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.doc

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-Jin Park1,Chang-Song Han2,Sang-Ho Lee31 漢陽大學(xué)，精密機械工程學(xué)系，C&R實驗室，韓國2 漢陽大學(xué)，精密機械工程學(xué)系，京畿道，安陽市，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?？刂破鞅仨毮軌虼?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間機械連接，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。因為，我們可以在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用于實車之前，利用硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，通過大量的仿真實驗來確定原型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 Jsw 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動慣量 Bsw 轉(zhuǎn)向盤粘性阻尼系數(shù) Ksw 轉(zhuǎn)向盤剛度系數(shù) Td 轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩 Tb 轉(zhuǎn)向盤回正力矩 Ks 回正轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向執(zhí)行轉(zhuǎn)矩的比值 mr 齒條轉(zhuǎn)動慣量 br 齒條粘性阻尼系數(shù) Kr 齒條行程與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的比值 kt 輪胎側(cè)向剛度 sw 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角1. 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。SBW具有許多優(yōu)點：首先，與傳統(tǒng)的機械式轉(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)點的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。Sanket Amberkar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)由一個六桿機械聯(lián)動機構(gòu)和一個電機組成，它和傳統(tǒng)的機械式轉(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才能達(dá)到機械式轉(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基本要求：第一，控制器必須控制轉(zhuǎn)向盤電機使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)的機械連接變?yōu)殡娮泳€控時，轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機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)行大量的仿真實驗，因為好的控制算法就是基于對車輛的動態(tài)仿真實驗獲得的。根據(jù)對汽車的各向輸入來進(jìn)行測試可以獲得電機的特性和各轉(zhuǎn)向特性，但是該實驗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，RSBW中，轉(zhuǎn)向盤的主要作用就是通過對轉(zhuǎn)向盤電機的控制來使駕駛員獲得良好的路感，基于此建模機制，轉(zhuǎn)向輪電機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，從而確認(rèn)ECU在實車中的應(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)。2. 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)向盤回正力矩電機和機械傳動裝置，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，判別汽車運動狀態(tài)，控制轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的動作。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（無刷交流電機）、轉(zhuǎn)向電機控制器和轉(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)向盤電機和轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機的電流和轉(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)行電機之間的滾珠螺桿連接可視作是無機械損失的，所以完全可以將兩者當(dāng)做一個整體。此外，輪胎的側(cè)向剛度也可以看作轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的剛度。由于轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)軸要比轉(zhuǎn)向柱小得多，所以其轉(zhuǎn)動慣量可以忽略。根據(jù)轉(zhuǎn)向盤總成模型建立方程（1）：Jswsw+Bswsw+Kswsw=Tb （1）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=Ks*Td （2）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，這種線性關(guān)系便于路感的調(diào)節(jié)。根據(jù)轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成模型建立方程（3）：mryr+bryr+ktyr=Ufm （3）方程（3）中Ufm表示轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的剛度可由輪胎側(cè)向剛度代替。因為，RSBW中輪胎側(cè)向剛度在動力學(xué)上影響要大于轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的剛度。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=Kr*sw （4）方程（4）中Kr表示在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械連接中齒條行程yr與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角sw之間的比值?？刂拼讼禂?shù)在一個合適的數(shù)值以滿足方程（4）才能獲得與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣的路感。3.控制程序轉(zhuǎn)向盤電機是一個有刷直流電動機，其額定轉(zhuǎn)矩為0.407 Nm，額定轉(zhuǎn)速為1026 rpm。而轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機是一個無刷交流電動機，其最大轉(zhuǎn)矩為9.46 Nm，最大轉(zhuǎn)速為450 rpm。本文的這一部分將主要描述這兩個電機控制器程序的設(shè)計。3.1.轉(zhuǎn)向盤電機的控制程序 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)向盤回正力電機以產(chǎn)生反饋力矩。對這兩個電機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)，因為它和駕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)向盤電機來實現(xiàn)。本文中，轉(zhuǎn)向盤電機控制器的控制目標(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：Gc=usw(s)r(s)=Kp+KIs=Kp*s+KIs=Kp(s+KIKp)s （5）Kp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，KIKp取33，如圖（三）中的bode圖所示。高相位裕度可以補償高轉(zhuǎn)角失真，這樣，路感可以不那么依賴于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。為了應(yīng)用于ECU，輸入方程（5）要轉(zhuǎn)換成下面的推遲方程（6）：usw(k)=-12.685uswk-1-4206.75uswk-2+4219.4uswk-3+176.37rk-6.49rk-1 （6）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)向輪電機控制器來說，齒條位移是一個反饋信號。轉(zhuǎn)向輪電機控制的基本目的是補償駕駛員的輸入轉(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（SPR）”條件，那么這個系統(tǒng)將非常穩(wěn)定，具有較強的抗干擾能力。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。因為PID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）：Gc=ufm(s)r(s)=Kp+KD*s=KD(s+KpKD) （7）1700000(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?？偟膩碚f，增益裕度在40-60范圍內(nèi)都是允許的。為了應(yīng)用于ECU，將控制輸入轉(zhuǎn)換為下面的推遲方程（8）：ufmk=-ufmk-1+871100000*rk-1+1550000000*r(k) （8）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中進(jìn)行的，而且，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由HILS機制所代替。在硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中，ECU是實時控制的。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)合汽車模型和實驗環(huán)境，開發(fā)一種更先進(jìn)的RSBW控制器，其過程是由實時控制完成的。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.由此得出方程（9）：F=F-Fd （9）Fd是Paceka輪胎模型中輪胎側(cè)向力，F(xiàn)是液壓缸的壓力，F(xiàn)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，液壓系統(tǒng)控制的目標(biāo)就是應(yīng)用第一滑模控制理論使誤差（F）降到最小值。滑動面s是一個組合的跟蹤誤差措施，如方程（10）：s=*F （10）如果滑動面S=0，則控制輸入u符合如下的方程（11）：u=-F+Fd-*F-kh*sgn(s) （11）圖（四）離散系統(tǒng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機控制器設(shè)計（a）離散系統(tǒng)控制信號框圖和bode圖（b）其中=20，kh=0.5。和kh值的調(diào)整取決于硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)中的液壓缸。由于液壓系統(tǒng)是通過控制電流來控制磁通的，所以，常用脈寬調(diào)制的方法來控制輸入信號的電流。誤差F的調(diào)整是通過液壓缸與轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成之間的壓力傳感器來完成的。