基于LabVIEW PXI的汽車SBW系統硬件在環試驗研究

趙林峰, 陳會義, 付靖軒, 馬冠舉, 朱志文, 陳皖湘

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

線控轉向(steer-by-wire,SBW)系統開發周期長且實車試驗具有一定的危險性,因此SBW試驗臺成為各科研機構研究的熱點[1]。

文獻[2]采用由工控機控制液壓缸,通過控制流入液壓缸的流量來模擬轉向負載;但是該試驗臺所采用的液壓油易受到溫度等因素影響。文獻[3]通過控制千斤頂的升降來調節前輪負荷,以實現轉向阻力矩的模擬;但是該方案使得試驗臺結構復雜且參數獲取困難。文獻[4]采用的磁粉制動器中,輸出轉矩與激勵電流基本成線性關系,通過控制激勵電流的方式模擬出轉向阻力矩;但是存在磁粉制動器易受潮濕環境影響導致性能失穩的缺點。文獻[5]用螺旋彈簧代替液壓裝置,簡化了SBW試驗臺的結構;但是該方案模擬的阻力矩為范圍變化、不易控制、不適合復雜工況下的硬件在環試驗。文獻[6]研發了用于電子助力轉向(elctric power steering,EPS)和SBW系統開發的硬件在環試驗臺,通過氣缸模擬轉向阻力。日本巖下公司設計開發了SBW系統硬件在環試驗臺,該試驗臺不僅在結構上考慮了人機工程學,保證結構合理、可靠,還最大限度還原了駕駛員的駕駛環境[7]。文獻[8]建立了整車二自由度模型,利用NI公司的 LabVIWE軟件和Compact RIO硬件搭建了試驗平臺。文獻[9]采用了由IABG公司設計開發的電控轉向硬件在環試驗臺,增設了故障注入試驗以及定工況無人連續測驗功能，以提高試驗安全性。

為解決上述試驗臺功能的不足,更好地模擬出各轉向工況下輪胎阻力矩和轉向盤路感力矩,本文建立了七自由度非線性車輛模型、線控轉向模型、輪胎模型和轉向阻力矩模型,并以此作為理論基礎,設計了包括轉向盤總成、轉向執行總成、控制器、信息采集系統以及阻力模擬系統的SBW硬件在環試驗臺。該試驗臺具有穩定性強、數據采集方便準確且易于控制等優點。硬件在環試驗結果表明,本文設計的SBW硬件在環試驗臺能有效地模擬出不同車速下轉向盤力矩和輪胎負載隨轉角的變化特性,有助于高效安全地進行SBW試驗及系統開發。

1 SBW系統工作原理概述

SBW系統主要包括轉向盤總成模塊、主動轉向執行模塊和控制器。對于轉向盤總成而言,控制器通過編寫的數據采集程序以及轉向意圖識別程序分析處理當前的信號,并對路感進行控制,將力矩反饋給駕駛員,形成所謂的“路感”;對于轉向執行總成而言,控制器通過編寫的主動轉向程序實現汽車的主動轉向。SBW系統結構如圖1所示。

圖1 SBW系統結構

2 轉向阻力矩模型的構建

2.1 七自由度非線性車輛模型

不考慮車輛的側傾,采用Dugoff輪胎模型,假設輪胎的側偏剛度、縱向剛度相同,不考慮滯后特性的影響,建立七自由度非線性車輛模型,如圖2所示,在此基礎上建立轉向阻力矩模型。

圖2 七自由度車輛動力學模型

首先基于LabVIEW建立七自由度非線性車輛動力學模型,其動力學方程[10-14]如下:

Fxrl+Fxrr-Fyflsinδfl-Fyfrsinδfr

(1)

Fxflcosδfl+Fxrr-Fxrl+Fyflsinδfl-Fyfrsinδfr)

(2)

Fyflcosδfl+Fyfrcosδfr+Fyrl+Fyrr

(3)

(4)

(5)

其中:u為縱向車速;v為側向車速;m為整車質量;β為質心側偏角;δfl、δfr為前輪轉角;r為橫擺角速度;Iz為轉動慣量;d為輪距;a、b為質心到前、后軸的距離;h為汽車質心高度;ax、ay分別為汽車的縱向和側向加速度;Fxfl、Fxfr、Fxrl、Fxrr分別為左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的縱向力;Fyfl、Fyfr、Fyrl、Fyrr分別為四輪的側向力;Fzfl、Fzfr、Fzrl、Fzrr分別為四輪的垂向力。

四輪的側偏角分別為:

(6)

(7)

(8)

(9)

2.2 SBW模型

2.2.1 轉向盤總成模型

轉向盤至轉矩傳感器模型為:

(10)

其中:θm為路感電機轉角;Tsw為駕駛員輸入力矩;Bsw為轉向盤阻尼系數;gm為路感電機減速器減速比;kc為轉向柱扭轉剛度;Jsw為轉向盤轉動慣量;Tfric為轉向盤總成等效摩擦力矩;θsw為轉向盤轉角。

路感電機模型為:

(11)

其中:Bm為路感電機阻尼系數;Jm為路感電機轉動慣量;Tm為路感電機電磁力矩。

路感電機采用直流有刷電機,其電學平衡方程為:

(12)

電機電磁力矩為:

Tm=ktIa

(13)

其中:ke為路感電機反電動勢系數;kt為路感電機電磁力矩系數;Ra為路感電機電阻;Ia為路感電機電流;La為路感電機電感;Ua為路感電機電壓。

2.2.2 轉向執行總成模型

轉向電機模型為:

(14)

其中:Tfm為轉向電機電磁力矩;rp為小齒輪分度圓半徑;kfc為轉向執行總成扭轉剛度;xr為齒條位移;Jfm為轉向電機轉動慣量;Bfm為轉向電機阻尼系數;θfm為轉向電機轉角;gfm為轉向電機減速器減速比。

轉向電機采用直流有刷電機,其電學平衡方程為:

(15)

電機電磁力矩為:

Tfm=kftIfa

(16)

其中:kfe為轉向電機反電動勢系數;kft為轉向電機電磁力矩系數;Rfa為轉向電機電阻;Ifa為轉向電機電流;Lfa為轉向電機電感;Ufa為轉向電機電壓。

齒輪齒條轉向器模型為:

(17)

(18)

其中:Mr為齒輪齒條質量;Br為齒輪齒條阻尼系數;Frack為等效到齒條上的阻力;Tfzl、Tfzr分別為左前輪、右前輪主銷回正力矩;lfl、lfr分別為左前輪、右前輪轉向搖臂長度。

2.3 輪胎模型

輪胎模型采用Dugoff模型[15],輪胎的縱向力表示為:

(19)

輪胎的側向力表示為:

(20)

其中

其中:Fx、Fy、Fz分別為作用在車輪上的縱向力、側向力、垂向力;Cσ、Cα分別為輪胎的縱向和側偏剛度;σx為輪胎滑移率；α為輪胎的側偏角;μ為路面附著系數。

2.4 轉向阻力矩模型

在上述建立的車輛模型基礎上,建立轉向阻力矩模型。輪胎側向力產生的回正力矩[13]為:

ML=(Fyfl+Fyfr)refftanγ

(21)

其中,γ為主銷后傾角。

垂直載荷產生的力矩與主銷后傾角及內傾角有關,其大小[15]為:

Mv=-(Fzfl+Fzfr)Dsinλsinδ+(Fzfl-Fzfr)Dsinγsinδ

(22)

其中:D為輪胎側向偏移量;λ為主銷內傾角;δ為前輪轉向角。

由于縱向力產生的回正力矩很小,通常忽略不計。轉向系自身的阻力矩Mf1及輪胎與路面之間的摩擦阻力矩Mf2的計算經驗公式參見文獻[14]，則有：

Mf=Mf1+Mf2

(23)

行車轉向時的阻力矩為:

M=Mf+ML+Mv

(24)

行車回正時的阻力矩為:

M=Mf-ML-Mv

(25)

將(24)式、(25)式合并得:

(26)

其中,θh為轉向盤轉角。

搭建模型時用到的參數見表1所列。

表1 線控轉向汽車部分結構參數

3 試驗臺搭建

3.1 試驗臺軟硬件組成

試驗臺主要由轉向盤總成、轉向執行總成、控制器、信息采集系統以及阻力模擬系統等組成；用到的硬件主要有伺服電機、工控機及板卡、NI-PXI、轉矩轉速傳感器等;軟件方面利用CarSim設置車路信息并基于LabVIEW編寫程序。試驗臺組成及信號傳輸如圖3所示。工控機在運算性能和防塵防干擾方面都優于普通計算機,在其內部主要安裝了CarSim和LabVIEW軟件。CarSim用于設置整車參數、路面附著系數、迎風阻力和車速等;LabVIEW軟件中的實時模塊和外部驅動程序可用來編寫路感模擬程序以及故障診斷程序等,并為整個運行過程提供數據顯示界面。

圖3 SBW系統硬件在環試驗平臺

目標機選用NI公司的PXI機箱,它提供一個實時操作系統用于實現LabVIEWRT(實時)試驗,并通過TCP/IP協議與宿主機進行通訊,PXI也具有良好的抗震能力和寬泛的工作溫度范圍,在較為惡劣的工業環境中也能正常運行[8]。

3.2 基于LabVIEW數據傳輸程序模塊開發

信號的接收與發送都可以通過LabVIEW程序編寫。其中轉矩信號、拉壓力傳感器信號、前輪橫拉桿位移傳感器信號和伺服電機轉矩控制信號都屬于模擬信號,前3種信號可以利用PCI-6323板卡的AI模擬端口采集處理,后一種利用AO端口進行輸出控制。而方向盤轉角傳感器輸出信號屬于數字信號,是通過PCI-CAN/XS2進行標定處理的, CaSim運行時輸出的整車運動參數也通過CAN通道傳送到控制器中。利用LabVIEW編寫的數據傳輸程序如圖4所示。

圖4 LabVIEW編寫的程序

4 硬件在環試驗

在上述搭建的SBW硬件在環試驗臺上分別進行轉向路感模擬和轉向負載模擬試驗。

4.1 轉向路感模擬試驗

在CarSim中對整車參數、車速等進行設計,并通過PXI中CAN線將車輛運動時狀態信息傳送給路感控制器,控制器根據文中建立的轉向阻力矩模型經過等效處理后得到的理想電流值,模擬出不同車速下較為真實的轉向盤力矩。本文選取雙移線工況進行路感模擬的硬件在環試驗,分別驗證中速50 km/h和高速90 km/h條件下轉向盤力矩隨轉角的變化情況,試驗結果如圖5所示。

圖5 50、90 km/h條件下路感模擬試驗結果

由圖5可知,硬件在環試驗模擬出的轉向盤力矩與傳遞轉向系統較為接近,保證了路感的真實性。中速條件下轉向盤力矩的變化情況雖然相對于高速工況較為平緩,但當轉角100°時對應的轉向盤力矩約為3.8 N·m,保證了中速條件下力矩變化的豐富性;高速工況下轉向盤力矩隨轉角變化較快,在40°時力矩就達到了4.7 N·m左右,能夠很好地提醒駕駛員,減小因過多轉向造成汽車失穩現象的發生。

4.2 轉向負載模擬試驗

為了較為真實地模擬出車輛轉向時前輪受到路面給予的負載情況,設計了阻力模擬系統,它是由伺服電機、滾珠絲杠、減速器等部件組成的。其中伺服電機的力矩大小是由本文建立的轉向阻力矩模型計算得到,并通過PXI進行實時控制。滾珠絲杠和減速器將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動,將力矩大小加載轉向器的一端。

為了驗證伺服電機負載的模擬效果,同樣選取中速50 km/h和高速90 km/h工況,試驗過程中勻速轉動方向盤,發送給伺服電機的理想值由轉向阻力矩模型計算得到,并通過拉壓力傳感器測量轉向時負載的實際值,經過統一換算后得到負載隨方向盤轉角的變化情況,如圖6所示。

由圖6可知,測量得到的實際轉矩值在不斷地跟蹤理想值。當車速在50 km/h時,伺服電機模擬的阻尼轉矩先隨著轉角的增大而快速增大,當轉角達到60°之后,轉矩變化梯度減小;對于車速在50 km/h,轉角在0°～40°時,伺服電機轉矩一直隨著轉角的增大而增大。圖6中負載力矩的變化特性與路感力矩相類似,即中速條件下力矩先隨轉角的增加而快速增大,然后逐漸趨于平緩;高速條件下力矩隨轉角的增加一直快速上升。這說明了路感模擬和車輪負載模擬具有較好的一致性,通過轉向盤的力矩變化能夠間接感知前輪負載的變化情況。

圖6 50、90 km/h時伺服電機轉矩隨方向盤轉角變化的特性

圖6中伺服電機在跟蹤理想轉矩時存在較為明顯的抖動。這是由于：一方面理想轉矩隨轉角的變化而變化,理想負載轉矩也在時刻變化,而試驗臺所用伺服電機為一般的工業電機,在跟蹤速度和精度上不是十分精確快速;另一方面試驗臺是由加工廠加工完成,其裝配精度并不高,容易造成傳動部件摩擦力較大且不均衡,造成抖動情況的發生。但是從總體施加的負載力矩效果來看,比較真實地模擬出了前輪轉動時所受到的地面給予的阻力矩。

5 結 論

(1) 本文根據車輛動力學特性,建立七自由度非線性車輛模型、SBW系統動力學模型、輪胎模型和轉向阻力矩模型,為試驗臺路感和轉向阻尼的模擬奠定了動力學基礎。

(2) 對試驗臺搭建所需的硬件設備和軟件程序進行了介紹,并基于LabVIEW程序建立了試驗過程中信息的傳輸系統。

(3) 在試驗臺上進行了路感和轉向負載模擬的硬件在環試驗。試驗結果表明:試驗臺能夠較為真實地模擬出不同車速下轉向盤力矩隨轉角的變化情況;轉向負載模擬基本上能準確跟蹤目標值,能滿足硬件實驗要求。