第３５卷第１期 ２０ｌ ５年２月 辽宁工业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 、，０１ｌ３５．Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１５ 本刊核心层次论文 基于ＣａｒＳｉｍ的线控转 向汽 车建模与仿真研究奉ＤＯＩ：１０．１５９１６￣．ｉｓｓｎ１６７４－３２６１．２０１５．０１ ．０１０ 石 晶 ，王冠一 ，李 刚 ，王铁超 ，赵志强２ （１．辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州 １２１００１；２．遵化市交通运输局，河北遵化０６４２００） 摘要：分析了线控转向系统的结构组成和工作原理，确定了线控转向系统各个部件的动力学微分方程。应 用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了线控转向系统模型，并将其嵌入到ＣａｒＳｉｍ中的整车模型中建立线控转向汽车模型。采 用转向盘角阶跃工况和角正弦工况对所建立的模型进行仿真验证。结果表明：所建立的线控转向系统具有较好的 转向角跟随特性和路感，线控转向汽车具有良好的响应特性。 关键词：线控转向系统；线控转向汽车：Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ＣａｒＳｉｍ 中图分类号：Ｕ４６９．７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－３２６１（２０１５）０１－００４１—０４ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ——ｂｙ－ｗｉｒｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣａｒＳｉｍ ＳＨＩ Ｊｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｇｕａｎ．ｙｉ ，ＬＩ Ｇａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｔｉｅ．ｃｈａｏ ，ＺＨＡＯ Ｚｈｉ．ｑｉａｎｇ （１．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ＆Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｅｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１．Ｃｈｉｎａ； ２．Ｚｕｎｈｕａ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｚｕｎｈａ，０６４２００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ－ｂｙ—ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ－ｂｙ－ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｄｅｎｔｉｉｆｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ－ｂｙ—ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ａｎｄ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ＣａｒＳｉｍ．Ｔｈｅ ｓｔｅｐ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｎｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ＿ｂｙ・ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｕｉｌｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｒｏａｄ ｆｅｅ１．Ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ，ｂｙ—ｗｉｒｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｒｉｎｇ・・ｂｙ－ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｔｅｅｒｉｎｇ・－ｂｙ－ｗｉｒｅ ｖｅｈｉｃｌｅ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ＣａｒＳｉｍ 传统汽车转向系统转向盘和车轮之间通过机 和研究，需要建立精确、合理的线控转向系统模型， 械液压机构实现传动，其传动比是固定不变的，因 在此基础上进行各种相关控制策略的研究【１ 引。论文 此无法同时保证汽车转向时具有良好的低速灵敏 基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＣａｒＳｉｍ仿真平台建立了线 性和高速稳定性，且不易实现主动转向等主动安全 控转向系统模型和线控转向汽车模型。选择转向盘 控制。而线控转向系统（ｓｔｅｅｒ－ｂｙ。ｗｉｒｅ，ＳＢＷ）转向盘 角阶跃和角正弦工况实验对线控转向系统模型进 和转向车轮之间不直接连接，控制器根据驾驶员操 行仿真验证。 纵和车辆状态控制转向轮转向，因此传动比可以任 意设计、易于实现主动转向等控制［１－３］，可有效提高 １ 线控转向系统动力学建模 汽车操纵稳定性和转向舒适性，近些年来已成为国 根据线控转向系统的结构和原理，采埘降阶建 内外的研究热点【 】。为了对线控转向系统进行开发 模‘ 方法进行建模。 收稿日期； ２Ｏｌ４一Ｏ２一ｌ７ 基金项目： 国家自然科学基金青年科学基金项目（５１３０５１９０）；辽宁省教育厅项目（Ｌ２０１３２５３） 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金项目（２０１１１１０４） 作者简介： 石品（１９６２一），男，辽宁本溪人，教授，硕士。 网络出版时间：２０１４－１２－１２ １４：１４．网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｆｆｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２１．１３１４．Ｔ２０１４１２１２．１４１５．００２．ｈｔｍｌ ４２ 辽宁工业大学学报（自然科学版） 第３５卷 １．１线控转向系统组成 电机及减速机构的摩擦， 为每极的磁通量，胛为 电枢绕组匝数，ａ为电枢绕组支路数， 电感， 为电动势系数。 为电机的 转矩系数， 为电机电压，，．为电枢电阻，￡为电枢 １．３转向执行机构建模 线控转向系统结构如图１所示。线控转向系统 具有转向盘总成、控制器（ＥＣＵ）、转向执行总成 三个主要部分。转向盘总成主要功能是将驾驶员输 入的方向盘转角通过传感器转换成数字信号传递 给控制器，转向执行总成主要包括转向执行电机、 转向器、减速器等，主要功能是使转向执行电机根 据控制器计算出的前轮转角指令来控制前轮转动， 同时还要保证汽车的稳定性。控制器根据传感器信 号判断车辆运动状态，控制转向执行电机和路感电 机，使汽车正常转向和提供给驾驶员良好的路感。 转向执行电机由两部分组成，分别是电机和减 速机构 考虑到转向执行总成具有转向电机转角、 齿条位移和前轮转角这三个自由度，分别对其进行 动力学分析，建立转向执行电机、齿轮齿条组件以 及左右前轮组件动力学模型。 转向执行电机自身存在转动惯量和阻尼，而且 工作过程中需要经过减速机构的作用对外输出转 矩，从而实现转向意图，其动力学和电学平衡方程 可以分别表示为： ／ 、 厂 、 ＝ ＋ ＋ ．ｓｉｇｎｌ＼ ／卜 Ｉ ＩＭ＋ 一 ｌ／ （５） 。Ｐ ｎ‘咖‘ｉ２／２‘兀・ａ＝ＣＮ。 ’ｉ２＝ ‘‘ （６） ＝Ｌ・ｉｚ’ｂ十Ｒ・ｆ２＋Ｋ 。 （７） 式中：ＴＭ为转向电机的输出转矩， 为转向电机的 转动惯量， 为转向电机的阻尼系数， 为转向 电机的转角， 为转向电机扭转刚度， 为转向电 机减速器的减速比，． 为转向电机及减速机构的摩 擦， 为每极的磁通量， 为电枢绕组匝数，口为 图１线控转向系统结构 １．２转向盘总成建模 转向盘在转动的过程中会克服转向柱的摩擦 电枢绕组支路数， 为电机的转矩系数， 为转向 电机的电压，Ｒ为电机电阻，￡为电枢电感， 为 电动势系数。 力。将转向盘与转向柱看作一个整体，进行简化， 得到转向盘组件的动力学平衡方程： ； ＋ ． ＋ 一 ，转向执行电机经过减速器的作用所输出的转 ｆ争一』 Ｉ （１） 学平衡方程为： ．． 矩将会全部传递给齿轮齿条组件，从而控制齿轮齿 条组件的相对运动，实现车轮转向。齿轮齿条动力 式中： 为转向盘输入力矩， 为转向盘总成转动 惯量， 为转向盘阻尼系数， 为转向盘转角， Ｉ 为转向轴扭转刚度， ｌ为转向盘总成摩擦力矩。 路感模拟电机模型动力学和电学平衡方程为： ｉｇｎ． ＭＩｘ ｒ＝Ｆｆ＋ 一芎ｒＸ ｒ一— Ｉ・Ｋ， １＝：。———－’一 （９） Ｇ （ ） 争］， （２） （３） ｍ 式中： 为转向器质量， 为齿条位移， 为转向 器阻尼系数。 为转向器阻力矩，，为齿轮半径。 本文选用车型为前轮驱动汽车，其左、右前轮 通过齿轮齿条的输出力矩的控制实现转向。其动力 学方程为： Ｊ・ ＝Ｍｄ—Ｍ＾一Ｍ，一Ｆｘ‘Ｒ （１０） ＝Ｐ・，ｚ・ ・ｆ ／２‘７ｃ・ａ＝ＣⅣ‘ ‘ｉ ＝Ｋ 。ｉ。 ＝Ｌ・ｆｌ＋ｒ・ｉｌ＋Ｋ ‘ｆ（４） 式中： 为路感电机转角，，为路感电机减速器的 ＂Ｎ ￣Ｌｔ， 为路感电机的输出转矩， 为路感电机 的转动惯量， 为路感电机的阻尼系数， 为路感 式中：Ｊ为转动惯量，∞为转动角速度，Ｍｅ为差速 器在半轴上的输出扭矩，Ｒ为轮胎半径， 为车轮 第１期 名晶等：基于ＣａｒＳｉｍ的线控转向汽车建模与仿真研究 ４３ 制动力矩，胁为左、右车轮滚动阻力矩。 所示，线控汽车模型和对应ＣａｒＳｉｍ中传统汽车模 所示。由图３可知，线控转向系统等效转向盘输入 转角【】ｏｊ相对于实际转向盘输入转角滞后０．５ Ｓ左右， 二者角度值非常接近，说明线控转向系统具有很好 ２ 基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓ ｉｍｕｌｉｎｋ和ＣａｒＳｉｍ的 嚣ａｐ，馨丑嫒毒毒＜霹型转向盘力矩、横摆角速度、侧向加速度如图４—６ 线控转向汽车建模 将Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立的线控转向系统模型 嵌入到汽车系统动力学软件ＣａｒＳｉｍ中，将ＣａｒＳｉｍ ∞ ｛寻 中的汽车模型中的传统转向系统替换为线控转向 系统可得到线控转向汽车模型。线控转向系统接收 到转向盘转角信号，经过转向电机、转向齿条等部 件，输出前轮转角，并将其输入给ＣａｒＳｉｍ整车模 型。线控转向系统汽车模型结构如图２所示。整车 的角跟ｌ随特性。如图４所示，线控转向系统转向盘 回正力矩最大值为５．５ Ｎ・ｍ左右，满足操纵轻便性 的要求。如图５～６所示，线控转向汽车的横摆角速 度和侧向加速度与ＣａｒＳｉｍ中的整车模型趋势一致， 数值很接近，线控转向汽车具有很好的响应特性。 模型主要参数如表１所示。 转向盘息ｊ妻 １ １ ２ 图２线控转向汽车模型 １ Ｏ Ｏ ８ ０ ６ ０ ４ ０ ２ ０ ０ ２ 图４转向盘转矩 表ｌ整车模型主要参数 参数 总质量ｍ＆ｇ 簧下质嫩ｍＩ／ｋｇ ３．２角正弦工况验证 数值 １２７４ ｌ００ １．０４０ ｌ＿５６０ ｌ５２３ 仿真车速为８０ ｋｍ／ｈ，转向盘正弦转角如图７ 所示，线控汽车模型和对应ＣａｒＳｉｍ中传统汽车模 质心至前轴距离ｎｌ／ｍ 质心至后轴距离６。／ｍ 绕ｚ轴的转动惯４ｔ￣／（ｋｇ ｍ１ 型转向盘力矩、横摆角速度、侧向加速度如图８～１０ 所示。由图７可知，线控转向系统等效转向盘输入 转角（线控转向系统输出前轮转角与线控转向系统 ３ 模型验证 将所建立的线控转向汽车模型和相同参数的 ＣａｒＳｉｒｒｉ仿真模型进行对比分析 选择转向盘角阶跃 传动比乘积）相对于实际转向盘输入转角滞后０．５ ｓ 左右，二者角度值非常接近，说明线控转向系统具 工况和角正弦工况仿真实验对模型进行验证。 有很好的角跟随特性。如图８所示，线控转向系统 转向盘回正力矩最大值为５ Ｎ・ｍ左右，满足转向轻 便性的要求。如图９～ｌ０线控转向汽车的横摆角速 度和侧向加速度与ＣａｒＳｉｍ中的整车模型趋势一致、 数值很接近，线控转向汽车具有很好的响应特性。 ， ● ．口 、， ＼ 征 ａ ２ ４ ６ ８ １０ 辎 耀 Ｔｉｍｅ／ｓ 囱３前轮转角跟随特性 ４ ６ ８ １０ Ｔｉｍｅ／ｓ ３．１角阶跃工况验证 仿真车速为８０ ｋｍ／ｈ，转向盘阶跃转角如图３ 横摆角速度 辽宁工业大学学报（自然科学版） １．２ 第３５卷 １．Ｏ ｐ／ 丑 辞＜集辎叵车毒犀 车毒五簿寻车柱 眦． 拿孝幅匠蜱 ４ ０ ８ ∞ ∞ 加 ０ 加 ∞ ８ ６ ４ ２ ０ 佰魁 。一６ 暮０＿４ ０．２ Ｏ．Ｏ Ｏ ２ ４ ６ ８ １Ｏ Ｔｉｍｅ／Ｓ 图６侧向加速度 匠器 ｂ Ｏ ｎ ｎ ０ ２ ４ ６ ８ １０ Ｔｉｍｅ／Ｓ 图７前轮转角跟随特性 ０ ２ ４ ６ ８ １０ Ｔｉｍｅ／０ 图８转向盘转矩 ０ ２ ４ ６ ８ １０ Ｔｉｍｅ／ｓ 图９横摆角速度 ０ Ｚ ４ ６ ｂ １Ｕ Ｔｉｍｅ／ｓ 图１０侧向加速度 ４结 论 论文在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立线控转向系统模 型。并与ＣａｒＳｉｎ￣联合仿真，建立线控转向汽车 模型。采用转向盘角阶跃和角正弦仿真工况验证了 所建立的线控转向系统和线控转向汽车模型具有 的角跟随特性和响应特性可以满足进一步研究的 要求。 参考文献： ［１】何仁，李强．汽车线控转向技术的现状与发屣趋势【Ｊ】． 交通运输工程学报，２００５，５（２）：１６８一ｌ １． ［２】Ｍａｓａｙａ Ｓ，Ｓｈｉｒｏ Ｎ，Ｏｓａｍｕ Ｎ．Ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ－ｂｙ－ｗｉｒｅ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪＳＡＥ Ｒｅｖｉｅｗ， ２００１，２２（９）：３８３—３８８． ［３】郑洪宇．汽车线控转向路感模拟与主动转向控制策研究 ［Ｄ】．长春：吉林大学，２００９． 【４】Ｒｙｏｕｈｅｉ Ｈ，Ｋａｔｓｕｔｏｓｈｉ Ｎ，Ｓｈｉｒｏｕ Ｎ．Ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｂｙ ｗｉｒｅ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆｔｈｅ ＩＥＥＥ，２０００． ［５】李强，何仁．键合图理论在汽车线控转向系统建模中的 应用［Ｊ］．农业机械学报，２００６，３７（１０）：２７—３０． 【６】于蕾艳，林逸，施国标．线控转向系统主动转向控制策 略［Ｊ］．农业机械学报，２００７，３９（１）：４－６． ［７】杨胜兵．线控转向系统控制策略研究［Ｄ】．武汉：武汉理 ：Ｅ大学，２００８． 【９】朱亮，段建民．基于ＡＴ９１ＲＭ９２００的嵌入式线控转向系 统技术［Ｊ］．上海汽车，２００７，ｌＯ（１Ｏ）：３７—４０． 【１０】Ｃｈｅ Ｍｉｎｇ Ｌｅｅ，Ｃｈｅｎ Ｌｉｎ Ｃｈｅｎ．Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｏｒｌｅｓｓ Ｗｅｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｋａｌｍａｎ－Ｆｉｌｔｅｒ－Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，１９９８：２５（２）：３５９—３６１． 责任编校：刘亚兵 ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ８ ７ ６ Ｓ ４ ３ ２ １ ０ １ ２ ３ ４ Ｓ