線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介及要求2

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW,Steering-by-wire）一、功能簡介（1）取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，減輕了大約5kg重量；（2）消除了路面的沖擊，具有降低噪聲和隔振等優(yōu)點(diǎn)。（3）為今后的輔助駕駛系統(tǒng)和無人駕駛汽車的研發(fā)提供技術(shù)支持。優(yōu)點(diǎn)：①取消轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器后，有利于提高汽車碰撞安全性和整車主動(dòng)安全性。②提高了整車設(shè)計(jì)自由度，便于操控系統(tǒng)布置。例如沒有了機(jī)械連接，可以很容易把左舵駕駛換為右舵駕駛。③轉(zhuǎn)動(dòng)效率高，響應(yīng)時(shí)間短?？刂茊卧邮崭鞣N數(shù)據(jù)，可以在瞬時(shí)轉(zhuǎn)向條件下，立刻提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，轉(zhuǎn)動(dòng)車輪。④改善駕駛特性，增強(qiáng)操縱性。基于車速、牽引力控制以及其它相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值）不斷變化，低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向比率變大，能夠獲得更好的直線行駛條件。圖1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖轉(zhuǎn)向盤模塊的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量方向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器;同時(shí)接受ECU送來的電信號，控制路感模擬電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的方向盤回正力矩以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信號。前輪轉(zhuǎn)向模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的功能是接受ECU的命令，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)實(shí)現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。ECU對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向方向盤回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個(gè)電機(jī)的工作。二、基本要求1、路感模擬電機(jī)涉及驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)要求轉(zhuǎn)向操縱輕便。根據(jù)光洋轉(zhuǎn)向試驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對于輕型轎車，在現(xiàn)實(shí)中作用于方向盤的回正力矩值一般在2-3Nm左右，其最值也不會(huì)超過5Nm；根據(jù)美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)的調(diào)查，駕駛員在進(jìn)行緊急避讓的時(shí)候，方向盤轉(zhuǎn)速最大為1.5r/S（轎車），一般情況下，方向盤平均轉(zhuǎn)速為：500°/s。此處回正電機(jī)沿用了北斗星電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的助力電機(jī)——直流有刷電機(jī)（12v，170w，30A，1050r/min），并配有蝸輪蝸桿減速器（減速比16.5：1）。但是尚需開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。該助力電機(jī)所能產(chǎn)生的扭矩是T=9550P/n2、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)涉及到電機(jī)的選型（包括減速機(jī)構(gòu)）以及驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)要求電機(jī)尺寸小，質(zhì)量輕，響應(yīng)快速。由于經(jīng)常處于變速運(yùn)行，對位置控制精度要求很高，并且在運(yùn)行過程中要有連續(xù)堵轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為零）而輸出轉(zhuǎn)矩的能力，調(diào)速范圍較寬。3、轉(zhuǎn)矩傳感器信號的采集及處理該傳感器有5個(gè)端子，其中1腳未用，2腳為電源+，3腳為電源-（地），4腳為主扭矩信號，5腳為副扭矩信號。無力施加在其上時(shí)，電位器電壓為2.5v，高于或低于2.5v分別對應(yīng)正反轉(zhuǎn)。4腳和5腳的電壓之和等于電源電壓5v。電源電壓5v。4、車速信號的采集及處理車速信號一般從里程表中取出，幅值12v，方波，頻率與車速的關(guān)系一般為f=43.6（Hz）/60（km/h）。此處可以用信號發(fā)生器來產(chǎn)生。最高車速180km/h。正常高速公路上值允許120km/h。5、光電編碼器信號的采集及處理三、相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)1、齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器線傳動(dòng)比為32.12mm/rad，齒條行程±67.5mm，減速比16：1；小齒輪直徑17.65mm，作用在齒條上的最大力12000N。四、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的選型計(jì)算1、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的額定力矩Tmmax選型時(shí)主要考慮電機(jī)本身的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于汽車轉(zhuǎn)向時(shí)受到的最大輸出力矩。有兩種算法：一是根據(jù)理論公式計(jì)算出原地轉(zhuǎn)向阻力矩；另一種方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。①理論公式：Tmmax≥Tmax/gsiηηt其中，Tmmax為轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)額定力矩；Tmax為作用在減速機(jī)構(gòu)上的最大轉(zhuǎn)向阻力矩（即原地轉(zhuǎn)向阻力矩）；gs為轉(zhuǎn)向執(zhí)行減速器傳動(dòng)比，此處因?yàn)椴淮蛩阌玫綔p速器，故gs=1；i為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，此處采用了齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器，i=16；η為轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率，η=0.9；ηt為傳動(dòng)系效率，ηt=0.9。此處Tmax=f/3*=259.16Nm；其中，f為輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，f=0.7；G1為轉(zhuǎn)向負(fù)荷，G1=6272N；p為輪胎氣壓，P=200kpa=0.2Mpa。通過計(jì)算可得，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)額定力矩為Tmmax≥Tmax/gsiηηt=19.97Nm②經(jīng)驗(yàn)公式：Tmax=Fmaxr=27.68Nm其中，F(xiàn)max為前軸荷（640kg）的一半；r為小齒輪半徑。小齒輪直徑17.65mm。轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)額定力矩：Tmmax≥Tmax/gsηηt=34.17Nm應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式算出的最大轉(zhuǎn)矩要大于根據(jù)理論公式計(jì)算的結(jié)果，為了系統(tǒng)安全性，本文選取經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果作為選定轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)的依據(jù)，即：Tmmax≥34.17Nm轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)額定轉(zhuǎn)速ωmmax對于轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)，盡管線控轉(zhuǎn)向沒有了方向盤與轉(zhuǎn)向器的機(jī)械連接，該電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速也應(yīng)依據(jù)方向盤轉(zhuǎn)速而定，即轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后與方向盤轉(zhuǎn)速一致，并且保證轉(zhuǎn)向輕便性要求。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)的調(diào)查，駕駛員在進(jìn)行緊急