基于EPS主動回正的車輛跑偏研究

吳成偉，朱新華，胡思明，周精浩，曹芹來

吉利汽車研究院(寧波)有限公司,浙江寧波 315000

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，在各類交通事故中，有約30%為車輛偏離車道造成的事故，為提高交通運輸?shù)陌踩裕嚓P(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對跑偏進(jìn)行了各項研究。車輛跑偏通常是車輛向控制未按駕駛員意愿沿著交通路線行駛。直線道路上，在駕駛員無轉(zhuǎn)向意圖的狀態(tài)下，車輛保持直線行駛則定義為不跑偏。隨著智能輔助功能及其補(bǔ)償功能逐漸集成到車輛中，有效彌補(bǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)特性難以提高的性能，但各系統(tǒng)中的信號采集及其偏差校正也成為重要的技術(shù)難題。文中以消除電動助力轉(zhuǎn)向(electric power steering，EPS)系統(tǒng)回正功能采用的信號參數(shù)偏差為研究對象，提高車輛直線行駛的能力。

國內(nèi)外學(xué)者對車輛跑偏進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]對車輛跑偏的檢測方法進(jìn)行了研究，但未對跑偏的原因進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[2]基于方向盤轉(zhuǎn)角，結(jié)合方向盤扭矩及轉(zhuǎn)速，對主動回正不足和回正超調(diào)進(jìn)行研究，未涉EPS信號與車輛工況偏差的研究；文獻(xiàn)[3]對EPS傳感器控制策略和方法的計算進(jìn)行研究，未對功能邏輯導(dǎo)致跑偏分析及研究；文獻(xiàn)[4]對麥弗遜式前懸架的轉(zhuǎn)向摩擦對車輛定速跑偏的影響進(jìn)行研究，未對主動轉(zhuǎn)向回正影響研究；文獻(xiàn)[5]從車輛制動系統(tǒng)的集成動態(tài)控制系統(tǒng)，采用模糊邏輯控制方法跟蹤基準(zhǔn)偏航率，降低了機(jī)體的滑移角和滾轉(zhuǎn)角，提高了車輛的乘坐舒適性，未對橫向控制系統(tǒng)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6]從主動轉(zhuǎn)向和有效直接偏航力矩分配的集成研究，通過自適應(yīng)律考慮車輛質(zhì)量和輪胎路面摩擦因數(shù)等參數(shù)的不確定性。在較低控制水平上，通過約束優(yōu)化實現(xiàn)了后輪偏航力矩的有效分配?？刂泼钣筛郊拥那拜嗈D(zhuǎn)向角度和施加在一個后輪上的制動扭矩執(zhí)行，未對橫向控制系統(tǒng)偏差進(jìn)行研究。從目前的文獻(xiàn)看，基于EPS的主動回正功能及其車輛跑偏的控制邏輯研究中，多為調(diào)校驗證研究、控制方法研究及其具體單個關(guān)聯(lián)元件的研究，未從消除信號參數(shù)偏差進(jìn)行研究，分析EPS回正導(dǎo)致車輛跑偏進(jìn)行研究，因此，對EPS回正導(dǎo)致車輛跑偏的研究有重要的意義。

1 EPS介紹

1.1 EPS結(jié)構(gòu)介紹

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是按控制邏輯，根據(jù)駕駛員的意愿進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力的系統(tǒng),實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輕便性、平順性。EPS根據(jù)助力單元的布置位置及其助力的傳動方式，可分為轉(zhuǎn)向軸助力形式(column electric power steering,C-EPS)、單齒輪助力形式(single pinion electric power steering,SP-EPS)、雙齒輪助力形式(double pinion electric power steering,DP-EPS)、帶傳動單齒條助力形式(belt power steering system,BP-EPS)4種，如圖1所示。

圖1 EPS的4種助力形式

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器(steering angle sensor，SAS)布置，文中以方向盤傳感器布置在方向盤下方為研究對象，安裝在管柱輸入軸上，其轉(zhuǎn)角與方向盤相對同步。

1.2 EPS主動回正補(bǔ)償介紹

助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的補(bǔ)償功能，通常有跑偏補(bǔ)償控制、主動回正補(bǔ)償控制、阻尼補(bǔ)償控制、慣性補(bǔ)償控制、軟止點保護(hù)控制，文中以降低車輛行駛跑偏的程度為目的，研究EPS主動回正補(bǔ)償對車輛直線行駛的影響。EPS的主動回正輔助功能，是根據(jù)工況提供轉(zhuǎn)向回正補(bǔ)償，控制策略如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向回正控制邏輯示意

圖2中，為駕駛員施加的扭矩；為車輛行駛速度；為EPS傳感器計算的方向盤轉(zhuǎn)角；為主動回正輔助扭矩請求；為經(jīng)過幅值和梯度限制后的扭矩；為經(jīng)過傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤助力后的電動助力轉(zhuǎn)向扭矩；()為回正扭矩幅值和梯度的函數(shù)；()為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤助力函數(shù)。

2 車輛跑偏研究

2.1 EPS主動回正功能影響分析

將車輛運動簡化為線性二自由度，以汽車質(zhì)心的加速度在車輛坐標(biāo)系上的分量，如圖3所示。

圖3 車輛坐標(biāo)系分析汽車的運動

二自由度汽車受到外力沿用軸方向的合力與繞質(zhì)心的力矩和為：

∑=1cos+2

(1)

∑=1cos-2

(2)

通過式(1)及式(2)推理，在不考慮轉(zhuǎn)向以外的橫向力、路面不平整、兩邊的驅(qū)動轉(zhuǎn)速差的工況下，車輛在直線行駛的工況，車輛將保持直線行駛，此工況下，只有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給予橫向的加載力工況，才產(chǎn)生橫向的加速度。

=+

(3)

=

(4)

=+

(5)

=··

(6)

式中:為轉(zhuǎn)向扭矩增益系數(shù);為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總輸出扭矩;為轉(zhuǎn)向回正系數(shù);為車速;為EPS計算主動回正的轉(zhuǎn)角。

車輛直線行駛的工況下，駕駛員不需對方向盤施加扭矩，即駕駛員施加的扭矩為零，根據(jù)式(3)—(5)，轉(zhuǎn)向力取決于回正輔助扭矩請求，即主動回正助力是否激活助力。

某車型的主動回正的控制力曲線如圖4所示，通過圖4得出，車行駛即車道大于0 km/h、小于120 km/h，車速均在主動回正的閾值內(nèi)，結(jié)合式(6)可以推出，車輛在行駛的工況下，EPS傳感器計算的轉(zhuǎn)角值起到回正決定性因素。

圖4 EPS回正扭矩曲線

2.2 EPS回正導(dǎo)致跑偏因素

方向盤轉(zhuǎn)角、EPS計算的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向器齒條行程的位移如圖5所示，當(dāng)EPS計算的轉(zhuǎn)角零位與車輛直線行駛轉(zhuǎn)向器齒條位置零位不重合時，車輛直線行駛的工況下，EPS計算的轉(zhuǎn)角不為零位，根據(jù)式(4)，差值大于閾值時，EPS將提供回正扭矩，此時的扭矩將導(dǎo)致車輛跑偏。

圖5 轉(zhuǎn)角差示意

=+

(7)

式中:為EPS啟動時的判定當(dāng)前角度;為方向盤轉(zhuǎn)向傳感器啟動時狀態(tài)角度;為方向盤與EPS傳動機(jī)構(gòu)的角度差值。

=+

(8)

式中:為車輛直線行駛工況下，轉(zhuǎn)向器齒條的零位，即直線行駛零位;為EPS中位與車輛直行零位的偏離值。

=+

(9)

2.2.1 EPS角度中位標(biāo)定偏差

車輛在裝配完成時，車輛下線后，通過轉(zhuǎn)鼓試驗臺驅(qū)動，促使車輛接近直線工況，方向盤位置對中、車輛前束調(diào)至設(shè)計范圍內(nèi)，再進(jìn)行EPS系統(tǒng)角度零位標(biāo)定，此時車輛懸架系統(tǒng)有存在應(yīng)力釋放不完全的因素。

2.2.2 EPS角度零位偏差

EPS集成的轉(zhuǎn)角傳感器，通常是檢測轉(zhuǎn)向助力電機(jī)的轉(zhuǎn)角，通過下線標(biāo)定的中位，屬于相對轉(zhuǎn)角傳感器，零位的讀取配對在車輛啟動時獲取SAS角度，文中以DP-EPS及BP-EPS為研究對象，因SAS與EPS驅(qū)動單元的安裝位置差異，傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計有兩個非等速傳動的十字萬向節(jié)，如圖6所示，對于追求駕駛樂趣的運動型車型，雙十字萬向節(jié)特意布置出稍微帶不等速的狀態(tài)，以達(dá)到提高車輛方向盤中心感的狀態(tài)，這導(dǎo)致車輛使用過程中校對位置存在偏差。

圖6 中間軸布置簡圖

十字萬向節(jié)傳動分析如圖7所示。

(10)

圖7 單十字軸萬向節(jié)運動分析

假設(shè)軸1的初始位置是其節(jié)叉平面與重合，其十字軸軸銷、在軸線上，十字軸銷中心到十字軸中心的距離是。軸1的節(jié)叉平面繞轉(zhuǎn)動一個任意角度，十字軸軸銷中心轉(zhuǎn)到,其在坐標(biāo)為式(11)所示。

(11)

按圖4c，假設(shè)軸2繞轉(zhuǎn)動角度，軸2節(jié)叉的十字軸軸銷中心轉(zhuǎn)到，其在坐標(biāo)如式(12)所示。

(12)

利用式(10)把在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成在坐標(biāo)系總的坐標(biāo)，得式(13)。

(13)

式(12)代入式(13)得

(14)

十字軸銷中心與之間的距離如式(15)所示

(15)

將傳動架構(gòu)視為剛性連接，設(shè)定保持不變，得式(16)

(16)

將式(11)、(14)代入式(16)得

sin·cos=cos·cos·sin

(17)

通過解式(17)得

tan=tan·sin

(18)

通過解式(18)得

(19)

式中：為結(jié)構(gòu)布置角度恒定值;與隨角度變化而變化，雙十字萬向節(jié)為兩個十字萬向節(jié)的疊加。由此體現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)動方向盤不同的角度位置，方向盤的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器齒輪軸的轉(zhuǎn)角存在一定的差異。因此車輛使用過程中，零位校對存在一定的偏差。

2.2.3 車輛耐久后應(yīng)力釋放

表1為某車型路試前后前束的測試值。由表可知，車輛使用過程，前束存在一定的波動，轉(zhuǎn)向器與相應(yīng)的車輛為剛性連接，在前束變化的情況下，車輛直線行駛對應(yīng)轉(zhuǎn)向器齒條的零位也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。推出式(8)中的EPS中位于車輛直行零位的偏離值有所變化。

表1 某車型路試前后前束的測試值 單位:(′)

2.3 EPS傳感器角度學(xué)習(xí)偏差模擬分析

2.3.1 EPS傳感器角度學(xué)習(xí)偏差模擬分析

以某款車為例，轉(zhuǎn)向傳動結(jié)構(gòu)布置見表2。

表2 轉(zhuǎn)向傳動結(jié)構(gòu)布置 單位:(°)

根據(jù)設(shè)計布置數(shù)據(jù)搭建模型：方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，EPS輸入軸及助力單元數(shù)據(jù)仿真模型運動分析如圖8所示，方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、上管柱為剛性連接等速傳動，上、下十字萬向節(jié)通過CATIA DMU數(shù)據(jù)仿真模型運動分析。

圖8 數(shù)據(jù)仿真模型運動分析

通過CATIA DMU數(shù)據(jù)仿真模型運動分析，得到方向盤轉(zhuǎn)角與EPS傳動機(jī)構(gòu)的角度差值變化曲線如圖9所示。由圖可知，角度差值隨方向盤上下調(diào)節(jié)及其旋轉(zhuǎn)角度而改變，如式(7)所示，故EPS啟動時的判定當(dāng)前角度存在一定的偏差。

圖9 方向盤轉(zhuǎn)角與EPS傳動機(jī)構(gòu)的角度差值變化曲線

2.3.2 轉(zhuǎn)角跑偏模擬分析

以某車型為例，通過Adams對車輛橫向進(jìn)行分析，方向盤轉(zhuǎn)角與車輛轉(zhuǎn)彎半徑的變化曲線如圖10所示，從仿真曲線體現(xiàn)，EPS輸入軸的轉(zhuǎn)角直接影響車輛的直線行駛。

圖10 方向盤轉(zhuǎn)角與車輛轉(zhuǎn)彎半徑的變化曲線

2.4 解決策略

文中以DP-EPS及BP-EPS為研究對象，根據(jù)式(4)，研究車輛在直線行駛的工況下，確保主動回正扭矩請求值為零，是研究主動回正功能不導(dǎo)致車輛跑偏的策略關(guān)鍵。通過式(8)和式(9)分析，文中推出車輛直線行駛工況下，EPS的零位偏離值作為補(bǔ)償，修正EPS轉(zhuǎn)向基數(shù)，促使?jié)M足式(8)條件。

車輛直線行駛工況的判定，文中通過車輛左右車輪輪速差小于調(diào)校的閾值、車輛的橫擺角度小于調(diào)校的閾值、方向盤角度傳感器的轉(zhuǎn)角小于設(shè)置的閾值，各參數(shù)滿足車輛調(diào)校及設(shè)定的閾值側(cè)確認(rèn)車輛屬于直線行駛工況，EPS角度傳感零位開始學(xué)習(xí)，車輛在直線工況長度達(dá)標(biāo)定的閾值時，EPS角度傳感器零位學(xué)習(xí)完成，更新零位偏移值，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動及EPS轉(zhuǎn)角零位學(xué)習(xí)信號采集如圖11所示。最大限度地滿足車輛使用過程中EPS轉(zhuǎn)角傳感器零位與車輛直線行駛工況重合。

圖11 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動及EPS轉(zhuǎn)角零位學(xué)習(xí)信號采集

3 測試分析

3.1 EPS零位的偏離測試及主觀評價

在某車型，使用CANoe對車輛信號采集，如圖12所示。EPS及方向盤角度視圖如圖13所示。車輛信號采集數(shù)據(jù)及跑偏主觀評價分值見表3。

圖12 車輛信號采集測試

圖13 EPS及方向盤角度視圖

表3 車輛信號采集數(shù)據(jù)及主觀評價分值

通過測試數(shù)據(jù)及評價得分體現(xiàn)，未導(dǎo)入零位偏離學(xué)習(xí)的控制邏輯，在車輛方向盤不同的狀態(tài)啟動，零位偏離存在差異，并影響車輛直線行駛，導(dǎo)致輕微的跑偏現(xiàn)象。

3.2 車輛跑偏試驗

以某車型導(dǎo)入零位偏離學(xué)習(xí)的控制邏輯，并對此車進(jìn)行跑偏測試試驗，車輛測試參數(shù)見表4。

表4 車輛測試參數(shù)

車輛跑偏測試示意如圖14所示。

圖14 車輛跑偏測試示意

車輛半載的工況下，跑偏測試結(jié)果見表5，其主觀評價達(dá)到7.5分。由表5車輛跑偏測試試驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)，導(dǎo)入零位偏離學(xué)習(xí)的控制邏輯，車輛直線行駛的狀態(tài)滿足EPS轉(zhuǎn)角零位學(xué)習(xí)的閾值后，EPS自動更新零位偏離值，能消除主動回正對車輛直線行駛的影響，避免主動回正功能導(dǎo)致車輛跑偏。

表5 跑偏測試結(jié)果

4 結(jié)束語

通過理論分析，仿真分析及測試驗證，增加EPS在車輛直線行駛工況，學(xué)習(xí)EPS零位與車輛直行角度的偏差，并更新偏差值，能消除車輛生產(chǎn)標(biāo)定的誤差、車輛使用過程中應(yīng)力釋放導(dǎo)致的角度偏差、方向盤轉(zhuǎn)角與EPS轉(zhuǎn)角因傳動導(dǎo)致的偏差，能解決因EPS主動回正功能導(dǎo)致的車輛跑偏問題，此控制策略可以為開發(fā)設(shè)計者提供一套有效的方法。