汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究

王忠棟

摘要：本文在對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，從汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的上層控制方法及下層控制萬法兩個方面闡述了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制內(nèi)容，并對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：汽車;線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類事物不斷推陳出新。在汽車行業(yè)，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為機械式控制，汽車駕駛員通過對駕駛環(huán)境的判斷來進(jìn)行手動機械操作，進(jìn)而實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，共性能好壞，直接影響了汽車在轉(zhuǎn)向過程中的安全系數(shù)。而在擁有成熟電子信息技術(shù)與控制理論的今天，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已完成了幾代技術(shù)革新，已從早期的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)走向線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，期間還發(fā)展過液壓助力、電控液壓助力及電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾大系統(tǒng)。總體來說，使汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性不斷地得到提高，而隨著人們對汽車的安全可靠性及環(huán)境友好性的追求越來越高，改善汽車的駕駛特性已刻不容緩，因此，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)開始成為全世界范圍內(nèi)的研究熱點。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要組成部分包括方向盤總成、轉(zhuǎn)向橋機構(gòu)總成、基本控制器、故障處理系統(tǒng)及各種傳感器等。其具體組成部分及作用為：

（1）方向盤總成部分：方向盤總成由方向盤組件、電機及各種方向盤傳感器（如轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器等）組成。其主要作用為根據(jù)汽車方向盤轉(zhuǎn)角變化來實現(xiàn)對汽車基本控制器的控制，基本控制器把轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號反饋至控制方向盤的電機上，進(jìn)而給駕駛員提供相應(yīng)的環(huán)境信息。

（2）轉(zhuǎn)向橋機構(gòu)總成部分：轉(zhuǎn)向橋機構(gòu)總成具體由前輪轉(zhuǎn)向組件、方向盤轉(zhuǎn)向電機及其控制器與前輪轉(zhuǎn)角傳感器等組成。其主要作用是為了實現(xiàn)駕駛?cè)藛T對車輛的轉(zhuǎn)向操控意圖?；究刂破魍ㄟ^反饋得到前輪轉(zhuǎn)角信號，通過分析處理，對車輛的運動狀況進(jìn)行判斷，進(jìn)而針對轉(zhuǎn)向電機應(yīng)轉(zhuǎn)的前輪轉(zhuǎn)角大小發(fā)布命令。另外，基本控制器能夠?qū)D(zhuǎn)向操作的合理性進(jìn)行識別判斷，對駕駛員實施的誤操作能夠做出屏蔽處理，在一定程度上保障了車輛駕駛?cè)藛T的安全性，實現(xiàn)汽車的平穩(wěn)自動轉(zhuǎn)向。

（3）故障處理系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，其能夠通過對行駛車輛的監(jiān)測做出相應(yīng)的處理，進(jìn)而保障了車輛的安全駕駛，見圖1。

汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)之所以能提高汽車的駕駛安全可靠性，與其具有的故障檢測手段息息相關(guān)。圖2為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理圖。對其工作原理具體可以進(jìn)行以下描述：當(dāng)方向盤上的轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)角傳感器將其收集到的轉(zhuǎn)角信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到控制器上，通過控制系統(tǒng)上計算機處理后，反饋至控制車輪轉(zhuǎn)向的電機上，從而實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。

3 線控轉(zhuǎn)向控制的內(nèi)容

線控轉(zhuǎn)向控制的研究包括上層控制方法和下層控制方法兩個方面的內(nèi)容，其中上層控制方法主要包括四個方面的研究內(nèi)容，分別為轉(zhuǎn)向傳動比的計算方法的研究，四輪轉(zhuǎn)向控制的研究，車輛穩(wěn)定性的控制方法以及汽車路徑跟蹤控制等，下層控制方法主要包括轉(zhuǎn)向電機的控制研究。具體內(nèi)容為：

（1）轉(zhuǎn)向傳動比的計算方法：為使駕駛?cè)藛T在操作汽車轉(zhuǎn)向時盡可能地減少體力消耗及精神消耗，在汽車行駛過程中，要求其轉(zhuǎn)向傳動比隨著車輛的速度大小及其方向盤的轉(zhuǎn)角變化。在低速行駛過程中，轉(zhuǎn)向傳動比會隨著車速的增大而增大，而當(dāng)車速較高時，其轉(zhuǎn)向傳動比的增大幅度會逐漸減小，這樣能夠減小轉(zhuǎn)向傳動比帶來的影響，緩解不斷加減速給駕駛?cè)藛T帶來的駕駛疲勞。另外，為了達(dá)到最佳的駕駛舒適度，常常根據(jù)車速對汽車的轉(zhuǎn)向傳動比進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。常采用的方法有遺傳算法，仿真和駕駛模擬器試驗驗證法，基于MATLAB模糊控制工具箱設(shè)計轉(zhuǎn)向傳動比算法及利用ADAMS軟件進(jìn)行雙移線等工況仿真等。

（2）四輪線控轉(zhuǎn)向控制：為了達(dá)到提高汽車側(cè)向性能的目的，常采用四輪轉(zhuǎn)向控制的方法，通過建立車輛傳動齒輪的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，在改變車速的情況下結(jié)合動力學(xué)知識，并通過引入動態(tài)調(diào)整邊界層厚度的變結(jié)構(gòu)控制器，對不同轉(zhuǎn)向操縱下的汽車轉(zhuǎn)向控制進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：在一定的操縱范圍內(nèi)，最優(yōu)控制下，四輪轉(zhuǎn)向控制能夠提高汽車的側(cè)向性能。

（3）車輛穩(wěn)定性控制：為了提高車輛轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，優(yōu)化汽車穩(wěn)定性控制效果，需對駕駛過程中的橫擺力進(jìn)行控制，以提高其響應(yīng)速度，降低擺動幅度。為了解決輸入約束與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非線性的問題，采用非線性模型預(yù)測控制，對非線性集合隸屬度進(jìn)行辨識，通過仿真操作，證明了集合隸屬度預(yù)測控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)車輛側(cè)向穩(wěn)定性的提高。通過對安裝雙搖臂型線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的豐田COMS車輛進(jìn)行試驗，高精度估計路面狀態(tài)，有效驗證了采用側(cè)向力傳感器和道路回正力矩估計器能夠提高識別路面狀態(tài)的精度，提高控制器對方向盤反饋的速度，優(yōu)化操作性能，從而確保汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

（4）車輛路徑跟蹤控制：車輛的路徑跟蹤控制研究采用Lyapunov法，通過建立的車輛模型，設(shè)計形成連續(xù)時變的非線性跟蹤控制器，通過仿真分析，結(jié)果顯示汽車的仿真路徑與實際路徑相比幾乎0誤差，表明模擬工況能夠很好地對車輛路徑進(jìn)行跟蹤。

（5）轉(zhuǎn)向電機的控制：汽車轉(zhuǎn)向控制的實現(xiàn)離不開轉(zhuǎn)向電機，它是轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)最重要的研究內(nèi)容，汽車轉(zhuǎn)向控制的效果深受轉(zhuǎn)向電機的影響。對轉(zhuǎn)向電機的控制，常采用高性能的永磁轉(zhuǎn)向電機進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，在采用直流電機控制時，設(shè)計為PID參數(shù)控制，并通過試驗驗證了采用PID控制轉(zhuǎn)向電動機的可靠性，其具有更快的響應(yīng)速度，改善了汽車的轉(zhuǎn)向控制性能。

4 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在傳感器、動力電源、總線的設(shè)計上，另外還包括可靠性技術(shù)，具體為：

（1）傳感器技術(shù)：在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中綜合應(yīng)用各種傳感器技術(shù)，能夠提高汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的靈敏度及精準(zhǔn)度，隨著電子控制技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器的質(zhì)量越來越高，傳感器的信息采集能力提高了汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。目前運用到汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳感器包含的種類較多，例如速度、角速度傳感器，轉(zhuǎn)矩傳感器，側(cè)向加速度傳感器等等。

（2）動力電源技術(shù)：汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的控制單元與反饋電機的工作都需要電源支持，因此，動力電源的重要性不言而喻，其性能的好壞直接影響著整個線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。為了應(yīng)對汽車電子控制系統(tǒng)中元器件日益增多造成的耗能增大的情形，研究容量大、性能好的動力電源至關(guān)重要，以往采用的12V動力電源已無法滿足現(xiàn)代化汽車的電力供應(yīng)，因此，設(shè)計出了42V的動力電源技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用又進(jìn)一步推動了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展。

（3）總線技術(shù)：總線技術(shù)影響著線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各子系統(tǒng)集成布局方式，汽車的總線標(biāo)準(zhǔn)有很多，目前常用的總線技術(shù)有TTP、Byteflight與Flex Ray三種。未來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將會產(chǎn)生更加高速、實時傳輸?shù)目偩€技術(shù)，實現(xiàn)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的智能化水平的進(jìn)一步提高。

（4）可靠性技術(shù)：為了發(fā)展線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，需要不斷地提高其可靠性，為了防止電控系統(tǒng)發(fā)生故障，現(xiàn)在在設(shè)計線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時往往設(shè)計成有多個車載電源、轉(zhuǎn)向傳感器，以提高其可靠性。

5 結(jié)論

隨著電子信息控制技術(shù)的不斷發(fā)展，在車輛上運用的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會越來越成熟，技術(shù)會越來越先進(jìn)，在提高汽車操控穩(wěn)定性的同時，能夠給駕駛?cè)藛T提供更佳的駕駛體驗。

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