汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計研究綜述

曹杰，王保華，陳小兵

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

前言

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是以電子軟聯(lián)接取代傳統(tǒng)的機械連接的裝置。方向盤路感以及轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電機，是汽車上重要的能量消耗裝置之一，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)特性以及系統(tǒng)能量消耗控制直接影響到汽車的轉(zhuǎn)向操縱動力學(xué)特性及燃油經(jīng)濟性能，采納節(jié)能設(shè)計思維研究線控轉(zhuǎn)向裝置的傳動比設(shè)置還有動力學(xué)問題、路感模擬策略以及路感電機控制策略節(jié)能設(shè)計、轉(zhuǎn)向電機動態(tài)控制及節(jié)能策略設(shè)計等問題是一個新的研究方向，因此，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計理論及方法必須深入研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)逐漸成為可能。奔馳公司在研究了后橋線控轉(zhuǎn)向以及多橋汽車的第三橋線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之后，于1990年開始了對前輪轉(zhuǎn)向線控系統(tǒng)進行了深入的研究，并且，把它開發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝在其概念車F400 Carving上。

本田汽車公司和東京大學(xué)在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面，做了一些理論研究和模擬器實驗。他們以人-車閉環(huán)系統(tǒng)特性為研究對象，理想化的系統(tǒng)傳動比，讓車輛的穩(wěn)態(tài)增益不再跟隨車速變動，如此就線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點可以充分被利用，最大限度的降低駕駛員的負(fù)擔(dān)，以駕駛員角控制特性和力控制特性對汽車主動安全性的影響最為重點研究對象。

在歐洲，F(xiàn)iat、Daimler-Chrysler、Ford Europe和 Volvo等汽車公司、Bosch等零部件廠商和Vienna、Chalmers等大學(xué)聯(lián)合開展“X-by-wire”計劃，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的落實、安全性以及可靠性方面進行了研究。Daimler-Chrysler已經(jīng)研發(fā)了名為“R129”的電驅(qū)動概念車。它取消了加速踏板、方向盤及制動踏板，徹底采用操縱桿控制汽車，實現(xiàn)了Drive-bywire技術(shù)。寶馬汽車公司在其BMW Z22概念車上也應(yīng)用了線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及線控驅(qū)動技術(shù),使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度范圍縮減到160度，這讓駕駛員在緊急轉(zhuǎn)向時輕松了很多。

國內(nèi)在線控轉(zhuǎn)向方面的研究才剛起步，吉林大學(xué)、清華大學(xué)、同濟大學(xué)、北京理工大學(xué)等高校對線控技術(shù)進行了一些相關(guān)研究。隨著 SBW 研究關(guān)注度的提高，國內(nèi)科研機構(gòu)也紛紛開始重視，將人力和物力投入其中進行研究。同濟大學(xué)汽車學(xué)院研制出國內(nèi)首輛裝備電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念車——“春輝三號”，該車是國內(nèi)首輛使用電子轉(zhuǎn)向技術(shù)的電動車。吉林大學(xué)宗魏宏、長富等人研究了對電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了主要問題以及其解決方法,為其他該方面的研究者提供了一個理論基礎(chǔ)。在控制策略方面，武漢理工大學(xué)劉永學(xué)等提出了相關(guān)的算法研究。

1.2 項目研究的科學(xué)意義

要使線控轉(zhuǎn)向技術(shù)真正實用化，必須對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)特性和駕駛員“路感”、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略、電機的動態(tài)控制算法和系統(tǒng)節(jié)能策略等核心理論及技術(shù)進行深入研究，并對汽車穩(wěn)定性能進行分析和評價。本項目的研究將為SBW系統(tǒng)開發(fā)提供理論依據(jù)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)實用的 SBW 系統(tǒng)，從而，有利于提高我國汽車技術(shù)水平和掌握汽車核心技術(shù)?？梢钥隙ň€控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對現(xiàn)代汽車的性能產(chǎn)生了正向的影響，甚至可能帶來一場汽車控制思想的革命。

該項目研究具有以下科學(xué)意義：

（1）基于節(jié)能設(shè)計的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有效降低系統(tǒng)能耗，提高汽車系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)和控制兩個方面，以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能量消耗最低和系統(tǒng)穩(wěn)定性為綜合目標(biāo)，研究基于節(jié)能設(shè)計理論和方法設(shè)計轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制策略，實現(xiàn)同等駕駛工況下采用節(jié)能設(shè)計的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能耗更低，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及整車的能量使用效率。

（2）駕駛員路感的節(jié)能設(shè)計，優(yōu)化駕駛員的路感，降低路感電機能耗，同時為駕駛員提供個性化的、更符合習(xí)慣的“路感”。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，駕駛員“路感”是由路感電機的模擬來生成的。由輸入信號之中取得最能夠代表汽車實際行駛狀態(tài)以及路面狀況的信息，路感電機控制以這些信息作為輸入變量，從而使轉(zhuǎn)向盤為駕駛員提供更符合習(xí)慣的“路感”，并降低轉(zhuǎn)向系路感電機的能量消耗。

（3）理想可變轉(zhuǎn)向傳動比的節(jié)能設(shè)計，提高轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)傳動效率和汽車的操縱穩(wěn)定性。采用節(jié)能設(shè)計思想，設(shè)計高效的理想變傳動比，通過前輪轉(zhuǎn)向控制可以實現(xiàn)傳動比的任意設(shè)置，依照駕駛員習(xí)慣及車速，汽車依據(jù)行駛工況由控制算法來控制傳動比實時設(shè)置；同時對前輪轉(zhuǎn)角參數(shù)進行補償，讓汽車轉(zhuǎn)向特性保持不變，進而將傳統(tǒng)“人-車閉環(huán)”系統(tǒng)中駕駛員所承擔(dān)的部分工作由ECU控制器來完成，這可大大減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，提高了車輛系統(tǒng)對駕駛員轉(zhuǎn)向輸入系統(tǒng)的響應(yīng)及“人車閉環(huán)”系統(tǒng)的主動安全性。

（4）系統(tǒng)采用電子控制，推動汽車的智能化發(fā)展，提高汽車安全可靠性。線控系統(tǒng)采用電子控制來實現(xiàn)智能靈活的轉(zhuǎn)向控制。并且具有很強的兼容性，修改軟件部分參數(shù)就能夠用于其它型號的車，對于新車型的開發(fā)，能夠結(jié)束大量的成本和時間；采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車內(nèi)部空間寬敞，相較于傳統(tǒng)機械部件在車輛上的安排和移動自由沒有限制，減少了事故發(fā)生時對司機的傷害。

2 線控轉(zhuǎn)向節(jié)能設(shè)計幾個關(guān)鍵問題

2.1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)動力學(xué)及控制策略節(jié)能設(shè)計問題

在 SBW 系統(tǒng)中，電子控制裝置替代原來的機械連接，這種顯著的改進可將轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計為變傳動比，變傳動比能很好地克服固定傳動比的缺點，F(xiàn)uhrer和Harter等人通過實時修正轉(zhuǎn)向靈敏度優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向性能和操縱性能。

對 SBW 的研究在日本和西方國家發(fā)展很快。在判定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的情況下，基于對駕駛員行為的研究，Tajima等首先建立了關(guān)于轉(zhuǎn)向性能的控制邏輯，然而沒有考慮瞬態(tài)運動控制。Segawa等人研究了SBW汽車穩(wěn)定性控制問題。近年來，Chai等對SBW汽車控制策略的研究轉(zhuǎn)向方向盤力矩的設(shè)計。與日本的研究者相比，西方國家傾向于實際 SBW 樣機的開發(fā)，很少注意轉(zhuǎn)向控制策略的研究。對 SBW 系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動比的設(shè)計要么根據(jù)Tajima的原理要么根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計成汽車速度的函數(shù)，Kaufmann等根據(jù)Tajima等人的理論，提出了一系列 SBW 汽車的操縱動力學(xué)控制邏輯，包括穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向操縱和瞬態(tài)操縱轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性。

基于理想傳動比的控制算法能有效地提高 SBW 汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能。為改善瞬態(tài)操縱性能，降低駕駛員工作負(fù)荷、提高路徑保持能力、提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性，提出了汽車偏航速控制和汽車集成控制兩種控制策略，并通過試驗?zāi)M器進行了驗證。在通過彎道時，Takimoto等認(rèn)為精確的前饋轉(zhuǎn)向控制更容易實現(xiàn)，可以弱化反饋調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)向位置控制性能和危險避讓操縱性方面，除了減輕駕駛員工作負(fù)荷和提高汽車操縱性能外，這種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性也能提高汽車的駕駛性能（例如避免轉(zhuǎn)向性能突變）。目前，在線控轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計及控制策略采用節(jié)能設(shè)計思路和方法研究的還非常少，處于初期階段。

為響應(yīng)國家政策，推動武術(shù)“走出去”，2016年7月22日，國家體育總局武術(shù)運動管理中心印發(fā)了《中國武術(shù)發(fā)展五年規(guī)劃(2016-2020年)》，規(guī)劃中指出：加強武術(shù)的國際交流與合作,加大對國外武術(shù)教練員、裁判員和運動員的培訓(xùn)，增加武術(shù)師資外派數(shù)量，擴大武術(shù)器材援助和輸出，增派武術(shù)交流訪問團，定期舉辦各類武術(shù)展示交流活動，逐步加大武術(shù)援外力度，重點與國際武術(shù)聯(lián)合會成員國建立長期合作關(guān)系[4]。

2.2 線控轉(zhuǎn)向理想可變傳動比及控制策略的節(jié)能設(shè)計問題

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪的機械連接，可以根據(jù)需要設(shè)計角傳動比——可變傳動比，可以根據(jù)車輛的車速變化而變化，實現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)向特性。這樣的汽車具有較好的操縱性能，能夠減輕駕駛員駕駛時的精神負(fù)擔(dān)和體力負(fù)荷。因此，林逸等圍繞橫擺角速度增益為定值，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想的可變傳動比進行了研究，提出了線控轉(zhuǎn)向理想轉(zhuǎn)向傳動比控制規(guī)律設(shè)計的不同方案，并設(shè)計了轉(zhuǎn)向盤力反饋控制策略、橫擺角速度反饋控制律、遺傳算法優(yōu)化轉(zhuǎn)向增益的線控轉(zhuǎn)向控制策略、系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制策略和等分?jǐn)?shù)階魯棒控制策略等，分析了線控轉(zhuǎn)向變傳動比控制對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。歐陽海等提出了前饋補償控制算法和橫擺角速度反饋控制算法兩種線控轉(zhuǎn)向車輛前輪轉(zhuǎn)角控制算法，并證明了前饋補償控制算法和橫擺角速度反饋控制算法能夠提高車輛響應(yīng)速度。目前在該系統(tǒng)中對可變傳動比設(shè)計及控制的研究比較多，但基于節(jié)能設(shè)計的研究還未見報道。

2.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機動態(tài)跟蹤控制及策略的節(jié)能設(shè)計問題

劉玉清等人研究表明，電流PID閉環(huán)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)電流的準(zhǔn)確跟蹤控制，也就實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)向電機為車輛轉(zhuǎn)向提供的轉(zhuǎn)向力矩的跟蹤控制。C-J Kim等人提出道路信息反饋策略來控制電機，提高駕駕駛員的轉(zhuǎn)向路感和電機的穩(wěn)定性，這種轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)的控制策略使用了電機的扭矩 MAP和駕駛員和道路的傳輸信息。在過度轉(zhuǎn)向條件下，KATSUHIRO SAKAI等人提出了基于驅(qū)動力特性圖的SBW驅(qū)動電機的主動轉(zhuǎn)向扭矩控制策略，實現(xiàn) SBW 裝置的變傳動比特性，提高光滑路面從汽車急轉(zhuǎn)到恢復(fù)穩(wěn)定的能力。近年來，研究者已從汽車主動安全方面關(guān)注汽車轉(zhuǎn)向系傳動比的主動控制和轉(zhuǎn)向力矩的主動控制。例如，在緊急情況下（道路附著系數(shù)變化、對開路面或側(cè)向風(fēng)干擾等），變傳動比控制可減小過轉(zhuǎn)向的速比，轉(zhuǎn)向例句控制可根據(jù)汽車偏航率或驅(qū)動力圖有效改善汽車的穩(wěn)定性。另外，它也能很好地改善駕駛員的轉(zhuǎn)向響應(yīng)時間，可以將緊急情況下駕駛員的反應(yīng)準(zhǔn)備時間由通常的0.2秒提高到0.6秒，這種控制能補償駕駛員的反應(yīng)時間，同時提高汽車主動安全性。采用節(jié)能設(shè)計的驅(qū)動電機動態(tài)跟蹤控制可以獲得更好的動態(tài)的響應(yīng)和更低的能量消耗。

2.4 線控轉(zhuǎn)向車輛動力學(xué)及控制問題

由于汽車輪胎的側(cè)向力具有飽和特性，轉(zhuǎn)彎工況汽車的操縱性能和穩(wěn)定性將會受到損害。與傳統(tǒng)控制相比線控技術(shù)在底盤集成控制上具有不可比擬的優(yōu)勢，特別是在極限工況下，利用線控技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向及制動，對于提高汽車的操縱性和駕駛舒適性具有較大的優(yōu)勢。

英國LEEDS大學(xué)的Selby等提出采用DYC和AFS綜合控制方法，其方法是根據(jù)所建立的車輛動力學(xué)模型，然后設(shè)計出DYC和AFS的控制策略。根據(jù)側(cè)向加速度的不同，來判斷DYC和AFS哪個系統(tǒng)起主要功能，研究表明集成控制比單獨控制更具有優(yōu)勢，其缺點是附著條件變化及駕駛員制動的作用沒有考慮進來。對于此影響，美國加利福尼亞大學(xué)的Zeyada等通過對AFS與DBC的分別實驗，找到了2種方法的優(yōu)缺點，對于極限工況的各種情況，提出了一種模糊控制算法，該算法基于控制橫擺角速度來實現(xiàn)，AFS和 DBC的集成有顯著效果。上述研究中，雖然考慮了路面附著系數(shù)的影響，但駕駛員制動的影響沒有被考慮，日本東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)的Mothoki Shino等也提出AFS和DYC的系統(tǒng)控制方法，其核心是最優(yōu)控制理論，對汽車前輪轉(zhuǎn)角和四輪制動力進行控制，依據(jù)模型匹配控制，對于輪胎的非線性特性與汽車的整車匹配給出了良好解決的解決方法，使汽車的主動安全性和操縱穩(wěn)定性在極限工況下大大提高，遺憾的是，該方案同樣沒考慮路面附著條件變化及駕駛員制動的影響。

Taehyun等人考慮汽車橫擺力矩和側(cè)傾干擾力矩，研究車輛在極限運動的工況下，依靠兩前輪的線控轉(zhuǎn)向要比調(diào)節(jié)單個車輪的制動和驅(qū)動更加具有穩(wěn)定性，即線控轉(zhuǎn)向與線控制動的集成控制的效率更高。

3 技術(shù)關(guān)鍵與應(yīng)用前景

實現(xiàn)汽車線控轉(zhuǎn)向節(jié)能設(shè)計理論和方法研究需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

如何產(chǎn)生駕駛員能夠感知到汽車的實際駕駛狀況和道路狀況，是實現(xiàn)解決線控轉(zhuǎn)向的技術(shù)關(guān)鍵所在?；诠?jié)能設(shè)計的路感模擬控制策略及路感電機控制算法，在保證方向盤路感性能要求的條件下，實現(xiàn)路感模擬系統(tǒng)更低的能量消耗。

（2）轉(zhuǎn)向機構(gòu)及控制策略節(jié)能設(shè)計方法研究

電驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，其核心技術(shù)為控制策略的設(shè)計。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略重點研究理想可變傳動比和控制策略的節(jié)能設(shè)計、驅(qū)動電機力矩動態(tài)波動的節(jié)能控制策略和算法，更好的道路感知策略和控制道路干擾和傳感器噪聲控制策略等方面進一步優(yōu)化和提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。在期望橫擺角速度增益和側(cè)向加速度增益不變的情況下研究傳動比的設(shè)置，通過綜合控制可以解決上述問題。

（3）轉(zhuǎn)向控制與轉(zhuǎn)向動態(tài)穩(wěn)定性研究

轉(zhuǎn)向動態(tài)穩(wěn)定性包括轉(zhuǎn)向電機動態(tài)穩(wěn)定性和汽車轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性兩個方面?；诮Y(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計，研究出理想的轉(zhuǎn)向器變傳動比，這樣在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要靈敏為主要目標(biāo)，反之在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)角時以“輕”為主要目標(biāo)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動機具有彈簧阻尼的效果, 可以減少路面的不平整對轉(zhuǎn)向盤的沖擊力以及車輪不平衡引起的震動，這樣的效果就減少了駕駛員的“路感”。使用模擬路感的節(jié)能控制策略以及模擬路感的電機震動控制技術(shù)，能夠有效地解決電機動態(tài)穩(wěn)定性這一問題。理想狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向傳動比隨方向盤轉(zhuǎn)角及車速變化而變化，采用理想轉(zhuǎn)向傳動比的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)向傳動比要比采用固定傳動比的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要小，這樣能夠減少前輪轉(zhuǎn)角穩(wěn)定性控制下

方向盤的轉(zhuǎn)角輸入，同時減輕駕駛員的體力負(fù)荷；當(dāng)車輛進行并線、變道操作時，使用轉(zhuǎn)向理想傳動比的方式會使轉(zhuǎn)向更好的靈敏性，其能夠更加及時地感知到轉(zhuǎn)向響應(yīng)，有效的避免轉(zhuǎn)向延誤造成的換道過急，提高汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。

（4）節(jié)能設(shè)計理論和方法研究及系統(tǒng)能耗分析

線控轉(zhuǎn)向節(jié)能設(shè)計研究當(dāng)前還主要集中在節(jié)能控制理論和方法研究，節(jié)能控制策略設(shè)計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性方面。SBW系統(tǒng)電功率消耗大，結(jié)合SBW系統(tǒng)能量消耗特點，設(shè)計合理的節(jié)能策略是一個關(guān)鍵的技術(shù)問題。目前，這方面的研究還很少，因此，在此方面開展探索性研究對實現(xiàn)整車節(jié)能降耗是非常必要和必須的。

4 結(jié)束語

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)符合環(huán)保、節(jié)能和安全的汽車技術(shù)發(fā)展方向，是系統(tǒng)科學(xué)、控制理論與機械、力學(xué)、電子與能源等學(xué)科領(lǐng)域的交叉研究，是國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)——汽車產(chǎn)業(yè)中關(guān)鍵技術(shù)問題的基礎(chǔ)性研究，是機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)動力學(xué)與汽車智能化線控類技術(shù)的一個分支，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻

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