汽车线控转向系统的台架试验1 于蕾艳1，林逸2，施国标2 （1 中国石油大学（华东） 机电工程学院，山东东营; 2北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京 100081）
摘要：线控转向系统取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，因而可以根据车况主动提供路感和进行主动转向，提高车辆的操纵稳定性。进行了线控转向系统的试验台架的软硬件设计，该台架可以验证线控转向系统的控制策略，进行路感电机、转向电机、传感器等关键部件的试验。试验结果表明，采用的路感电机控制算法能较好地实现对电流的伺服控制，可用于路感控制；转向电机控制算法能较好地实现对传动比的控制。 关键词： 线控转向 台架试验 路感电机 中图分类号：U270.11
文献标识码：A
引言 线控转向（Steer-by-Wire ,SBW）系统对传统转向系统的根本变革是取消了转向盘和转向轮的之间机械连接，因而可以根据车况主动提供路感和进行主动转向，提高车辆的操纵稳定性 [1][2][3][4]。国内对线控转向试验台研究尚不多。本文探讨了线控转向试验台的软硬件设
计和控制策略验证等。
1线控转向系统的试验台架 线控转向系统的试验台架结构如图1所示，主要由转向阻力模拟装置、系统安装台架、测控系统及部分附件组成。线控转向系统包括转向管柱、齿轮齿条式转向器、横拉杆等，与试验台有3处连接位置，即转向管柱与转向管柱连接支架、转向器壳体与转向器连接架、转
1基金项目：奥运用纯电动客车整车优化及制造 编号：D0305002040111
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http://www.paper.edu.cn 向横拉杆与转向阻力模拟装置（左、右各一）。此3处连接位置可调，以适应安装不同规格的线控转向系统。
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1－铁地板；2，7－转向阻力模拟装置；3，5－拉压传感器；4－齿轮齿条式转向器；6－齿条位移传感器；8－座椅；9－转向盘；10－转向盘扭矩传感器；11－转向盘转角传感器；12－线控转向管柱；13－支架；14－导轨
图1 线控转向试验台结构
图2所示为测控系统硬件构成，测控系统由工控机、数据采集卡、测控软件、各种传感器、开关、继电器、按钮等组成。采用研华PC作为测控计算机，其CPU为PIV1.4G，内存128M。采用PC作为测控计算机，是因为PC 具有很多优点：性能稳定，计算速度快，能实现复杂的控制算法；PC的开发工具齐全，应用程序接口和图形界面非常友好；PC储存器容量大，可以实时存储大量的试验数据用于分析计算；能使用通用操作系统和大多数编程语言；支持DOS、Windows98、Windows NT/2000、UNIX等多种通用操作系统，为控制系统的软硬件开发提供很大方便；围绕PC的各种板卡标准化、系列化，系统集成灵活机动。试验台装有的传感器包括：转向盘转矩与转速传感器、转向盘转角传感器、齿条位移传感器、齿条拉压传感器、电机电流传感器及电压传感器。
工控机
转向盘传感器
霍尔电压传感器信号调理与放大
数据采集卡
转向盘力矩、转角及转速
车速传感器霍尔电流传感器转向阻力(左、右)
电机电流
模拟车速电机电流
转向阻力拉压传感器(左、右)
图2 测控系统硬件构成 2线控转向系统匹配设计 路感电机采用直流有刷力矩伺服电机，转向电机采用三相交流步进电机。路感电机的最大力矩根据驾驶员作用在转向盘边缘的最大力确定： 1maxTdmax
F
2
http://www.paper.edu.cn 1maxdmax/2TFd=⋅ （1）
式中：d -转向盘直径。 一般认为，汽车原地转向时具有最大的转向阻力矩： maxr
T
31max3r
Gf
T
p=
（2）
转向电机的最大输出转矩应满足下式2maxT[5]： 2maxmax/rtTT>g
式中：-转向电机的减速比 t
g
表1所示为路感电机和转向电机主要参数。 表1 电机参数 电机 参数类别 参 数
路感电机 类型 额定电压（V） 额定转矩（N·m） 额定电流（A） 减速机构传动比
力矩伺服电机 DC12 1.5 30 16.5
转向电机 类型 相数 步距角（°） 保持转矩（N·m） 电压（V） 相电流（A）
步进电机 三相 0.6 7.0 AC80~350 2.0
3 线控转向系统的控制系统设计 线控转向控制系统主要由路感电机、转向电机、转向盘转角传感器、小齿轮转角传感器和控制器组成。路感电机的驱动与控制由控制器完成，控制器中设有H桥驱动电路和电流传感器，可采用PWM方法实现对路感电机输出力矩的控制。步进电机运转由专门的步进电机驱动器来控制，驱动器受控制器输出的脉冲信号和方向信号控制，驱动器接受一个脉冲，步进电机按控制器给出的方向转一步。转向盘转角传感器与小齿轮转角传感器均采用美国TT公司的BI转向传感器。控制器为16位单片机系统，包括电源电路、转角传感器接口电路、路感电机电流传感器电路、路感电机驱动电路、转向电机控制电路等。硬件系统的结构框图如图3所示。
3
http://www.paper.edu.cn MCU转向盘转角传感器
小齿轮转角传感器
电源电路
步进电机驱动器转角传感器接口电路
路感电机路感电机驱动电路路感电机电流传感器接口电路
转向电机 图3控制器硬件系统的结构框图 控制软件主要包括主函数程序、中断程序、定时程序、自检程序、计算程序等。主函数程序主要是根据控制的要求整合各个功能模块，并实现软件保护等功能。首先对程序中使用的所有变量、MCU的相关寄存器进行初始化，然后根据先采集后控制的顺序调用各个模块，实时检测系统的工作状态。如图4为主函数控制流程图。
图4 主函数控制流程图 路感电机PWM计算模块的作用是使电机实际电流快速、平稳地跟随着目标电流的变化。
首先通过比较目标电流cmd
I和电机实际电流I，求出它们的差值。通过调整PID的三
个参数，调节出符合要求的系统输出。PID参数整定是控制系统设计的核心内容。它()ek
()uk是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数PK、积分系数和微分系数IKDK的大用是压空
与上述路感电机电流跟踪PID计算过程相似，根据转向盘转角传感器计算，得出转向电机脉冲数。 4 线析 小。PWM程序的主要作向电机驱动模块输出PWM信号和电机换向信号。首先，根据PID电流跟踪程序得出的)uk与母线电U的比值k,确定PWM的占比P,P等于k*100%。然后判断当前转向盘力矩dT的方向，当dT正向时，PC0输出0；当反向时，PC0输出1。转向(dT电机脉冲数的计算过程和小齿轮转角的差值进行PID控转向试验分析 4.1 路感电机控制试验分
4
http://www.paper.edu.cn 采用例型转向盘力矩算法和策略的有效性。 比反馈控制策略[6]进行路感控制特性试验，用于验证路感电机控制mliswlswIKδ= 式中，mlI为路感电机的电流；iswlK为路感比例系数，swδ为转向盘转角。 试验中设置0.018A/°和0.03 A/°两个不同比例的K。每次运行记录转向盘转角和路感电机电流sw1
。图5为转向盘转角-路感电机电流曲线，曲线表明路感电机的电流能较好地跟
踪目标电流的变化，所采用的路感电机控制算法能较好地实现对电流的伺服控制，可用于路感控制。
图5 路感电机电流的跟踪 4.2 转向电机控制试验分析 图6所示小齿轮转角踪转向盘转角的时间历程曲线，曲线表明转向电机控制算法能较好地实现对传动比的控制，但是图中小齿轮转角滞后于转向盘转角，这是由于转向电机的响应速度不足引起的，需要采用更快速的转向电机。
图 6 步进电机转角的跟踪 5 结论 进行了线控转向系统的试验台架的软硬件设计，该台架可以验证线控转向系统的控制策略，进行路感电机、转向电机、传感器等关键部件的试验。试验结果表明，采用的路感电机控制算法能较好地实现对电流的伺服控制，可用于路感控制。转向电机控制算法能较好地实
对传动比的控制，但是图中小齿轮转角滞后于转向盘转角，这是由于转向电机的响应速度现
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http://www.paper.edu.cn 不足引起的，需要采用更快速的转向电机。 参 Yao et al. System and method of controlli-by-wir. United states：US 6,694,239 [2] 左统控制方法研究[D].吉林：吉林大学，2005. eel steering control.IEEE 35th [5] [6] rn Raksincharoensa, Shunsuke Watanabe. Design of Steer-by-Wire Control Based on Vehicle Dynamic Control Theory[R]. The 13th International Pacific Conference on Automotive Engineering：891~896. 考文献 [1] ng vehicle steere systems[P]B1,Feb.17,2004.
建令.汽车电子转向系[3] Shoji Asai. Development of Steer-by-Wire System with force feedback using a disturbance observer[R]. SAE paper, 2004-01-1100.
[4] E.Ono. Robust stabilization of vehicle dynamics by active front whconference ,1777-1782,1996.余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2004第三版：126~128. Masao Nagai, Pongsatho
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Test Bench of Automobile Steer-by-Wire System Yu Lei-yan1, Lin Yi2, Shi Guo-biao2 （1 College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying,Shandong 257061, China; 2 School of Mechanism and Vehicle Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China）
Abstract: Steer-By-Wire (SBW) system eliminates the mechanical connections between steering wheel and