基于dSPACE的汽車主動前輪轉向試驗臺設計

高 峰，王利剛，劉國良，2

(1.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京100191;2.徐州空軍學院航空兵軍交運輸指揮系，江蘇徐州221000)

0 前言

汽車的主動前輪轉向系統通過對前輪施加一個不依賴于駕駛員轉向盤輸入的附加轉角，實現可變的轉向傳動比，提高車輛的操縱穩定性［1－2］。根據機械結構的不同，主動轉向分為機械式和線控式，機械式是在原機械轉向系統基礎上，通過一些機械結構(比如行星齒輪機構)疊加一個前輪轉角;而線控轉向則去除了機械式轉向連接，通過控制器綜合駕駛員輸入和穩定性等要求，由轉向電機實現主動的前輪轉向。由于法規、安全性、成本等原因，線控轉向的實車應用仍存在一些問題，而機械式主動轉向系統則在主動轉向功能失效時由于機械連接的保證，仍能正常駕駛。

機械式主動轉向系統以寶馬和采埃孚公司聯合開發的主動前輪轉向系統為代表，它通過行星齒輪機構增加了一個輸入自由度，從而實現附加轉向，目前已經在寶馬的“3系”和“5系”上采用，而美國的德爾福、日本的光洋精工等也已經有相關的產品。國內在機械式主動轉向的研究方面開始的比較晚，當前主要集中于對其結構和功能介紹以及基于主動轉向的車輛操縱穩定性控制算法研究上［3－6］。

為了驗證主動轉向系統的功能，同時也為了加快主動前輪轉向系統的開發，本文在研究了寶馬和采埃孚聯合開發的主動前輪轉向系統系統的基礎上，基于dSPACE實時仿真系統，設計并搭建了機械式主動前輪轉向硬件在環仿真試驗臺。

1 主動轉向系統的功能

1.1 可變傳動比

主動轉向系統可根據車速和駕駛員要求的轉向角改變轉向器的傳動比，當車速較高時為較大的傳動比，車速較低時為較小的傳動比。這樣在車速較低或停車入位時，可減少駕駛員對方向盤的轉動量，提高轉向靈敏度;而在較高車速時，大的傳動比可降低車輛響應對方向盤輸入的敏感度，提高行駛穩定性和安全性。

1.2 車輛穩定性控制

主動轉向系統可根據車輛穩定性需求，在一定范圍內通過改變前輪轉角來直接改變前輪橫向力，產生一個橫擺力矩，相比一般的通過控制輪胎的制動或驅動力的橫擺控制更為直接有效。當汽車轉彎制動，行駛中遇到側風、路面附著系數變化較大等擾動時，主動轉向系統可以獨立于駕駛員進行一定的轉向干預，實現車輛的穩定行駛。

1.3 其他功能

利用車輛上集成的各類傳感器信息，通過一定的控制算法，主動轉向系統還能實現諸如主動避撞、路徑輔助保持等一系列的功能;通過集成主動轉向系統、橫擺控制、主動側傾控制等系統而建立的底盤綜合控制系統，能夠更好地提高汽車的舒適性和操縱穩定性［7－9］。

2 主動前輪轉向試驗臺的組成

試驗臺基于寶馬的機械式主動前輪轉向系統構建，圖1為搭建的試驗臺實物，圖2為試驗臺的系統架構。由圖1和圖2可以看出:試驗臺的機械部分包括試驗臺支架、主動轉向系統、電控液壓助力轉向系統、模擬力矩反饋系統、執行電機、傳感器、輪胎、方向盤、懸架等;電子部分包括工控機、dSPACE板卡、信號處理器、兩個執行電機控制驅動器、液壓閥控制器等。

主動轉向系統主要由永磁無刷直流電機、雙行星齒輪機構和渦輪蝸桿等構成;電控液壓助力系統由液壓泵、油管、壓力流量控制閥體、v型傳動皮帶、儲油罐等部件構成;模擬力矩反饋系統主要由力矩電機和減速器組成，通過對齒條施加橫向力來模擬路面反饋力;電子控制系統主要包括主動轉向控制單元、助力轉向控制單元、模擬力矩控制單元、電機控制器、方向盤轉角轉矩傳感器、小齒輪轉角傳感器、電機位置傳感器等。

3 試驗臺的關鍵部分分析

3.1 實時仿真控制系統

主動轉向試驗臺中，以dSPACE為控制平臺，在Matlab/Simulink下設計主動轉向的控制算法，實現主動轉向的快速控制原型及硬件在環實時仿真［10］。駕駛員依據DYNAanimation的虛擬場景轉動方向盤，dSPACE及各個控制單元獲取試驗臺上的方向盤轉角傳感器、小齒輪轉角傳感器及車速傳感器等信息，實時運行的車輛模型計算出當前的車速、橫擺角速度、側向加速度、齒條反饋力等，一方面將其傳給DYNAanimation模塊產生新的虛擬實時視景;另一方面通過dSPACE的DA接口將其傳送給相應的控制單元，其中主動轉向控制單元根據車速、橫擺角速度、側向加速度實時計算出疊加轉角傳送給主動轉向執行電機控制器，而助力轉向控制單元和模擬力矩控制單元則根據相應信息計算并輸出相應的指令給電磁閥、模擬力矩電機控制器等，對汽車轉向過程中前輪轉角量、轉向助力和路面反饋力進行調整，最終實現人車路的閉環實時仿真。

3.2 試驗臺的控制方案

試驗臺采用橫擺角速度反饋控制來實現車輛操縱穩定性控制，通過參考模型獲得理想橫擺角速度，與實車模型的橫擺角速度進行比較，將其偏差送給主動轉向控制器計算需要的附加轉角，最終通過主動轉向執行器實現車輪的疊加轉角，圖3為橫擺角速度反饋控制的原理圖。在控制方法方面，可以采用PID控制、滑膜變結構控制、H∞魯棒性控制等。在系統模型方面，參考模型采用二自由度非線性車輛模型，包括側向及橫擺自由度;實車模型采用車輛動力學軟件veDYNA的多自由度非線性車輛模型，利用它的DYNAanimation模塊來實現視景實時顯示虛擬試驗車和道路狀況，駕駛員觀測虛擬車輛運行狀況，通過試驗臺的方向盤控制虛擬車輛運行，從而實現人車路的閉環實時仿真實驗，圖4為DYNAanimation的一個試驗場景。

3.3 主動轉向執行電機及其控制

選用了無刷直流伺服電機，它是利用電子換相技術來代替直流電動機電刷換向的一種新型直流電動機，具有運行效率高、啟動轉矩大、調速范圍廣、結構簡單運行可靠等優點，具有旋轉的磁場和固定的電樞，包括電機本體，轉子位置傳感器和電子換相線路三大部分，實驗中電機采用位置、轉速和電流的三閉環控制方式，如圖5所示。

圖5 直流無刷伺服電機的三閉環控制方框圖

3.4 雙行星齒輪機構

試驗臺的雙行星齒輪和渦輪蝸桿結構如圖6所示，該齒輪機構工作時有3種驅動方式:

(1)伺服電機即渦輪固定不動時，轉向盤轉角通過主動太陽輪將動力傳遞給雙行星齒輪機構中間的行星架，再由從動太陽輪輸出。

(2)轉向盤不動，即主動太陽輪固定時，伺服電機通過行星齒輪機構將動力傳遞給從動太陽輪。

(3)在通常情況下，主動太陽輪和伺服電機是共同工作的，車輪轉角是駕駛員轉向角和伺服電機轉向角的疊加。

圖6 主動轉向行星齒輪和渦輪蝸桿結構

4 試驗臺功能驗證試驗

針對主動轉向系統的功能、電機的控制以及各種控制器，可以在試驗臺上設計多種類型實驗，如變傳動比試驗、汽車穩定性試驗等。基于dSPACE軟件開發的Control Desk可以方便的訪問dSPACE硬件中所運行的實時程序，可以對采集的信號和模型中的虛擬信號進行實時可視化分析、在線調參等。

4.1 變傳動比試驗

汽車主動前輪轉向系統主要依賴于伺服電機的轉動疊加前輪轉角，改變方向盤與前輪的傳動比，使得駕駛員在低速駕駛時更靈活，高速駕駛時更穩定。

主動轉向系統的傳動比與車速有關，所以不同車速下，方向盤轉角與小齒輪轉角的比值也不同，分別設定30 km/h、125 km/h和200 km/h的車速在試驗臺上進行試驗。試驗時，在某一車速下轉動方向盤，待方向盤轉角信號與小齒輪轉角信號比值趨于穩定，方向盤轉角、小齒輪轉角及兩者的比值分別如表1所示。

表1 變傳動比試驗結果

從表1中可以看出:在以上3種車速下，方向盤轉角與小齒輪轉角的比值大約為0.526、0.792和0.915，小齒輪轉角與前輪轉角的傳動比為20，則主動轉向系統總的傳動比分別為10.52、15.84、18.3，可以看出轉向傳動比隨車速的增大而增大，從而驗證了試驗臺能夠實現主動轉向的變傳動比功能。

4.2 雙移線試驗

雙移線試驗反映了汽車典型工況下的行駛性能，基于ISO3888—1—1999和GBT 6323—1994標準，考慮車速變化時的適應性設定，是評價汽車穩定性的一種試驗方法，圖7為雙移線道路示意圖。

圖7中參數參考值為:S0=2u，S1=15u/22，S2= 30u/22，S3=S4=25u/22，S5=30u/22，S6=3u，變道距離B=3.5 m，u為車速。

圖7 雙移線道路示意圖

設定試驗仿真車速u為120 km/h、道路附著系數為0.85，分別在打開主動前輪轉向系統和關閉主動前輪轉向系統的情況下進行雙移線試驗，模型中采用經典的PID控制器對實車的橫擺角速度進行控制。試驗過程中，在Control Desk下采集試驗數據，并在Matlab下作圖，則整車的方向盤轉角變化和橫擺角速度變化分別如圖8和圖9所示。從圖9中可以看出:未加入主動前輪轉向系統的橫擺角度最大值約為0.29 rad/s，而加入主動前輪轉向系統后的橫擺角速度最大值約為0.25 rad/s，最大相差了0.06 rad/s，汽車相比較而言會更加穩定。另外，從圖8中可以看出:未加入主動前輪轉向系統的方向盤轉角最大值約為0.52 rad，而加入了主動前輪轉向系統的方向盤轉角最大值約為0.45 rad，最大相差了0.07 rad，也就是在4°左右，比較符合理論分析，汽車的轉向相對輕便。

5 結論

機械式主動前輪轉向試驗臺為進行汽車主動轉向的研究提供了更可靠的方法，該試驗臺以dSPACE為平臺進行半實物仿真，實時性好，可靠性高，而且能快速的進行數學建模和在線調參，縮短了試驗周期，同時，還可方便的將主動轉向系統與橫擺控制等系統進行實時聯合仿真，擴展性較強，實用性更高。

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