主動前輪轉向控制技術研究 - 全文

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　　常見主動轉向系統(tǒng)有主動前輪轉向系統(tǒng)AFS和四輪轉向系統(tǒng)(也稱為主動后輪轉向)。主動前輪轉向是隨著線控轉向技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一項技術，并且隨著寶馬的主動轉向系統(tǒng)裝配實車而進入實用階段。由于主動前輪轉向與傳統(tǒng)車輛的結構能夠很好兼容，同時對車輛操縱穩(wěn)定性的提高效果明顯，顯示出了良好的發(fā)展前景，成為轉向系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向之一。

　　1 主動前輪轉向系統(tǒng)的工作原理

　　目前可用于乘用車的主動轉向系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是以寶馬和ZF公司聯(lián)合開發(fā)的AFS系統(tǒng)為代表的機械式主動轉向系統(tǒng)，通過行星齒輪機械結構增加一個輸入自由度從而實現(xiàn)附加轉向，目前已裝配于寶馬5系的轎車上，以及韓國的MANDO、美國的TRW、日本的JTEKT公司也有類似產(chǎn)品;另一種是線控轉向系統(tǒng)(SWB)，利用控制器綜合駕駛員轉向角輸入和當時的車輛狀態(tài)來決定轉向電機的輸出電流，最終驅(qū)動前輪轉動。該系統(tǒng)在許多概念車和實驗室研究中已廣泛采用，如通用公司的Sequel燃料電池概念車就采用了線控轉向技術。

　　線控轉向和機械式主動轉向系統(tǒng)最大的區(qū)別體現(xiàn)在當系統(tǒng)發(fā)生故障時，機械式主動轉向系統(tǒng)仍能通過轉向盤與車輪間的機械連接確保其轉向性能，而線控轉向必須通過系統(tǒng)主要零件的冗余設計來保證車輛的安全性。由于上述安全性和可靠性的原因，目前法律上還不允許將線控轉向系統(tǒng)直接裝備車輛。

　　1.1 機械式主動轉向系統(tǒng)

　　下面以寶馬的AFS系統(tǒng)為例，介紹機械式主動轉向系統(tǒng)的結構和工作原理。該系統(tǒng)主要由三大子系統(tǒng)組成：液壓助力齒輪齒條動力轉向系統(tǒng)、變傳動比執(zhí)行系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

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　　該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的轉向機械構件外，主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機構，通過疊加轉向?qū)崿F(xiàn)變傳動比功能;二是Sewtronic液力伺服轉向系統(tǒng)，用于實現(xiàn)轉向助力功能。在駕駛過程中，駕駛員輸入的力矩和轉角共同傳遞給扭桿，其中的力矩輸入由液力伺服機構根據(jù)車速和轉向角度進行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機驅(qū)動的雙行星齒輪機構與控制器輸出的附加轉角進行角疊加，經(jīng)過疊加后的總轉向角才是傳遞給齒輪齒條轉向機構的最終轉角。其中，控制器輸出的轉角是根據(jù)各個傳感器的信號，包括車輪轉速、轉向角度、偏轉率、橫向加速度經(jīng)綜合計算得到的。由于寶馬主動轉向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D向力矩進行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉向角度進行調(diào)整，因而可以使轉向輸入與當前的車速達到最佳匹配。

　　1.2 線控轉向系統(tǒng)

　　一般來說，線控轉向系統(tǒng)由方向盤總成、轉向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構如圖2所示。

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　　方向盤總成包括方向盤、方向盤轉角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖(通過測量方向盤轉角)轉換成數(shù)字信號，并傳遞給主控制器;同時接受主控制器送來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感信息。

　　轉向執(zhí)行總成包括前輪轉角傳感器、轉向執(zhí)行電機、轉向電機控制器和前輪轉向組件等。轉向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉向電機控制器控制轉向車輪轉動，實現(xiàn)駕駛員的轉向意圖。

　　主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，給方向盤回正力電機和轉向電機發(fā)送指令，控制兩個電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應，以減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化的補償任務，減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作進行判別。

　　由于線控轉向系統(tǒng)結構的特殊性，因而自動防故障系統(tǒng)成為線控轉向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。

　　2 主動前輪轉向動力學控制

　　2.1 橫擺角速度的控制

　　在一般的駕駛操作中，駕駛員要同時完成兩個任務：(1)路徑跟隨;(2)車輛姿態(tài)的保持。路徑跟隨由于涉及到路線的選擇和跟隨等復雜問題，目前還無法由控制器完全取代駕駛員。相反，因為外界擾動對車輛姿態(tài)的影響常常很突然，車輛姿態(tài)的控制對駕駛員而言，特別是對新手來說，就比較困難。而這樣的控制由控制器卻完全可以實現(xiàn)。由于涉及到車輛的姿態(tài)控制的動力學參數(shù)主要是橫擺角速度，因而對橫擺角速度的控制也成為主動前輪轉向控制最重要的方面。

　　對橫擺角速度的控制，常見的方法有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和實際橫擺角速度Y之差進行反饋控制。寶馬的主動轉向系統(tǒng)運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的帶寬增大，而且使橫擺角速度阻尼增大，尤其是在車速較高時改善了車輛的操縱穩(wěn)定性。但也同時存在著降低橫擺角速度和側向加速度的增益，進而使駕駛員中低速時操縱困難。針對上述問題，一般采用定增益形式的橫擺角速度反饋控制進行改進，該控制方法可保持車輛橫擺角速度增益在反饋控制時不變。圖3所示為一定　增益橫擺角速度反饋控制框圖。其中，為車輛在等速圓周運動情況下從前輪轉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宇航局的阿克曼教授提出的，在合理分解駕駛員操作任務的基礎上，對橫擺角速度和側向加速度單向解耦，進而對橫擺角速度進行控制。所謂單向解耦，指的是控制器在對車輛的橫擺角速度進行反饋控制時對車輛前橋解耦點的側向加速度沒有影響，而在駕駛員進行側向運動控制時，可以通過側向加速度間接影響橫擺角速度，保證車輛能順利過彎，這是該算法的最大特點。由于該算法本身對車輛不確定參數(shù)(如：車輛質(zhì)量分布、車速、輪胎與地面間的附著系數(shù))具有一定的魯棒性，故而稱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速的增加而下降的問題，可采用預設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行折衷，實現(xiàn)既能在不同車速下保持較好的橫擺角速度阻尼特性，又能維持車輛控制對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。圖中在實際控制時采用的是一個衰退的積分，從而使橫擺角速度的控制只在擾動發(fā)生1 s內(nèi)產(chǎn)生作用，幫助駕駛員穩(wěn)定車輛，1 s以后，車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，是一個與速度有關的穩(wěn)態(tài)值。

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　　近年來，隨著控制技術的發(fā)展，一種以往多用于電機控制的擾動觀察器控制方法被移植到了車輛橫擺角速度控制中。該控制方法的基本原理如圖5所示，利用擾動觀察器理論建立的反饋補償器，通過反饋補償器根據(jù)車輛包含擾動的實際橫擺角速度生成一個補償轉角，疊加到車輛的輸入轉角上，從而實現(xiàn)對車輛橫擺角速度的控制。反饋補償器的表達式如下：

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　　從表達式中可以看出，所謂的擾動觀察器其實質(zhì)是利用車輛的反向動力學傳遞模型，通過車輛的實際橫擺角速度來計算車輛的名義前輪轉角，進而通過與實際前輪轉角求差來得到抵消橫擺擾動的轉角來進行控制。由于控制過程中橫擺角速度信號會遇到噪聲信號，故一般擾動觀察器都帶有一個低通濾波環(huán)節(jié)。低通濾波環(huán)節(jié)同時還有改變反向動力學模型分子分母階次的作用，使其在控制上可以實現(xiàn)?；跀_動觀察器的橫擺角速度控制具有結構簡單，含義清晰，對外界擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強的魯棒性特點。理論和實驗證明擾動觀察器的控制結構更適合進行橫擺穩(wěn)定性控制，成為未來橫擺角速度控制發(fā)展的一個方向。

　　2.2 D*控制

　　D*控制(或稱為橫擺角速度和側向加速度的綜合控制)源于四輪轉向控制中對后輪轉向的控制策略，是一種對車輛的橫擺角速度和側向加速度進行綜合控制的方法。在該控制中，控制的反饋量不再只有橫擺角速度，而是橫擺角速度與側向加速度的線性組合，如式(3)所示。

　　式中：Cy為側向加速度，VY為車速與橫擺角速度的乘積，兩者量綱一致，從這里可以看出，D*控制是一種側重于側向運動控制的控制方法。

　　D*控制框圖如圖6所示，其中D*由理想車輛模型推出的與車速有關的比例系數(shù)與駕駛員輸入的轉角求得。CFF(s)為前饋控制傳遞函數(shù)，主要實現(xiàn)的是隨車速改善車輛響應增益，CFS(s)為反饋控制環(huán)節(jié)，用來生成附加轉角。

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　　與橫擺角速度反饋控制相比，D*控制可以進一步提高車輛的轉向響應速度，在抑制擾動的同時，提高車輛軌跡跟蹤的能力，在側向運動要求比較高的工況下(如：低附著系數(shù)路面雙移線，側向陣風直線行駛)效果較好。

　　2.3 側傾穩(wěn)定性控制

　　在車輛行駛過程中，高速過彎、緊急避讓和側向陣風的干擾都有可能直接導致車輛側翻，另外，重心偏高的車輛也特別容易發(fā)生側翻。還有，當駕駛員對車輛的側向穩(wěn)定性做出錯誤估計時，也會導致車輛側翻的發(fā)生。側向加速度是影響車輛側向穩(wěn)定性的主要因素，通過主動轉向可有效地影響車輛的側向加速度從而控制車輛的側傾。一般來說，車輛的防側翻控制采用一個指示車輛側傾狀態(tài)的闕值，當檢測到的側傾狀態(tài)超過闕值，則觸發(fā)防側翻控制。闕值可以是重心處的側向加速度、車輛側翻系數(shù)或者載荷轉移系數(shù)等。

　　圖7所示為基于主動轉向和制動集成控制的控制系統(tǒng)圖。圖中只為側翻系數(shù)，是由車輛的輪寬和簧載質(zhì)量重心處的側向加速度來求得。當，|R|<1時，意味著車輛側向穩(wěn)定，而當R=±1時，則意味著車輛左側或右側的車輪將抬離地面。該控制有兩種模式，當|R|<0.9時，車輛正常行駛，控制系統(tǒng)處于連續(xù)操縱轉向控制模式，附加轉角根據(jù)對側傾阻尼的優(yōu)化策略產(chǎn)生，可以有效減小轉向產(chǎn)生的側傾，抑制處于車輛側傾共振頻帶內(nèi)的外界擾動。當，|R|≥0.9時，車輛處于側傾危險狀態(tài)，控制系統(tǒng)進入緊急轉向控制模式，此時附加轉角δR=kR(|R|-0.9)，可以有效增大車輛轉彎半徑，同時系統(tǒng)進行一定的緊急制動操作，進一步降低車速，從而避免車輛發(fā)生側翻。

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　　在主動轉向防側翻的控制中，由于附加轉角的存在，會影響車輛按照駕駛員意圖行駛的能力，因此控制策略中應由一個關于汽車行駛時車道保持能力的控制方法，如采用主動制動的方法。由于車輛側翻的危害性比較大，因此這類控制一般都遵循了側翻控制優(yōu)先于車道跟隨的原則。

　　2.4 可變轉向傳動比的控制

　　操縱穩(wěn)定性實際上是一個人車路閉環(huán)系統(tǒng)的特性，操縱穩(wěn)定性的好壞最終決定于駕駛員感受，因而在主動前輪轉向的控制中，如何提高駕駛員操縱的安全性和舒適性也成為提高系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的一個重要因素。在傳統(tǒng)汽車上，從方向盤到車輪的傳動比是一個定值。在低速時，車輛如在泊車?？康裙r下，或者由于障礙物而突然變道時，需要駕駛員大幅、快速操縱方向盤，增加了駕駛員的身體負擔。相反，在高速時，由于車輛轉向響應增益加大，較小的方向盤轉角就會產(chǎn)生較大的側向加速度，增加了駕駛員的精神負擔。可變轉向傳動比可有效地解決上述問題。一般來說，變轉向傳動比控制中轉向傳動比的變化主要取決于兩方面的因素：車速和方向盤轉角。隨著車速的升高，轉向傳動比增加，隨著方向盤轉角的增大，轉向傳動比減小，如圖8所示。這樣，可以使得駕駛員在低速時轉向輕便而高速時操縱穩(wěn)定。在目前的主動前輪轉向控制中，許多控制算法都把可變轉向傳動比控制作為一個前饋環(huán)節(jié)，同反饋環(huán)節(jié)一起改善車輛的操縱穩(wěn)定性。在機械式主動轉向系統(tǒng)中，可變傳動比是通過轉角疊加的方式實現(xiàn)的，其輸入、輸出關系如下：

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　　式中：Wsw為方向盤輸入轉角，Wring為主動齒輪輸入轉角，α1、α2為兩者疊加的比例系數(shù)。

　　3 主動前輪轉向動力學控制展望

　　由于車輛橫擺角速度和側向加速度通過輪胎的側向力耦合，利用主動轉向通過側向力來改善車輛的操縱穩(wěn)定性必然面臨無法解決的矛盾，即側向加速度與橫擺角速度無法同時達到比較理想的優(yōu)化狀態(tài)。如何理解這一矛盾的性質(zhì)以及如何實現(xiàn)車輛側向運動和橫擺運動的綜合改善從而進一步提高車輛的操縱穩(wěn)定性，將是需要我們深人思考和研究的問題。

　　由于輪胎本身存在側向力飽和的情況，因此主動轉向極限工況下作用非常有限。車輛的操縱穩(wěn)定性不僅可以通過轉向來影響，而且可以通過縱向運動(驅(qū)動、制動)的控制產(chǎn)生的直接橫擺力矩來影響，同時，它還與車輛的懸架系統(tǒng)特性有著密切的關系。因此，主動前輪轉向系統(tǒng)與各系統(tǒng)間的集成控制就成為未來的必然選擇。通過集成控制，可以將各系統(tǒng)對操縱穩(wěn)定性影響的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，最大限度地提高車輛在極限工況下的穩(wěn)定性。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了一些主動前輪轉向與其他系統(tǒng)的集成控制方案，比較多見的是主動前輪轉向與直接橫擺力矩控制的集成，以及主動前輪轉向與主動懸架的集成等。

　　圖9所示為主動前輪轉向與直接橫擺力矩控制的集成控制系統(tǒng)的控制算法框圖。該控制系統(tǒng)可以提高車輛穩(wěn)定性，拓寬極限行駛區(qū)域，減小轉向幅度，更少產(chǎn)生由于制動干預引起的急劇減速，從而使車輛行駛安全性、舒適性得到大大提高。

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　　圖10所示為豐田公司提出的一種主動轉向和主動懸架集成控制結構。系統(tǒng)由前輪轉向控制單元和阻尼力控制單元組成。分為正常模式和運動模式，通過一個開關來進行選擇。在運動模式中，轉向傳動比更小，減振器的阻尼力大于正常模式。在兩種模式下，轉向力的感覺是相同的。