汽车线控转向系统分析
作者：于秀涛李博
来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》2010年第10期
摘要:本文通过阐述汽车转向系统在汽车运行时的功能和作用,并介绍了线性转向系统的结构和性能,最后分析了线性转向系统中虚拟现实技术、人工神经网络、模糊控制等关键技术,并对2个自由度的整车动力学模型进行论述。
关键词:转向系统线控转向系统
0引言
转向系统是与汽车主动安全性能相关的重要系统,其操纵稳定性好坏对汽车性能影响很大。操纵性是汽车准确的按照驾驶员意图行驶:稳定性是汽车在危险工况(侧滑或横摆)下汽车仍稳定行驶。
为提高操纵稳定性,出现了ESP(电子稳定程序)、主动转向、4WS(4轮转向)等。ESP判断产生不足转向或过度转向时相应在后轮、前轮产生制动力,产生横摆力矩即纠偏力矩。主动前轮转向(AFS-Active front steering)通过电机根据车速和行驶工况改变转向传动比。低、中速时,转向传动比较小,转向直接,以减少转向盘的转动圈数,提高转向的灵敏性和操纵性;高速时,转向传动比较大,提高车辆的稳定性和安全性。同时,系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈信息。四轮转向的后轮也参与转向。低速时,后轮与前轮反向转向,减小转弯半径,提高机动灵活性。高速时,后轮与前轮同向转向,提高汽车的稳定性。其控制目标是质心侧偏角为零。
然而这些汽车转向系统却处于机械传动阶段,由于其转向传动比固定,汽车的转向响应特性随车速而变化。因此驾驶员就必须提前针对汽车转向特性的幅值和相位变化进行一定的操作补偿,从而控制汽车按其意愿行驶。如果能够将驾驶员的转向操作与转向车轮之间通过信号及控制器连接起来,驾驶员的转向操作仅仅是向车辆输入自己的驾驶指令,由控制器根据驾驶员指令、当前车辆状态和路面状况确定合理的前轮转角,从而实现转向系统的智能控制,必将对车辆操纵稳定性带来很大的提高,降低驾驶员的操纵负担,改善人一车闭环系统性能。因而线控转向系统(Steering-By-Wire System,简称SBW)应运而生。SBW是X-By-Wire的一种。X--By--W的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。“x”表示任何与安全相关的操作,包括转向、制动等等。“By--Wire”表示X--By--wire是一个电子系统。
在X--By--Wire系统中,所有元件的控制和通讯都通过电子来实现。x--By--Wi re系统是没有机械和液力后备系统的,传统的机械和液力系统由于结构的原因(间隙、运动惯量等),从控制指令发出到指令执行会有一定的延迟,这在极限情况下是不能允许的。X--By--Wire系统用电来控制会大大地减小延迟,为危险情况下的紧急处理赢得了宝贵的时间。
1线控转向系统的结构及性能特点
1.1线控转向系统的结构线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成,方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号,并传递给主控制器:同时接受主控制器送来的力矩信号,产生方向盘回正力矩,以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令,通过转向电机控制器控制转向车轮转动,实现驾驶员的转向意图。
主控制器对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,向方向盘回正力电机和转向电机发送指令,控制两个电机的工作,保证各种工况下都具有理想的车辆响应,以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务,减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别,判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时,线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽,而自动进行稳定控制,使汽车尽快地恢复到稳定状态。自动防故障系统是线控转向系的重要模块,它包括一系列的监控和实施算法,针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理,以求最大限度地保持汽车的正常行驶。故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一,采用严密的故障检测和处理逻辑,以更大地提高汽车安全性能。电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务,其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500--800W,加上汽车上的其它电子设备,电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作,线控转向系统广泛采用了42V 电源。
1.2线控转向系统的性能特点
1.2.1取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接,通过软件协调它们之间的运动关系,因而取消了它们之间的机械约束和干涉,使之可以相对独立运动,因而可以实现传动比的任意设置。可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。同时还可以从信号中提出最能够反映汽车行驶状态的信息,作为方向盘回正力矩的控制变量,使方向盘仅仅提供驾驶
员有用信息,以减轻驾驶员的体力脑力负荷,提高“人一车闭环系统”对道路的跟踪特性。同时由于减少了机构部件数量,而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程,使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低,从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。
1.2.2线控转向系统采用了软件控制,因而可以把转向系统与其它主动安全设备如ABS、汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能相结合,实现对汽车的整体控制,提高汽车整体稳定性,且实现了ITS中的汽车辅助转向功能。
1.2.3线控转向系统在实现上述操作性能上的突破的同时也带来了可观的经济性和环境效益。
1.2.4线控转向系统是通过一个通用的执行器来调整转向的。要对汽车转向的动力性进行调整,必须使用一个转角传感器,这并不影响方向盘对车轮的快速调整。另一方面,一个力矩传感器也是必须的,它将对汽车转向的调整和自动驾驶起重要作用。因此,驾驶员通过提供到方向盘的力矩知道正确的方向,并通过进一步的引导控制系统来进行评估。
1.2.5与“电子驾驶”和“电子停车”一起,它提供了把它们实际化的条件,并且把动力性和汽车控制统一到一个系统中。
1.2.6对汽车生产商的好处。传统转向系中转向柱安装要求提供足够的空间(左手或右手驾驶),而线控转向严格地控制了转向柱在发动机间隔内的自由度,表明了机械式的转向柱没有很好地利用发动机的空间。
2线控转向系统的关键技术
虚拟现实技术、人工神经网络、模糊控制等新思想、新技术的提出,为研究者站在一个新的高度研究汽车操纵稳定性提供了可能,汽车操纵稳定性的研究从单一的汽车本身的特性研究到汽车一驾驶员一环境闭环系统的研究,人工神经网络、模糊控制理论和模糊神经等新思想、新理论也应用到汽车操纵稳定性的研究中,在研究方法上采用虚拟试验技术。线控转向可以利用这些成果研究。
2个自由度的整车动力学模型称为经典模型。这2个自由度为质心侧偏角和横摆角速度。其中质心侧偏角表示汽车方向特性。横摆角速度与侧向加速度在描述侧向动力学特性有同等作用,可选其一作系统变量。车辆稳定性控制过程中,采用横摆角速度和估计的质心侧偏角共同对车辆进行控制,利用质心侧偏角的控制补偿单一横摆角速度控制所引起的行驶跟踪误差。实际行驶过程中,车辆会受到系统内部和外界的干扰,车辆参数产生波动;同时系统中还存在非线性摩
