關(guān)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW)的畢業(yè)設(shè)計英文文獻(xiàn)翻譯

..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(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用Tong-JinPark1漢陽大學(xué),精密機(jī)械工程學(xué)系,C&R實(shí)驗(yàn)室,韓國2漢陽大學(xué),精密機(jī)械工程學(xué)系,京畿道,XX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(zhuǎn)向系統(tǒng)〔SBW取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動〔即轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間由控制信號連接。本文主要提出了齒條式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中控制的概念。控制器必須能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間機(jī)械連接,這是對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最基本的要求。電子控制單元〔ECU對線控轉(zhuǎn)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(shí)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?yàn)?我們可以在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)車之前,利用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng),通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)來確定原型ECU的適用性。關(guān)鍵詞SBW〔線控轉(zhuǎn)向；ECU〔電子控制單元；HILS〔硬件在環(huán)仿真符號命名JswBswKswTdTbKsmrbrKrktθsw引言作為一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),SBW已經(jīng)成了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。SBW具有許多優(yōu)點(diǎn)：首先,與傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)去除了轉(zhuǎn)向盤柱、液壓馬達(dá)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(zhuǎn)向盤柱和傳動軸等使SBW獲得了更大的空間,便于發(fā)動機(jī)的布置。所以,國內(nèi)外都在迅速的開展關(guān)于SBW的研究來尋求一種具備這些優(yōu)點(diǎn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。SanketAmberkar等人已經(jīng)開發(fā)出一種線控系統(tǒng),可完全應(yīng)用于現(xiàn)代汽車技術(shù)。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(zhuǎn)向節(jié)式等。齒條式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由一個六桿機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)和一個電機(jī)組成,它和傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向節(jié)式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都需要兩個帶有控制器的電機(jī)才能達(dá)到機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向效果。本文主要描述了齒條式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),簡稱為RSBW。在RSBW系統(tǒng)控制器的設(shè)計中要遵循以下兩點(diǎn)基本要求：第一,控制器必須控制轉(zhuǎn)向盤電機(jī)使SBW和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)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(jī)可以有效提高路感。Masahiko等人提出在電動助力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)相比,轉(zhuǎn)向電機(jī)產(chǎn)生的路感比較僵硬且具有低導(dǎo)通中心操控性,所以研究RSBW轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制是非常有必要。第二,當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械連接變?yōu)殡娮泳€控時,轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)必須能夠有效提高汽車的操縱穩(wěn)定性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中以信號控制代替了傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動,所以國內(nèi)外都在致力于轉(zhuǎn)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(yīng)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(guān)重要,要獲得好的控制算法,就必須根據(jù)對車輛的各轉(zhuǎn)向輸入進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn),因?yàn)楹玫目刂扑惴ň褪腔趯囕v的動態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)獲得的。根據(jù)對汽車的各向輸入來進(jìn)行測試可以獲得電機(jī)的特性和各轉(zhuǎn)向特性,但是該實(shí)驗(yàn)需要在良好的測試環(huán)境中進(jìn)行才能更好的獲得汽車操縱穩(wěn)定性與動態(tài)仿真的關(guān)系。為了達(dá)到良好的效果,在實(shí)際的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,測試環(huán)節(jié)往往應(yīng)用一個實(shí)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(shí),RSBW中,轉(zhuǎn)向盤的主要作用就是通過對轉(zhuǎn)向盤電機(jī)的控制來使駕駛員獲得良好的路感,基于此建模機(jī)制,轉(zhuǎn)向輪電機(jī)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(yīng)用于RSBW系統(tǒng)控制算法開發(fā)及其性能試驗(yàn),從而確認(rèn)ECU在實(shí)車中的應(yīng)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(yīng)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(shè)計。第五部分,HILS系統(tǒng)及全車造型在ECU性能開發(fā)中的應(yīng)用。第六部分,結(jié)論總結(jié)。RSBW建模RSBW主要由轉(zhuǎn)向盤總成、主控制器〔ECU、和轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成三部分構(gòu)成,如圖〔一。轉(zhuǎn)向盤總成包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向盤力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)和機(jī)械傳動裝置,其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖〔通過測量轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤回正力矩,以提供給駕駛員相應(yīng)的路感。主控制器是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電子控制單元,對信號進(jìn)行分析處理,判別汽車運(yùn)動狀態(tài),控制轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的動作。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)〔無刷交流電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)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(zhuǎn)向盤電機(jī)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù),與電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。Se是鍵合圖模型中的勢元,表示轉(zhuǎn)向盤的輸入轉(zhuǎn)矩Td。Sf是鍵合圖模型中的流元,表示轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的輸入電流if。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力矩的大小的原理建立的。換句話說,如果轉(zhuǎn)向力矩傳感器的測量結(jié)果是0,轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)也就相應(yīng)的無動作。而對于轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成來說,由于齒條與轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)之間的滾珠螺桿連接可視作是無機(jī)械損失的,所以完全可以將兩者當(dāng)做一個整體。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤總成模型建立方程〔1：Jsw根據(jù)轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩和回正力矩之間的關(guān)系建立方程〔2：Td=K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(guān)系。而且,這種線根據(jù)轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成模型建立方程〔3：mr方程〔3中Ufm根據(jù)齒條行程與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系建立方程〔4：yr方程〔4中Kr表示在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械連接中齒條行程yr與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角3.控制程序轉(zhuǎn)向盤電機(jī)是一個有刷直流電動機(jī),其額定轉(zhuǎn)矩為0.407Nm,額定轉(zhuǎn)速為1026rpm。而轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)是一個無刷交流電動機(jī),其最大轉(zhuǎn)矩為9.46Nm,最大轉(zhuǎn)速為450rpm。本文的這一部分將主要描述這兩個電機(jī)控制器程序的設(shè)計。3.1.轉(zhuǎn)向盤電機(jī)的控制程序在RSBW系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤中有兩個傳感器：一個方向盤轉(zhuǎn)角傳感器,用于控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)以產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力；一個轉(zhuǎn)矩傳感器,用于控制轉(zhuǎn)向盤回正力電機(jī)以產(chǎn)生反饋力矩。對這兩個電機(jī)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(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣的路感。在RSBW控制中,轉(zhuǎn)向盤總成的剛度是主要的控制目標(biāo),因?yàn)樗婉{駛員的路感息息相關(guān)。如果控制程序設(shè)計不得當(dāng),轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本文中,轉(zhuǎn)向盤電機(jī)控制器的控制目標(biāo)就是根據(jù)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向力矩。當(dāng)轉(zhuǎn)向力矩在低頻〔小于10Hz時,轉(zhuǎn)向盤電機(jī)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(zhuǎn)向盤系統(tǒng)中建立了比例-積分〔PI控制器。當(dāng)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(zhuǎn)向盤電機(jī)的控制程序〔一個復(fù)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(fù)雜的故障安全電路一樣。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,一個復(fù)雜的電路不利于故障安全系統(tǒng)的構(gòu)成。圖三就是一個模型控制器的設(shè)計,是基于方程〔1所建立的。圖〔三a中的信號框圖顯示,在轉(zhuǎn)向盤總成中轉(zhuǎn)向盤回正力電機(jī)是受轉(zhuǎn)向柱控制的,而轉(zhuǎn)向柱扭桿轉(zhuǎn)矩是由駕駛員輸入的。方程〔5是轉(zhuǎn)向盤總成連續(xù)系統(tǒng)的PI控制輸入方程：GcKp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,usw圖〔三b顯示了在PI控制器中當(dāng)采樣時間為0.01s時的增益選擇。由此可知,轉(zhuǎn)向盤電機(jī)控制器是一個剛性控制器,它根據(jù)駕駛員的輸入轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生相應(yīng)的反饋轉(zhuǎn)矩。3.2.轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制程序設(shè)計在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪電機(jī)控制器來說,齒條位移是一個反饋信號。轉(zhuǎn)向輪電機(jī)控制的基本目的是補(bǔ)償駕駛員的輸入轉(zhuǎn)向角。所以轉(zhuǎn)向輪控制器的穩(wěn)定性與汽車的操縱穩(wěn)定性息息相關(guān)。如果一個系統(tǒng)符合"嚴(yán)格正實(shí)〔SPR"條件,那么這個系統(tǒng)將非常穩(wěn)定,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。為了使轉(zhuǎn)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(guān)度是0或1。根據(jù)轉(zhuǎn)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(guān)度是2。轉(zhuǎn)向盤電機(jī)控制器應(yīng)減1相關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤電機(jī)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(yīng)用于ECU。因?yàn)镻ID控制器的計算量要遠(yuǎn)大于PD控制器。圖〔四就是根據(jù)方程〔3的離散模型所設(shè)計的控制器。圖〔四a中的控制信號框圖說明,轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)是受參考輸入信號〔轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的控制。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成連續(xù)系統(tǒng)的控制輸入方程〔7：Gc1700000<s+712>,方程〔7中的KD表示PD控制器的微分增益。如果相關(guān)度為1,當(dāng)且僅當(dāng)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。總的來說,增益裕度在40°ufm圖〔四顯示了當(dāng)采樣時間為0.01s時PD控制器的增益選擇。因此轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)控制器是一個滿足SPR特性的穩(wěn)定控制器。4.硬件設(shè)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(jī)中進(jìn)行的,而且,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由HILS機(jī)制所代替。在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中,ECU是實(shí)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(shè)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(gòu)建一個硬件在環(huán)仿真系統(tǒng),首先需要進(jìn)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(jié)合汽車模型和實(shí)驗(yàn)環(huán)境,開發(fā)一種更先進(jìn)的RSBW控制器,其過程是由實(shí)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(shí)時控制器構(gòu)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(dá)構(gòu)成。液壓系統(tǒng)的作用是當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時提供側(cè)向力。在試驗(yàn)中,可根據(jù)汽車數(shù)學(xué)模型提供的速度,輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角,根據(jù)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小產(chǎn)生不同的側(cè)向力,然后根據(jù)側(cè)向力大小設(shè)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F=Fd是Paceka輪胎模型中輪胎側(cè)向力,F是液壓缸的壓力,F是Fd與F之間的誤差。Paceka輪胎模型常用于數(shù)學(xué)汽車模型。此研究中,