线控转向系统的模拟仿真研究.pdf-资料库

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 线控转向系统的模拟仿真研究# 张昕* （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044） 5 摘要：本文基于 ADAMS/CAR 软件建立了线控转向系统整车动力学模拟分析模型，并在 MATLAB/Simulink 中建立路感电机及转向执行电机控制模型，实现了线控系统机电耦合仿真分析，通过原地转向及高速蛇形转向特性试验，结果表明低速时具有轻便舒适性，高速时满足良好的操纵稳定性。关键词：线控转向系统；机电耦合仿真；控制策略；ADAMS 中图分类号：请 U463.3 10 Simulation Study of Steering by Wire System ZHANG Xin 15 (School of Mechanical Electric and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044) Abstract: This paper established the dynamic simulation model vehicle having steering by wire system with the software of ADAMS/CAR, and the control model of roadfeel-motor and steering-motor were built in Matlab/Simulink, accomplished the electromechanical coupling simulation. In the in-situ circle steering and snake-steering test, the results show the steering portability and good control stability can be achieved. Key words: SBW; electromechanical coupling simulation; control strategy; ADAMS 20 0 引言 25 线控转向系统（Steering-by-Wire System，简称 SBW）是对传统转向系统的一种技术革新，去除了转向盘与转向轮之间的机械连接，可以自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性[1]。通过电子控制单元对汽车转向进行控制，实时地调节汽车前轮转角和方向盘路感，获得驾驶的舒适性及改善汽车的操纵稳定性。本文根据线控转向系统的特点，应用 ADAMS/CAR 软件建立了线控转向系统整车动力 30 学模拟分析模型，并在 MATLAB/Simulink 中建立控制模型，实现了线控系统机电耦合仿真分析，通过原地转向及高速蛇形转向特性试验，结果表明低速时具有轻便舒适性，高速时满足良好的操纵稳定性。 1 SBW 系统工作原理 SBW 由方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分组成[2]~[3]。如图 1 所 35 示。其中系统中有两个电动机，一个电动机位于转向盘总成内直接与转向传动轴连接，为驾驶员提供路感力矩，另一个电动机位于前轮转向机构总成内，与汽车前轮转向机构相连接，作为转向执行机构。驾驶员转动转向盘时，控制器根据转向盘转角传感器、车速传感器测的信号，由前轮转角算法计算得到参考前轮转角，向转向执行电机发出控制信号，使转向电机进行位置闭环控基金项目：高等学校博士点专项科研基金项目：200800041013 作者简介：张昕（1976-），女，讲师，主要研究方向：汽车系统动力学与控制. E-mail: xinzhang@bjtu.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 40 制和电流闭环控制，以实现该参考前轮转角。同时，控制器根据转向盘回正力矩算法得到转向盘回正力矩。对转向盘路感电机进行电流的控制，实现期望的转向盘回正力矩。此外，为了使驾驶员得到更好的转向感觉．可以进行转向盘回正控制和阻尼控制。 45 50 55 图 1 线控转向系统结构示意图 Fig.1 Structure of Steering by Wire System 2 SBW 系统数学模型建立的线控转向系统中主要机构的数学模型如下[4]~[7]。 2.1 转向盘动力学模型 60 考虑阻尼和摩擦，机械系统转向盘动力学模型表示为： (1) 式中，为转向盘转角；为转向系折算到转向轴的转动惯量；为转向系折算到转向轴的阻尼系数；为转向盘力矩；为回正力矩；i 为转向系传动比；VL 为转向盘助力系数；Mf 为路面的摩擦力矩。 65 (2) 式中，是与系统转动惯量、阻尼系数及轴荷等相关的常数。由于与前轮侧向力无关的各种摩擦力矩越小越能模拟出准确的路感，因此本文只考虑回正力矩，从而式( 1 ) 简化为： (3) - 2 - swLfrswswMViMMBJ/)(swJBswMrMsgnFMfFLrswswswViMBJM/)(

中国科技论文在线 2.2 前轮转向模型 70 前轮转向的动力学方程为： http://www.paper.edu.cn 式中，为转向系折算后的转动惯量；为转向系折算后的阻尼系数；M 为需求的转向 (4) 转矩；为前轮转角。 2.3 电机模型 75 线控转向系统中的电动机采用有刷直流伺服电动机，电流和电压之间存在如下关系式：式中 U 为电动机的端电压；L 为电枢电感；I 为电枢电流；R 为电枢电阻；为电动机（5）转速；为反电动势常数。电动机的力矩平衡方程为 80 （6）根据直流电动机原理，直流电动机产生的电磁转矩为式中，为电动机转动惯量；为电动机阻尼；为电动机输出力矩；为负载；（7）为电动机转动的角度；为电动机的转矩常数。 85 3 SBW 系统力矩回馈控制策略 3.1 路感电动机端电压控制路感电动机模拟的是道路的回正力矩，回正力矩的公式如下（8）式中，为由轮胎拖距造成的回正力矩；是由主销内倾造成的回正力矩；为 90 车辆质量；为车速；为轴距；为质心到后轮的距离；为质心到前轮的距离；为后轮侧偏刚度；为前轮侧偏刚度；和分别为气胎拖距和后倾拖距；Q 为轮荷，为主销内倾角；为主销内移量；为车轮转角。路感电动机的功能是模拟回正力矩，保持转向盘不动时，电动机都是堵转运行，当转 - 3 - MTBJr111J1BemdIULKRIdtmeKmmmmmaJBTTmTmTTKImJmBmTaTmTK222()sin(2)sin2raZVArrfffrmvlQDMMClCllmvCCZVMAMmvlrlflrCfCD

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 向盘转动时，电动机的负载要比电动机产生的电磁转矩大，式（6）变化为 95 + = （9）式中，是路感电动机的减速比；为路感电动机的输出转矩；和分别为路感电动机的转动惯量和阻尼系数；为路感电动机的转角， = ，则 = = （10）式中，为转向盘转角；为转向盘助力系数；为路感电动机的转速。 100 由式（7）可得路感电动机的电流为 = （11）则由式（8）~式（11）得到路感电动机的目标端电压为: = + + (12) 105 3.2 转向执行电动机端电压控制由式（6），建立转向执行电动机动力学方程如下 + = （13）式中，和分别为转向执行电动机的转动惯量和阻尼系数；是转向执行电动机的减速比；为转向执行电动机产生的转矩；为转向执行电动机转角， = ， 110 其中为前轮转角。又，则 = （14）式中，为转向执行电动机的转速。由式（7）转向执行电动机的电流为: （15） 115 由式（5），式（8），式（13）~式（15）可以求得前轮转向执行电动机的目标端电压为 - 4 - 11mmJ11mmB111amMNi1N1mM1mJ1mB1m1m1swLNV1m1m1swLNVswLV1m1I11mTMK1U1U1L1dIdt11mK11RI22mmJ22mmB2mM121MN2mJ2mB2N2mM2m2m2Nswi22mm2swNi2m222mTMIK

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn = + + （16） 4 整车机电耦合仿真分析模型根据上述理论，在 ADAMS 中构建如图 2 所示具有线控转向系统的整车动力学仿真模 120 型。前悬架系统采用麦弗逊式独立悬架，后悬架采用扭杆式悬架，布置形式为发动机前置前驱。 125 130 图 2 整车模型 Fig.2 the simulation model of vehicle with SBW 根据 SBW 的动力学方程，在 MATLAB/simulink 中构建了线控转向系统模型，其中包 135 括电机及电控单元控制模型，然后将线控转向系统模型作为自定义的控制模块，通过 simulink 接口与 adams 中的整车动力学仿真模型相连。将 SBW 系统所输出的电机力矩分别换算作用到转向系统的转向柱和齿条齿条上，转向盘回馈力矩和转向执行力矩作为整车模型的外部输入传递给整车模型，同时，转向盘转角、车速、车轮转角作为整车模型的外部输出传递给 SBW 系统。 140 图 3 是 SBW 控制系统框图，其输入参数分别为目标转向盘转角、车速和车轮转角，输出为转向柱和齿条的反馈力矩。 145 图 3 SBW 系统 ADAMS/Simulink 联合控制模型 Fig.3 Control Model of Steering by Wire System - 5 - 2U22dILdt22emK22RI

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 150 通过整车动力学模型可实时计算得到转向盘转角和车速，及车轮转角，传递给线控转向系统模型，回正力矩电控单元根据转角和车速的大小，计算出回正力矩，确定反馈电机电流，电流经过电机模型转变为相应的阻力，传递给转向柱模型。转向执行电控单元根据转向盘转角，确定执行电机电流，通过直流电机模型转变为相应的转向动力，传递给齿条模型，从而完成线控转向系统与整车模型之间的闭环流程。 155 5 结果分析为验证模型和控制方法的有效性，分别对低速的轻便性和高速的操纵稳定性进行模拟分析。图 4 所示为原地转向（车速低于 5kw/h）情况下，转向盘力矩曲线图，其中实线为原机械转向系统，虚线为线控转向系统。与机械转向系统相比，线控转向系统具有较好的低速轻便性。 160 165 m N / 矩力盘向转 SBW 机械时间 /s 170 Fig.4 the steering torque in the in-situ circle steering test 图 4 原地转向过程中转向盘力矩曲线图 5 为车速 90kw/h 蛇形试验仿真曲线，图（a）为转向盘力矩-时间曲线，为满足高速时的操纵稳定性，线控转向系统采用变速比控制，在轻便性方面与机械转向系统相当，略有降低。图（b）为侧向加速度-时间曲线，配有线控转向系统的整车侧向加速度峰值降低，操纵稳定性表现良好。 175 180 m N / 矩力盘向转 SBW 机械时间 /s （a）转向盘力矩-时间曲线 - 6 - 010203040506070-15-10-50510 05101520-6-4-20246

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn m N / 矩力盘向转 185 190 195 SBW 机械时间 /s （b）侧向加速度-时间曲线图 5 蛇形转向试验(90km/h) Fig.5 the snake-steering test at 90km/h 6 结论本文基于 ADAMS/CAR 及 Matlab 软件建立了线控转向系统整车机电耦合动力学仿真模型，包括转向机构模型、执行电机与路感电机模型，及力矩回馈控制，通过原地转向及高速 200 蛇形转向特性试验，结果表明低速时具有轻便舒适性，高速时满足良好的操纵稳定性。 [参考文献] (References) [1]于蕾艳，林逸，李玉芳．汽车线控转向系统综述[J]．农业装备与车辆工程, 2006 (11)：32 ~35． 205 [2]Masao Nagai，Pongsatbem Raksincharoensa，Shunsuke Watanabe．Design of steer-by-wire control based Oil vehicle dynamic control theory [C] ． The 13th International Pacific Conference on Automotive Engineering：891~896． [3]于蕾艳，林逸，施国标．线控转向系统的主动转向控制策略[J]．农业机械学报，2008 (1)： 4～6. 210 [4] 余志生．汽车理论[M]．第 3 版，北京：机械工业出版社，2000：108～116. [5] 罗石，商高高，苏清祖．线控转向系统转向盘力回馈控制模型的研究[J]．汽车工程， 2006， 28 (10) ：914～917． [6] SANKET A，FARHAD B，JON D．A Control System Methodology for Steer-by- wire Systems [J]．SAE Paper，2004- 01- 1106． 215 [7]于蕾艳，线控转向系统的转向盘力反馈控制策略研究，计算机仿真，2009，26（1）：264-266. - 7 - 05101520-0.9-0.6-0.30.00.30.60.9

资料库

线控转向系统的模拟仿真研究.pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料