汽車線控助力轉向SBW系統及其相關技術

王曉明，吳海波，楊平，雷濤，劉  闖

    (哈爾濱工業大學，黑龍汀喻爾濱150001)

     摘要：在簡述汽車轉向及線控技術的發展之后，介紹了汽車線控轉向系統的動力學模型、兩種基本架構(包括經典架構和雙控型架構)及執行電機的工作情況，并在此基礎上引入了SBN的試驗系統：HIL模擬器，亥模擬器可以用來測試硬件系統(包括ECU和逆變器)和驗證力反饋控制算法。汽車駕駛的安全眭尤為重要，通過力反饋系統實例滄述了以冗余為基本思想的容錯技術。

    關鍵詞：線控轉向系統；力反饋子系統；路感；冗余技術

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)05—0004—05

0引言

   轉向性能是汽車的主要性能之一，它直接影響到汽車的操縱穩定性。合理地設計轉向系統，使汽車具有良好的操縱性能，是重要研究課題。這促進了線控轉向系統(SBW，即Steer—By Wire System)的發展^[1-3,6].SBW是繼EPS后發展起來的新一代轉向系統，它具有操縱穩定性更好的特點，在轉向盤和轉向輪之間不再采用機械連接，****擺脫傳統轉向系統固有限制，帶來駕駛方便的同時也提高了汽車的安全性。

    世界各大汽車廠商、研發機構，包括Daimlerysler、寶馬、zF、DELPHI、TRW以及日本KOYO精上技術研究所、日本國立大學、本田等都對SBW做了深入研究。澳大利亞昆土蘭大學、美國斯坦福大學分別研究了線控轉向的硬件在線試驗、主動轉向控制策略。SKF的汽車分部推出了稱為Novanta的新型線控汽車，已經批量生產。國外已有幾十一項線控轉向專利，例如：

    (I)左右前輪分別用獨立的執行機構控制，采輦，用多變量解耦控制獨立控制左輪轉角和右輪轉角，分別跟蹤左右輪參考轉角，實現優化的阿克曼轉向；

    (2)線控轉向系統的力反饋控制；

    (3)冗余線控轉向系統。

    線控技術由線載電信號實現傳遞控制，不通過機械連接裝置操作。傳統的方式通過機械機構來操縱汽車。線控技術則將動作轉為電信號，傳遞指令操縱汽車。汽車中各種線控系統或線驅動系統將在今后得到高速發展，如線控制動、線控轉向、線控油門、線控懸架等正在研發。當線控這一目標實現時，汽車將是一種全高技術產品，發動機、變速器、傳動軸、驅動橋、轉向機這些傳統的機械裝置被電子元器件取代，汽車可以說是一臺裝在輪子I的計算機。

1轉向盤和前輪的動力學模型

    SBW系統可以分為轉向盤和前輪兩部分，各自包含兩電機，即回正電機(Steering—wheel Motor)和轉向電機(Road wheel Motor)^[3-4,7-8]，它們接收來自ECU的信號，一個為轉向盤提供反作用力，另一個驅動轉向輪按駕駛員意圖偏轉。

    圖la為轉向盤動力學模型[3]，電機提供反作用力給駕駛員。模型包括駕駛員輸人的轉向力矩Fm，電機提供的轉向反作用力Tm，轉向柱連接轉向盤和電機，電機驅動軸的剛性可以忽略，轉向盤動力學方程為：

式中：δm為轉向角度；Im，Rm為前輪的瞬時轉動慣量和阻尼系數；Cm為靜摩擦力矩。

    在轉向電機、轉向齒輪、連接桿的輔助下，前輪電機的力矩通過齒輪傳遞到前輪。位置傳感器用來測量轉向齒條的位移，信號傳送給Ecu。同時計算處理轉向盤轉角和前輪轉角。圖1b為前輪動力學

模型[5]，在前輪中，只計算連接桿的剛性，其他都忽略不計，前輪動力學模型方程為：

式中：δs為前輪轉角；Is、Rs為前輪系統的瞬時轉動慣量和阻尼系數；t為靜摩擦力矩；rs為轉向傳動比;ts,Fdis為前輪的電機力矩和擾動力矩。擾動力矩表示為：

式中：tint為內部擾動轉矩；ta為外部擾動轉矩，是矯正轉矩。rf表示為：

式中：Fc為摩擦系數。

2 sBw系統構架及執行電機的工作