线控转向路感模拟研究

发布时间：2020-03-23 20:49

【摘要】：随着汽车智能化的发展,汽车的线控技术得到了广泛的研究。线控技术(Xby-wire)源于飞机的控制系统,该技术中取消了传统的部件间的机械连接,通过线缆或者其他方式实现控制指令的传输。汽车的线控系统包括线控驱动(Driveby-Wire)、线控制动(Brake-by-Wire)、线控转向(Steer-by-Wire)等。相对于传统的转向系统,线控转向(简称SBW)中取消了方向盘和转向横拉杆的机械连接,方向盘转角通过电信号传递到转向执行电机。由于取消了转向盘管柱,该系统节省了驾驶舱空间,也能避免正面碰撞时转向系统对驾驶员的二次伤害,并且工程师可以根据需要,灵活地设计转向系统的传动比而不受机械连接的限制,很容易地保证车辆低速时转向轻便型和高速时的操纵稳定性。尽管线控转向系统有许多优点,但还是存在许多问题。比如为了提高系统的稳定性,要对转向执行电机和有关算法进行冗余设计,与此同时,由于取消了转向柱的连接,路面的反馈不能通过车轮传递到方向盘上,使驾驶员不能获得路面信息,也就是“路感”。本文结合项目“四轮驱动电动汽车底盘系统动态协调控制机制与能量优化管理”(编号:U166420018),对线控转向的路感模拟进行相关研究,实现了路感反馈力矩的计算和算法实现,本论文的主要内容如下:(1)方向盘路感力矩影响因素的确立为了使路感反馈更贴近实际,本文参照传统的转向系统结构,分别对转向系统的摩擦、刚度、阻尼以及惯量进行建模。传统转向结构中,方向盘的路感反馈力矩(也就是回正力矩)主要来源于地面和轮胎接触时产生的回正力矩以及系统的摩擦,因此文中搭建精度较高的车辆参考模型来计算轮胎的回正力矩。传统车中,由于助力转向系统的存在,驾驶员只能感觉到一部分的回正力矩,为了使线控转向的操控体验接近传统车,也要考虑助力转向系统的影响。在车辆极低速和中高速时,地面和轮胎的接触情况不同,因此方向盘反馈力矩的主导因素不同,本文对不同的车速情况进行分开讨论,使搭建的路感计算模型适用于不同工况。(2)路感反馈算法的搭建和验证本文在Matlab/Simulink环境下搭建路感反馈算法,Simulink的模块化开发模式以及丰富的函数库极大地加快了算法开发速度,并通过Simulink-CarSim联合仿真验证路感算法中搭建的车辆参考模型的准确性,在算法搭建完成后,和传统车辆的实车试验数据进行比对(操纵稳定性试验、蛇形试验、转向轻便试验等),从而判断线控转向中的路感反馈力矩是否和传统转向系统的反馈力矩吻合。(3)线控转向路感反馈台架的搭建本文建立的路感反馈算法最终将应用于课题组项目中四轮独立驱动独立转向试验车上,目前已经完成路感反馈台架的搭建,台架基本结构采用40铝型材,能够很方便地安装在试验车上。路感反馈力矩由永磁同步伺服电机配合减速器实现,永磁同步电机中有绝对位置编码器,可以测得方向盘实际转角,路感算法需要的输入信号是方向盘转角和当前车速,因此台架只需要从CAN总线中读取车速即可产生反馈力矩。当前试验车的整车控制器的开发还没有完成,因此并没有把路感算法下载到嵌入式系统中,而是通过自己写的上位机软件控制路感电机的力矩来模拟路感。本文的研究创新点主要体现在以下几个方面:(1)在计算路感中需要车辆参考模型来计算车辆状态参数,如侧向加速度等,CarSim中的车辆模型过于复杂,而自行车模型过于简单,因此本文搭建一个简单但较为精确的车辆参考模型。(2)对转向系统的摩擦进行较为精细的建模,很好地模拟路感的滞回特性以及转向梯度等特性。(3)搭建电动助力转向(EPS)模型,充分考虑助力系统对反馈力矩的影响。(4)在Simulink中搭建的路感算法最终整合到上位机中,通过上位机对路感电机发送控制指令,能很方便地显示不同算法的不同控制效果,为以后整车控制器的嵌入式开发打下基础。上位机采用C#编写,具有很高的拓展性,比如通过接口函数连接到车辆场景模型中,因此,搭建的路感台架不仅能用于线控转向中,还可用于驾驶模拟器,赛车游戏VR等场景。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.6

【参考文献】