项目编号： 1722 ??

线控转向系统关键技术研究

Research on Key Technologies of Steer-by-Wire System

 

项目研制单位：上海交通大学、联创汽车电子有限公司

主要研制人员：陈俐、孟永刚、喻凡、杜春洋、李兵、王军、张琼琰、王齐、刘庆伟、程小宣

李雄、杜文龙、刘文通、杨浩瀚、苗东晓、万文斗

 

1、研究内容介绍

（1）研究目的和意义

线控转向系统将转向盘和转向轮之间的机械连接替代为电控连接，主要由路感反馈总成、转向执行总成和电控单元三大模块组成，其中路感反馈总成和转向执行总成的执行器均为电机。线控转向系统有利于底盘控制系统的集成化，可提高整车设计自由度、操纵装置布置灵活；其次通过线控转向系统的主动转向控制，可提高车辆操纵稳定性和舒适性，使车辆驾驶特性的调整简单便捷，操纵更加人性化。作为研究热点的线控转向系统，将成为未来智能汽车的重要发展方向之一。

线控转向系统具备布置方式灵活、转向响应特性好等优点，在适配不同车型时可减少产品开发周期和成本；线控转向系统尚未实现全面产业化，开展线控转向关键技术研究可为企业占领未来市场奠定基础。

（2）关键技术

a.调研：对国内外线控转向系统的发展现状与趋势进行调研，并对线控转向相关标准进行查新，总结提炼出线控转向系统的主流发展方向和核心技术难点，了解国内外关于线控转向领域的相关法规要求，为企业开发线控转向产品提供前沿调查报告。

b.控制策略设计：线控转向控制策略，主要包括驾驶员模型和参数辨识，对目标路径、期望横摆角速度等信息的跟踪控制策略。系统延迟的存在，会降低控制精度问题，针对延迟的控制问题是本项目的重难点之一。

c.实验探究：搭建硬件在环实验台架，对控制算法进行实验验证是本项目的关键环节。台架包括传感器、执行机构、电机及其控制器、通讯接口、硬件设计、软件配置等，对线控转向系统进行性能测试。

（3）技术路线和方法

项目的总体技术路线为，在对国内外线控转向系统进行充分调研的基础上，建立线控转向系统模型，包括系统延迟环节的模型。对线控转向控制策略展开研究，以内模控制原理为基础，开发考虑延迟的线控转向控制算法。以企业C-EPS产品PSCM2.4P和P-EPS产品PSCM2.2E为基础，搭建线控转向硬件在环实验台架，利用CAN总线通讯进行硬件在环实验。

控制器的设计包含两个层面。其一，是针对驾驶员端延迟和信号传输延迟设计联合内模控制器，控制框图如图1所示。

图1 考虑驾驶员端延迟和信号传输延迟的联合内模控制器

其二，是考虑转向执行端延迟的内模控制器设计。首先，设计基于延迟环节的全极点近似的二自由度内模控制器，控制框图如图2所示。

图2 基于全极点近似的二自由度内模控制器

为了进一步提高算法对系统延迟的鲁棒性，基于全极点近似设计自适应内模控制器，其中名义模型采用参数辨识的方法得到，控制框图如图3所示。

图3 基于全极点近似的自适应内模控制器

硬件在环实验部分包括台架搭建和实验，本项目以合作单位提供的两套EPS助力转向电机及控制器为原型，搭建了两套试验台架并完成线控转向功能验证。首先搭建了线控转向负载模拟台架，如图4所示，初步验证控制器控制效果。

图4 负载模拟台架实物图

为了更为符合整车需求，并具备一定的演示特性，以荣威E550车型为基础，另外搭建了一套具备车前桥结构的线控转向台架，如图5所示，对线控转向系统进行了更深入的研究，验证了控制器性能。

图5 车前桥台架实物图

（4）成果展示

首先，对实验台架分别实施考虑延迟的二自由度IMC、不考虑延迟的二自由度IMC和经典PID三种控制方法，跟踪斜坡参考输入、正弦参考输入以及变频率参考输入。实验结果如图6和表1所示。

与其他两种控制方法相比，对斜坡、正弦和变频率三种形式的参考输入，考虑延迟的IMC都显著减少了跟踪误差。

(a)跟踪结果	(b)跟踪误差
图6-1 斜坡信号输入
(a)跟踪结果	(b)跟踪误差
图6-2 正弦信号输入
(a)跟踪结果	(b)跟踪误差
图6-3 变频率信号输入

图6 二自由度内模控制转角跟踪实验结果

表1 二自由度内模控制实验结果对比

控制方法	IMC_d			IMC_nd	PID
参考输入	最大跟踪误差/rad	比IMC_nd减少	比PID减少	最大跟踪误差/rad	最大跟踪误差/rad
斜坡	0.018	63.5%	75.5%	0.0493	0.0734
正弦	0.054	25.2%	33.6%	0.0722	0.0813
变频率	0.0638	27.6%	42.4%	0.0881	0.1108
参考输入	平均跟踪误差/rad	比IMC_nd减少	比PID减少	平均跟踪误差/rad	平均跟踪误差/rad
斜坡	0.0034	74.2%	71.9%	0.0132	0.0121
正弦	0.0136	41.4%	68.1%	0.0232	0.0427
变频率	0.0145	38.6%	66.0%	0.0236	0.0426

为了验证自适应内模控制器的鲁棒性，进行了外加延迟的鲁棒性实验。实验结果如图7、图8和表2所示。有延迟时PID超调明显增大，达到了161.7%，已经不能接受，传统IMC甚至出现了振荡，而AIMC超调明显减小，不到2%。说明AIMC通过在线辨识名义模型增强了对延迟的鲁棒性。

(a) 电机扭矩

(b) 模型误差

(c) 转角跟踪

(d) 转角跟踪误差

图7 无外加延迟工况实验结果对比

(a) 电机扭矩

(b) 模型误差

(c) 转角跟踪

(d) 转角跟踪误差

图8 外加100ms延迟工况实验结果对比

表2 自适应内模控制实验结果对比

延迟时间	控制算法	上升时间(s)	调节时间(s)	超调角(?)
0ms	AIMC	0.44	0.77	0.658
	IMC	0.43	0.84	1.241
	PID	0.30	4.60	2.123
100ms	AIMC	0.45	1.21	1.487
	IMC	0.42	无穷	8.941
	PID	0.34	4.95	10.172

2、技术创新点

本项目主要创新点如下：

（1）查新调研部分：调研线控转向系统的控制问题相关研究现状，包括路感反馈、转向执行、延迟控制等，同时调研线控转向台架搭建的研究现状，有助于后续研究的开展。

（2）控制器设计部分：考虑系统延迟对控制精度的影响，提出采用内模原理设计转向执行控制策略。考虑驾驶员端延迟和信号传输延迟，设计联合内模控制器，保证控制的稳定性。针对转向执行端延迟问题，将延迟环节的全极点近似方法引入内模控制中，开发基于延迟近似的二自由度内模控制策略，提升系统的控制精度。为了提高系统对延迟的鲁棒性，在二自由度内模控制器的基础上，研发自适应内模控制器，在线辨识名义模型的参数，比较传统的控制策略，延迟低、误差小、鲁棒性好的优点。

（3）硬件在环实验部分，新搭建了硬件在环仿真试验台架，初步验证控制器转角跟踪性能。为了更真实地反映整车需求，以荣威E550车型为基础，更进一步搭建了一套具备车前桥结构的线控转向台架，轮胎-道路间隙、线控转向系统机械间隙以及传输延迟可主动、灵活设置，为更深入研究线控转向控制器性能提供了良好的平台。通过多组实验——前轮转角跟踪实验、方向盘转角跟踪实验、驾驶员闭环实验和外加延迟实验，验证了控制器的转角跟踪性能以及对延迟的控制效果。

3、专利/论文/获奖情况

本项目共发表论文11篇，具体如下：

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

[2] Xiong Li, Mengqi Lin, Xiaoxuan Cheng, Li Chen, Fan Yu. An IMC controller design for a Steer-by-Wire vehicle [C]. 14th International Symposium on Advanced Vehicle Control, Beijing, China .

[3] Guangyu Zhu, Haohan Yang, Fan Yu. Controller Design for an Automobile Steer-By-Wire System: 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE)[C], 2019.

[4] 罗建南, 朱光钰, 杨浩瀚, 喻凡, 陈俐. 线控转向系统的前轮转角跟踪策略研究[J]. 机械工程学报, 2019,55(22): 165-173.

[5] 杜文龙, 陈俐, 刘文通, 陈峻. 考虑延迟的线控转向二自由度内模控制[J]. 中国机械工程. 2021, 32(16): 1904-1911.

[6] 刘文通, 陈俐, 陈峻. 考虑延迟的线控转向系统自适应内模控制[J]. 上海交通大学学报，2021. （已录用）

[7] Haohan Yang, Wentong Liu, Li Chen, Fan Yu. An adaptive hierarchical control approach of vehicle handling stability improvement based on Steer-by-Wire Systems[J]. Mechatronics. 2021, 77: 102583.

[8]罗来军,陈博.基于Bicycle Model和3 DOF Model的车辆行驶平顺性和操纵稳定性分析[J].传动技术,2020,34(02):17-23.

[9]罗来军,张善. EPS双星型绕组六相电机复杂驱动及采样时序设计[J]. 汽车与驾驶维修（维修版）,2019(4):63-67.

[10]罗来军,李兵. 功能安全硬件指标计算的实践[J]. 传动技术,2019,33(2):37-43.

[11]孟永刚. 六相电机特性及其在汽车行业中的应用[J]. 汽车与驾驶维修（维修版）,2018(5):154-157.

合作提交3项发明专利技术交底书：

[1] 一种基于承载横梁设计的汽车线控转向试验台

[2] 一种基于磁粉制动器的线控转向阻力加载模块

[3] 一种基于二自由度内模控制的线控转向系统时间延迟控制算法

 

4、成果应用及经济效益预测

线控转向是自动驾驶汽车实现路径跟踪与避障避险的关键技术，本项目所研究的线控转向控制策略是线控转向系统实际应用的重要环节。

主要成果应用与效益如下：

（1）系统延迟影响系统稳定性和跟踪精度，本项目针对延迟设计内模控制器，改善转角跟踪效果，减小误差，提升鲁棒性。算法中控制器参数容易调节，算法实现计算过程并不复杂，适合在实车中推广应用。

（2）本项目所研发的自适应内模的延迟控制算法，为内模控制名义模型求解与更新提供了新思路，且算法稳定性好，对系统不确定参数适应性好，可推广应用到更多车辆控制问题或其他领域控制问题中。

（3）本项目搭建的具备车前桥台架的硬件在环实验台架方案，包括传感器、助力电机、执行机构等，为后续线控转向台架搭建与硬件在环实验提供了一定的参考，是研究线控转向技术的可靠支撑。

（4）结合本项目的研究成果，合作企业已经将交大所研发的自适应内模线控转向执行控制策略应用到实验样车上汽荣威Marvel X的控制器中，进行了初步实车试验，验证线控转向系统功能，控制算法能够有效保证控制器的实时跟踪效果，驾驶员端无明显迟滞感。后续还需要更精细化的实验，验证控制器的性能，保证系统的安全性和可靠性。

（5）主要经济效益表现在，本项目为合作方推进线控转向系统的研究提供了有力支撑，企业的线控转向产品已进入装车实验环节，下一步就是产品的应用落地和推广。