【动力建模】基于动力学法建模的线控转向系统 Carsim和Simulink联合仿真模型

原创于 2025-12-06 22:42:46 发布 · 300 阅读

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#无人机

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🔥 内容介绍

线控转向系统（Steer-by-Wire, SBW）摒弃了方向盘与转向轮之间的机械连接，通过电控单元（ECU）、力矩电机、转向执行电机实现转向指令的电信号传递与执行，是智能汽车线控底盘的核心子系统。其动力学建模需兼顾人机交互动力学（方向盘力矩反馈）、执行机构动力学（转向电机 - 齿条驱动）、轮胎 - 路面动力学（转向运动学耦合）及整车动力学（横摆 / 侧向响应）；而 Carsim 作为专业整车仿真平台，可实现自建 SBW 动力学模型与高精度整车模型的联合验证，为系统性能优化提供支撑。本文将从 SBW 动力学建模痛点切入，完成各子系统动力学建模，设计 Carsim 联合仿真架构并实现性能验证。

一、线控转向系统动力学建模的核心痛点与破局逻辑

（一）SBW 动力学建模的关键瓶颈

多部件机电耦合复杂：SBW 包含方向盘总成、力矩反馈电机、转向执行电机、齿条机构、转向节及轮胎等部件，机械动力学与电机电磁动力学深度耦合，建模需兼顾多域特性；

无机械连接的力矩匹配难题：传统转向的路感由机械传动传递，SBW 需通过力矩电机模拟路感，其力矩指令需与轮胎回正力矩、路面附着特性精准匹配，建模时需建立路感映射动力学；

转向响应时滞补偿：电机响应、信号传输存在时滞，易导致转向指令与执行机构动作不同步，建模需嵌入时滞动力学与补偿逻辑；

整车动力学耦合验证难：SBW 的转向特性直接影响整车横摆稳定性、侧向响应，单一部件建模无法评估整车级性能，需与整车模型联合验证。

（二）动力学建模 + Carsim 联合仿真的破局逻辑

分部件精准建模：将 SBW 拆解为 3 个核心动力学子系统，分别建立数学模型，实现多域特性解耦与整合；

路感力矩动力学映射：基于轮胎回正力矩与整车运动状态，建立力矩反馈电机的指令动力学模型，还原真实路感；

时滞动力学补偿：在执行机构模型中嵌入电信号传输、电机响应时滞模型，设计前馈补偿算法；

Carsim 联合接口设计：通过 Simulink-Carsim 联合仿真接口，将自建 SBW 模型与 Carsim 整车模型对接，实现整车级性能验证。

二、线控转向系统的核心结构与动力学建模框架

（一）SBW 的核心结构组成

线控转向系统主要分为三大模块：

驾驶员交互模块：含方向盘、扭矩传感器、力矩反馈电机，负责采集驾驶员转向指令并提供路感反馈；

转向执行模块：含转向 ECU、转向执行电机、减速机构、齿条、转向拉杆及转向节，负责执行转向指令，驱动转向轮偏转；

整车耦合模块：含轮胎、悬架、车身，SBW 的转向动作通过轮胎与路面的相互作用，影响整车横摆、侧向运动。

（二）动力学建模的整体框架

采用多体动力学 + 电磁动力学 + 轮胎力学的融合建模框架，各子模型通过信号接口实现数据交互：

机械动力学层：描述方向盘、齿条、转向节的刚体运动与力传递；

电磁动力学层：描述力矩 / 执行电机的电磁转矩生成与响应特性；

控制动力学层：描述 ECU 的控制算法（如力矩匹配、时滞补偿）；

整车耦合层：描述转向轮偏转与整车动力学的耦合关系，对接 Carsim 整车模型。

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