汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制研究

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制研究摘要：為了提高汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性,對其控制策略進行了研究。首先,通過分析系統(tǒng)運動學微分方程,采用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型。設計基于車輪轉(zhuǎn)角的改進滑膜控制策略,在雙移線變道工況和階躍信號轉(zhuǎn)向工況下進行多次聯(lián)合仿真試驗。結(jié)果表明,改進的滑膜控制具有良好的控制效果,此研究的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提高車輛轉(zhuǎn)向操縱的穩(wěn)定性。前言由于汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的機械連接,因此必須采用合理的控制策略來實現(xiàn)方向盤與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)之間的信號傳輸,以確保轉(zhuǎn)向的準確性和安全性。文獻[1]設計了一種電機轉(zhuǎn)速模型觀測器,以便實時監(jiān)測由于系統(tǒng)參數(shù)變化所帶來的低頻干擾,并對其進行了補償。文獻[2]通過分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu),采用模糊自適應PID控制,有效地抑制了電流誤差,提高了助力力矩的精確度。文獻[3]系統(tǒng)地總結(jié)了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展,并分析了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關鍵控制策略。文獻[4]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模擬出不同工況下的轉(zhuǎn)向助力矩,仿真結(jié)果表明,車輛具有良好的轉(zhuǎn)向輕便性。SBW系統(tǒng)工作環(huán)境較為復雜,容易受到外界干擾的影響,方向盤與轉(zhuǎn)向電機之間的信號轉(zhuǎn)換與傳輸過程的準確性尤為重要。本次研究將建立基于前輪轉(zhuǎn)角誤差控制的系統(tǒng)模型,以改善系統(tǒng)控制的有效性,提高汽車線控轉(zhuǎn)向的準確性。1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理及動力學建模1.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是由方向盤模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊組成,其組成如圖1所示。當汽車轉(zhuǎn)向時,傳感器將方向盤的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號傳遞到主控制器ECU。ECU根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩及車輛狀態(tài)等信息,經(jīng)計算處理后,得到轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動電流,并通過電機驅(qū)動器將其施加給驅(qū)動電機,以控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機,輸出相應的轉(zhuǎn)矩,從而保證汽車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。路感電機可以根據(jù)路面信息模擬出相應的路感信息,并通過方向盤傳遞給駕駛員,使其掌握車輛在路面的行駛狀態(tài),從而加強對車輛的操控。圖1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成1.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學建模1.2.1方向盤模型方向盤模型主要由方向盤、減速器、路感電機等部分組成[7]。其動力學微分方程如式(1)、式(2)所示:(1)(2)式中:Tsw

——方向盤轉(zhuǎn)矩,N·m;Jsw

——方向盤轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;θsw

——方向盤轉(zhuǎn)角,(°);Bsw

——轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);Ksw

——轉(zhuǎn)向柱扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);θm

——路感電機軸轉(zhuǎn)角,(°);Gm

——路感電機減速器減速比;Tm

——路感電機轉(zhuǎn)矩,N·m;Jm

——路感電機軸轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;Bm

——路感電機軸阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°)。1.2.2轉(zhuǎn)向執(zhí)行模型轉(zhuǎn)向執(zhí)行模型動力學方程如式(3)—式(5)所示:(3)式中:TM

——轉(zhuǎn)向電機轉(zhuǎn)矩,N·m;JM

——轉(zhuǎn)向電機軸轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;θM

——轉(zhuǎn)向電機軸轉(zhuǎn)角,(°);BM

——轉(zhuǎn)向電機軸阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);KM

——轉(zhuǎn)向電機軸扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);Xr

——齒條位移,m;GM

——轉(zhuǎn)向電機減速器減速比;rp

——轉(zhuǎn)向器小齒輪分度圓半徑,m。(4)式中:mr

——齒條質(zhì)量,kg;Br

——齒條阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);Kr

——齒條剛度,(N·m)/(°);Kkp1

——左轉(zhuǎn)向輪扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);NL1

——左側(cè)齒條到轉(zhuǎn)向輪傳動比;θFW1

——左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角,(°);Kkp2

——右轉(zhuǎn)向輪扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);NL2

——右側(cè)齒條到轉(zhuǎn)向輪傳動比;θFW2

——右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角,(°)。(5)式中:JFW1

——左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;Bkp1

——左轉(zhuǎn)向輪阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);T1

——左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向阻力矩,N·m。1.3理想傳動比設計1.3.1理想傳動比的特點由于SBW系統(tǒng)取消了方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接,因此可以設計隨車速變化而變化的可變傳動比。固定傳動比與可變傳動比隨車速增大的轉(zhuǎn)向增益變化如圖2所示。固定傳動比的轉(zhuǎn)向增益隨著車速變化有較大波動,而當可變傳動比為40km/h時,轉(zhuǎn)向增益就達到定值,無需再根據(jù)車速判斷方向盤的補償角,降低了駕駛的負擔。圖2傳動比隨車速增大的轉(zhuǎn)向增益變化1.3.2傳動比設計汽車在轉(zhuǎn)向過程中,其轉(zhuǎn)向方程ξ如式(6)所示:ξ=57.3L/R+Kay(6)式中:L

——軸距,m;R

——轉(zhuǎn)向半徑,m;K

——不足轉(zhuǎn)向梯度;ay

——側(cè)向加速度,m/s2。汽車在轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向半徑與航向角成正比,而航向角主要由橫擺角速度決定。車速對汽車轉(zhuǎn)向特性的影響如圖3所示。圖3車速對汽車轉(zhuǎn)向特性的影響當不足轉(zhuǎn)向梯度K>0時,汽車即會出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向。在不足轉(zhuǎn)向的情況下,因質(zhì)心處側(cè)向加速度而產(chǎn)生的前輪側(cè)向滑動要大于后輪。轉(zhuǎn)向半徑不變時,轉(zhuǎn)向角需隨車速的增大而增大,且與Kay成正比。轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向加速度、車速的平方呈線性增長。當不足轉(zhuǎn)向梯度K=0時,即為中性轉(zhuǎn)向。此時車輛質(zhì)心處側(cè)向加速度的力在前、后輪所產(chǎn)生的側(cè)偏角相等。轉(zhuǎn)向半徑不變的條件下,當車速變化時轉(zhuǎn)向角不需要改變。當不足轉(zhuǎn)向梯度K<0時,則會出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑不變時,質(zhì)心處的側(cè)向加速度使得后輪的側(cè)偏角大于前輪。轉(zhuǎn)向角必須隨車速的增大而減小。根據(jù)汽車二自由度模型可得:(7)(8)式中:β

——汽車質(zhì)心側(cè)偏角,(°);K1、K2

——前后輪側(cè)偏剛度,N/(°);u

——質(zhì)心速度在x軸的分量,m/s;a、b

——為質(zhì)心到前后軸的距離,m;ωr

——汽車橫擺角速度,(°)/s;δf

——前輪轉(zhuǎn)角,(°);m

——汽車整備質(zhì)量,kg;v

——質(zhì)心速度在y軸的分量,m/s;Iz

——汽車繞z軸的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2。在橫擺角速度增益不變的情況下,設橫擺角速度增益為Kw,橫擺角速度可表示為:ωf=Gwθsw=Gwθfi(9)此時可得傳動比i的計算表達式如式(10)所示:(10)L=a+b式中:L

——軸距,m;Gw

——橫擺角速度增益,(s-1)。2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究2.1基于前輪轉(zhuǎn)角的PID控制首先,在CarSim模型中設置車輛參數(shù)、仿真道路工況等信息;然后,根據(jù)CarSim輸出的車速、橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)得到汽車實際前輪轉(zhuǎn)角δf;最后,將δf與理想理想前輪轉(zhuǎn)角(由理想傳動比模塊計算得出)作差,得到前輪轉(zhuǎn)角偏差△δf。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過PID控制得到轉(zhuǎn)向電機的轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)角度,轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)將前輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺arSim模型中,形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制流程框圖如圖4所示。圖4線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制流程框圖2.2基于前輪轉(zhuǎn)角的改進滑膜控制2.2.1趨近律設計本次研究采用指數(shù)趨近律為了解決滑膜面出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象,需對趨近律加以改進。取函數(shù)則趨近律如式(11)所示:(11)式中:s

——滑膜面;s0

——初始值,sn=|s0|+σ;σ

——隨機正實數(shù);ε

——抖振指數(shù),ε>0;k1,k2,k3

——系統(tǒng)參數(shù)。2.2.2滑膜面設計設車輪期望轉(zhuǎn)角為δr,則轉(zhuǎn)角誤差為e=δr-δw。設滑膜面為控制律如式(12)所示:u=k3tan(s/ε)]/g(12)根據(jù)轉(zhuǎn)向電機、轉(zhuǎn)向輪以及傳動比的動力學方程可得:fn(δw,δw)+Δf(δw,δw)+d(t)gu+fn(δw,δw)+d(δw,δw)(13)其中,g=k/Jeqd(t)=-kTdis/Jeq式中:δr

——車輪期望轉(zhuǎn)角,(°);δw

——車輪實際轉(zhuǎn)角,(°);fn

——與δw和δr相關的函數(shù);Tw2m

——車輪作用到轉(zhuǎn)向電機軸的力矩,N·m;

電機控制力矩,N·m;Tdis

——擾動力矩,N·m;TF

——車輪與地面的摩擦力矩,N·m;Te

——車輪的回正力矩,N·m;k

——減速比。Jeq

——轉(zhuǎn)向電機到轉(zhuǎn)向輪之間的總成轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;Beq

——轉(zhuǎn)向電機到轉(zhuǎn)向輪之間的總成阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°)。2.2.3驗證滑?？刂频姆€(wěn)定性選取李雅普諾夫函數(shù),如式(14)所示:(14)由式(12)—式(14)可得,假設dl≤d≤du,dl、du分別為干擾的上、下界。當s>0時,為了使取d=dl;當s<0時,為了使取d=du。設d1=(du-dl)/2,d2=(du+dl)/2,則可取系統(tǒng)干擾則當η≥d時,滿足穩(wěn)定條件。3Simulink與CarSim聯(lián)合仿真分析3.1建立整車聯(lián)合仿真模型首先,在CarSim軟件中設置系統(tǒng)輸入、輸出和行駛工況。車型選用B級車,行駛工況選擇雙移線變道工況和方向盤階躍信號工況,其中階躍信號中的方向盤轉(zhuǎn)角為57.3°,階躍時間為1.5s,仿真時間為14s。車輛及道路參數(shù)如表1所示,整車模型如圖5所示。表1車輛及道路參數(shù)圖5整車聯(lián)合仿真模型3.2仿真結(jié)果分析3.2.1變傳動比當車輛處于低速如起步狀態(tài)時,為保證汽車操縱的穩(wěn)定性,需要將傳動比設定為一定值,此時i取3.7。由式(10)可知,傳動比i隨著車速u的增大而增大,因此需要對傳動比設定上限(imax=23.5)。所設計的理想傳動比曲線如圖6所示。圖6理想傳動比曲線3.2.2雙移線工況仿真為了較好地體現(xiàn)車輛超車時的狀態(tài)參數(shù),選擇雙移線測試工況。雙移線工況仿真數(shù)據(jù)如表2所示:β

max為汽車質(zhì)心側(cè)偏角在仿真過程中的峰值,(°);ωmax為汽車橫擺角速度在仿真過程中的峰值,(°)/s;

t1為質(zhì)心側(cè)偏角到達峰值所用時間,s;t2為橫擺角速度到達峰值所用時間,s。仿真結(jié)果如圖7所示。圖7雙移線工況仿真結(jié)果由表2可知,由滑膜控制的橫擺角速度最大值比PID控制的減小了0.95(°)/s,質(zhì)心側(cè)偏角最大值減小了0.03°,t1、t2分別減少了1.95s和0.09s。由圖7可知,與PID控制相比,經(jīng)過滑膜控制的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角振動幅度更小,能更快地到達穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過滑膜控制優(yōu)化后的實際車輪轉(zhuǎn)角與期望轉(zhuǎn)角也基本趨于一致。3.2.3階躍信號工況仿真方向盤階躍工況主要考察的是汽車快速進入穩(wěn)定行駛狀態(tài)特性。階躍工況仿真數(shù)據(jù)如表3所示,階躍信號工況仿真結(jié)果如圖8所示。圖8階躍信號工況仿真結(jié)果由表3可知,與PID控制相比,由滑膜控制的橫擺角速度最大值比減小了0.41(°)/s,質(zhì)心側(cè)偏角最大值減小了0.03°,t1、t2分別減少了0.18s和0.69s。由圖8可知,與PID控制相比,由滑模控制的橫擺角速度和質(zhì)的超調(diào)量更小,能更快地到達穩(wěn)定狀態(tài),有較好的瞬態(tài)響應特性。經(jīng)過滑膜控制優(yōu)化后,實際車輪轉(zhuǎn)角相較于期望轉(zhuǎn)角滯后0.40s,說明線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的角跟隨特性。4結(jié)語本次針對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法進行了研究,并對建立聯(lián)合仿真模型、設計變傳動比控制及仿真試驗進行了詳細的介紹與分析。在