（控制科学与工程专业论文）基于flexray通信协议的汽车线控转向控制器的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 加肠工、阳 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：逃导师签名：二随日期：脚 摘要 线控转向系统( s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ，简称s b w ) 是继电动助力转向系 统后出现的一种全新概念的转向系统，它在结构上取消了方向盘与转向轮之间的 机械连接，因此完全摆脱了传统转向系统的各种约束限制，使人们可以自由设计 汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，不仅可以提高汽车的操纵稳定性、安 全性和节能环保性，而且更有利于与其他车身系统进行统一协调控制。 线控转向控制器作为线控转向系统核心部件，负责对系统角传递和力传递进 行控制，是实现驾驶舒适性与操纵稳定性的关键，因此其设计是线控转向系统最 需要解决的关键问题。 本课题以北京工业大学线控转向实验台架为对象，设计开发基于f l e x r a y 通 信协议的线控转向控制器的硬件部分和软件部分，实现了路感模拟控制算法和前 轮转角控制算法。 论文首先建立了具有线控转向特性的动力学模型，不仅有利于线控转向系统 转向特性和控制策略的研究，而且也为硬件在环仿真实验提供模型平台。 其次分别对线控转向控制器的上层控制策略和下层控制策略进行研究。一方 面，利用车速和前轮转角等信息对回正力矩进行估算，由此控制路感模拟电机提 供给驾驶员合理的路感信息。另一方面，以前轮转角为控制对象，采用固定转向 灵敏度型控制策略保持转向增益的不变，同时，使用横摆角速度与质心侧偏角联 合控制策略提高车辆动态意义上的操纵稳定性能。 之后，根据线控转向系统需求，设计了基于m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 的线控转向控制 器的硬件系统，并在该硬件平台基础上，移植“c o s i i 实时操作系统，使线控 转向控制器满足实时性的要求。同时根据模块化的设计思想，对控制器各个功能 模块的软件进行设计。 最后建立了基于d s p a c e 的硬件在环仿真实验平台，对线控转向控制器软硬 件进行硬件在环仿真实验。相应的实验结果表明线控转向控制器的性能满足设计 要求，为今后实现线控转向系统在汽车辅助驾驶和智能驾驶方面的应用奠定了基 础。 关键词：线控转向控制器；m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 ；f l e x r a y 总线；p c o s i i ；硬件在环 仿真 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 i i a b s 仃a c t a b s t r a c t s t e e r i n g b y w i r es y s t e m ( s b w ) i sak i n do fb m d n e wc o n c e p tf o rt h ed e s i g n o fs t e e r i n gs y s t e ma f t e re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) nh a sg o t t e no u to f r e s t r i c t i n go ft r a d i t i o n a ls t e e r i n gs y s t e m ，b e c a u s eo fc a n c e l i n gt h em e c h a l l i c a l l i m ( a g e b e t w e e nt h es t e e r i n gw h e e la 1 1 d 舶n tw h e e l ，、m c hm a k ei t p o s s i b l et od e s i g l lt h e s t e e n gc h a r a c t e r i s t i c1 j r e e l y i tn o to n l yc a ni m p r o v et h eh a n d l i n g 龇l ds t a b i l i 够o f v e h i c l e ，s a v ee n e r g ya i l db e n e f i te n v i r o l l i l l e n tp r o t e c t i o n ，b u ta l s oc a i lb ec o n t r o la n d i n t e g r a t i o n 、) r i t ho t h e rs y s t e me a s i l y t l es b wc o m o l l e rc a i lc o n t r o l 舭a i l g l ea n df o r c ec h a r a c t e r i s t i co fs t e 甜n g s y s t e m ，w 1 1 i c hi st h ec o r eu i l i to ft 1 1 es b ws y s t e m ，i st h ek e yp o i n to f “v i n gc o m f o r t a i l dh a n d l m g 虹b i l i t ) rp e o m a n c e s oi ti sa s t i c b n gp o i n tt or e s e a r c h t l l ep 印e rf o c u s e so nt h ed e s i g i lo ft h es b wc o n t r o l l e rw i t l lf 1 e x r a y w h i c hi s b a u s e do nt h es b wt e s ts y s t e mo fb e i ji n gu n i v e r s i 够o ft e ：c h n o l o g y b a s e do nt h e h a u r d 、v a r ea n ds o f h a r ed e s i g no ft l l es b w c o n t r o l l e r ，r o a d f e e l i n ga l g o r i t l l ma 1 1 d 舶m w h e e la 1 1 9 l ec o n 们la l g o r i t i sr e s e a r c h e d f i r s t l y ，ad ) r 1 1 锄i c sm o d e l 晰t hs b wc h 撇t e r i s t i ci se s 讪l i s h e d t 1 1 em o d e lc a j l n o t0 1 1 l yb ee a s yt or e s e a r c ht l l es t e e r i n gf _ e a t u r ea n dc o n t r o la l g o r i t l u no fs b w jb u t a l s op r o v i d et 1 1 em o d e lp l a t f o mf o rm eh a r d w a r e - i n t h e l o o ps i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s s e c o n d l y ，u p p e ra n dl o w e rc o n 打o ls t r a t e g i e so fs b w c o n t r o l l e ra r er e s e a r c h e d o nt h eo n eh a n d ，i te s t i m a t e ds t e e r i n gr e a c t i v et o r q u e 、】 r i t l lv e k c l es p e e da i l d 矗o n t w h e e la l l g l e ，a 1 1 ds oo n t h e ni tc o n t r d l st h em a c l l i n et op r o v i d et h er e a s o n a b l e r o a d f e e l i n gf o r “v e r s o nt h eo t h e r h a n d ，i no r d e rt oc o m r o l l i n gt h e 舶n tw h e e l a n g l e ，m e 砷i i l l o b i l es t e e r i n gs e n s i b i l i 够咖) ec o n t 】ls t r a t e g ) r 、v a sr e s e a r c h e dt ok e 印 s t e a d y s t a t eg a i no fs t e e r i n g ，a n dt h ey a w r a t ea n ds i d e s l i pa n g l ec o n 订o ls t r a t e g y 、v a s r e s e a r c h e dt oi m p r o v eh a n d l i n ga n ds t a b i l i 够o fv e m c l e 1 1 1 i r d l y ，a c c o r d i n gt ot l l ed e m a l l d so fs b w ，吐i eh a r d w 鹏o fs b wc o n t r o l l e r b a s e do nm c 9 s12 x f 512i sd e s i 印e d t h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( 肛c o s i i ) i s 仃a n s p l a n t e dt ot h em c 9 s 12 x f 512t om a l ( et l l es b wc o n _ t r o l l e rs a t i s 匆r e a l t i m e r e q u i r e m e n t t h e nt h es o 小a 鹏o fs b w c o n t r 0 1 l e ri sd e s i g n e db a s eo nm o d u l 撕z a t i o n d e s i g n f i n a l l y ， t h e h a r d w a r e - i n t h e l o o p s i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hi sb a s e do n d s p a c e ，i se s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t sf o rt h eh a r d w a r ea i l ds o f 呐a r eo ft h es b w c o n t r o l l e ra r ec 确e do u t 诹t ht h ep l a t f o 咖t h er e s u l t so ft h et e s t ss h o wm a tt h e 1 1 1 北京t 业人学t 学硕f j 学位论文 a c h i e v e dp e r f o r n l a n c eo fs b wc o n t r o l l e rc a nm e e tt h ed e s i 班r e q u i r e m e m s i tl a y sa f 0 u i l d a t i o nf o rt h e 如r t l l e rr e s e a r c ho fv e h i c l e2 l s s i s td r i v i n ga n di n t e l l i g e n td r i v i n g k e yw o r d s ：s t e e r i n g - b y - 、7 l ，i r ec o n t r o u e r ；m c 9 s1 2 x f 5 12 ；f l e x r a yb u s ；c o s - i i ； h 莉、a r e - i i l t 1 1 e l o o ps i m u l a t i o n i v 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论一1 1 1 汽车线控转向系统概述一l 1 1 1 汽车转向系统发展1 1 1 2 线控转向系统研究意义2 1 1 3 国内外线控转向研究现状3 1 2 线控转向系统关键技术5 1 3 线控转向系统结构及功能6 1 4 本文研究的主要内容7 第2 章线控转向系统动力学模型9 2 1 引一言9 2 2 线控转向系统动力学模型9 2 2 1 线控转向系统动力学模型结构9 2 2 2 方向盘总成动力学模型1 0 2 2 3 前轮转向机构动力学模型1 1 2 2 4 汽车线性二自由度整车动力学模型1 3 2 3 本章小结1 4 第3 章线控转向系统控制策略研究1 5 3 1 引言15 3 2 线控转向系统路感控制策略1 5 3 2 1 路感定义1 5 3 2 2 路感的构成15 3 2 3 线控转向系统路感模拟控制策略l7 3 3 线控转向系统前轮转角控制策略1 8 3 3 1 固定转向灵敏度型控制策略1 9 3 3 2 横摆角速度和质心侧偏角联合控制策略2 1 3 4 电机控制策略2 5 3 4 1 参数自整定的控制思想2 5 3 4 2p i d 参数自整定模糊控制器设计2 6 3 5 本章小结3 2 第4 章线控转向系统控制器硬件系统设计3 3 4 1 引言3 3 4 2 控制器功能3 3 4 3 控制器核心板设计3 3 4 3 1f l e x r a v 通信电路设计3 5 4 3 2c a n 通信电路设计3 7 4 3 3a d 信号调理电路设计3 8 4 3 4 电源及其他接口电路设计4 0 北京丁业人学丁学硕j j 学化论史 4 4 控制器驱动板设计4 0 4 4 1 直流电机的p w m 控制原理4 0 4 4 2 控制器驱动板电路4 2 4 5 本章小结4 3 第5 章线控转向系统控制器软件系统设计4 5 5 1 引。言4 5 5 2 控制器软件系统架构4 5 5 2 1 程序组织结构4 5 5 2 2 程序执行流程4 6 5 3 “c 0 s i i 操作系统4 7 5 - 3 1p c o s i i 操作系统概述4 7 5 3 2 基于m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 的移植4 8 5 4 控制器驱动层软件设计4 9 5 4 1 ，d 程序设计4 9 5 4 2p w m 程序设计5 1 5 4 3c a n 通信程序设计51 5 4 4f l e x l v 通信程序设计5 2 5 5 控制器策略层软件设计5 5 5 6 本章小结5 6 第6 章线控转向硬件在环仿真实验5 7 6 1 引言5 7 6 2 基于d s p a c e 的硬件在环仿真实验平台的搭建5 7 6 2 1d s p a c e 实验仿真平台简介5 7 6 2 2 线控转向实验平台的搭建5 8 6 3 线控转向控制策略实验及评价6 1 6 3 1 中心区转向实验6 l 6 3 2 转向瞬态响应实验6 2 6 3 3 蛇形实验6 3 6 3 4 传统转向对比实验6 3 6 4 实验结果分析6 4 6 4 1 中心区转向实验结果6 4 6 4 2 转向瞬态响应实验结果6 6 6 4 3 蛇形实验结果6 7 6 5 本章小结6 8 结论6 9 参考文献7 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 3 致谢7 5 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 汽车线控转向系统概述 1 1 1 汽车转向系统发展 汽车在行驶过程中，行驶方向的改变和保持是由转向机构完成的。它能按照 驾驶员的操作要求而适当地改变车辆的行驶方向，是人与车之间重要的连接中介 之一，其性能直接影响着汽车的操纵稳定性，因此对于确保车辆的安全行驶、减 少交通事故、保护驾驶员的人身安全以及改善驾驶员的工作条件起着重要的作 用。随着现代汽车电子技术的快速发展，汽车的安全性、舒适性等得到越来越高 的重视，汽车动力转向系统也从传统的液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o 、e r s t e e r i n gs y s t e m ，简称h p s 系统) 、电控液压助力转向系统( e l e c t r o h y d r a 吡l i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，简称e h p s 系统) ，发展到现在逐渐推广应用的电动助力转向系 统( e 1 e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s 系统) 【1 1 。近年来，随着电子技术 和控制理论的发展，汽车线控转向( s t e e 血g 。b y w i r e ，简称s b w ) 技术也成为 国内外的研究热点。 汽车转向系统根据转向动力能源的不同可分为机械转向和动力转向两大类。 机械转向系统是以驾驶员的体力作为转向动力能源，其传力部件都是机械的，可 靠性高，受外界干扰较小，但由于转向动力均由驾驶员自身体力提供，因此加重 了驾驶员操控车辆的负担。动力转向系统是在机械转向系统的基础上增设了一套 由转向加力装置所构成的转向系统，它将驾驶员体力和发动机动力相结合作为转 向动力，在低速行驶或原地不动时，转向加力装置提供较大的助力转矩，减轻驾 驶员的负担；在高速行驶时，提供较小的助力转矩或不提供助力转矩，使得驾驶 员在高速行驶时有较好的路感。 目前广泛应用的机械液压助力转向系统是在机械转向系统的基础上，借助汽 车发动机的动力驱动油泵，以液力增大驾驶员操纵前轮转向的力量。这种动力转 向系统比较好的缓解了“轻与灵”的矛盾。 优点是：降低驾驶员的疲劳强度，衰减道路冲击，提高行驶安全性。 缺点是： ( 1 ) 燃油经济性差。在传统的液压助力转向系统中，由发动机传送带带动 液压泵旋转，液压泵在整个车辆行驶过程中的转动将不断消耗发动机的功率，从 而造成额外的燃油消耗。 ( 2 ) 转向特性不易调整。液压助力转向系统的助力特性在参数设计完成后 北京t q p 人学t ! 顸i j 学位论文 便确定了，若要调整转向特性，需要重新加工转向控制阀断面，改变扭力杆的刚 度，整个调整过程十分复杂，所花费的时间也较长。 为解决上述问题，提出将电控液压助力转向系统的液压助力泵改为电机驱动 的设计，从而使助力特性可以根据车速发生变化，在低速行驶时提供较大的转向 助力，在高速行驶时提供较小的转向助力，改善了机械液压助力转向系统存在的 转向特性难以调整的问题。同时，改变由发动机驱动的方式，也降低了对燃油的 消耗。但是，电控液压助力转向系统同样也有不足之处1 2 1 。 缺点是：与传统液压助力转向系统一样，仍然存在渗油问题，管路复杂，不 利于维修和检测。 之后提出的电动助力转向系统彻底改变了以液压油提供助力的方式，改由电 机直接提供助力，助力大小由电控单元( e c u ) 控制。系统一般由机械转向系统 加上转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、减速器、电机等组成。由电动助 力系统取代液压助力系统，除节省能源外，同时也避免了液压油泄漏带来的环保 问题，且装配方便。 以机械系统为基础发展起来的各助力转向系统改变了转向系统的力传递特 性，有效地降低了驾驶员的体力负担，提高了汽车稳定性能。但其无法改变转向 系统的角传递特性，更无法实现汽车转向的主动控制和提供辅助驾驶的功能。 1 1 2 线控转向系统研究意义 目前，使用线控系统( x b y w i r es y s t e m ) 来取代传统的液压和机械系统已 经成为技术发展的趋势，并且已经被广泛应用于航空业之中。x b y w i r e 的全称 是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”，由于它的显著优点与车 辆操纵控制领域中高效及高精度的控制要求相适应，使得线控技术在汽车上的运 用成为必然。 目前，线控技术在汽车上的应用主要有线控转向( s t e e r - b y w i r e ) 、线控制 动( b r a k e b y w i r e ) 【3 1 ，线控油门( t h r o 砌e b y w i r e ) 以及主动悬架( a c t i v e s u s p e n s i o n ) 【4 】等几个方面。其中的线控转向技术是通过控制信号连接车辆方向 盘与转向轮，从而实现车辆转向的主动控制，提供辅助驾驶的功能。 与上述转向系统相比，线控转向系统的方向盘和转向轮之间不再采用机械连 接的方式【5 】，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，因此可以根据驾驶需要，动 态地改变系统的角传递特性和方向盘的力感，从而给转向随动和汽车空间布置的 设计带来很大的自由【6 】。这种改变可以针对不同水平的驾驶人群进行设计，因而 在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天显得更加重要。 线控转向技术主要具有以下一些优点： ( 1 ) 由于取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，改为线束的柔性连接， 第1 帚绪论 曼! 曼! 曼皇! 曼曼曼曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇! ! 曼! ! 曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼舅曼皇曼曼曼鼍曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼! ! 兰曼 t 因此车身的设置更加灵活，方向盘的位置可以方便地布置在需要的位置。同时， 消除了撞车事故中转向柱后移伤害驾驶员的危险性，提供了更加安全舒适的驾驶 环境。 ( 2 ) 在传统转向系统中，路面不平和转向轮转动的不平衡所引起的冲击负 荷会传递到方向盘，而线控转向可以避免这种情况的发生。通过对方向盘回正力 矩的控制，为驾驶员提供轮胎力的反馈，在抑制不期望的路面干扰的同时，可以 使得驾驶员获得最佳的路感信息。 ( 3 ) 可以使车辆根据不同的车速和路况，动态的改变角传递特性，避免了 在高速行驶时转向过于灵敏，而在低速行驶时转向过于困难的情况发生，并且可 以由设计者根据不同水平驾驶人群的需要，对这种改变进行设计，使得越来越多 的人可以体会到驾驶的乐趣。 ( 4 ) 将车身各种传感器信号传递给线控转向控制器，使其获知整个汽车的 运动状态，当出现紧急或意外情况时，线控转向系统就能够在驾驶员做出反应之 前采取相应的动作以避免意外事故的发生，实现主动控制和辅助驾驶的功能。 1 1 3 国内外线控转向研究现状 汽车线控转向的概念早在2 0 世纪5 0 年代就已经提出，在6 0 年代末，德国的 s e l m a n n 等试图将方向盘与转向车轮之间通过导线进行连接( 即电子转向系 统) ，但限于当时的电子控制技术，电子转向并没有在实车上实现。 随着计算机技术以及自动化控制技术的快速发展，德国奔驰公司在1 9 9 0 年就 开始对前轮线控转向系统进行研究，并将开发的线控转向系统应用于概念车 “f 4 0 0 c a r v i n g 上，如图1 1 所示i 7 。 ( a )( b ) 图1 1f 4 0 0 c a i n g 概念车 f i g 1 1f 4 0 0 c a r v i n gc o n c e p tv e h i c l e 1 9 9 7 年，德尔福公司与意大利菲亚特公司签订了应用于小型车的线控转向系 统研制合同。到2 0 0 0 年上半年，德尔福公司已经与欧美等地的多个汽车生产厂家 签订了关于开发线控转向系统的合同。 北京t 、f k 人学t 学硕l j 学位论文 z f 公司也在1 9 9 8 年开发出电动助力转向系统之后，积极进行了线控转向系 统的开发研究，目前已经拥有整套的线控转向系统。图1 2 是z f 公司研制的线控 转向系统【引。 图1 2z f 开发的线控转向系统图1 3b e r s t o n e 线控驱动概念车 f i g 1 - 2s b ws y s t e mo fz f f i g 1 - 3x b wc o n c e p tv e h i c l eo fb e r s t o n e d a i m l e r - c h r y s l e r 丌发的电子驱动概念车“r 1 2 9 ”，取消了方向盘、加速踏板 和制动踏板，完全采用操纵杆控制，实现了x b y w i r e 技术，这种用操纵杆操纵 的s b w 系统被列为2 0 0 0 年汽车十大新技术之一1 9 j 。 2 0 0 1 年，意大利的b e r s t o n e 汽车设计及开发公司在第7 1 届同内瓦国际汽车展 览会上展示了新型概念车“f i l o ”，如图1 3 所示。其整体驱动均采用了线控思想， 转向、制动、换挡、离合和油门都是由线控系统控制的。 2 0 0 2 年，通用公司在巴黎车展上展示了h y - w i r e 概念车，如图1 4 所示。该车 型的仪表盘、方向盘和制动踏板均由“x d v e ”设备所代替，是世界上第一辆 可驾驶的燃料电池线控概念车。 一三 图1 4h y w i r e 概念车 幽1 5l e x u sh p x 概念车 f i g 1 4h y - w i r ec o n c e p tv e h i c l ef i g 1 5l e x u sh p xc o n c 印tv e h i c l e 2 0 0 3 年，日本本田公司在纽约国际车展上推出了“l e x u sh p x ”概念车，如 图1 5 所示。该车通过s b w 系统集成了各种控制功能，从而实现了对汽车的自动 控制。 宝马公司在概念车“b m w z 2 2 上应用了“s t e e r i n g b y w i r e 和 “b 础e b y w i r e ”技术，使方向盘的转动范围减小到1 6 0 0 便可以满足驾驶需求， 在紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到极大降低，减轻了驾驶员的负捌1 0 】。 在欧洲，由d a i m e 卜c h r s l e r 、v o l v o 、f i a t 、f o r d 等汽车制造商、b o s c h 等汽车 第1 章绪论 配件商和v i e 衄a 、c h a l m e r s 等大学联合发起的“x b v w h ”项目组也进行了线 控转向的实现以及安全可靠性方而的研究【l 。 在国内，对线控转向的研究起步较晚，而且只限于同济大学、武汉理工大学、 清华大学、吉林大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学等几所高校。其中，以同 济大学和吉林大学为主，目前还未见有国内企业参与这方面的研究。 2 0 0 5 年，同济大学自主研发了“春晖三号 概念车，如图1 6 所示。该车配 备了动力蓄能电池与小功率燃料电池，构成电电混合动力系统，其转向和驱动 均采用了线控技术。 吉林大学汽车学院的开发团队对电子转向系统进行了相关研究，他们对国外 汽车电子转向系统的研究现状进行了综述，着重介绍了电子转向系统的基本结 构、工作原理及性能特点，同时也阐述了电子转向系统中的关键技术、主要问题 和解决方法，已经取得了一定成果，并开发了线控转向实验台架，进行了路感模 拟方面的研究，实验台实物图如图1 7 所示【l 引。 图1 6 同济人学“春晖三号”概念车 f i g 1 6t o n 舀iu n i v e r s i 够c o n c e p tv e h i c l e 1 2 线控转向系统关键技术 图1 7 吉林人学s b w 实验台 f i g 1 - 7s b ws y s t e mo fj 1 i nu n i v e r s i 够 目前，线控转向系统的研究主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 线控转向系统的路感提供 由于线控转向系统取消了方向盘与转向车轮之间的机械连接，因此如何给驾 驶员提供能够准确反映车辆行驶状态和路面状况的路感信息，是实现线控转向系 统必须解决的问题之一。通过提供路感信息，驾驶员可以准确地操纵车辆行驶， 实现安全稳定的驾驶效果。 ( 2 ) 线控转向系统的转向随动控制策略 汽车线控转向系统的转向是通过控制转向拉杆的位移来带动汽车车轮的转 向而实现的，方向盘与转向车轮之间的转角关系不再像传统车辆具有固定的转角 传递关系，因此可以按照一定的控制策略来控制这种转角关系，提高车辆的操纵 稳定性能。 北京t 业人学下学形! i j 化论文 ( 3 ) 线控转向系统的总线技术 线控技术的全面应用将意味着汽车由机械到电子系统的转变。线控技术要求 网络的实时性好、可靠性高，而且一些线控功能要求实现冗余，以保证在出现一 定故障时仍可实现该装置的基本功能。这就要求用于线控技术的网络数据传输速 度快，时间特性好且可靠性高。 因此，国际上众多知名汽车公司早在2 0 世纪8 0 年代就积极致力于汽车总线技 术的研究及应用。随着汽车总线技术的发展，存在着多种汽车总线标准，例如 t t p 总线、c a n 总线和f l e x r a y 总线等【1 3 】。基于总线技术的汽车线控转向系统将 传统的机械转向系统变成通过高速容错通信总线相连的电气系统，可以实现系统 的自动化、智能化、网络化与信息化。 ( 4 ) 线控转向系统的可靠性和安全性问题 对于传统的机械系统，可以通过精巧设计来实现系统的安全性和可靠性，但 由于线控转向中没有机械连接，完全依靠电子元件以及导线束工作，而目前电子 部件还没有达到机械部件那样的可靠程度，因此电子部件如何保证线控转向系统 稳定、安全、可靠，也是线控转向系统应该解决的重要问题。 1 3 线控转向系统结构及功能 线控转向技术将传统的机械转向系统变成通过高速率容错通信总线与高性 能控制器相连的电气控制系统，有利于汽车底盘综合控制系统的整合，将极大地 提高车辆的安全性、操纵稳定性和燃油经济性。针对线控转向对通信系统的特殊 要求，结合f l e x r a y 总线最新技术，提出了如图1 8 所示的线控转向系统。该系统 主要由三部分组成：方向盘总成、转向执行总成以及控制器单元。 方向盘总成包括：方向盘、转角传感器、转矩传感器、路感模拟电机、减速 机构等。主要功能是获取驾驶员转向意图，传递给路感模拟控制器，同时接收传 送的力矩目标值信号，通过路感电机提供给驾驶员准确的路感信息。 转向执行总成包括：转向执行电机、转向器及减速机构、转角传感器、车速 传感器等。主要功能是将前轮转角信号传递给前轮转角控制器，同时接收传送的 转角目标值信号，控制转向执行电机工作，实现驾驶员的转向意图。 控制器单元包括：路感模拟控制器、前轮转角控制器以及f l e x r a y 通信总线。 路感模拟控制器用于计算路感模拟电机所需产生的回正力矩；前轮转角控制器用 于根据方向盘转角以及车况路况信息计算合理的前轮转角，从而控制转向执行电 机工作；f l e x r a y 通信总线负责连接方向盘总成与转向执行总成，进行数据传输。 第1 市绪论 r 一。一一一一一一一一一一一一一一r 一一一一一一j 感模j奠 空制舞 一 寻ji 习 二n | | j 通 信 轮转勇 2 制器 塑j 电机 j _ e 二= 撕瓣le l j转向执行 4 一27 u 总成 ：，一： 图中：1 转矩传感器，2 转角传感器，3 减速机构，4 速度传感器 图1 8 线控转向系统控制结构图 f i g 1 - 8c o n 仃o ls t r u c t u r eo fs b ws y s t e m 1 4 本文研究的主要内容 本文根据线控转向台架系统的功能要求，对线控转向控制器进行设计，主要 包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 建立线控转向系统动力学模型 以实验室线控转向实验台架为基础，使用m a t l a b s i m u l i n l ( 软件建立线控转 向系统的动力学模型，主要包括方向盘总成动力学模型、前轮转向机构总成动力 学模型、以及汽车线性二自由度整车动力学模型三个部分。 ( 2 ) 线控转向控制策略的研究 基于线控转向系统动力学模型以及线控转向系统关键技术，对线控转向控制 器上层控制策略进行研究，包括路感模拟控制算法和前轮转角控制算法，并在线 控转向系统动力学模型中进行仿真验证，同时研究控制器下层控制策略，即对电 机的模糊p i d 控制算法。 ( 3 ) 线控转向控制器硬件部分设计 设计开发基于m c 9 s 1 2 x f 5 1 2 单片机的线控转向控制器硬件电路，包括通信 部分，a d 信号调理部分和电源部分等，并对控制器各功能模块进行系统调试。 ( 4 ) 线控转向控制器软件部分设计 在完成控制器硬件电路的基础上，针对m c 9 s 1 2 5 1 2 单片机移植了 “c o s i i 实时操作系统，为线控转向控制器的软件提供嵌入式的实时平台。之后， 对控制器各功能模块进行软件程序设计，包括通信程序，a d 采集程序，p w m 程序以及控制策略软件程序的编写。 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 ( 5 ) 硬件在环仿真实验研究 最后，搭建基于d s p a c e 的硬件在环仿真实验平台，并对线控转向控制系统 进行硬件在环仿真实验，测试控制器的性能，为线控转向控制器的实车实验奠定 了基础。 第2 章线拧转向系统动力学模型 2 1 引言 第2 章线控转向系统动力学模型 准确简单的线控转向系统动力学模型是研究线控转向控制策略和参数匹配 的基础，同时也是硬件在环仿真实验中不可缺少的组成部分。本文使用m a t l a b 软件的s i m u l i l l l ( 仿真功能建立模型，主要包括方向盘总成动力学模型、前轮转向 机构总成动力学模型、以及汽车线性二自由度整车动力学模型三个部分。 2 2 线控转向系统动力学模型 2 2 1 线控转向系统动力学模型结构 根据第一章介绍的线控转向系统结构和功能，本文建立了线控转向系统动力 学模型，主要包括三个部分：方向盘总成动力学模型、前轮转向机构总成动力学 模型、以及汽车线性二自由度整车动力学模型。模型结构图如图2 1 所示。 图2 1 线控转向系统动力学模型结构图 f i g 2 - ld y i l 锄i c sm o d e ls 仃u c t u r eo fs b ws y s t e m 线控转向控制器所需要的方向盘转角信号、前轮转角信号、横摆角速度信号、 质心侧偏角信号等分别由方向盘总成动力学模型、前轮转向机构总成动力学模型 和线性二自由度整车动力学模型提供，同时，由控制器控制路感电机和转向电机 进行工作。 北京t 业人学丁学硕l j 学位论丈 、曼曼! 曼皇曼曼! 皇皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼量! 曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍皇! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 2 2 2 方向盘总成动力学模型 方向盘总成系统主要包括方向盘、转向柱、转角传感器和路感电机。转向柱 与路感电机的动力学模型如图2 2 所示，并建立系统微分方程【1 4 1 。 j申 墓 伊 图2 - 2 方向楹总成动力学模犁 f i g 2 2d y n 锄i cm o d e lo ft h es t e e r i n gw h e e l 转向柱运动微分方程： 。= 以瓯+ 玩 一。) + k 。( 皖一1 1 ) + 。 ( 2 一1 ) 式中：恸为驾驶员提供的转向力矩；为方向盘的回正力矩；瓯为方向 盘的转角；屯。为电机转角；以为方向盘的转动惯量；历。为转向柱的阻尼系数； k ，为力矩传感器刚度；砌，为路感电机的减速比。 路感电机运动微分方程： 。= 。屯。+ ，。+ ，k 。( 。l 一瓯) ( 2 2 ) 式中：砌，为路感电机的惯量；助，为路感电机的阻尼系数。 电机电学方程： 一； 睾+ 屯l r + 死如1 = 匕 ( 2 3 ) “i 式中：圪为电机电压；乞。为路感电机电流；r 为电机的电阻：三为电机的电 感；为电机路感的电磁常数。 转向柱运动微分方程反映了驾驶员提供的转向力矩与电机提供的路感力矩 之间的关系。由驾驶员提供的转向力矩、路感力矩和电机转角可以得出方向盘的 转角大小。路感力矩大小和电机转角分别由路感电机运行微分方程以及电机电学 方程计算得出，从而构成整个方向盘总成动力学模型，包括两个输入( 驾驶员转 向力矩、电机电压) 和两个输出( 方向盘转角、电机转矩) 。由m a t l a b s i m u l i n k 第2 章线摔转向系统动力学模型 搭建的模型如图2 3 所示。模型中t u m 模块对应转向柱运动微分方程，m a c h i n a l 模块对应路感电机运动微分方程，e l e l 模块对应电机电学方程。 图2 3 方向盘总成动力学模型s i m u l i n k 仿真图 f i g 2 3s i m u l i n kd y n a m i cm o d e lo ft h es t e e r i n gw h e e l 2 2 3 前轮转向机构动力学模型 前轮转向执行机构主要包括车轮、齿轮齿条转向器、转向执行电机、减速机 构和转角传感器等。转向执行电机通过减速机构传动轴与小齿轮啮合，转向齿条 经转向拉杆、转向拉臂与车轮相连。转向时，转向执行电机接受控制指令，然后 通过减速机构、小齿轮、齿条和转向拉杆实现转向。 图2 _ 4 前轮转向机构动力学模型 f i g 2 - 4d y n 锄i c