關于線控轉向系統(tǒng)(SBW)的畢業(yè)設計英文文獻翻譯.doc

SBW系統(tǒng)電子控制單元的開發(fā)與硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)在齒條線控轉向系統(tǒng)中的應用Tong-Jin Park1,Chang-Song Han2,Sang-Ho Lee31 漢陽大學，精密機械工程學系，C&R實驗室，韓國2 漢陽大學，精密機械工程學系，京畿道，安陽市，韓國3 現(xiàn)代汽車公司，京畿道，華城市，長德洞，韓國摘要汽車線控轉向系統(tǒng)（SBW）取消了轉向盤與轉向輪之間傳統(tǒng)的機械聯(lián)動（即轉向盤與轉向輪之間由控制信號連接）。本文主要提出了齒條式線控轉向系統(tǒng)中控制的概念?？刂破鞅仨毮軌虼?zhèn)鹘y(tǒng)轉向系統(tǒng)中轉向盤與轉向輪之間機械連接，這是對線控轉向系統(tǒng)最基本的要求。電子控制單元（ECU）對線控轉向系統(tǒng)的控制得益于硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（HILS）的發(fā)展。在ECU裝上實車SBW之前，HILS系統(tǒng)為控制器的控制算法的開發(fā)提供了便利。因為，我們可以在線控轉向系統(tǒng)應用于實車之前，利用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，通過大量的仿真實驗來確定原型ECU的適用性。關鍵詞 SBW（線控轉向）；ECU（電子控制單元）；HILS（硬件在環(huán)仿真）符號命名 Jsw 轉向盤轉動慣量 Bsw 轉向盤粘性阻尼系數(shù) Ksw 轉向盤剛度系數(shù) Td 轉向盤輸入轉矩 Tb 轉向盤回正力矩 Ks 回正轉矩與轉向執(zhí)行轉矩的比值 mr 齒條轉動慣量 br 齒條粘性阻尼系數(shù) Kr 齒條行程與轉向盤轉角的比值 kt 輪胎側向剛度 sw 轉向盤轉角1. 引言作為一種新型的轉向系統(tǒng)，SBW已經(jīng)成了國內(nèi)外研究的熱點。SBW具有許多優(yōu)點：首先，與傳統(tǒng)的機械式轉向系統(tǒng)相比，線控轉向系統(tǒng)去除了轉向盤柱、液壓馬達和齒輪箱等，所以其振動減小，噪音減少，而且重量變輕。此外，去除了轉向盤柱和傳動軸等使SBW獲得了更大的空間，便于發(fā)動機的布置。所以，國內(nèi)外都在迅速的開展關于SBW的研究來尋求一種具備這些優(yōu)點的轉向系統(tǒng)。Sanket Amberkar等人已經(jīng)開發(fā)出一種線控系統(tǒng)，可完全應用于現(xiàn)代汽車技術。到目前為止，SBW已經(jīng)發(fā)展成了多種類型：齒條式、拉桿式和轉向節(jié)式等。齒條式線控轉向系統(tǒng)由一個六桿機械聯(lián)動機構和一個電機組成，它和傳統(tǒng)的機械式轉向系統(tǒng)一樣，具有令人滿意地操縱穩(wěn)定性。而拉桿式和轉向節(jié)式線控轉向系統(tǒng)都需要兩個帶有控制器的電機才能達到機械式轉向系統(tǒng)的轉向效果。本文主要描述了齒條式線控轉向系統(tǒng)，簡稱為RSBW。在RSBW系統(tǒng)控制器的設計中要遵循以下兩點基本要求：第一，控制器必須控制轉向盤電機使SBW和傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)一樣，滿足汽車對操縱穩(wěn)定性的要求。大量的研究表明，借助輔助電機可以有效提高路感。Masahiko等人提出在電動助力轉向系統(tǒng)中使用一個控制器，可以有效的提高路感，而且這種方法取得了不錯的效果。與液壓助力轉向系統(tǒng)相比，轉向電機產(chǎn)生的路感比較僵硬且具有低導通中心操控性，所以研究RSBW轉向系統(tǒng)的控制是非常有必要。第二，當轉向系統(tǒng)的機械連接變?yōu)殡娮泳€控時，轉向執(zhí)行電機必須能夠有效提高汽車的操縱穩(wěn)定性。線控轉向系統(tǒng)中以信號控制代替了傳統(tǒng)的機械聯(lián)動，所以國內(nèi)外都在致力于轉向輪聯(lián)動控制的研究，以期獲得汽車操縱穩(wěn)定性方面的突破。為了滿足汽車的操縱穩(wěn)定性，Hideki等人研究了電子控制單元的穩(wěn)定性。Ryouhei等人也提出，要使汽車獲得良好的操作穩(wěn)定性，應著力改善SBW的性能，同時，Masaya等人根據(jù)SBW系統(tǒng)提出了一種汽車操縱穩(wěn)定性控制理論。要開發(fā)一個好的控制器，控制算法至關重要，要獲得好的控制算法，就必須根據(jù)對車輛的各轉向輸入進行大量的仿真實驗，因為好的控制算法就是基于對車輛的動態(tài)仿真實驗獲得的。根據(jù)對汽車的各向輸入來進行測試可以獲得電機的特性和各轉向特性，但是該實驗需要在良好的測試環(huán)境中進行才能更好的獲得汽車操縱穩(wěn)定性與動態(tài)仿真的關系。為了達到良好的效果，在實際的線控轉向系統(tǒng)中，測試環(huán)節(jié)往往應用一個實時仿真執(zhí)行器，也就是我們常說的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（HILS）。其實，RSBW中，轉向盤的主要作用就是通過對轉向盤電機的控制來使駕駛員獲得良好的路感，基于此建模機制，轉向輪電機也可用于提高汽車的操縱穩(wěn)定性。硬件在環(huán)仿真的方法還可應用于RSBW系統(tǒng)控制算法開發(fā)及其性能試驗，從而確認ECU在實車中的應用效果。原型ECU就是基于此開發(fā)的。本文的主要內(nèi)容：第二部分，鍵合圖建模在RSBW中的應用。第三部分，提高汽車操控穩(wěn)定性的控制理論。第四部分，ECU的開發(fā)與HILS系統(tǒng)中硬件的設計。第五部分，HILS系統(tǒng)及全車造型在ECU性能開發(fā)中的應用。第六部分，結論總結。2. RSBW建模RSBW主要由轉向盤總成、主控制器（ECU）、和轉向執(zhí)行總成三部分構成，如圖（一）。轉向盤總成包括轉向盤、轉向盤轉角傳感器、轉向盤力矩傳感器、轉向盤回正力矩電機和機械傳動裝置，其主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過測量轉向盤轉角）轉換成數(shù)字信號并傳給主控制器，同時接收主控制器傳來的控制信號，產(chǎn)生轉向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感。主控制器是線控轉向系統(tǒng)的電子控制單元，對信號進行分析處理，判別汽車運動狀態(tài)，控制轉向盤回正力矩電機和轉向執(zhí)行電機的動作。轉向執(zhí)行總成包括轉向輪轉向角傳感器、轉向執(zhí)行電機（無刷交流電機）、轉向電機控制器和轉向輪轉向組件等。圖一 SBW組成示意圖為了開發(fā)合適的控制器，在RSBW系統(tǒng)的機械建模中使用鍵合圖建模的方法。線性系統(tǒng)可在一個多體系統(tǒng)或電控機械系統(tǒng)中使用鍵合圖。RSBW系統(tǒng)的鍵合圖模型如圖（二）。圖二 SBW系統(tǒng)鍵合圖模型圖二中的Ksmg和Kfmg分別是轉向盤電機和轉向執(zhí)行電機的電磁轉矩常數(shù)，與電機的電流和轉矩有關。Se是鍵合圖模型中的勢元，表示轉向盤的輸入轉矩Td。Sf是鍵合圖模型中的流元，表示轉向執(zhí)行電機的輸入電流if。轉向盤總成鍵合圖模型是基于利用傳感器測量駕駛員作用于轉向盤轉向力矩的大小的原理建立的。換句話說，如果轉向力矩傳感器的測量結果是0，轉向執(zhí)行電機也就相應的無動作。而對于轉向執(zhí)行總成來說，由于齒條與轉向執(zhí)行電機之間的滾珠螺桿連接可視作是無機械損失的，所以完全可以將兩者當做一個整體。此外，輪胎的側向剛度也可以看作轉向執(zhí)行總成的剛度。由于轉向執(zhí)行電機的轉軸要比轉向柱小得多，所以其轉動慣量可以忽略。根據(jù)轉向盤總成模型建立方程（1）：Jswsw+Bswsw+Kswsw=Tb （1）根據(jù)轉向盤輸入轉矩和回正力矩之間的關系建立方程（2）：Td=Ks*Td （2）駕駛員的路感就來源于方程（2）中的變量Ks。RSBW系統(tǒng)建模就是基于駕駛員路感與回正力矩之間的線性關系。而且，這種線性關系便于路感的調(diào)節(jié)。根據(jù)轉向執(zhí)行總成模型建立方程（3）：mryr+bryr+ktyr=Ufm （3）方程（3）中Ufm表示轉向執(zhí)行電機產(chǎn)生的轉向力。轉向執(zhí)行總成的剛度可由輪胎側向剛度代替。因為，RSBW中輪胎側向剛度在動力學上影響要大于轉向執(zhí)行總成的剛度。根據(jù)齒條行程與轉向盤轉角之間的關系建立方程（4）：yr=Kr*sw （4）方程（4）中Kr表示在傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)的機械連接中齒條行程yr與轉向盤轉角sw之間的比值?？刂拼讼禂?shù)在一個合適的數(shù)值以滿足方程（4）才能獲得與傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)一樣的路感。3.控制程序轉向盤電機是一個有刷直流電動機，其額定轉矩為0.407 Nm，額定轉速為1026 rpm。而轉向執(zhí)行電機是一個無刷交流電動機，其最大轉矩為9.46 Nm，最大轉速為450 rpm。本文的這一部分將主要描述這兩個電機控制器程序的設計。3.1.轉向盤電機的控制程序 在RSBW系統(tǒng)的轉向盤中有兩個傳感器：一個方向盤轉角傳感器，用于控制轉向執(zhí)行電機以產(chǎn)生轉向力；一個轉矩傳感器，用于控制轉向盤回正力電機以產(chǎn)生反饋力矩。對這兩個電機控制的基本目的就是產(chǎn)生反饋力矩以使駕駛員有與傳統(tǒng)助力轉向系統(tǒng)一樣的路感。在RSBW控制中，轉向盤總成的剛度是主要的控制目標，因為它和駕駛員的路感息息相關。如果控制程序設計不得當，轉向盤總成的剛度過大或過小都不能使駕駛員獲得良好的路感。由于反饋到控制中心的轉向盤特性取決于它的剛度，所以中心操縱穩(wěn)定性的改善可以通過控制轉向盤電機來實現(xiàn)。本文中，轉向盤電機控制器的控制目標就是根據(jù)傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)產(chǎn)生相應的轉向力矩。當轉向力矩在低頻（小于10Hz）時，轉向盤電機控制器將著力于穩(wěn)態(tài)控制而非瞬態(tài)控制。為了滿足穩(wěn)態(tài)下的參考輸入，在轉向盤系統(tǒng)中建立了比例-積分（PI）控制器。當然，比例-積分-微分（PID）控制器的性能要優(yōu)于PI控制器，但是PI控制器的控制算法可借助于ECU以簡化計算。此外，ECU還要計算轉向盤電機的控制程序（一個復雜的計算），就如同PID控制器或者一個非線性控制器控制的一個濾波程序或一個復雜的故障安全電路一樣。在線控轉向系統(tǒng)中，一個復雜的電路不利于故障安全系統(tǒng)的構成。圖三就是一個模型控制器的設計，是基于方程（1）所建立的。圖（三）a中的信號框圖顯示，在轉向盤總成中轉向盤回正力電機是受轉向柱控制的，而轉向柱扭桿轉矩是由駕駛員輸入的。方程（5）是轉向盤總成連續(xù)系統(tǒng)的PI控制輸入方程：Gc=usw(s)r(s)=Kp+KIs=Kp*s+KIs=Kp(s+KIKp)s （5）Kp和KI分別代表PI控制器中的比例增益和積分增益。為了使系統(tǒng)的增益裕度是10.6dB，相位裕量是89.3, Kp的值取14，KIKp取33，如圖（三）中的bode圖所示。高相位裕度可以補償高轉角失真，這樣，路感可以不那么依賴于轉向盤轉角。為了應用于ECU，輸入方程（5）要轉換成下面的推遲方程（6）：usw(k)=-12.685uswk-1-4206.75uswk-2+4219.4uswk-3+176.37rk-6.49rk-1 （6）圖（三）b顯示了在PI控制器中當采樣時間為0.01s時的增益選擇。由此可知，轉向盤電機控制器是一個剛性控制器，它根據(jù)駕駛員的輸入轉矩產(chǎn)生相應的反饋轉矩。3.2.轉向執(zhí)行電機控制程序設計在轉向輪總成中有一個位移傳感器，用于測量齒條的位移。對于轉向輪電機控制器來說，齒條位移是一個反饋信號。轉向輪電機控制的基本目的是補償駕駛員的輸入轉向角。所以轉向輪控制器的穩(wěn)定性與汽車的操縱穩(wěn)定性息息相關。如果一個系統(tǒng)符合“嚴格正實（SPR）”條件，那么這個系統(tǒng)將非常穩(wěn)定，具有較強的抗干擾能力。為了使轉向執(zhí)行總成成為一個SPR系統(tǒng)，其輸入-輸出傳遞函數(shù)必須具有以下特性：系統(tǒng)的特征值必須是正定的，而且輸入-輸出傳遞函數(shù)的相關度是0或1。根據(jù)轉向執(zhí)行總成的模型方程（3）所建立的輸入-輸出傳遞函數(shù)的相關度是2。轉向盤電機控制器應減1相關度，也就是額外需要的0。因此，本文還考慮了比例-微分控制器（PD）的微分輸入信號。由于轉向盤總成的輸入信號是低頻的，所以其輸入信號和反饋信號都是可以微分的。而且，一個具有16位處理器的ECU也是很好的微分器。此外，就像在轉向盤電機控制器那部分介紹的那樣，雖然PID控制器的性能優(yōu)于PD控制器，但是PID控制器無法應用于ECU。因為PID控制器的計算量要遠大于PD控制器。圖（四）就是根據(jù)方程（3）的離散模型所設計的控制器。圖（四）a中的控制信號框圖說明，轉向執(zhí)行電機是受參考輸入信號（轉向盤轉角）的控制。轉向執(zhí)行總成連續(xù)系統(tǒng)的控制輸入方程（7）：Gc=ufm(s)r(s)=Kp+KD*s=KD(s+KpKD) （7）1700000(s+712),方程（7）中的KD表示PD控制器的微分增益。如果相關度為1，當且僅當系統(tǒng)的特征值為正定時，增益裕度是無限的。由圖（四）中的bode圖知，為了滿足相位裕度的值為59.4，KpKD的值取712，KD取1700000?？偟膩碚f，增益裕度在40-60范圍內(nèi)都是允許的。為了應用于ECU，將控制輸入轉換為下面的推遲方程（8）：ufmk=-ufmk-1+871100000*rk-1+1550000000*r(k) （8）圖（四）顯示了當采樣時間為0.01s時PD控制器的增益選擇。因此轉向執(zhí)行電機控制器是一個滿足SPR特性的穩(wěn)定控制器。4.硬件設計硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中，全車模型的分析是在主計算機中進行的，而且，轉向系統(tǒng)由HILS機制所代替。在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中，ECU是實時控制的。這部分將主要描述硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中硬件的設計以及原型ECU的開發(fā)。4.1.硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)為了構建一個硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，首先需要進行液壓控制數(shù)據(jù)、輸入輸出信號數(shù)據(jù)的處理。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可以結合汽車模型和實驗環(huán)境，開發(fā)一種更先進的RSBW控制器，其過程是由實時控制完成的。硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)（HILS）是由一個RSBW系統(tǒng)、一個ECU、一個液壓系統(tǒng)和一個實時控制器構成的。液壓控制器由一個液壓缸、一個液壓控制器和一個液壓馬達構成。液壓系統(tǒng)的作用是當汽車轉向時提供側向力。在試驗中，可根據(jù)汽車數(shù)學模型提供的速度，輸入相應的轉向盤轉角，根據(jù)轉向盤轉角的大小產(chǎn)生不同的側向力，然后根據(jù)側向力大小設計合適控制算法。此外，通過此算法在液壓系統(tǒng)中測得的力就是Fd.由此得出方程（9）：F=F-Fd （9）Fd是Paceka輪胎模型中輪胎側向力，F(xiàn)是液壓缸的壓力，F(xiàn)是Fd與F之間的誤差。Paceka輪胎模型常用于數(shù)學汽車模型。此研究中，液壓系統(tǒng)控制的目標就是應用第一滑?？刂评碚撌拐`差（F）降到最小值。滑動面s是一個組合的跟蹤誤差措施，如方程（10）：s=*F （10）如果滑動面S=0，則控制輸入u符合如下的方程（11）：u=-F+Fd-*F-kh*sgn(s) （11）圖（四）離散系統(tǒng)轉向執(zhí)行電機控制器設計（a）離散系統(tǒng)控制信號框圖和bode圖（b）其中=20，kh=0.5。和kh值的調(diào)整取決于硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中的液壓缸。由于液壓系統(tǒng)是通過控制電流來控制磁通的，所以，常用脈寬調(diào)制的方法來控制輸入信號的電流。誤差F的調(diào)整是通過液壓缸與轉向執(zhí)行總成之間的壓力傳感器來完成的。