dSPACE的轎車后輪轉(zhuǎn)向精確控制.pdf

基于 O S P d S P i C E 的 轎車后輪轉(zhuǎn)向精確控制 P L c F A 2 0 0 8 年 9 月 Ac c u r a t e Co n t r o l o f t h e o f Ve h i c le s Re a r W h e e l S t e e r i n g B a s e d o n DSP d SP ACE l 5l 舌 隨著現(xiàn)代道路 交通系統(tǒng)和先進(jìn) 汽 車技術(shù)的發(fā)展 汽車的主動(dòng)安全技術(shù) 日益受到重視 作為一種 新的提高車 輛動(dòng)態(tài)性能的方法 四輪轉(zhuǎn)向技術(shù) 已 經(jīng)得 到了越 來(lái)越多的重視與應(yīng) 用 研 究表明 汽車在行駛 中轉(zhuǎn)向時(shí) 由 于受側(cè) 向力的作 用 前輪有不 足轉(zhuǎn) 向 的特性 后輪有過(guò)度轉(zhuǎn) 向的傾 向 后 者 會(huì) 引起 汽車 失 去轉(zhuǎn) 向行駛 的 穩(wěn)定 性 車速越高 問題越 明顯 甚 至出現(xiàn) 側(cè)滑翻車 解決措施一般是通過(guò)使后 輪 在與前輪相 同的方向轉(zhuǎn)動(dòng) 1 2度角 東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院張效宇陳 南 Zh a ng Xi a o yu Che n Nan 摘要 本文針對(duì)四輪轉(zhuǎn)向汽車車體后輪 過(guò)度轉(zhuǎn)向 創(chuàng)新性 的改進(jìn)四輪轉(zhuǎn)向轎車后轉(zhuǎn)向執(zhí) 行機(jī)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行控制 使得車輛后輪能實(shí)現(xiàn) 1到2度 角的精確跟隨轉(zhuǎn)動(dòng) 利用M a t I a b S m uI i n k d S P A G E 等軟件進(jìn)行仿真 從而為提高車輛的綜合穩(wěn)定性能提供一個(gè)技術(shù)平臺(tái) 并最 終通過(guò)D S P引入實(shí)際的前輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 搭建一個(gè)實(shí)際反饋系統(tǒng) 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轎車后輪轉(zhuǎn)向的 精 確實(shí)時(shí)控制 關(guān)鍵詞 四輪轉(zhuǎn)向 操縱穩(wěn)定性 改進(jìn)與控制 仿真 反饋系統(tǒng) Abs t r ac t Thi s p ap er i s ac co r d i ng t o t he i m p r ov i n g p er f or m a nc e or ga n i z a t i on o f r ea r wh ee l s t e er i n g s t u d y i n g t h e v eh i c l e whe n i t s s p ee d i s i n t h e r an g e of med i um t o h i g h Th r ou gh gui d i g t he r ea r w h e el c on t r o l r1 g i t s s t ee r i ng a ng l e r ea s on ablel y The m e a s u r e t o s olv e t his p r ob l em i s t o ma k e t he r e ar wh e els t o r o t a t e 1 t O 2 d e g r ee s in t he s ame d i r e c t i on a s t h e f r o n t whe e l s t o c o m p e n s a t e wi t h t h e u s e of Si mu l ink d SPACE DSP e t c mak i n g it r o t a t e s om e de gr ee j n t he s ame d i r ec t i on as t he f r on t wh e el s i n t i me ac c u r a t e l y t h u s t o g i v e a g oo d f lat f or t h e f o u r wh ee l s t ee r i n g t e c hn olog y S O t h a t t h e c omp r e he n s i v e s t ea dy pe r f o r man c e o f t h e v eh i c l e c a n be i mpr o v ed Key W O r dS FoU r wheeI s t ee r i n g M ani PU J at e s t ab l i t y Am eI i o r a t i On and c o n t r ol Sim u l a t ion f ee d ba c k s y s t e m 中圖分類號(hào) T P 2 9 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文毒編號(hào)1 6 0 6 5 1 2 3 2 0 0 8 0 9 0 1 0 9 0 6 進(jìn)行補(bǔ)償 2 自1 9 0 7 年 日本有一項(xiàng)有關(guān)四輪轉(zhuǎn) 向技術(shù)的 專利申請(qǐng) 以來(lái) 國(guó)外對(duì) 四 輪 轉(zhuǎn) 向技 術(shù) 的研 究 已有相 當(dāng) 一段 歷 史 目前 我國(guó)對(duì)其 研究也 己起步并 取得一 定的 成果 但不 管基于什 么技 術(shù) 四輪轉(zhuǎn) 向的最終 問題 都聚焦于如 何正確的 引導(dǎo)后輪使其按 預(yù)先設(shè)定的 方案合理的轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng) 的角度 因此 對(duì)后輪轉(zhuǎn) 向的精確控 制成 為 目前很多 從事此項(xiàng)研究工作者所面 臨的一個(gè) 關(guān) 鍵 問題 本文即是 針對(duì)此 問題所展 開的研 究 研 究的內(nèi)容 主要 是在 現(xiàn)有 的四輪 轉(zhuǎn) 向技術(shù)基礎(chǔ)上 對(duì) 后輪 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 予 以改進(jìn)與控制 通過(guò)搭建虛擬 的仿 真 平 臺(tái)并最終 引入實(shí)際信號(hào) 實(shí)現(xiàn)對(duì)轎 車后 輪 轉(zhuǎn) 向的 精確 控 制 使 其轉(zhuǎn) 動(dòng) 1 2 度角進(jìn)行補(bǔ)償 從而保證 車輛高 速 行駛 時(shí)候的穩(wěn)定性 2 四輪轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)后轉(zhuǎn) 向執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 本研 究中 所選 用的四輪轉(zhuǎn)向轎 車后轉(zhuǎn) 向執(zhí)行機(jī)構(gòu)是基于傳統(tǒng) 的齒 輪 齒 條 式前 輪轉(zhuǎn) 向執(zhí) 行機(jī) 構(gòu) 改裝 而 成 資金項(xiàng) 目 F O r d 一中國(guó)研 究與發(fā)展基金資助項(xiàng) 目 N O 5 01 2 2 1 2 2 d gt 1 圖 1 讀取編 碼器值的仿真程序 I s n m d 中 產(chǎn) 生 虛 擬 的 前 輪 轉(zhuǎn) 角 信 號(hào) I i 一 j I 旱 i l 圖 2反饋系統(tǒng)框 圖 轉(zhuǎn)換后誒職的編碼值 后 輪 右 轉(zhuǎn) t 巨 垂 三 二 卜 團(tuán) 后 輪 左 轉(zhuǎn) t 匱卜佃 圖 3 的 利用 直線 式 步進(jìn) 電機(jī) 的 推動(dòng) 控 制 通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的滑移機(jī)構(gòu) 變直 線運(yùn)動(dòng) 為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 從而有效的實(shí)現(xiàn) 后 輪的轉(zhuǎn) 向 由于 車輛 在 高速 行駛 時(shí) 所需的相 應(yīng)的后輪轉(zhuǎn) 角很小 因 此分析相關(guān)參數(shù)后 本試驗(yàn)選 用海頓 公司生產(chǎn) 9 8 7 o o o 系 lJ S i z e 3 4固定軸 式直線步進(jìn) 電動(dòng)機(jī) 研究表明其能很 好 的滿足試驗(yàn)要 求 3 聰輪 轉(zhuǎn) 向控 在 珥 諺 0 設(shè) 計(jì) 鳥 分 析 本節(jié)基于上述機(jī)構(gòu) 通過(guò)對(duì)Ma t la b S i mu l i n k d S P A CE 等軟件的合理應(yīng) 用 實(shí)現(xiàn)對(duì)轎 車后輪轉(zhuǎn) 向的精確跟隨 控制 3 1后輪轉(zhuǎn)角信號(hào)的采集 整個(gè)反饋 系統(tǒng) 的搭 建需要測(cè)量后 1 1 0 PLC F A 輪的轉(zhuǎn) 角 本研 究在對(duì) 后輪轉(zhuǎn) 角信號(hào) 進(jìn)行采集時(shí) 所 用的編碼器 為8 位絕 對(duì)式光電編碼 器 通 過(guò)計(jì)算每秒光電 編碼 器輸 出脈 中的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 此外 為判斷旋轉(zhuǎn)方 向 碼盤還可提供相位相差9 0 的正 弦信號(hào) 圖1 所示為在S i mu l i n k 中編 寫的讀取編碼器碼值的程序 通過(guò)D S P A C E c o n t r 0 I D e s k 采集到 后輪轉(zhuǎn)角信號(hào)值后 再由直線式步進(jìn) 電 機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度與其軸 向伸縮距離的換算 關(guān)系 可求得轎車的后輪轉(zhuǎn)角 3 2 反饋系統(tǒng)的搭建 整 個(gè)轉(zhuǎn)角反饋系統(tǒng) 的虛 擬仿真框 圖如圖2 所示 圖2中 前輪 轉(zhuǎn)角信 號(hào)虛 擬實(shí)際 的前輪轉(zhuǎn)角 后輪轉(zhuǎn) 角為放大后的轉(zhuǎn) 角 本研究設(shè)定方向盤轉(zhuǎn)動(dòng) 圈時(shí) 后 輪 實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng) 1 但在反饋 比較時(shí) 為提高其精度 故將仿真程序 中的后 輪轉(zhuǎn)角度數(shù)經(jīng)數(shù)學(xué)換算放大后再 引入 到反饋 系統(tǒng) 中 這 里需要說(shuō) 明的是 由于在裝光 電編碼器時(shí) 其對(duì)應(yīng)的零位 采集回來(lái) 信號(hào)為O 的位置 與車后輪轉(zhuǎn)角為零的 位 置點(diǎn)并不絕對(duì) 統(tǒng) 所以仿 真程 序 首先需對(duì)后 輪轉(zhuǎn) 角進(jìn) 行回正控 制 本 文 設(shè)定 當(dāng)采 集 回 來(lái)的 信 號(hào)值 為6 O 4 6 8 7 5 時(shí) 后輪的轉(zhuǎn)角為O 即光電 編碼器的格雷碼轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)為4 3 時(shí)所對(duì)應(yīng)的 電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò) 的角度4 3 3 6 0 2 5 6 6 0 4 6 8 7 5 考慮到電機(jī)的慣性 及其內(nèi)部的精 度 設(shè)定 了一 個(gè)很小的 波動(dòng)范圍 認(rèn)為當(dāng)所采集回來(lái)的信號(hào) 值在5 7 6 3 時(shí) 后輪轉(zhuǎn)角均為零 實(shí)際值 為離散值 屬于5 7 6 3 之間的數(shù)值理論 上有5 7 6 5 6 2 5 5 9 0 6 2 5 6 0 4 6 8 7 5 6 1 8 7 5 這點(diǎn)波動(dòng)范 圍在轉(zhuǎn)化 為后輪的實(shí) 際轉(zhuǎn)角時(shí) 其影響很小 近乎為零 故其影響可忽略不計(jì) 又由于后輪轉(zhuǎn) 角實(shí)際范圍 E J 僅需 1 2 度 所以 光電編碼器在旋轉(zhuǎn) 一圈的范 圍內(nèi)已經(jīng) 滿足要求 其碼值選取范 圍如下 試驗(yàn)測(cè)得 后輪右轉(zhuǎn) 的絕對(duì)位置 角 Y 一 3 0 1 1 8 1 2 5X 1 5 后輪左轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置角 Y 一 3 0 2 3 9 0 6 2 5 X 7 5 8 8 2 4 其 中X為轉(zhuǎn)換后所讀取的編碼值 基于 上述 數(shù)學(xué)關(guān)系 在S i mu l i n k 中編 寫 后輪 回正 仿 真程 序 如 圖4所 刁 回正 準(zhǔn)確 后 即開始進(jìn)行整個(gè)反 饋控 制平 臺(tái)的仿真設(shè)計(jì)與分析 圖5 所 示是為在Si mu l j n k 中以虛 擬的正弦波模 擬方向盤前輪轉(zhuǎn) 角信號(hào) 所搭建的反饋控制系統(tǒng) 觀察后輪轉(zhuǎn) 角的跟隨效果圖如 圖 6所示 其 中 Ra d l 為前輪轉(zhuǎn) 角 R a d 2 為后輪轉(zhuǎn) 角 從圖6 可 看出 前 后輪 轉(zhuǎn)角信號(hào) 大小幾 乎完全 吻合 表明后輪轉(zhuǎn) 角得 到了很好的跟隨 仿真試驗(yàn)取得很理想 的效果 此外 考慮到方 向盤 有時(shí)急轉(zhuǎn)的 特性 即輸人為階越信號(hào) 我們改變 了信號(hào)源 將正弦信 號(hào)變成一個(gè)階越 信號(hào) 得到如下結(jié)果如 圖7 所示 圖7 相關(guān)說(shuō)明 1 所給定的階越信號(hào)的最終值為 P L c F A 2 0 0 8 年 9 N l 圖 4 S i muli n k中的后輪回正仿真程 序 反饋拄制系統(tǒng) 正弦信號(hào)輸入 圖 5 虛擬信 號(hào)搭建的整 個(gè)反饋控制 系統(tǒng)程 序 鞠疆曩 R n U L 乏 2 0 0 0 1 0 2 0 O 2 4 6 8 0 1 2 t s 乏 2 0 1 O 0 1 0 2 0 0 2 4 6 8 1 0 1 2 t s 圖 6 前 后 輪轉(zhuǎn) 角信號(hào) 圖 7后輪轉(zhuǎn)角跟 隨效 果 n h l t t 靠 n h f I hr g 舡 Q dl 罐r(nóng) l l 渣瞎 r 一 涵 幽u 一嗣 O 裔 髫翻 唰 闡 矗 I 一 u l ld c 唧 t te l 囂 0 E r o w t g 一 0 k I l 量 m女 I l i 圖 8前輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 2 0 2 設(shè)定的誤差為0 5 3 圖中 r a d 1 一為采集回來(lái)的前 輪實(shí)際轉(zhuǎn)角 r a d 2 一 為采集 回來(lái)的后 輪實(shí)際轉(zhuǎn) 角 r a d 3 一 為前后輪轉(zhuǎn)角的 差值 r a d 4 一 為發(fā)給 電機(jī) 的方 向控制 信號(hào) O 表靜止 從圖中可以清晰的看出 后輪實(shí)際 轉(zhuǎn)角與虛擬信號(hào)給出的前后輪轉(zhuǎn)角相差 很小 后輪轉(zhuǎn) 向得到 了很好的跟隨 4 基于 0 S P的前驅(qū)信號(hào)引入 后的轉(zhuǎn) 向反饋 系統(tǒng)搭 建 本文在 引入前輪轉(zhuǎn) 角的實(shí)際信號(hào) 時(shí)仍 采 用絕 對(duì) 式光 電編碼 器 通 過(guò) D S P完成對(duì) 編碼器信號(hào)的采集 并通 過(guò)其產(chǎn)生P W M信號(hào) 利用CCS編寫 相應(yīng)的轉(zhuǎn)角編碼 轉(zhuǎn)換程 序 完成對(duì)前 輪轉(zhuǎn)角信號(hào)的采集 4 1 C CS所采集的前輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 根據(jù) 己搭建好 的硬件 電路 通過(guò) 在C CS中編寫相 應(yīng)的解碼程序 完成 對(duì)前輪 方 向盤 轉(zhuǎn) 角信 號(hào)的采 集 圖8 為在C CS中讀進(jìn)來(lái)的前輪 方向盤轉(zhuǎn)角 信號(hào) 圖 根據(jù)圖8 所示意的情況 作者采集 了多組數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)表明方向盤的轉(zhuǎn)角與 所采到的電壓值近似成線 1生關(guān) 系 現(xiàn)選 取三組有代表性的數(shù)據(jù)如下圖 度 數(shù) A D 采 樣 值 一16 5 0 2 41 5 331 5 04028 382 5 0 07 25 由 此 得 到 相 應(yīng) 得 數(shù) 學(xué) 關(guān) 系 Y 2 1 6 0 X一 5 3 8 其 中 Y為方向盤轉(zhuǎn)角度數(shù) X為 AD采 樣 值 4 2 整個(gè)反饋控制系統(tǒng)的仿真分析 在得到前輪 方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)與所 采集 回來(lái)的 電壓值的 關(guān)系 以后 下面 所做的工作即是將前輪方 向盤轉(zhuǎn) 角信 號(hào) 引人到 實(shí)際搭建 的整個(gè)反饋控 制系 統(tǒng)平 臺(tái)中來(lái) 這里用 了DSP A CE 的1 一 號(hào)A D端 口來(lái)完成對(duì) 前輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 的 采 集 并在S i mu l i n k 中編寫相 應(yīng)的仿 真程序來(lái)完成對(duì)整個(gè)反饋控制 系統(tǒng) 的 仿真分析 整個(gè)仿真系統(tǒng)的框 圖模型 如 圖9 所示 在Si mu l i n k 中編 寫的基 于前輪轉(zhuǎn)角信號(hào)接人 的整個(gè)反饋控制 系統(tǒng)的仿真程序 如 圖1 0 所示 基 于實(shí)際前 輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 引入后的 仿真 系統(tǒng) 當(dāng)向右轉(zhuǎn)動(dòng)方 向盤使其轉(zhuǎn) 過(guò)一定 角度時(shí) 可以看到后輪也隨其 同向轉(zhuǎn)過(guò)一定 比例的角度 且跟隨動(dòng) 作靈敏 誤差極小 圖1 1 為其跟隨效 果 圖 同樣 當(dāng)前輪 方向盤 向左旋轉(zhuǎn)一 定 角度 即前輪轉(zhuǎn)角為負(fù) 時(shí) 后輪也按 比例的左轉(zhuǎn)相應(yīng) 的角度 圖1 2表明從在 同一坐標(biāo)系中的兩 車輪轉(zhuǎn)角信號(hào)來(lái)看 后輪轉(zhuǎn)角明顯得到 圖 9 實(shí)際信號(hào) 接入的整 個(gè)反饋控 制系統(tǒng)框 圖 P L c F A 2 0 0 8年9月 了很好的跟隨 研究取得很好的結(jié)果 5 結(jié) 束語(yǔ) 本文運(yùn)用D SP C CS完成了對(duì) 四輪 轉(zhuǎn)向轎 車前輪方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)的采集 并借助DS P A CE S i m n k 等軟件搭建 前后輪轉(zhuǎn)角反饋控制的仿真平 臺(tái) 最終 將所得的實(shí)際信號(hào)引入到整個(gè)反饋控制 系統(tǒng)的仿真平臺(tái)中 進(jìn)而完成對(duì)后輪轉(zhuǎn) 向的實(shí)時(shí)精確控制 使得 當(dāng)轎車前輪向 左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 后輪能隨其 同向轉(zhuǎn)過(guò) 一 定的角度 這為汽車高速行使的操縱 穩(wěn)定 性提供了一定的保證 整個(gè)試驗(yàn)取 得了很好的效果 這個(gè)創(chuàng) 新對(duì) 四輪轉(zhuǎn) 向技術(shù) 的進(jìn) 一 步研究有著積極的意義并具備一定的 參考價(jià)值 在整車控制時(shí)候 可綜合 考 慮 并 加 入車 速 橫 擺 角速 度 等信 息 進(jìn) 而確 定后輪轉(zhuǎn)角度數(shù) 從而為 四輪轉(zhuǎn) 向技術(shù)的不斷發(fā)展提供積極的 圖 1 0 前輪轉(zhuǎn) 角信號(hào)接 人的反饋 控制 系統(tǒng) 的仿真程 序 P L C FA 11 3 一 一 一 l 圖 l 1 實(shí)際信號(hào)接入后 前后輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 作用 圖 1 2 前 輪左轉(zhuǎn)時(shí)前 后輪轉(zhuǎn)角信號(hào) 毒 囊 張效宇 1 9 8 5 一 男碩士研究生 主要研 究方向?yàn)檐囕v動(dòng) 力學(xué)及智能控 制 參考文獻(xiàn) 1 汪東 明 汽車 四輪轉(zhuǎn) 向系統(tǒng) 的研 究與 發(fā)展 上海汽 車 2 0 03 1 0 2 殷 國(guó)棟 陳南 李普 基于 綜合魯棒 控制的四輪轉(zhuǎn) 向車輛操縱穩(wěn)定 性研究中 1 1 4 P L C FA 一 國(guó)工程科學(xué) 2 0 0 5 7 4 5 4 5 8 3 N a mi 0 I r i e J u n s u k e K u r 0 k i 4 W S t ec h n o f og y an d t h e P r OS p e cts f o r i m p r ov e t ll e n o f v e hi cI e d y n a mi CS 1 99 0 S A E 9 01 1 6 7 42 9 437 4 羅長(zhǎng)洲等 準(zhǔn)絕 對(duì)式 光電編碼器 光子 學(xué)報(bào) 2 0 0 3 5 5 6 2 8 6 3 1 5 邊明遠(yuǎn) 車四輪轉(zhuǎn) 向 4 W S 技術(shù)及其 發(fā) 展前 景 中國(guó)汽 車研 究 與開 發(fā) 1 9 9 9 9 f 1 2 8一 O 6 Y 0 u S S O h a i Y H M u I t i obj ecti Ve C Otl t r 0 s yn th es s a n a P PI i c ati 0n t0 4 WS Pa s s e nge r vehi cI es M ech at r 013i CS 1 999 9 9 3 6 3 3 9 0 7 A N 0 V e1 0 P ti m aI F 0 u r W h e eI Ste e ri ng C ont r 0I M R Mos ta vi M Sha r i a t