主動回正試驗(yàn)

仿真時確定公式中各個參數(shù)值,取Kvt=2、nv=20、Gδsw=4和Kδsw=8,車速設(shè)定為30 km/h,以一恒定力矩對方向盤進(jìn)行輸入,7 s后松開方向盤,得到方向盤轉(zhuǎn)角與時間變化曲線如圖11所示。

圖11 低速轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)仿真結(jié)果

從圖11中可以看出,與無主動回正力矩控制比較,本文所設(shè)計的主動回正力矩控制算法使方向盤回正效果更佳,能夠減小回正殘余角,較大程度提升了方向盤低速回正性能。

5 硬件在環(huán)試驗(yàn)與分析

5.1 硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計的路感模擬控制策略和方向盤的主動回正控制的有效性,搭建了SBW系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺,該平臺實(shí)物如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)臺實(shí)物圖

試驗(yàn)臺主要由線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、負(fù)載加載裝置、數(shù)據(jù)采集卡、通信設(shè)備(CAN卡、CANApe)以及上位機(jī)組成。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤、路感電機(jī)及路感電機(jī)控制器、轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩傳感器、減速器、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器等組成;而CAN卡結(jié)合上位機(jī)將模型對應(yīng)的程序代碼燒錄到控制器,CANApe是進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與顯示,并且將控制器與上位機(jī)之間進(jìn)行通信;控制器則是用于實(shí)現(xiàn)路感控制策算法;負(fù)載加載裝置被用于各種阻力的模擬。

5.2 路感控制試驗(yàn)

5.2.1阻尼控制試驗(yàn)

在上位機(jī)中將車速設(shè)置為80 km/h,方向盤輸入角度幅值為30°的角階躍輸入,分別在有阻尼和無阻尼控制的條件下進(jìn)行試驗(yàn),得到方向盤力矩隨時間變化關(guān)系以及方向盤回正實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別如圖13與圖14所示。

圖13 方向盤角階躍輸入硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

從圖13中可知,有阻尼控制時轉(zhuǎn)向盤力矩波動明顯減小,即方向盤抖動明顯減小,從而使駕駛員獲得更舒適的手感。

圖14 高速回正試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出本文設(shè)計的阻尼控制能夠抑制方向盤超調(diào)現(xiàn)象,保障車輛行駛更加穩(wěn)定,有效減小了高速時一些不利因素對駕駛員的影響。

5.2.2雙紐線試驗(yàn)

為了進(jìn)一步觀察汽車在不同車速下的方向盤轉(zhuǎn)矩特性,以雙紐線工況來轉(zhuǎn)動方向盤,將車速也分別設(shè)置為10、80 km/h進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖15、16所示。

圖15 車速為10 km/h時方向盤力矩試驗(yàn)結(jié)果

圖16 車速為80 km/h時方向盤力矩試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)車速為10 km/h時也能測試方向盤的低速輕便性,從圖中可以知道隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大,方向盤力矩也在增大,且最大值為2.72 N·m內(nèi)。根據(jù)國標(biāo)GB/T6323—2014雙紐線評價指標(biāo),通過對比助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤力矩對比,結(jié)果如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4可以看出,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系統(tǒng)最大作用力均值和最大力矩均值均小于EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng),表明汽車在低速行駛時,SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更加輕便,滿足路感要求。

從圖15、16的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,高速下對應(yīng)的最大力矩為3.68 N·m,在閾值內(nèi)。表明該路感模擬算法在高速時能夠增大反饋力矩,給駕駛員提供比較清晰且穩(wěn)定的路感。

5.2.3限位控制試驗(yàn)

與仿真時的條件一致,設(shè)定最大極限轉(zhuǎn)角為500°,車速為0 km/h進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖17所示。

圖17 限位控制硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果反映出當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到450°后力矩不斷快速上升,當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到500°時,力矩已經(jīng)達(dá)到7.46 N·m,能夠快速傳遞一個較大力矩給駕駛員,從而阻止駕駛員繼續(xù)轉(zhuǎn)動方向盤,從而起到限位作用。

5.2.4低速回正性能測試試驗(yàn)

在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行試驗(yàn),將車速設(shè)置為30 km/h進(jìn)行試驗(yàn),同樣的時間松開方向盤,試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

圖18 低速回正性能試驗(yàn)硬件在環(huán)試驗(yàn)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文中所設(shè)計的主動回正力矩算法能夠?qū)⒎较虮P回正殘余角減小到1°以內(nèi),使方向盤很好地進(jìn)行回正,同時也減輕了駕駛員手動回正時帶來的體力負(fù)擔(dān),給駕駛員更多的時間和精力觀察駕駛環(huán)境的情況。

6 結(jié)論

1) 分析傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感來源,基于回正力矩動力學(xué)模型對車輪回正力矩進(jìn)行計算,得到低速與高速時方向盤力矩分別為8.57 N·m和2.04 N·m,存在低速重、高速輕的問題,因此設(shè)計補(bǔ)償力矩算法,最終通過仿真試驗(yàn)得到補(bǔ)償后的低速與高速對應(yīng)的方向盤最大力矩分別為2.68 N·m與3.69 N·m,證明了該路感模擬控制策略的可行性。

2) 將方向盤轉(zhuǎn)動分為轉(zhuǎn)向和回正2個過程,設(shè)計主動回正控制力矩以改善車輛在低速行駛時的回正性能,并通過調(diào)整對應(yīng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同駕駛員和不同車速時的路感與回正效果,充分發(fā)揮了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感自由設(shè)計的優(yōu)勢。利用Carsim和Matlab/Simulink 聯(lián)合仿真驗(yàn)證了所設(shè)計的路感模擬方法的正確性和有效性。

3) 通過搭建硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺,進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計的路感模擬控制算法和不同車速條件下的方向盤主動回正算法的有效性。得到路感低速與高速對應(yīng)方向盤最大力矩分別為2.72 N·m和3.68 N·m,與仿真結(jié)果非常接近,相差的部分在誤差范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了所設(shè)計的算法不僅能為駕駛員提供舒適可靠的路感,還能提升方向盤的回正性能。