主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)研究 - 全文

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　　常見主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(也稱為主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向)。主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向是隨著線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，并且隨著寶馬的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配實(shí)車而進(jìn)入實(shí)用階段。由于主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)車輛的結(jié)構(gòu)能夠很好兼容，同時(shí)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(zhuǎn)向系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向之一。

　　1 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

　　目前可用于乘用車的主動(dòng)轉(zhuǎn)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(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過行星齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)增加一個(gè)輸入自由度從而實(shí)現(xiàn)附加轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)(SWB)，利用控制器綜合駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入和當(dāng)時(shí)的車輛狀態(tài)來決定轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出電流，最終驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)。該系統(tǒng)在許多概念車和實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)向技術(shù)。

　　線控轉(zhuǎn)向和機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別體現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能通過轉(zhuǎn)向盤與車輪間的機(jī)械連接確保其轉(zhuǎn)向性能，而線控轉(zhuǎn)向必須通過系統(tǒng)主要零件的冗余設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向系統(tǒng)直接裝備車輛。

　　1.1 機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　下面以寶馬的AFS系統(tǒng)為例，介紹機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變傳動(dòng)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(zhuǎn)向機(jī)械構(gòu)件外，主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動(dòng)比功能;二是Sewtronic液力伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。在駕駛過程中，駕駛員輸入的力矩和轉(zhuǎn)角共同傳遞給扭桿，其中的力矩輸入由液力伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙行星齒輪機(jī)構(gòu)與控制器輸出的附加轉(zhuǎn)角進(jìn)行角疊加，經(jīng)過疊加后的總轉(zhuǎn)向角才是傳遞給齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。其中，控制器輸出的轉(zhuǎn)角是根據(jù)各個(gè)傳感器的信號，包括車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、偏轉(zhuǎn)率、橫向加速度經(jīng)綜合計(jì)算得到的。由于寶馬主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行調(diào)整，因而可以使轉(zhuǎn)向輸入與當(dāng)前的車速達(dá)到最佳匹配。

　　1.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　一般來說，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、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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　　方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過測量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳遞給主控制器;同時(shí)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(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，通過轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

　　主控制器對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，給方向盤回正力電機(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輛響應(yīng)，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補(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，針對不同的故障形式和故障等級做出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。

　　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)雜問題，目前還無法由控制器完全取代駕駛員。相反，因?yàn)橥饨鐢_動(dòng)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(shí)現(xiàn)。由于涉及到車輛的姿態(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(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，尤其是在車速較高時(shí)改善了車輛的操縱穩(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。針對上述問題，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，對橫擺角速度和側(cè)向加速度單向解耦，進(jìn)而對橫擺角速度進(jìn)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(jìn)行反饋控制時(shí)對車輛前橋解耦點(diǎn)的側(cè)向加速度沒有影響，而在駕駛員進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，可以通過側(cè)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(diǎn)。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(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(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(gè)與速度有關(guān)的穩(wěn)態(tài)值。

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　　近年來，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，通過反饋補(bǔ)償器根據(jù)車輛包含擾動(dòng)的實(shí)際橫擺角速度生成一個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)角，疊加到車輛的輸入轉(zhuǎn)角上，從而實(shí)現(xiàn)對車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)是利用車輛的反向動(dòng)力學(xué)傳遞模型，通過車輛的實(shí)際橫擺角速度來計(jì)算車輛的名義前輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)而通過與實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角求差來得到抵消橫擺擾動(dòng)的轉(zhuǎn)角來進(jìn)行控制。由于控制過程中橫擺角速度信號會(huì)遇到噪聲信號，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)簡單，含義清晰，對外界擾動(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，成為未來橫擺角速度控制發(fā)展的一個(gè)方向。

　　2.2 D*控制

　　D*控制(或稱為橫擺角速度和側(cè)向加速度的綜合控制)源于四輪轉(zhuǎn)向控制中對后輪轉(zhuǎn)向的控制策略，是一種對車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度進(jìn)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(cè)向加速度的線性組合，如式(3)所示。

　　式中：Cy為側(cè)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(cè)重于側(cè)向運(yùn)動(dòng)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(guān)的比例系數(shù)與駕駛員輸入的轉(zhuǎn)角求得。CFF(s)為前饋控制傳遞函數(shù)，主要實(shí)現(xiàn)的是隨車速改善車輛響應(yīng)增益，CFS(s)為反饋控制環(huán)節(jié)，用來生成附加轉(zhuǎn)角。

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　　與橫擺角速度反饋控制相比，D*控制可以進(jìn)一步提高車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，在抑制擾動(dòng)的同時(shí)，提高車輛軌跡跟蹤的能力，在側(cè)向運(yùn)動(dòng)要求比較高的工況下(如：低附著系數(shù)路面雙移線，側(cè)向陣風(fēng)直線行駛)效果較好。

　　2.3 側(cè)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(cè)向陣風(fēng)的干擾都有可能直接導(dǎo)致車輛側(cè)翻，另外，重心偏高的車輛也特別容易發(fā)生側(cè)翻。還有，當(dāng)駕駛員對車輛的側(cè)向穩(wěn)定性做出錯(cuò)誤估計(jì)時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致車輛側(cè)翻的發(fā)生。側(cè)向加速度是影響車輛側(cè)向穩(wěn)定性的主要因素，通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向可有效地影響車輛的側(cè)向加速度從而控制車輛的側(cè)傾。一般來說，車輛的防側(cè)翻控制采用一個(gè)指示車輛側(cè)傾狀態(tài)的闕值，當(dāng)檢測到的側(cè)傾狀態(tài)超過闕值，則觸發(fā)防側(cè)翻控制。闕值可以是重心處的側(cè)向加速度、車輛側(cè)翻系數(shù)或者載荷轉(zhuǎn)移系數(shù)等。

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

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　　在主動(dòng)轉(zhuǎn)向防側(cè)翻的控制中，由于附加轉(zhuǎn)角的存在，會(huì)影響車輛按照駕駛員意圖行駛的能力，因此控制策略中應(yīng)由一個(gè)關(guān)于汽車行駛時(shí)車道保持能力的控制方法，如采用主動(dòng)制動(dòng)的方法。由于車輛側(cè)翻的危害性比較大，因此這類控制一般都遵循了側(cè)翻控制優(yōu)先于車道跟隨的原則。

　　2.4 可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的控制

　　操縱穩(wěn)定性實(shí)際上是一個(gè)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(dòng)前輪轉(zhuǎn)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(gè)重要因素。在傳統(tǒng)汽車上，從方向盤到車輪的傳動(dòng)比是一個(gè)定值。在低速時(shí)，車輛如在泊車?？康裙r下，或者由于障礙物而突然變道時(shí)，需要駕駛員大幅、快速操縱方向盤，增加了駕駛員的身體負(fù)擔(dān)。相反，在高速時(shí)，由于車輛轉(zhuǎn)向響應(yīng)增益加大，較小的方向盤轉(zhuǎn)角就會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向加速度，增加了駕駛員的精神負(fù)擔(dān)。可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可有效地解決上述問題。一般來說，變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比控制中轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的變化主要取決于兩方面的因素：車速和方向盤轉(zhuǎn)角。隨著車速的升高，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比增加，隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增大，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比減小，如圖8所示。這樣，可以使得駕駛員在低速時(shí)轉(zhuǎn)向輕便而高速時(shí)操縱穩(wěn)定。在目前的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制中，許多控制算法都把可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比控制作為一個(gè)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(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，可變傳動(dòng)比是通過轉(zhuǎn)角疊加的方式實(shí)現(xiàn)的，其輸入、輸出關(guān)系如下：

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

　　3 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)控制展望

　　由于車輛橫擺角速度和側(cè)向加速度通過輪胎的側(cè)向力耦合，利用主動(dòng)轉(zhuǎn)向通過側(cè)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(cè)向加速度與橫擺角速度無法同時(shí)達(dá)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(shí)現(xiàn)車輛側(cè)向運(yùn)動(dòng)和橫擺運(yùn)動(dòng)的綜合改善從而進(jìn)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(cè)向力飽和的情況，因此主動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向來影響，而且可以通過縱向運(yùn)動(dòng)(驅(qū)動(dòng)、制動(dòng))的控制產(chǎn)生的直接橫擺力矩來影響，同時(shí)，它還與車輛的懸架系統(tǒng)特性有著密切的關(guān)系。因此，主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)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(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與其他系統(tǒng)的集成控制方案，比較多見的是主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與直接橫擺力矩控制的集成，以及主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與主動(dòng)懸架的集成等。

　　圖9所示為主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向幅度，更少產(chǎn)生由于制動(dòng)干預(yù)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(dòng)轉(zhuǎn)向和主動(dòng)懸架集成控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由前輪轉(zhuǎn)向控制單元和阻尼力控制單元組成。分為正常模式和運(yùn)動(dòng)模式，通過一個(gè)開關(guān)來進(jìn)行選擇。在運(yùn)動(dòng)模式中，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比更小，減振器的阻尼力大于正常模式。在兩種模式下，轉(zhuǎn)向力的感覺是相同的。