汽车线控助力转向SBW系统及其相关技术

王晓明，吴海波，杨平，雷涛，刘  闯

    (哈尔滨工业大学，黑龙汀喻尔滨150001)

     摘要：在简述汽车转向及线控技术的发展之后，介绍了汽车线控转向系统的动力学模型、两种基本架构(包括经典架构和双控型架构)及执行电机的工作情况，并在此基础上引入了SBN的试验系统：HIL模拟器，亥模拟器可以用来测试硬件系统(包括ECU和逆变器)和验证力反馈控制算法。汽车驾驶的安全眭尤为重要，通过力反馈系统实例沧述了以冗余为基本思想的容错技术。

    关键词：线控转向系统；力反馈子系统；路感；冗余技术

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)05—0004—05

0引言

   转向性能是汽车的主要性能之一，它直接影响到汽车的操纵稳定性。合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，是重要研究课题。这促进了线控转向系统(SBW，即Steer—By Wire System)的发展^[1-3,6].SBW是继EPS后发展起来的新一代转向系统，它具有操纵稳定性更好的特点，在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接，****摆脱传统转向系统固有限制，带来驾驶方便的同时也提高了汽车的安全性。

    世界各大汽车厂商、研发机构，包括Daimlerysler、宝马、zF、DELPHI、TRW以及日本KOYO精上技术研究所、日本国立大学、本田等都对SBW做了深入研究。澳大利亚昆土兰大学、美国斯坦福大学分别研究了线控转向的硬件在线试验、主动转向控制策略。SKF的汽车分部推出了称为Novanta的新型线控汽车，已经批量生产。国外已有几十一项线控转向专利，例如：

    (I)左右前轮分别用独立的执行机构控制，采辇，用多变量解耦控制独立控制左轮转角和右轮转角，分别跟踪左右轮参考转角，实现优化的阿克曼转向；

    (2)线控转向系统的力反馈控制；

    (3)冗余线控转向系统。

    线控技术由线载电信号实现传递控制，不通过机械连接装置操作。传统的方式通过机械机构来操纵汽车。线控技术则将动作转为电信号，传递指令操纵汽车。汽车中各种线控系统或线驱动系统将在今后得到高速发展，如线控制动、线控转向、线控油门、线控悬架等正在研发。当线控这一目标实现时，汽车将是一种全高技术产品，发动机、变速器、传动轴、驱动桥、转向机这些传统的机械装置被电子元器件取代，汽车可以说是一台装在轮子I的计算机。

1转向盘和前轮的动力学模型

    SBW系统可以分为转向盘和前轮两部分，各自包含两电机，即回正电机(Steering—wheel Motor)和转向电机(Road wheel Motor)^[3-4,7-8]，它们接收来自ECU的信号，一个为转向盘提供反作用力，另一个驱动转向轮按驾驶员意图偏转。

    图la为转向盘动力学模型[3]，电机提供反作用力给驾驶员。模型包括驾驶员输人的转向力矩Fm，电机提供的转向反作用力Tm，转向柱连接转向盘和电机，电机驱动轴的刚性可以忽略，转向盘动力学方程为：

式中：δm为转向角度；Im，Rm为前轮的瞬时转动惯量和阻尼系数；Cm为静摩擦力矩。

    在转向电机、转向齿轮、连接杆的辅助下，前轮电机的力矩通过齿轮传递到前轮。位置传感器用来测量转向齿条的位移，信号传送给Ecu。同时计算处理转向盘转角和前轮转角。图1b为前轮动力学

模型[5]，在前轮中，只计算连接杆的刚性，其他都忽略不计，前轮动力学模型方程为：

式中：δs为前轮转角；Is、Rs为前轮系统的瞬时转动惯量和阻尼系数；t为静摩擦力矩；rs为转向传动比;ts,Fdis为前轮的电机力矩和扰动力矩。扰动力矩表示为：

式中：tint为内部扰动转矩；ta为外部扰动转矩，是矫正转矩。rf表示为：

式中：Fc为摩擦系数。

2 sBw系统构架及执行电机的工作