汽车线控转向系统稳定性控制研究

刘忠强　李德贵　申慧君

摘要：由于线控轉向系统的工作稳定性直接影响着汽车驾驶的安全和舒适性，为了保证线控转向系统的稳定性能够满足驾驶要求，提出了采用波变量方法对线控转向系统进行稳定性控制。对线控转向系统进行动力学建模，通过Matlab/Simulink和Carsim软件进行联合仿真实验，最后验证了所提出控制方法的有效性。

关键词：线控转向系统;波变量;联合仿真;稳定性控制

中图分类号：U463.4

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.08.034

1 引言

汽车线控转向系统，是指转向盘到转向车轮之间不再具有直接的机械连接，驾驶员的转向信息以电信号的形式传递给电控单元，电控单元再以电信号形式向转向电机发出控制指令，从而实现转向控制，同时路感电机也将接受电控单元的控制指令，给驾驶员提供转向路感[1-2]。由于线控转向控制系统具有转向操纵总成和转向执行总成两个受控对象，并且他们之间具有转矩和转角信息的耦合关系，所以线控转向系统可看作是一种双向控制系统[3]。

2 建立线控转向系统动力学模型

线控转向系统的一般结构包括转向操纵总成、电控单元、转向执行总成三个主要部分组成。其中，转向操纵总成又由方向盘模块和路感电机模块组成，而转向执行总成只有转向电机一个模块。此外，还有实现电源供给、故障诊断、容错控制等功能的系统装置[4]。目前，根据研究方向和侧重点不同，线控转向系统可以具有不同的双向控制结构形式。本文中，选择运算相对简单的转矩驱动转角反馈型双向控制结构作为研究对象。因此，下面建立线控转向系统各部分的动力学模型。

转向操纵总成的方向盘模块动力学模型为：

3 设计线控转向系统波控制器

1991年，Niemeyer和Slotine从能量传输角度，提出了波变量概念，并通过波变换法导出了一种无源稳定性控制方法[5]。该方法对系统任意通信时延均具有较好鲁棒性，已成为解决双向控制系统稳定性问题的重要方法之一。根据本文选用转矩驱动转角反馈型作为线控转向系统的结构特点，结合波变量控制方法的思想，对系统主端与从端进行能量变量到波变量的转换。设U和V为波变量，U表示前行波，V表示返回波。b为波阻抗，是波控制器中唯一可调节参数。

主端转向操纵总成的波变量转换设计为：

仿真实验工况设置为：方向盘转角输人为正弦信号，频率为1.5 Hz，车速为50 km/h，波阻抗为O.I，通信时延为0.05 s。通过仿真实验，可以得到引入波变量方法前的线控转向系统方向盘转角与转向器小齿轮转角曲线如图1所示，引入波变量方法后的线控转向系统方向盘转角与转向器小齿轮转角曲线如图2所示。

从图1可以看到，如果系统内部存在通信时延时，未采用波变量方法对线控转向系统进行稳定性控制的情况下，转向器小齿轮转角震荡波动幅度较大，不能准确地跟随方向盘转角变化，那么线控转向系统工作时将发生失稳现象。从图2可以看到，采用波变量方法对线控转向系统进行稳定性控制的情况下，转向器小齿轮转角几乎没有震荡波动现象发生，并且能够较准确地跟随方向盘转角变化，这时线控转向系统工作是稳定的。

5 结语

本文通过引入波变量控制方法，对线控转向系统的工作稳定性进行了初步研究，接下来还可进一步研究波变量方法自身优化以及考虑故障容错对线控转向系统稳定性的影响和提高。线控转向系统作为未来汽车发展的新技术之一，其稳定性将直接影响到汽车行驶安全程度和驾驶品质。因此，研究线控转向系统的工作稳定性对其工程化应用和推广具有重要现实意义。

参考文献：

[1] Han Y， He L， Wang X， et al.Research on Torque RatioBased on the Steering Wheel Torque

Characteristic forSteer-by-Wire System [J] .Joumal of AppliedMathematics， 2014（7）：1-7.

[2]陈俐，李雄，程小宣，等.汽车线控转向系统研究进展综述[J].汽车技术，2018（4）：23-34.

[3] Katsura S，Iida W， Ohnishi K.Medical mechatronics-Anapplication to haptic forceps[J].Annual Reviews inControl， 2005， 29（2）：237-245.

[4]于蕾艳.汽车线控转向系统容错和故障诊断技术综述[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2015（5）：165-169.

[5] Niemeyer G， Slotine J E.Stable adaptive teleoperation[J].IEEE Joumal of Oceanic Engineering， 1991， 16（1）：152-162.