线控转向系统理想传动比设计

殷凡青，姜良超



线控转向系统理想传动比设计

殷凡青，姜良超

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

线控转向系统由于其可以自由设计传动比的特点，可以保证在不同工况下，汽车都有着良好的转向特性和操纵稳定性。文章主要对线控转向系统理想传动比进行了研究设计。在中低速段，采用基于稳态横摆角速度增益不变的设计方案；在高速段，采用模糊控制对传动比进行设计。最后通过仿真试验，验证了设计的理想传动比的控制效果。

线控转向系统；理想传动比；稳态横摆角速度增益；模糊控制

前言

传统转向系统由于受到自身机械连接的制约[1]，其传动比不能根据行驶工况合理的变化，这导致汽车的转向灵敏度一直处在变化之中，增加了驾驶员准确掌控汽车响应状态的难度。线控转向系统（SBW）利用电控单元和总线技术取代了传统转向系统中的机械连接，可以自由设计传动比，能够很好地满足不同工况下驾驶员对汽车转向特性的要求，从而降低驾驶难度，提高汽车的操纵稳定性。本文主要研究了线控转向系统理想传动比的变化规律，在不同车速段下，采用不同的设计方法，联合确定了线控转向系统的理想传动比，并通过仿真试验验证了所设计传动比的控制效果。

1 线控转向系统结构及整车建模

线控转向系统主要由方向盘总成、转向执行总成和主控制器（ECU）三大模块组成，此外还有故障容错系统、电源系统等辅助系统[2]。其结构图如图1所示。

方向盘总成作为汽车与驾驶员之间的“桥梁”，一方面将驾驶员输入的转向信号，传递给主控制器，另一方面将路感电机产生的模拟路感传递给驾驶员。转向执行总成也有两个功能，一是接收主控制器发出的转向指令，通过转向执行电机完成汽车转向，二是将前轮转角以及路面信息，反馈给主控制器。主控制器通过采集传感器信号，根据提前设定好的控制策略做出合理决策。主控制器一方面控制转向执行总成完成转向，另一方面控制路感电机产生合适的模拟路感。

图1 线控转向系统结构示意图

结合SBW系统的工作原理，对SBW系统进行动力学分析，联合Carsim和Simulink建立起装备有SBW系统的整车模型，如图2所示。

图2 SBW系统整车模型

2 线控转向系统理想传动比设计

本文结合传统转向系统存在的不足，分析了SBW系统理想传动比所应满足的设计要求，提出了分段设计的思路，即中低速段和高速段采用不同的控制策略，来对传动比变化规律进行设计。

2.1 中低速段传动比设计

为保证汽车在不同速度下有着一致的转向灵敏度，中低速段采用基于稳态横摆角速度增益不变来设计理想传动比。根据汽车二自由度模型可以得出：

式中，G—稳态横摆角速度增益；l—理想传动比。其余参数含义见文献[3]。

稳态横摆角速度增益G不变，令G=K。可得理想传动比：

本节将中低速段速度范围设为0~90/，考虑到转向轮的极限位置，设定理想传动比最小值为i，其对应下临界车速1为20/。

传统转向系统在进行泊车、倒车入库等大幅度转向操作时，驾驶员需要变换手握方向盘的位置，才能得到想要的前轮转角，为避免这种情况，本文将方向盘范围设为-180°~ 180°，转向轮极限转角为30°，可得最小传动比i为6。故中低速段理想传动比为：

选定K=0.32，结合方向盘转角对传动比设计的影响[4]，确定的理想传动比如图3所示。

图3 理想传动比与车速和方向盘转角的关系

2.2 高速段传动比设计

由图3可以看出，基于稳态横摆角速度增益不变设计的传动比最大值为19.8，难以满足汽车高速行驶时大传动比的要求，故汽车高速段传动比采用模糊控制策略来确定。

本文中模糊控制器的输入量为车速和方向盘转角，输出量为理想传动比。高速段车速范围设为90/~160/，即模糊论域为{90，160}，方向盘转角范围为-180°~180°，模糊论域为{-180，180}，高速段理想传动比的范围为19~25，模糊论域为{19，25}，各变量模糊集均设为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。各变量隶属度函数均采用三角形隶属度函数。模糊规则[5]如表1所示。

表1 模糊控制规则

综上所述，模糊控制设计的高速段理想传动比如图4所示。将中低速段和高速段确定的理想传动比联合起来，得到最终的理想传动比如图5所示。

图4 基于模糊控制的理想传动比

图5 联合控制确定的理想传动比

3 仿真验证

选取Carsim中的Double Lane Change试验工况，路面附着系数设为0.85，车速设为80/，比较线控转向系统整车模型和传统机械转向系统汽车的仿真结果。

图6 行驶轨迹

图7 横摆角速度响应

图8 侧向加速度响应

图9 质心侧偏角响应

由仿真结果可以看出，采用理想传动比控制的线控转向系统汽车在行驶轨迹上跟踪效果更好，而且汽车主要参数的响应值及曲线变化幅度都有所减小。该仿真结果说明理想传动比的设计提高了汽车的操纵稳定性，验证了理想传动比控制策略的有效性。

4 总结

本文建立了SBW系统整车模型，对SBW系统的理想传动比进行了分段设计，并通过双移线试验工况仿真验证了所设计理想传动比的控制效果，证明本文的设计有利于提高汽车转向时的操纵稳定性。

[1] 左建令,吴浩.汽车转向系统的发展及展望[J].上海汽车,2005(01): 37-40.

[2] 高晓程.线控转向系统主动转向控制策略研究[D].合肥:合肥工业大学,2018.

[3] 余志生.汽车理论(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2011:144-155.

[4] 宋洋洋.基于线控技术的汽车转向系统控制算法研究及路感模拟分析[D].辽宁:东北大学, 2015.

[5] 郑宏宇,宗长富,田承伟等. 基于理想转向传动比的汽车线控转向控制算法[J].吉林大学学报(工学版), 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

A

1671-7988(2019)09-95-03

殷凡青（1993-），男，就读于长安大学汽车学院车辆工程专业，研究方向：车辆控制技术。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.031