姜云浩 張建峰 池群 曹為鵬

摘 要：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車重要的一個電控系統(tǒng)，電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要高效工作，需要設計控制策略。本文首先分析了國內(nèi)外汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀，然后設計了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究方案，最后建立了汽車電控系統(tǒng)的仿真模型，為后期研發(fā)搭建了良好的基礎平臺。

關鍵詞：控制;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);方案;模型

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)劣是會嚴重影響汽車操控性能和安全性能，隨著汽車行駛速度的提高，車流的密集，汽車對操控性和安全性的要求越來越高。如何設計汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提升其性能，是汽車制造廠家的一個重要研究內(nèi)容。

目前，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)由早期的機械轉(zhuǎn)向，提升為液壓助力轉(zhuǎn)向，但是大部分液壓助力轉(zhuǎn)向仍然沒有實現(xiàn)電控，使得汽車的轉(zhuǎn)向助力放大倍率無法隨著車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)整方向盤的操縱力來實現(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，當遇到連續(xù)長時間駕駛或復雜駕駛道路時，更容易導致交通事故的發(fā)生。

為了提高汽車轉(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)向的基礎上進行改進。在原液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)中，通過增加電磁閥、方向盤扭矩傳感器、車速傳感器和汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電子控制單元（簡稱ESP ECU）等元件實現(xiàn)線性轉(zhuǎn)向控制。車速傳感器和方向盤扭矩傳感器將車輛速度變化的信號和轉(zhuǎn)向信號傳遞給ESP ECU，ESP ECU接收到車速信號和方向盤扭矩傳感器信號后，對安裝在通向轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(cè)油室的油道之間的電磁閥進行控制，電磁閥的閥芯位于轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(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線圈的磁場力，就改變了閥芯的位置，實現(xiàn)電磁閥開度的調(diào)節(jié)，從而就改變轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩側(cè)油室的液壓油流量，最終可以對轉(zhuǎn)向助力放大倍率的控制。液壓式電控動力轉(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)車速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力放大倍率，當車速高時，適當降低轉(zhuǎn)向助力放大倍率，使汽車轉(zhuǎn)向更穩(wěn)定;當車速低時，增大轉(zhuǎn)向助力放大倍率，使汽車轉(zhuǎn)向更輕便，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力放大倍率始終處于最佳值，達到了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)線性控制的良好效果。

1 國內(nèi)外汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究現(xiàn)狀

自從1886年汽車誕生以來，各項汽車新技術(shù)層出不窮，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是其中一項有代表性的技術(shù)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從設想到開發(fā)成功經(jīng)歷了一個50年左右發(fā)展歷程。德國的Kasselman和TRW最早在20世紀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)需要先進電子技術(shù)和計算機技術(shù)作為基礎，這在當時條件是不成熟的。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)有重新引起了汽車制造廠商重視。

德國的奔馳公司在1990年開發(fā)了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并將該項技術(shù)應用到了概念車F400-Cavring上，效果非常好。緊接著，ZF公司在1998年也對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了研究，在不斷的努力下，最終也實現(xiàn)了成功開發(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“Hy-Wire”上應用了該技術(shù);日本的日產(chǎn)公司在2013年，在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的基礎上，增加了電子控制單元、車速傳感器、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)分開來，進一步節(jié)省了能耗。

在各大汽車制造廠商紛紛研究線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的同時，國外的相關大學和科研機構(gòu)也開展了大量的研究，并取得了很多成果。早期通過設計出汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的觀測器，測出汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動參數(shù)，研究汽車線控轉(zhuǎn)向的控制策略;隨著CAD、CAM、CATIA等現(xiàn)代汽車設計制造軟件的出現(xiàn)，后期研究首先建立線控轉(zhuǎn)向的車輪動力學模型，然后用上述軟件來轉(zhuǎn)向路感與汽車其他參數(shù)的關系的分析，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不同結(jié)構(gòu)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行分析，使線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能得到進一步的提升。

中國汽車工業(yè)的發(fā)展也非常迅速，但是對線控轉(zhuǎn)向的研究比較滯后，目前主要是由一些國內(nèi)的相關高校在開展相關研究。北京理工大學研究了不同參數(shù)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并建立了“人一車一路”閉環(huán)動力學模型。江蘇大學在建立線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學模型的基礎上，對不同車速下的放大倍率進行了設計和仿真分析;吉林大學對汽車轉(zhuǎn)角控制和路感進行了研究，并在整車動力學模型中實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析;武漢理工大學和長安大學也進行了類似的研究，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)嶒炇以囼炿A段，并沒有投入到生產(chǎn)實踐中。近期，國內(nèi)一些自主品牌生產(chǎn)廠家開始與高校開展合作，將線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的應用到一些概念車上，從而為該技術(shù)的進一步推廣到量產(chǎn)車上奠定了基礎。

2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究方案

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)是未來轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，通過系統(tǒng)深入的了解線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以某一常用車型作為整車對象建立方向盤總成模型和轉(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，通過項目開展，開拓我們的視眼，培養(yǎng)創(chuàng)新和實踐能力。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。全面系統(tǒng)的總結(jié)國內(nèi)外關于線控轉(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）建立方向盤總成模型和轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)模型。

以某一常用車型為整車研究對象，在Catia/Simulink中建立方向盤總成模型和轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)模型，為后續(xù)分析建立模型基礎，并對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理想傳動比進行研究。

（3）線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究。

研究汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制流程，利用傳感器獲取汽車路感信息，以汽車橫擺角速度增益不隨車速和方向盤轉(zhuǎn)角變化為目標，計算最佳傳動比。對設計的控制策略進行仿真驗證。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)控制策略的研究開展過程中，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、車速傳感器和ESP ECU構(gòu)成完整研究模型，為后期設計與控制效果的驗證提供了堅實的基礎。

4 項目創(chuàng)新特色

目前大部分汽車轉(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。而不同道路情況會有不同的“路感”，即對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用力不同，本項目的研究將通過傳感器獲取車速變化信號的同時，結(jié)合當前道路“路感”信息，作為控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，使設計的控制策略更加科學準確。

基金項目：江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（省級 一般項目）：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究， 項目編號：201612056016X。