新能源汽车线控转向系统路感模拟

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(云南机电职业技术学院 汽车技术工程系,云南 昆明 650203)

汽车转向系统是汽车重要组成部件,与行驶系统搭配共同保证汽车操作稳定性与安全性。消费者对汽车驾驶性能的要求越来越苛刻,智能化的汽车转向系统能满足消费者日益增加的客观需要。线控转向(SBW)系统是继电动助力转向系统(EPS)后提出的新转向系统,传统汽车转向盘与车辆之间的机械连接被2个电机取代,这样完全打破了机械连接的限制。驾驶员只需向车辆提供转向盘的转角指令,然后控制器根据转向盘的转角及车辆信息,依照相关控制算法确定合适的转角,实现驾驶员的转向意图。

本文针对线控转向系统特点进行了路感方面的研究。从路感的影响因素出发,提出路感模拟的经验公式,并采用路感函数多变量模糊控制的方法来研究经验公式中各函数与路感的关系。通过多变量模糊控制的方法并根据汽车的行驶工况细化各种影响因素,以达到产生较理想路感的目的[1-2]。

1 线控转向系统概述

线控是用信号传送取代机械连接。随着线控的发展,线控制动、线控转向、线控换档等成为线控系统的子系统,它们之间数据共享,通过通信系统来实现它们之间的通信。

线控转向系统主要由3个模块组成:转向盘总成、控制器和前轮转向总成。转向盘总成包括转向盘、转向柱、转向盘力矩转角传感器、路感电机等。它有以下2个基本功能:路感电机向驾驶员反馈路感;转向盘力矩转角传感器测量驾驶员的转向意图,控制器根据此信号向前轮转向总成提供目标前轮转角。前轮转向总成包括齿条位移传感器、转向电机等,它可实现以下2个基本功能:控制转向电机驱动转向轮,并跟踪目标前轮转角,从而实现主动转向;齿条位移传感器测量前轮的运动状态以进行前轮转角的反馈控制,为路感反馈提供参考信号,然后将车辆运动状况反馈给驾驶员。控制器包括以下2个控制环:转向盘力反馈控制环和前轮位置反馈控制环[3]。线控转向系统如图1所示。

图1 线控转向系统示意图Fig.1 Schematic diagram of steer-by-wire system

驾驶员转动转向盘时,控制器根据转向盘转角传感器、车速传感器的信号,由主动转向控制策略得到前轮转角,然后向转向电机发出控制信号,并对转向电机进行位置闭环控制,以实现参考前轮转角。同时,控制器根据路感控制策略(转向盘回正力矩算法)得到参考转向盘回正力矩,路感电机对电流进行控制,以提供期望的转向盘回正力矩。控制器控制转向盘总成和前轮转向总成协调工作[4]。

2 路感

2.1 路感定义

汽车路感是在汽车转向过程中,转向系统把车辆运动状态和路面状态信息反馈给驾驶员的一种现象。驾驶过程是一个人-车-路相互作用的过程,也是一个闭环系统。驾驶员需要获得从汽车和道路上反馈来的信息,进而对驾驶操作进行修正,以保证汽车安全高效运行。路感正是这些反馈信息中的重要组成部分,因此路感对于驾驶安全性等有重要影响。汽车转向系统除了能够让驾驶员通过车辆前轮转角来控制车辆的转向外,还有一个重要功能就是借助转向盘获得力感。该力感将整车以及轮胎的运动、受力状态等信息反馈给驾驶员,同时驾驶员也希望通过转向盘的力矩信息感知车辆的行驶状态,做到“心中有数”。转向盘力(或转向盘力矩)是驾驶员输入转向盘用以操纵汽车的力,转向盘反作用力输送给人手的力,即为路感[5]。

在线控转向系统中,由于转向盘和前轮转向机构之间没有机械连接,力矩传不到转向盘,如果不做任何处理,驾驶员将没有办法感知整车以及轮胎的运动、受力状态等信息,这对驾驶员来说是相当不安全的。因此,在汽车线控转向系统中,路感设计的关键点在于如何呈现整车以及轮胎的运动规律、受力情况等信息。目前的方法是:在线控转向系统中,通过电机模拟整车以及轮胎的运动规律、受力情况等信息,由转向系统控制器控制路感电机模拟产生路感,模拟产生的路感信息和汽车转向盘力特性基本一致;同时路感还可以根据不同的要求实现灵活多变、人性化的设计思想[6]。

2.2 路感分类

路感按汽车行驶状态或转向盘所处位置,可以分为直线行驶路感、转向路感和回正过程路感。直线行驶路感,即汽车直线行驶时转向盘处于中间位置的路感。转向路感体现在以下2个方面:一是汽车转向盘的操纵力应随转角或阻力矩的变化而变化,二是汽车转向盘的操纵力应随车速的变化而变化。回正过程路感也表现为以下2个方面:一是转向盘的操纵力应随转角的减小而减小;二是当车辆以较低的速度运行并转向或回正时,车轮的回正能力较差(路面的摩擦力较大),为了提高转向操纵性,应尽可能使转向盘回正力矩特性曲线通过或接近转向盘的中间位置,当车辆高速行驶时,车轮的回正能力较强,为了提高车辆行驶的稳定性和转向盘稳定感,应该使回正特性曲线不通过中间位置而留有一定角度,使转向盘靠回正力矩的作用自动回正[7]。

3 路感模拟

汽车线控转向系统取消了驾驶员与地面之间的直接联系,因此获得路感的基本途径是通过转向装置和执行机构向驾驶员传递可靠信息。在驾驶员转动转向盘的同时,路感电机通过减速齿轮由控制器实现转向系统路感的模拟。将转向柱模型简化(把转向盘与转向电机合成为转向柱),根据线控转向系统动力学模型[8],运用牛顿定律,得出转向盘转动的动力学方程,如下所示:

(1)转向盘转动时动力学方程

式中:Jh为转向盘转动惯量;Th为转向盘上的额外力矩;Td为转向柱反作用在电机上的力矩;fh为转向柱与转向盘支撑架间的摩擦系数;G1为电机与转向柱的传动比;θh为转向盘转角;θ1为电机转角;Ks为扭矩传感器刚度系数。经过拉普拉斯变换后得到

Jhθh(s)s2-fhθh(s)s

式中:s为复变量。

(2)电机电磁转矩与电流关系

Tm=KeI

式中:Tm为电机电磁转矩;Ke为电机电磁转矩系数;I为通过电机的电流。

(3)转向盘转动时路感模拟方程

式中:fm为电动机轴与转向盘支撑架间的摩擦系数;J1为转向电机转动惯量。经过拉普拉斯变换后得到

(4)扭矩传感器模型

对于扭矩传感器,其测试值为其刚度乘以转向盘与转向柱之间转角差,如下所示:

式中:Ts为扭矩。

根据路感多变量模糊控制函数算出对应的路感电机参考力,然后将力转化为与之对应的参考电流ICR。ICS表示路感电机的实际测得电流,电流差用ΔI表示。电流差经过比例-积分-微分调制器由脉冲宽度调制控制输出为电压,该电压经过驱动电路后直接驱动路感电机[9]。控制框图如图2所示。

4 仿真分析

为了验证本文提出的路感模拟算法的合理性,选取典型工况对设计的路感策略进行验证,并且将相同车型传统机械转向系统的路感与线控转向系统的路感进行对比。

路感设计的优劣主要表现在高速工况下路感清晰和低速工况下大转角时转向轻便。仿真结果如图3所示。

图3 转向盘转矩-转角曲线Fig.3 Torque-angle curve of steering wheel

从图3可以看出,线控转向盘转角小于机械转向盘转角,由此说明线控转向可变传动比的设计能够有效降低车辆在低速行驶时驾驶员的操纵强度,线控转向盘力矩平均值和最大平均值均小于机械转向盘。因此,本文设计的线控转向系统路感模拟算法可以减轻驾驶员的操纵负担,提高驾驶员的操控舒适性。

5 结语

本文通过函数拟合的方法对线控转向系统的路感进行分析,选取典型工况进行仿真,并与传统机械转向系统进行对比,结果表明本文所选取的路感模拟策略能有效地满足汽车稳定性要求,保证驾驶员安全,具有一定的理论与实用价值。

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