線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) - 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)研究

　　一般來(lái)說(shuō)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤(pán)總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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　　方向盤(pán)總成包括方向盤(pán)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤(pán)回正力矩電機(jī)。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過(guò)測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳遞給主控制器;同時(shí)接受主控制器送來(lái)的力矩信號(hào)，產(chǎn)生方向盤(pán)回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。

　　轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)向車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

　　主控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，給方向盤(pán)回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送指令，控制兩個(gè)電機(jī)的工作，保證各種工況下都具有理想的車(chē)輛響應(yīng)，以減少駕駛員對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性隨車(chē)速變化的補(bǔ)償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。同時(shí)控制器還可以對(duì)駕駛員的操作進(jìn)行判別。

　　由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，因而自動(dòng)防故障系統(tǒng)成為線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實(shí)施算法，針對(duì)不同的故障形式和故障等級(jí)做出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車(chē)的正常行駛。

　　2 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)控制

　　2.1 橫擺角速度的控制

　　在一般的駕駛操作中，駕駛員要同時(shí)完成兩個(gè)任務(wù)：(1)路徑跟隨;(2)車(chē)輛姿態(tài)的保持。路徑跟隨由于涉及到路線的選擇和跟隨等復(fù)雜問(wèn)題，目前還無(wú)法由控制器完全取代駕駛員。相反，因?yàn)橥饨鐢_動(dòng)對(duì)車(chē)輛姿態(tài)的影響常常很突然，車(chē)輛姿態(tài)的控制對(duì)駕駛員而言，特別是對(duì)新手來(lái)說(shuō)，就比較困難。而這樣的控制由控制器卻完全可以實(shí)現(xiàn)。由于涉及到車(chē)輛的姿態(tài)控制的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要是橫擺角速度，因而對(duì)橫擺角速度的控制也成為主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制最重要的方面。

　　對(duì)橫擺角速度的控制，常見(jiàn)的方法有3種：(1)橫擺角速度反饋控制;(2)魯棒單向解耦橫擺角速度控制;(3)基于擾動(dòng)觀察器的橫擺角速度控制。橫擺角速度反饋控制的基本思路是利用理想橫擺角速度Yest和實(shí)際橫擺角速度Y之差進(jìn)行反饋控制。寶馬的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)用的是橫擺角速度反饋控制的方法，其控制器為PI控制。橫擺角速度反饋控制不但使橫擺角速度響應(yīng)的帶寬增大，而且使橫擺角速度阻尼增大，尤其是在車(chē)速較高時(shí)改善了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。但也同時(shí)存在著降低橫擺角速度和側(cè)向加速度的增益，進(jìn)而使駕駛員中低速時(shí)操縱困難。針對(duì)上述問(wèn)題，一般采用定增益形式的橫擺角速度反饋控制進(jìn)行改進(jìn)，該控制方法可保持車(chē)輛橫擺角速度增益在反饋控制時(shí)不變。圖3所示為一定　增益橫擺角速度反饋控制框圖。其中，為車(chē)輛在等速圓周運(yùn)動(dòng)情況下從前輪轉(zhuǎn)角到橫擺角速度的增益，Kyaw為反饋比例系數(shù)。

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　　魯棒單向解耦橫擺角速度控制是由德國(guó)宇航局的阿克曼教授提出的，在合理分解駕駛員操作任務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)橫擺角速度和側(cè)向加速度單向解耦，進(jìn)而對(duì)橫擺角速度進(jìn)行控制。所謂單向解耦，指的是控制器在對(duì)車(chē)輛的橫擺角速度進(jìn)行反饋控制時(shí)對(duì)車(chē)輛前橋解耦點(diǎn)的側(cè)向加速度沒(méi)有影響，而在駕駛員進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，可以通過(guò)側(cè)向加速度間接影響橫擺角速度，保證車(chē)輛能順利過(guò)彎，這是該算法的最大特點(diǎn)。由于該算法本身對(duì)車(chē)輛不確定參數(shù)(如：車(chē)輛質(zhì)量分布、車(chē)速、輪胎與地面間的附著系數(shù))具有一定的魯棒性，故而稱(chēng)為魯棒單向解耦控制。魯棒單向解耦控制也存在橫擺角速度阻尼隨車(chē)速的增加而下降的問(wèn)題，可采用預(yù)設(shè)橫擺角速度阻尼的控制方法加以解決。該方法是在單向解耦控制和橫擺角速度阻尼之間進(jìn)行折衷，實(shí)現(xiàn)既能在不同車(chē)速下保持較好的橫擺角速度阻尼特性，又能維持車(chē)輛控制對(duì)名義模型的橫擺角速度單向解耦。圖4所示為魯棒單向解耦橫擺角速度控制框圖。圖中在實(shí)際控制時(shí)采用的是一個(gè)衰退的積分，從而使橫擺角速度的控制只在擾動(dòng)發(fā)生1 s內(nèi)產(chǎn)生作用，幫助駕駛員穩(wěn)定車(chē)輛，1 s以后，車(chē)輛將完全在駕駛員的控制之下。參考橫擺角速度值由式(1)算出，是一個(gè)與速度有關(guān)的穩(wěn)態(tài)值。

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　　近年來(lái)，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，一種以往多用于電機(jī)控制的擾動(dòng)觀察器控制方法被移植到了車(chē)輛橫擺角速度控制中。該控制方法的基本原理如圖5所示，利用擾動(dòng)觀察器理論建立的反饋補(bǔ)償器，通過(guò)反饋補(bǔ)償器根據(jù)車(chē)輛包含擾動(dòng)的實(shí)際橫擺角速度生成一個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)角，疊加到車(chē)輛的輸入轉(zhuǎn)角上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛橫擺角速度的控制。反饋補(bǔ)償器的表達(dá)式如下：

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　　從表達(dá)式中可以看出，所謂的擾動(dòng)觀察器其實(shí)質(zhì)是利用車(chē)輛的反向動(dòng)力學(xué)傳遞模型，通過(guò)車(chē)輛的實(shí)際橫擺角速度來(lái)計(jì)算車(chē)輛的名義前輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)而通過(guò)與實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角求差來(lái)得到抵消橫擺擾動(dòng)的轉(zhuǎn)角來(lái)進(jìn)行控制。由于控制過(guò)程中橫擺角速度信號(hào)會(huì)遇到噪聲信號(hào)，故一般擾動(dòng)觀察器都帶有一個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)。低通濾波環(huán)節(jié)同時(shí)還有改變反向動(dòng)力學(xué)模型分子分母階次的作用，使其在控制上可以實(shí)現(xiàn)?；跀_動(dòng)觀察器的橫擺角速度控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含義清晰，對(duì)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性特點(diǎn)。理論和實(shí)驗(yàn)證明擾動(dòng)觀察器的控制結(jié)構(gòu)更適合進(jìn)行橫擺穩(wěn)定性控制，成為未來(lái)橫擺角速度控制發(fā)展的一個(gè)方向。