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汽车线控转向系统双向控制及变传动比特性研究

王祥  
【摘要】:汽车线控转向(Steer-by-Wire,简称SBW)系统的转向盘与转向车轮间没有机械连接,通过控制力感模拟电机和转向电机来实现转向盘力反馈和车辆转向,是一种具有力反馈的“遥操作”系统。线控转向以其模块化的结构和变传动比等优势为车辆性能的提升带来了广阔的空间。其模块间转角与转矩的准确、稳定耦合是其正常运行的基础,变传动比特性则直接影响车辆的操纵稳定性,它们均是线控转向系统控制方法的核心组成部分。 本文结合国家自然科学基金项目“线控汽车底盘控制方法和关键技术研究”(编号:50775096)和国家自然科学基金青年基金项目“线控转向系统操纵杆及其双向控制方法研究”(编号:51105165),在调研国内外双向控制方法和线控转向系统变传动比特性的研究成果基础上,基于新型的SBW双向控制结构、车辆转向特性和转向盘力反馈特性,结合SBW车辆模型仿真和SBW实车实验,对SBW系统的双向控制方法和变传动比特性进行了深入的理论研究和实验验证。论文主要进行了以下几方面的工作: 1. SBW系统验证平台开发 建立了SBW车辆仿真验证平台和SBW实验验证平台。其中,仿真平台是基于Matlab/Simulink和CarSim软件搭建的。在一定的模型假设基础上,对CarSim转向系统进行接口处理,使之与SBW转向执行模块对接。该平台能够用于设计SBW的控制结构,分析角传动比和力传动比特性对SBW车辆操纵性能的影响。实验平台则是基于某品牌量产乘用车改装的,文中详细介绍了SBW系统的改装方案、硬件选型、电机驱动器和测控系统,分析了转向电机的选型依据及其外特性对于转向执行模块输出功率的影响。该实验车为验证SBW控制方法提供了最有力、可信的平台。另外,结合SBW系统模型,采用最小二乘法辨识了力感模拟和转向电机的电参数;采用闭环系统辨识方法辨识了转向盘模块和转向执行模块的机械参数。将辨识得到的参数用于SBW车辆仿真平台,不仅提高了模型仿真结果的可信度,也便于SBW双向控制方法的调试、分析与实车应用。 2.新型SBW系统双向控制结构的研究 在详细分析SBW系统对于转向盘和转向车轮间转角与转矩的耦合控制要求的基础上,创新性地提出了转矩驱动/位置反馈式双向控制结构。其摆脱了现有SBW控制结构中以转向盘为“主”,转向车轮为“从”的习惯性控制思想:转向盘模块采用位置闭环控制,作为“从”模块,驾驶员的力矩扰动可以通过传感器直接测量;转向执行模块采用转矩闭环控制,作为“主”模块。在简化控制结构的同时,还避免了对转向阻力矩进行测量或估计。文中对所提出的双向控制结构建立了必要的数学模型并对其“透明性”进行了分析,详细论述并通过SBW实验车验证了控制结构中转向盘模块位置控制器和转向执行模块转矩控制器的设计方法。其中,通过转角反馈、加速度前馈、摩擦补偿以及力矩扰动控制,大幅提高了转向盘模块的位置控制精度;通过转向执行模块的惯量补偿、阻尼补偿和摩擦补偿控制,实现了对SBW系统相应等效参数的调整。两模块中的摩擦补偿控制均考虑了动-静摩擦的过渡过程,改善了转向盘模块的位置控制精度和转向盘在开始转动或换向时驾驶员的摩擦感觉。针对SBW系统的双向遥操作性质,基于时域的无源稳定性理论,分析了机械转向系统和SBW系统的无源性,建立了系统无源观测器和控制器,实现了SBW双向控制结构的稳定性控制。另外,通过SBW实验车的场地实验,综合验证了双向控制结构及其稳定性控制的有效性。 3.基于转向特性的角传动比特性研究 在分析乘用车底盘性能的分类和角传动比对车辆操纵性能的影响后,从课题组已经完成的客观评价体系中,提取了静态角传动比特性主要影响的操纵性指标——稳态横摆角速度增益和转向灵敏度。结合国内外已有的研究成果和实验数据,总结了上述指标的合理变化范围,并论述了不同车速段和小齿轮转角变化时,角传动比应当具有的一般变化特征。据此,创新性地提出了具有变转向增益的SBW普通模式与运动模式下的角传动比特性设计方法。其中,高速段的角传动比以转向灵敏度为设计依据;中速段的角传动比综合考虑了一般驾驶工况的转向盘转角幅值和稳态横摆角速度增益;低速段角传动比大小的选择,则依靠驾驶员对SBW实验车进行主观评价的实验结果;车速恒定时,角传动比特性亦能“扩大”车辆运动响应的“线性区”范围。文中还对4种具有不同角传动比特性的SBW车辆模型进行了稳态回转、双移线和中心区的实验对比。实验结果表明:变转向增益的SBW普通模式角传动比特性具有中、低速转向灵活,高速转向灵敏度低,转向平稳的优点;运动模式角传动比特性则在此基础上加快了车辆中、高速时的响应速度,提高了避障行驶时的路径跟踪性能。 4.基于转向盘力特性的力传动比特性研究 根据乘用车转向盘力特性的分类,分析并提取了中心区转向盘力特性,保舵力特性和泊车工况转向盘力矩水平3方面的客观评价指标。明确了各评价指标所反映的转向盘力特性,以及转向盘力特性应当满足的一般要求。在分析了SBW系统转向阻力矩和路感强度与SBW力传动比的关系后,为了便于研究,文中结合所提出的双向控制结构,并参考动力转向系统,定义了SBW系统“当量助力”特性这一概念,并以对“当量助力”特性的研究来代替SBW力传动比特性的研究。在此基础上,详细分析了当量助力特性和摩擦补偿控制对转向盘力特性,特别是中心区力特性的影响。创新性地提出了变摩擦补偿控制方法和“助反力”式当量助力特性,用于改善SBW车辆线性区、中心区路感和中心区回正性能等。根据国内外相关研究成果和实验数据,总结了当量助力特性的设计依据,并提出了基于侧向加速度稳态增益的当量助力特性车速区间划分方法。针对对标车客观实验指标值以及参考文献中的理想转向盘力矩水平,结合前面所述的不同驾驶模式下的角传动比特性,以100km/h车速为例,论述了普通模式与运动模式下的当量助力特性的设计方法。与相应模式下的角传动比特性组合后,前者能够使SBW车辆模型具有与对标车相近的中心区转向盘力特性;后者能够获得更清晰的路感反馈强度,更高的转向力灵敏度和更小的车辆与转向系统滞后特性。 本文的研究创新点主要体现在以下三个方面: 1. SBW系统本质上是一种具有“力觉临场感”的双向遥操作控制系统,针对转向盘模块与转向执行模块间位置与转矩耦合控制时的透明性和稳定性问题,本文提出了全新的转矩驱动/位置反馈式双向控制结构和基于无源理论的稳定性控制方法。不仅简化了SBW控制结构,避免了转向盘力感模拟时对转向阻力矩进行的测量或观测,还实现了SBW系统模块间的稳定性控制。 2.基于SBW静态角传动比对转向特性的影响分析,在国内外相关研究成果的基础上,提出了具有变转向增益的SBW普通模式与运动模式角传动比特性的设计方法。其中,高速段的角传动比以转向灵敏度为设计依据;中速段的角传动比综合考虑了一般驾驶工况的转向盘转角幅值和稳态横摆角速度增益;低速段角传动比大小的选择,则依靠驾驶员对SBW实验车进行主观评价的实验结果;车速恒定时,角传动比随小齿轮转角在一定范围内的增大而降低,“扩大”车辆运动响应的“线性区”范围。 3.基于SBW力传动比对转向盘力特性的影响分析,定义了SBW系统的“当量助力”特性。为了改善路感清晰度,加强中心区路感强度和回正性能,提出了变摩擦补偿控制方法和“助反力”式当量助力特性。在国内外研究成果的基础上,总结了SBW当量助力特性的设计依据,提出了基于侧向加速度稳态增益的当量助力特性车速区间划分方法,有利于简化全车速下当量助力特性的标定工作。


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