一种线控转向系统的整体结构建模方法与流程

本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种线控转向系统的整体结构建模方法。

背景技术：

线控转向系统是一种新兴的汽车转向系统。与传统的机械式转向系统不同，线控转向系统中转向盘和转向器之间没有刚性的机械连接，整个转向系统的机械部分只有转向盘模块和转向执行模块两部分。两个模块间的信息传递完全由电信号取代，每个模块配有一个电机来提供动力输入。转向执行模块的电机负责驱动转向轮，而转向盘模块的电机负责模拟机械转向系统中路面传递给转向盘的路感力矩。两模块间配有控制器，通过设定的控制算法调控两个电机实现整个线控转向系统的运转。

变角传动比(线控转向系统的理想传动比)设计和线控转向系统稳定性控制问题，一直都是线控转向系统研究的热点问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种线控转向系统的整体结构建模方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种线控转向系统的整体结构建模方法，包括如下步骤：

s1、通过设置carsim中转向系统参数并采用三环pid控制器对转向执行模块进行转向系统的建模；

s2、以恒定车速定横摆角速度增益和转向灵敏度两个指标对角传动比进行设计，并将设计好的整体角传动比特性嵌入之前所建模型中；

s3、根据反馈-位置型线控转向系统双向控制结构结合上述的建模方法对线控转向系统转向盘模块建模，分析并设计力传动比特性；

s4、将步骤s2所得的转向盘模块模型和步骤s3所得转向执行模块模型连接起来进行线控转向系统的整体建模并绘制整体结构图；

s5、采用以无源性为基础的波变量法设计稳定性控制器。

其中，所述步骤s1具体包括如下步骤：

将carsim转向系统模型中的转向盘和转向管柱转动惯量设为无穷小，刚度设为无穷大，认为转向盘转向管柱和小齿轮为一个整体，从而屏蔽了carsim中的转向盘机构；采用一个三环pid控制器控制转向执行电机，将转向执行电机输出力矩直接作为carsim的输入量建立数学模型。

其中，线控转向系统角传动比β可以通过侧向加速度表示为：

其中，gp为转向系统增益，v是车速；gay是侧向加速度稳态增益，单位是g/100deg。

本发明具有以下有益效果：

1.与机械式转向系统相比，由于取消了机械连接驾驶员腿部空间更宽大乘坐舒适性更好。

2.依照实际驾驶意愿和权威数据，所设计的变角传动比的操控性更加优良。

3.本发明所采用的波控制器可以确保任意延时下线控转向系统的整体稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中步骤s1的控制框图。

图2为本发明实施例中转向盘模块的示意图。

图3为本发明实施例中线控转向系统整体建模框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种线控转向系统的整体结构建模方法，包括如下步骤：

s1、通过设置carsim中转向系统参数并采用三环pid控制器对转向执行模块进行转向系统的建模；具体的，将carsim转向系统模型中的转向盘和转向管柱转动惯量设为无穷小，刚度设为无穷大，认为转向盘转向管柱和小齿轮为一个整体，从而屏蔽了carsim中的转向盘机构；采用一个三环pid控制器控制转向执行电机，将转向执行电机输出力矩直接作为carsim的输入量建立数学模型；控制框图如1所示。

s2、以恒定车速定横摆角速度增益和转向灵敏度两个指标对角传动比进行设计，并将设计好的整体角传动比特性嵌入之前所建模型中；

本具体实施所研究的角传动比为轴间角传动比，它是方向盘转角到小齿轮转角的传动比β。而横摆角速度到转向器小齿轮转角的稳态增益通常被定义为转向系统增益，即：

gp＝r/θm；

其中，gp为转向系统增益，r是横摆角速度，m为小齿轮转角，该增益值只与车辆模型以及转向执行模块的机械结构有关，因此在角传动比特性没有确定的情况下也可以通过仿真确定车辆模型的在不同车速下转向系统增益值。车辆横摆角速度稳态增益是横摆角速度与转向盘转角的比值，即

gh＝r/θh；

其中，gh是车辆横摆角速度稳态增益，θh为方向盘转角，那么线控系统角传动比可以表示为：

β＝θh/θm＝gp/gh；

给出转向灵敏度计算公式如下：

其中，s是转向灵敏度，单位是g/100deg；ay是侧向加速度，单位是g。由于转向灵敏度反映的是汽车侧向加速度对于转向盘转角输入响应的瞬间变化量，其计算比较复杂，所以我们通常采用侧向加速度增益来代替转向灵敏度。侧向加速度稳态增益是侧向加速度与转向盘转角的比值，即

gay＝ay/θh；

其中，gay是侧向加速度稳态增益，单位也是g/100deg。如前文所述汽车稳态行驶时，横摆角速度值与车速值的积可近似侧向加速度的值，即：

其中，gp为转向系统增益，v是车速；gay是侧向加速度稳态增益，单位是g/100deg。

s3、根据反馈-位置型线控转向系统双向控制结构结合上述的建模方法对线控转向系统转向盘模块建模(如图2所示)，分析并设计力传动比特性；以eps转向特性为依据分析和设计力传动比，采用carsim软件中eps系统的助力特性对线控转向系统力传动比进行设计，使线控转向系统能够提供给驾驶员与eps相似的转向路感；eps的转向特性大致可分为直线型、折线形和曲线形转向助力特性；

用统一的表达式如下：

其中，α′为eps的力矩增益系数，α′max为力矩增益的最大值，k是系数中关于车速的变量，f是关于方向盘转矩th的变量，thmax为最大增益时的转向盘转矩临界值。

在eps系统中助力电机与转向盘转矩的力矩之和为：

ted＝th+α′th；

这里为了简化设计方法我们近似的认为转向盘转矩th等于路感模拟电机的路感力矩a′th，那么由上述公式可以得到力传动比α表达式如下：

可以得出力传动比特性也由转向盘转矩和车速决定的，由于carsim中只给出了齿条助力特性曲线，所以可以得到如下关于齿条助力的函数如下：

其中，frm-assist(v，tef)为齿条助力函数。

s4、将步骤s2所得的转向盘模块模型和步骤s3所得转向执行模块模型连接起来进行线控转向系统的整体建模并绘制整体结构图，如图3所示；

s5、采用以无源性为基础的波变量法设计稳定性控制器，从而解决了由通信时延所造成的的系统不稳定的问题，保证了系统的整体稳定性

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。