汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性控制研究

劉忠強　李德貴　申慧君

摘要：由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性直接影響著汽車駕駛的安全和舒適性，為了保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性能夠滿足駕駛要求，提出了采用波變量方法對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性控制。對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)建模，通過Matlab/Simulink和Carsim軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真實驗，最后驗證了所提出控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng);波變量;聯(lián)合仿真;穩(wěn)定性控制

中圖分類號：U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.034

1 引言

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是指轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向車輪之間不再具有直接的機械連接，駕駛員的轉(zhuǎn)向信息以電信號的形式傳遞給電控單元，電控單元再以電信號形式向轉(zhuǎn)向電機發(fā)出控制指令，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，同時路感電機也將接受電控單元的控制指令，給駕駛員提供轉(zhuǎn)向路感[1-2]。由于線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向操縱總成和轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成兩個受控對象，并且他們之間具有轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信息的耦合關(guān)系，所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可看作是一種雙向控制系統(tǒng)[3]。

2 建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向操縱總成、電控單元、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成三個主要部分組成。其中，轉(zhuǎn)向操縱總成又由方向盤模塊和路感電機模塊組成，而轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成只有轉(zhuǎn)向電機一個模塊。此外，還有實現(xiàn)電源供給、故障診斷、容錯控制等功能的系統(tǒng)裝置[4]。目前，根據(jù)研究方向和側(cè)重點不同，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以具有不同的雙向控制結(jié)構(gòu)形式。本文中，選擇運算相對簡單的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)角反饋型雙向控制結(jié)構(gòu)作為研究對象。因此，下面建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分的動力學(xué)模型。

轉(zhuǎn)向操縱總成的方向盤模塊動力學(xué)模型為：

3 設(shè)計線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)波控制器

1991年，Niemeyer和Slotine從能量傳輸角度，提出了波變量概念，并通過波變換法導(dǎo)出了一種無源穩(wěn)定性控制方法[5]。該方法對系統(tǒng)任意通信時延均具有較好魯棒性，已成為解決雙向控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的重要方法之一。根據(jù)本文選用轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)角反饋型作為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合波變量控制方法的思想，對系統(tǒng)主端與從端進(jìn)行能量變量到波變量的轉(zhuǎn)換。設(shè)U和V為波變量，U表示前行波，V表示返回波。b為波阻抗，是波控制器中唯一可調(diào)節(jié)參數(shù)。

主端轉(zhuǎn)向操縱總成的波變量轉(zhuǎn)換設(shè)計為：

仿真實驗工況設(shè)置為：方向盤轉(zhuǎn)角輸人為正弦信號，頻率為1.5 Hz，車速為50 km/h，波阻抗為O.I，通信時延為0.05 s。通過仿真實驗，可以得到引入波變量方法前的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器小齒輪轉(zhuǎn)角曲線如圖1所示，引入波變量方法后的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器小齒輪轉(zhuǎn)角曲線如圖2所示。

從圖1可以看到，如果系統(tǒng)內(nèi)部存在通信時延時，未采用波變量方法對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性控制的情況下，轉(zhuǎn)向器小齒輪轉(zhuǎn)角震蕩波動幅度較大，不能準(zhǔn)確地跟隨方向盤轉(zhuǎn)角變化，那么線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時將發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。從圖2可以看到，采用波變量方法對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性控制的情況下，轉(zhuǎn)向器小齒輪轉(zhuǎn)角幾乎沒有震蕩波動現(xiàn)象發(fā)生，并且能夠較準(zhǔn)確地跟隨方向盤轉(zhuǎn)角變化，這時線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作是穩(wěn)定的。

5 結(jié)語

本文通過引入波變量控制方法，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究，接下來還可進(jìn)一步研究波變量方法自身優(yōu)化以及考慮故障容錯對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和提高。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為未來汽車發(fā)展的新技術(shù)之一，其穩(wěn)定性將直接影響到汽車行駛安全程度和駕駛品質(zhì)。因此，研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性對其工程化應(yīng)用和推廣具有重要現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Han Y， He L， Wang X， et al.Research on Torque RatioBased on the Steering Wheel Torque

Characteristic forSteer-by-Wire System [J] .Joumal of AppliedMathematics， 2014（7）：1-7.

[2]陳俐，李雄，程小宣，等.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究進(jìn)展綜述[J].汽車技術(shù)，2018（4）：23-34.

[3] Katsura S，Iida W， Ohnishi K.Medical mechatronics-Anapplication to haptic forceps[J].Annual Reviews inControl， 2005， 29（2）：237-245.

[4]于蕾艷.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容錯和故障診斷技術(shù)綜述[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（5）：165-169.

[5] Niemeyer G， Slotine J E.Stable adaptive teleoperation[J].IEEE Joumal of Oceanic Engineering， 1991， 16（1）：152-162.