汽车线控转向系统的研究与应用

汽车线控转向系统的研究与应用

1车辆线性控制技术的应用和发展1.1线控转向系统动力汽车公司还采用了德国的自动驾驶系统（sdw）。Z22车型取消了转向柱、连杆等机械结构,可以减少在车辆发生撞击时机械部件对驾驶员的伤害。转向盘的转动范围减到160°,使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。并且由于取消了机械机构,驾驶仓的空间增大,操纵机构可以布置得更为合理,提高了乘坐舒适性与座椅位置的调整范围。2003年日本丰田公司在纽约国际车展上推出了LexusHPX概念车,该车也采用了线控转向系统,在仪表盘上集成了各种控制功能,实现车辆的自动控制。估计几年后,机械系统将逐渐由电缆与电信号取代。1.2拓展的新能源同济大学利用Dspace/Autobox为四轮驱动电动汽车开发了线控转向试验台架以及四轮驱动、四轮转向电动汽车。武汉理工大学利用电磁施力器进行转向盘力反馈,设计了模糊-PID混合控制器,开发的线控转向系统可以实现转向随动。吉林大学进行了变传动比、转向盘回正力矩和稳定性算法研究。但是这些研究目前还都处于初级试验阶段。2该技术的工作原则和结构2.1车辆转向机构线控系统的工作原理见图1。用传感器检测驾驶员的转向数据,然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU(电子控制器),并从转向控制系统获得反馈命令;转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令,并从转向系统获得车轮情况,从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度,并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分,例如转向操纵机构,以使驾驶员获得路感,这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。又因为转向系统完全在转向控制系统的控制下运动,所以几乎可以在任意位置实现任意转向传动比,ECU综合这些信号和其他信号,然后作出判断,再控制前轴的转向角度。在紧急情况下,为避免驾驶员的错误判断,这个系统还会忽略驾驶员的转向输入,平稳地将车保持在最安全的状态。这种系统特别适用于轿车和大型汽车。当人们使用线控转向时,在转向盘和被驾驶着的车轮之间再也不需要任何的机械联接,系统中转向力直接由电子或电控液压式的激励器提供。2.2转向盘、转速传感器和转速反馈电机汽车线控系统结构见图2。该系统的结构可以分为3个主要部分:第1部分是转向盘系统,包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器和转矩反馈电动机;第2部分是电子控制系统,包括车速传感器,也可以增加横摆角速度传感器、加速度传感器和电子控制单元,以提高车辆的操纵稳定性;第3部分是转向系统,包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等。2.2.1回正力矩电机转向盘模块包括方向盘组件、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。其主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号并传递给主控制器,同时主控制器向方向盘回正力矩电机发送控制信号,产生方向盘回正力矩,给驾驶员提供相应的路感信息。2.2.2驾驶转向操作指令电子控制器安全点电子控制系统对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,向转向盘回正力矩电机和转向电机发送命令,控制这两个电机协调工作。电子控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别,判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时,转向盘系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽,以合理的方式自动驾驶车辆,使汽车尽快恢复到稳定状态。2.2.3转向电机控制前轮转向系统模块的功能是实现驾驶员的转向意图,完成转向任务。在线控转向汽车中,转向运动已不再由驾驶员手中的方向盘直接驱动,而是由主控制系统中的控制算法控制转向电机完成转向操作。其中前轮转向系统模块的控制算法主要由理想可变传动比及其控制策略构成,并能够保证汽车在不同速度下转向特性一致,简化驾驶操作,以适合不同的驾驶人群。3汽车线程控制系统的优势3.1转向柱的后倾,对司机造成的伤害线控系统取消了转向柱等机械联接,减少了碰撞事故中由于转向柱的后倾而对驾驶员造成的伤害。同时采用了取消转向盘的线控转向系统后,驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件,减少了危险发生时对乘员可能造成的伤害。3.2具有变传动比的sdw系统,提高了系统线控系统改善了传统汽车所不能解决的汽车转向过程中转向力和转向响应时间的矛盾,使得转向系统和转向盘同步工作,控制更加灵敏;具有变传动比特点的SBW系统,克服了传统的转向角传动比的固定所带来的转向特性随着汽车行驶姿态的不同而变化的缺点,提高了汽车系统对驾驶员转向输入的响应能力和主动安全性。与此同时,由于减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程,使系统惯性、摩擦和传动部件之间的间隙都得以降低,从而使转向系统的响应速度和准确性都得以提高。3.3控制信号生成驾驶员所需的路感信息是主控制器根据汽车实际的行驶工况,向方向盘回正力矩电机提供控制信号生成的。由于可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息,作为生成方向盘回正力矩的控制变量,能够使方向盘仅向驾驶员提供有用的信息,从而获得更加符合驾驶员喜好的“路感”。3.4采用软件控制部分参数,有利于开发更成由于线控系统的硬件部分具有很大的通用性,并且采用软件控制,可以通过修改部分参数就可以应用于其它车型,为新车型的开发节省了大量的时间,降低开发的成本。3.5电机功率输出,减少废气排放由于线控转向取消了机械联接,减轻了整车的重量,仅仅在需要转向时电机才有功率输出,节省了能源,减少废气排放。同时线控转向系统中取消了液压助力,避免了液压油泄漏、液压油管、油封等废弃物对环境造成的污染。3.6发动机系统同步运转的影响采用线控转向系统后,发动机不必再像传统转向汽车那样,驱动油泵与发动机同步运转,使汽车的加速性能得到提高,这对于以加速性能作为重要因素吸引消费者的汽车生产厂家来说,有着一定的吸引力。4该系统的关键技术4.1线控系统的容错功能机械系统可以通过提高设计和制造水平来提高安全性,但对于线控系统来说,完全依靠电子和电器元件工作,需要采用容错措施。线控系统的容错功能表现为:在系统的功能和零件的数量在设计上是一定的前提下,如果某个零件发生故障,其它相应部分就自动承担起相应的功能。容错技术是最近二三十年发展起来的一项新技术,采用容错技术可以设计出高度可靠的产品,这也为线控系统的开发创造了条件。4.24提高电流和功率线控技术至少需要增加两个转向电动机,所以增加了对电能的需求。如果仍采用传统的车载12V供电系统,就必须通过提高电流来获得更高的功率,而过高的电流会引起系统的不稳定和安全隐患,所以采用42V供电系统就成了线控技术的必然选择。42V电源的采用也为发展SBW系统创造了条件:电动机的质量减轻了20%,减小了线束直径,提高了电子元件的集成度等,这些优点对线控系统的开发具有决定性的影响。5在其他方面的应用线控技