線控轉向系統理想傳動比設計

殷凡青，姜良超

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線控轉向系統理想傳動比設計

殷凡青，姜良超

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

線控轉向系統由于其可以自由設計傳動比的特點，可以保證在不同工況下，汽車都有著良好的轉向特性和操縱穩定性。文章主要對線控轉向系統理想傳動比進行了研究設計。在中低速段，采用基于穩態橫擺角速度增益不變的設計方案；在高速段，采用模糊控制對傳動比進行設計。最后通過仿真試驗，驗證了設計的理想傳動比的控制效果。

線控轉向系統；理想傳動比；穩態橫擺角速度增益；模糊控制

前言

傳統轉向系統由于受到自身機械連接的制約[1]，其傳動比不能根據行駛工況合理的變化，這導致汽車的轉向靈敏度一直處在變化之中，增加了駕駛員準確掌控汽車響應狀態的難度。線控轉向系統（SBW）利用電控單元和總線技術取代了傳統轉向系統中的機械連接，可以自由設計傳動比，能夠很好地滿足不同工況下駕駛員對汽車轉向特性的要求，從而降低駕駛難度，提高汽車的操縱穩定性。本文主要研究了線控轉向系統理想傳動比的變化規律，在不同車速段下，采用不同的設計方法，聯合確定了線控轉向系統的理想傳動比，并通過仿真試驗驗證了所設計傳動比的控制效果。

1 線控轉向系統結構及整車建模

線控轉向系統主要由方向盤總成、轉向執行總成和主控制器（ECU）三大模塊組成，此外還有故障容錯系統、電源系統等輔助系統[2]。其結構圖如圖1所示。

方向盤總成作為汽車與駕駛員之間的“橋梁”，一方面將駕駛員輸入的轉向信號，傳遞給主控制器，另一方面將路感電機產生的模擬路感傳遞給駕駛員。轉向執行總成也有兩個功能，一是接收主控制器發出的轉向指令，通過轉向執行電機完成汽車轉向，二是將前輪轉角以及路面信息，反饋給主控制器。主控制器通過采集傳感器信號，根據提前設定好的控制策略做出合理決策。主控制器一方面控制轉向執行總成完成轉向，另一方面控制路感電機產生合適的模擬路感。

圖1 線控轉向系統結構示意圖

結合SBW系統的工作原理，對SBW系統進行動力學分析，聯合Carsim和Simulink建立起裝備有SBW系統的整車模型，如圖2所示。

圖2 SBW系統整車模型

2 線控轉向系統理想傳動比設計

本文結合傳統轉向系統存在的不足，分析了SBW系統理想傳動比所應滿足的設計要求，提出了分段設計的思路，即中低速段和高速段采用不同的控制策略，來對傳動比變化規律進行設計。

2.1 中低速段傳動比設計

為保證汽車在不同速度下有著一致的轉向靈敏度，中低速段采用基于穩態橫擺角速度增益不變來設計理想傳動比。根據汽車二自由度模型可以得出：

式中，G—穩態橫擺角速度增益；l—理想傳動比。其余參數含義見文獻[3]。

穩態橫擺角速度增益G不變，令G=K。可得理想傳動比：

本節將中低速段速度范圍設為0~90/，考慮到轉向輪的極限位置，設定理想傳動比最小值為i，其對應下臨界車速1為20/。

傳統轉向系統在進行泊車、倒車入庫等大幅度轉向操作時，駕駛員需要變換手握方向盤的位置，才能得到想要的前輪轉角，為避免這種情況，本文將方向盤范圍設為-180°~ 180°，轉向輪極限轉角為30°，可得最小傳動比i為6。故中低速段理想傳動比為：

選定K=0.32，結合方向盤轉角對傳動比設計的影響[4]，確定的理想傳動比如圖3所示。

圖3 理想傳動比與車速和方向盤轉角的關系

2.2 高速段傳動比設計

由圖3可以看出，基于穩態橫擺角速度增益不變設計的傳動比最大值為19.8，難以滿足汽車高速行駛時大傳動比的要求，故汽車高速段傳動比采用模糊控制策略來確定。

本文中模糊控制器的輸入量為車速和方向盤轉角，輸出量為理想傳動比。高速段車速范圍設為90/~160/，即模糊論域為{90，160}，方向盤轉角范圍為-180°~180°，模糊論域為{-180，180}，高速段理想傳動比的范圍為19~25，模糊論域為{19，25}，各變量模糊集均設為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。各變量隸屬度函數均采用三角形隸屬度函數。模糊規則[5]如表1所示。

表1 模糊控制規則

綜上所述，模糊控制設計的高速段理想傳動比如圖4所示。將中低速段和高速段確定的理想傳動比聯合起來，得到最終的理想傳動比如圖5所示。

圖4 基于模糊控制的理想傳動比

圖5 聯合控制確定的理想傳動比

3 仿真驗證

選取Carsim中的Double Lane Change試驗工況，路面附著系數設為0.85，車速設為80/，比較線控轉向系統整車模型和傳統機械轉向系統汽車的仿真結果。

圖6 行駛軌跡

圖7 橫擺角速度響應

圖8 側向加速度響應

圖9 質心側偏角響應

由仿真結果可以看出，采用理想傳動比控制的線控轉向系統汽車在行駛軌跡上跟蹤效果更好，而且汽車主要參數的響應值及曲線變化幅度都有所減小。該仿真結果說明理想傳動比的設計提高了汽車的操縱穩定性，驗證了理想傳動比控制策略的有效性。

4 總結

本文建立了SBW系統整車模型，對SBW系統的理想傳動比進行了分段設計，并通過雙移線試驗工況仿真驗證了所設計理想傳動比的控制效果，證明本文的設計有利于提高汽車轉向時的操縱穩定性。

[1] 左建令,吳浩.汽車轉向系統的發展及展望[J].上海汽車,2005(01): 37-40.

[2] 高曉程.線控轉向系統主動轉向控制策略研究[D].合肥:合肥工業大學,2018.

[3] 余志生.汽車理論(第5版)[M].北京:機械工業出版社,2011:144-155.

[4] 宋洋洋.基于線控技術的汽車轉向系統控制算法研究及路感模擬分析[D].遼寧:東北大學, 2015.

[5] 鄭宏宇,宗長富,田承偉等. 基于理想轉向傳動比的汽車線控轉向控制算法[J].吉林大學學報(工學版), 2007(06): 1229-1235.

Design of Ideal Transmission Ratio for Steering-by-Wire System

Yin Fanqing, Jiang Liangchao

（Automobile of School, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064）

Due to its freely designed transmission ratio, the steer-by-wire system can ensure that the vehicle has good steering characteristics and handing stability under different working conditions. This paper mainly studies and designs the ideal transmission ratio of steering-by-wire system. In the middle and low speed section, the design scheme based on constant steady yaw rate gain is adopted; in the high speed section, the transmission ratio is designed by fuzzy control. Finally, the control effect of the designed ideal transmission ratio is verified by simulation test.

Steering-by-wire system;Ideal transmission ratio;Steady yaw rate gain;Fuzzy control

U463.4

A

1671-7988(2019)09-95-03

U463.4

A

1671-7988(2019)09-95-03

殷凡青（1993-），男，就讀于長安大學汽車學院車輛工程專業，研究方向：車輛控制技術。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.031