汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究的探索

姜云浩 張建峰 池群 曹為鵬

摘 要：汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)重要的一個(gè)電控系統(tǒng)，電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要高效工作，需要設(shè)計(jì)控制策略。本文首先分析了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀，然后設(shè)計(jì)了汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究方案，最后建立了汽車(chē)電控系統(tǒng)的仿真模型，為后期研發(fā)搭建了良好的基礎(chǔ)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：控制;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);方案;模型

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)劣是會(huì)嚴(yán)重影響汽車(chē)操控性能和安全性能，隨著汽車(chē)行駛速度的提高，車(chē)流的密集，汽車(chē)對(duì)操控性和安全性的要求越來(lái)越高。如何設(shè)計(jì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提升其性能，是汽車(chē)制造廠家的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

目前，汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)由早期的機(jī)械轉(zhuǎn)向，提升為液壓助力轉(zhuǎn)向，但是大部分液壓助力轉(zhuǎn)向仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電控，使得汽車(chē)的轉(zhuǎn)向助力放大倍率無(wú)法隨著車(chē)速和路面條件的變化線性調(diào)節(jié)。在這種非線性的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)中，仍然需要駕駛者不停的調(diào)整方向盤(pán)的操縱力來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。這種非線性轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)增加了駕駛員的操縱難度，使駕駛員更容易疲勞，當(dāng)遇到連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間駕駛或復(fù)雜駕駛道路時(shí)，更容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

為了提高汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操控性能，并且盡可能的降低成本，可以在液壓助力轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在原液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)中，通過(guò)增加電磁閥、方向盤(pán)扭矩傳感器、車(chē)速傳感器和汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元（簡(jiǎn)稱(chēng)ESP ECU）等元件實(shí)現(xiàn)線性轉(zhuǎn)向控制。車(chē)速傳感器和方向盤(pán)扭矩傳感器將車(chē)輛速度變化的信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)傳遞給ESP ECU，ESP ECU接收到車(chē)速信號(hào)和方向盤(pán)扭矩傳感器信號(hào)后，對(duì)安裝在通向轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)油室的油道之間的電磁閥進(jìn)行控制，電磁閥的閥芯位于轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)油腔的通道中，控制電磁閥的通電電流可以改變電磁閥磁場(chǎng)線圈的磁場(chǎng)力，就改變了閥芯的位置，實(shí)現(xiàn)電磁閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)，從而就改變轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞兩側(cè)油室的液壓油流量，最終可以對(duì)轉(zhuǎn)向助力放大倍率的控制。液壓式電控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

電控液壓助力轉(zhuǎn)向可以根據(jù)車(chē)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力放大倍率，當(dāng)車(chē)速高時(shí)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)向助力放大倍率，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向更穩(wěn)定;當(dāng)車(chē)速低時(shí)，增大轉(zhuǎn)向助力放大倍率，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向更輕便，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力放大倍率始終處于最佳值，達(dá)到了汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線性控制的良好效果。

1 國(guó)內(nèi)外汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀

自從1886年汽車(chē)誕生以來(lái)，各項(xiàng)汽車(chē)新技術(shù)層出不窮，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是其中一項(xiàng)有代表性的技術(shù)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從設(shè)想到開(kāi)發(fā)成功經(jīng)歷了一個(gè)50年左右發(fā)展歷程。德國(guó)的Kasselman和TRW最早在20世紀(jì)五六十年代就提出了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概念，但是線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)需要先進(jìn)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)作為基礎(chǔ)，這在當(dāng)時(shí)條件是不成熟的。到了九十年代初，電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有重新引起了汽車(chē)制造廠商重視。

德國(guó)的奔馳公司在1990年開(kāi)發(fā)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了概念車(chē)F400-Cavring上，效果非常好。緊接著，ZF公司在1998年也對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在不斷的努力下，最終也實(shí)現(xiàn)了成功開(kāi)發(fā)。

2000年以后，線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展。通用公司在2002年，在電池概念車(chē)“Hy-Wire”上應(yīng)用了該技術(shù);日本的日產(chǎn)公司在2013年，在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了電子控制單元、車(chē)速傳感器、轉(zhuǎn)向扭矩傳感器和離合器裝置，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線性控制，并且借助離合器裝置的結(jié)合分離，將轉(zhuǎn)向和直線行駛區(qū)分開(kāi)來(lái)，進(jìn)一步節(jié)省了能耗。

在各大汽車(chē)制造廠商紛紛研究線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的同時(shí)，國(guó)外的相關(guān)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了大量的研究，并取得了很多成果。早期通過(guò)設(shè)計(jì)出汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)的觀測(cè)器，測(cè)出汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，研究汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向的控制策略;隨著CAD、CAM、CATIA等現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)制造軟件的出現(xiàn)，后期研究首先建立線控轉(zhuǎn)向的車(chē)輪動(dòng)力學(xué)模型，然后用上述軟件來(lái)轉(zhuǎn)向路感與汽車(chē)其他參數(shù)的關(guān)系的分析，最終得到成熟控制策略;在最新的研究中，紛紛采用有限元分析的方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析，使線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步的提升。

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展也非常迅速，但是對(duì)線控轉(zhuǎn)向的研究比較滯后，目前主要是由一些國(guó)內(nèi)的相關(guān)高校在開(kāi)展相關(guān)研究。北京理工大學(xué)研究了不同參數(shù)對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并建立了“人一車(chē)一路”閉環(huán)動(dòng)力學(xué)模型。江蘇大學(xué)在建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)不同車(chē)速下的放大倍率進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析;吉林大學(xué)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)角控制和路感進(jìn)行了研究，并在整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析;武漢理工大學(xué)和長(zhǎng)安大學(xué)也進(jìn)行了類(lèi)似的研究，也取得了一些的成果。

前期高校研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)僅僅停留在理論階段或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)階段，并沒(méi)有投入到生產(chǎn)實(shí)踐中。近期，國(guó)內(nèi)一些自主品牌生產(chǎn)廠家開(kāi)始與高校開(kāi)展合作，將線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的應(yīng)用到一些概念車(chē)上，從而為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣到量產(chǎn)車(chē)上奠定了基礎(chǔ)。

2 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究方案

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是未來(lái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，通過(guò)系統(tǒng)深入的了解線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以某一常用車(chē)型作為整車(chē)對(duì)象建立方向盤(pán)總成模型和轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)模型，研究線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略，通過(guò)項(xiàng)目開(kāi)展，開(kāi)拓我們的視眼，培養(yǎng)創(chuàng)新和實(shí)踐能力。課題組制定了以下研究方案，其研究步驟如下：

（1）理解線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及性能特點(diǎn)。全面系統(tǒng)的總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究成果，把握線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。（2）建立方向盤(pán)總成模型和轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)模型。

以某一常用車(chē)型為整車(chē)研究對(duì)象，在Catia/Simulink中建立方向盤(pán)總成模型和轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)模型，為后續(xù)分析建立模型基礎(chǔ)，并對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動(dòng)比進(jìn)行研究。

（3）線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究。

研究汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制流程，利用傳感器獲取汽車(chē)路感信息，以汽車(chē)橫擺角速度增益不隨車(chē)速和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化為目標(biāo)，計(jì)算最佳傳動(dòng)比。對(duì)設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。具體的技術(shù)路線如圖2所示：

3 研究的初步成果

目前課題組在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略的研究開(kāi)展過(guò)程中，已經(jīng)利用Catia軟件構(gòu)建了轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)模型，其模型如圖3所示，下一步需加入轉(zhuǎn)向扭矩傳感器、車(chē)速傳感器和ESP ECU構(gòu)成完整研究模型，為后期設(shè)計(jì)與控制效果的驗(yàn)證提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 項(xiàng)目創(chuàng)新特色

目前大部分汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制策略是基于某一典型工況或者忽略道路條件的影響。而不同道路情況會(huì)有不同的“路感”，即對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用力不同，本項(xiàng)目的研究將通過(guò)傳感器獲取車(chē)速變化信號(hào)的同時(shí)，結(jié)合當(dāng)前道路“路感”信息，作為控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，使設(shè)計(jì)的控制策略更加科學(xué)準(zhǔn)確。

基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（省級(jí) 一般項(xiàng)目）：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究， 項(xiàng)目編號(hào)：201612056016X。