商用車(chē)智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

萬(wàn)民偉，張新聞

（1.杭州世寶汽車(chē)方向機(jī)有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

前言

商用車(chē)由于質(zhì)量大，質(zhì)心高，體積大，其操縱輕便性與操縱穩(wěn)定性難以達(dá)到乘用車(chē)水平[1]。因此相比乘用車(chē)，商用車(chē)對(duì)于駕駛員有著較高的駕駛負(fù)擔(dān)。針對(duì)商用車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，近年來(lái)逐漸有提高駕駛員舒適性和安全性的先進(jìn)技術(shù)涌現(xiàn)。商用車(chē)電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)機(jī)械液壓助力工作平順、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)上，獲得了更好的轉(zhuǎn)向操縱感和節(jié)能性能[2]。并且其對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)和新能源車(chē)均可適配，并且可以在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能駕駛[3]，國(guó)外商用車(chē)的電液轉(zhuǎn)向起步較早，博世開(kāi)發(fā)有面向商用車(chē)的先進(jìn)Servotwin疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、沃爾沃開(kāi)發(fā)有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Volvo Dynamic Steering），低速行駛時(shí)，電機(jī)提供額外的力；高速行駛時(shí)，電機(jī)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)向，在側(cè)風(fēng)或路面不平整對(duì)方向盤(pán)造成影響時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。在整車(chē)方面，戴姆勒在無(wú)人駕駛卡車(chē)方面是行業(yè)先驅(qū)，卡車(chē)已經(jīng)在德國(guó)和美國(guó)測(cè)試驅(qū)動(dòng)的路線(xiàn)駕駛了約20 000公里。

目前國(guó)內(nèi)商用車(chē)的電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于起步階段，主要以高校的研究為主。耿國(guó)慶[4]基于電控液壓循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進(jìn)行了商用車(chē)電液轉(zhuǎn)向系的主動(dòng)回正研究，取得了良好的控制效果。張齊[5]針對(duì)大型客車(chē)，基于液壓循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了助力的輸出，并降低了整車(chē)的油耗。呂連杰[6]針對(duì)商用卡車(chē)開(kāi)發(fā)了電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，完成了原理樣機(jī)的制造，在實(shí)車(chē)測(cè)試中取得了良好的效果。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)中重型商用車(chē)，所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采用一種新型電液循環(huán)球結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)特征如下：

（1）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向裝置[7]：主要包括轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角傳感器、永磁同步電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)。匹配的永磁同步電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)連接到轉(zhuǎn)向軸上，電動(dòng)助力的輸出軸與液壓助力轉(zhuǎn)向器的輸入軸連接。

（2）循環(huán)球轉(zhuǎn)向裝置：電液循環(huán)球結(jié)構(gòu)為整體液壓助力式循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，經(jīng)過(guò)匹配設(shè)計(jì)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)施加的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)助力裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)疊加后，通過(guò)扭桿傳遞給轉(zhuǎn)向螺桿，扭桿的變形量直接控制轉(zhuǎn)閥的工作狀態(tài)，以得到不同的轉(zhuǎn)向助力。

（3）控制器：采用的控制器設(shè)計(jì)集成在電機(jī)尾部以達(dá)到良好的安裝布置工藝和防水性能。常規(guī)助力模式下在助力特性曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上，加上系統(tǒng)的摩擦、慣性、阻尼和回正補(bǔ)償?shù)玫诫姍C(jī)的助力電流，達(dá)到隨速助力和主動(dòng)回正的功能。轉(zhuǎn)角伺服（自動(dòng)轉(zhuǎn)向）模式下，則根據(jù)轉(zhuǎn)角信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)方向盤(pán)的位置進(jìn)行控制。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作模式協(xié)調(diào)控制技術(shù)

2.1 常規(guī)助力模式

常規(guī)助力模式下，根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)矩、車(chē)速等車(chē)輛信息，在助力特性曲線(xiàn)的基礎(chǔ)上，加上系統(tǒng)的摩擦、慣性、阻尼和回正補(bǔ)償?shù)玫诫姍C(jī)的助力電流，達(dá)到隨速助力和主動(dòng)回正的功能。為了提高商用車(chē)的直線(xiàn)行駛功能，設(shè)計(jì)中位補(bǔ)償功能，糾正商用車(chē)行駛跑偏的問(wèn)題。圖1為常規(guī)助力模式下的控制策略。在此基礎(chǔ)上從產(chǎn)品化的角度考慮，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)扭矩中位標(biāo)定和角度標(biāo)定功能，并具備熱保護(hù)、末端保護(hù)、失效保護(hù)等保護(hù)機(jī)制、故障診斷功能。

圖1 常規(guī)助力模式下的控制策略

2.2 人機(jī)協(xié)同控制決策方法

車(chē)道保持系統(tǒng)LKA需要利用車(chē)載攝像頭對(duì)道路狀況和車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)信號(hào)處理獲得準(zhǔn)確、可靠的行車(chē)信息；然后，考慮如何利用得到的信息進(jìn)行駕駛員轉(zhuǎn)向干預(yù)度的判斷，在駕駛員優(yōu)先決策下解決電機(jī)和人之間的決策矛盾。具體而言，如何通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和轉(zhuǎn)角信號(hào)變化特性利用智能控制理論判斷駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)掌控程度，建立駕駛員干預(yù)度的推理模糊模型，進(jìn)而確定車(chē)道保持轉(zhuǎn)向功能的開(kāi)啟條件。在充分尊重駕駛員轉(zhuǎn)向意圖的情況下，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同控制。

車(chē)道保持模式下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略如圖2所示，智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出扭矩需要疊加一個(gè)車(chē)道保持LKA系統(tǒng)的目標(biāo)扭矩，這個(gè)目標(biāo)扭矩補(bǔ)償依據(jù)攝像頭視覺(jué)數(shù)據(jù)（車(chē)輛與中心線(xiàn)偏移距離、車(chē)輛航向角、道路曲率）和車(chē)速信號(hào)計(jì)算得到。

圖2 車(chē)道保持模式下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 轉(zhuǎn)向角階躍試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：使用CANape模擬上層控制器，發(fā)送測(cè)試要求中給出的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角，監(jiān)測(cè)反饋轉(zhuǎn)角跟隨狀態(tài)，對(duì)比CANape的命令轉(zhuǎn)角與EPS控制器輸出的轉(zhuǎn)角的時(shí)間歷程。所得的轉(zhuǎn)向角階躍試驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。在階躍試驗(yàn)中，階躍響應(yīng)時(shí)間最大為23 ms，上升時(shí)間隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)向角指令的增大而增長(zhǎng)，穩(wěn)態(tài)誤差在±0.8°以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了系統(tǒng)的性能要求。

表1 轉(zhuǎn)向角階躍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 接管功能試驗(yàn)

當(dāng)系統(tǒng)處于角度控制模式下時(shí)，人為控制方向盤(pán)，人工介入條件滿(mǎn)足設(shè)定條件后，轉(zhuǎn)向器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入人工介入助力模式。接管功能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 接管功能試驗(yàn)結(jié)果

從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)駕駛模式（角度控制模式）時(shí)，不滿(mǎn)足人工介入條件，不執(zhí)行人工介入控制。人工介入扭矩超過(guò)設(shè)定扭矩閾值（4 Nm），持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定閾值（300 ms），滿(mǎn)足人工介入條件，并進(jìn)入人工介入模式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文為解決商用車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動(dòng)化和智能化問(wèn)題，在循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中集成電動(dòng)助力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向、機(jī)械手動(dòng)轉(zhuǎn)向所不具備的隨速助力轉(zhuǎn)向、主動(dòng)回正等功能，并通過(guò)智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的助力特性、主動(dòng)回正控制策略、力矩疊加控制策略及伺服轉(zhuǎn)向控制策略等研究，開(kāi)發(fā)一種具有隨速助力、主動(dòng)回正、輔助轉(zhuǎn)向及自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能的智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并成功推向了市場(chǎng)。該系統(tǒng)能夠配合商用車(chē)整車(chē)實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下輔助駕駛和無(wú)人駕駛對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行需求，提升商用車(chē)的操控性，并為商用車(chē)的智能化駕駛奠定了基礎(chǔ)。