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汽车线控转向系统补偿控制方法研究和验证

邢海涛  
【摘要】:传统汽车转向系统一般通过液压助力或者电动助力转向系统帮助驾驶员实现转向,同时需要保证驾驶员对于路面反馈信息的感知。而随着汽车电子电气系统的广泛应用,线控转向系统通过转向电机、传感器和控制单元的集成,可以取代转向系统中的机械部分连接,从而拓展转向系统传动比、刚度和阻尼等方面的设定空间,为获得更好的车辆操纵性和更轻松的驾驶体验提供了条件。 本文结合国家自然科学基金项目“线控转向系统操纵杆及其双向控制方法研究”(项目编号:51105165)和“线控汽车底盘控制方法和关键技术研究”(项目编号:50775096),在线控转向整体控制框架、容错控制策略等研究的基础上,结合双向控制结构,针对线控转向系统控制补偿控制方法开展了深入研究。为了使驾驶员获得更清晰的驾驶过程中的路面信息,通过研究转向盘机械结构改变对系统摩擦、阻尼和惯量的影响,制定了适合于线控转向系统的补偿控制方法,可以保证双向控制结构中更好的力觉临场感,并且提高转向轻便性。进行了线控转向汽车的实车改装和电子电气匹配,通过实车实验验证了控制方法的有效性。具体内容如下: (1)通过双向控制方法的理论研究,结合线控转向系统的特点选择力直接反馈-位置型双向控制方法,用来解决力反馈信息的问题。 这种方法不需要对于车辆包括车轮状态进行估计,直接通过转向执行电机的转矩/电流和力传动比设置,获得转向盘力反馈电机的目标转矩。双向控制方法在军事和机器人领域的应用证明,线控转向系统这种主从控制结构可以应用在线控转向这种遥操作模式实现转向意图,同时获得更好的力觉临场感,即获得更准确的路面信息。结合双向控制方法,对于转向盘模块进行动力学分析,研究了转向盘模块补偿控制与其动力学特性的联系。 (2)在研究力传动比和角传动比设置的双向控制方法基础上,重点研究了线控转向系统的补偿控制方法。 借鉴电动助力转向系统转向盘力感的设计方法,设计了本系统关于车速和转向执行电机转矩的力传动比。同时力传动比可以根据驾驶员驾驶习惯进行修正。在角传动比方面,采用可以根据工况和驾驶员习惯设定的定传动比。在补偿控制方法上,对于转向盘部分作为整体进行了摩擦、阻尼和惯量补偿,避免了分块分析带来的参数估计和等价转换的复杂计算。摩擦补偿以转向盘转角和力反馈转矩为输入信号,通过合理配置参数,提高摩擦补偿的响应速度,并解决动静摩擦转换的问题。为获得控制参数中的最大静摩擦值,采用分离转向盘模块的实验方法。阻尼补偿主要针对低速行驶工况,以转向盘转速为输入信号,保证转向盘转速较大时不会产生过大的阻尼转矩。研究时考虑了阻尼补偿抵抗干扰的能力。惯量补偿采用转矩微分前馈的方法,对比采用转向盘角加速度作为信号输入,信号的精度较高。对于线控转向系统的补偿控制可以提高转向系统的轻便性和回正性,在一定程度上会减轻驾驶员的疲劳,并且驾驶员获得清晰的路面信息。 (3)结合实验条件和控制方法实现的要求,进行线控转向车辆改装和电子电气设备匹配工作。应用单片机控制力反馈电机和转向执行电机,采用xPC Target快速原型技术实现控制信号的传输和数据采集。 (4)对线控转向控制策略和补偿控制方法进行实车实验验证。 针对线控转向汽车双向控制方法和补偿控制方法的验证的需要,提出需要进行的实验内容。为验证线控转向双向控制策略的有效性,进行了转向盘正弦输入的原地和低速实验。在确定角传动比条件下,转向执行机构的小齿轮对转向盘转角的跟随性能较好。同时转向盘转矩比较理想,验证了双向控制力反馈设计和力传动比设置的合理性。为了验证补偿控制方法,将转向盘模块与转向执行模块分离考虑,逐步进行摩擦、阻尼和惯量补偿控制方法的设计,减小由于转向盘模块自身摩擦、阻尼和惯量影响的转向盘转动时的转矩。实车实验证明,采用补偿控制方法后,在低速回正工况中,回正较快而且转向盘残留角减小,提高了线控汽车的回正性能;在双纽线工况中转向盘转矩减小,提高了车辆的轻便性。


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