李曉蓮，高李明，孫文政，吳旭靜

（南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，江蘇 南京 211806）

1 前言

路感是指車輛在轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)把車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和路面狀態(tài)信息反饋給駕駛員的一種現(xiàn)象。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎產(chǎn)生的回正力矩通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞給駕駛員，同時(shí)傳遞給駕駛員的還包括路面不平度、路面附著狀況、轉(zhuǎn)向程度和輪胎載荷及氣壓等信息。駕駛員通過獲得的信息，進(jìn)而對(duì)駕駛操作進(jìn)行修正，保證汽車安全高效運(yùn)行。現(xiàn)有汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為了減輕駕駛員負(fù)擔(dān)，采用了動(dòng)力轉(zhuǎn)向，即通過附加動(dòng)力源進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力。但是，助力力矩與轉(zhuǎn)向路感相互矛盾，在路面回正力矩保持一定時(shí)，助力力矩越大則駕駛員得到的轉(zhuǎn)向路感越差。

新興的電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以對(duì)力與轉(zhuǎn)角進(jìn)行分別控制，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比大小，獲得良好的轉(zhuǎn)向性能。電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓模塊調(diào)整附加前輪轉(zhuǎn)角時(shí)，不可避免對(duì)系統(tǒng)力傳遞特性產(chǎn)生影響，使駕駛員得到的路感偏離實(shí)際道路狀況，不利于駕駛員對(duì)車況與路況的掌握，影響行車安全。

合理的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及路感控制策略，對(duì)駕駛安全性顯得尤為重要。本文針對(duì)電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提出一種路感控制策略，充分發(fā)揮其變傳動(dòng)比的優(yōu)勢(shì)，使駕駛員得到更好的路感，對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)具有很大的意義。

2 電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向路感系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向路感控制系統(tǒng)，可以在執(zhí)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)，根據(jù)路面實(shí)際情況施加合適的助力力矩，給駕駛員反饋真實(shí)準(zhǔn)確的路面信息；并通過提供一種路感控制方法，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)魯棒性。系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)模塊、電動(dòng)助力模塊、液壓模塊、傳感器模塊及控制模塊5大模塊組成，詳見圖1。

1）機(jī)械傳動(dòng)模塊包括依次連接的方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、循環(huán)球轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向梯形及車輪。轉(zhuǎn)向直拉桿包括液壓缸、活塞、直拉桿；液壓缸的外殼通過轉(zhuǎn)向搖臂與循環(huán)球轉(zhuǎn)向器輸出端固定連接，外殼上開設(shè)有進(jìn)油口和出油口；活塞裝配在上述液壓缸內(nèi)，活塞兩端固定安裝直拉桿，直拉桿后端連接轉(zhuǎn)向梯形及車輪。

2）電動(dòng)助力模塊包括助力電機(jī)、聯(lián)結(jié)套機(jī)構(gòu)。助力電機(jī)采用弧形直線電機(jī)，弧形直線電機(jī)初級(jí)與控制模塊電氣連接，次級(jí)并列設(shè)置在所述機(jī)械傳動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)向管柱上，轉(zhuǎn)向管柱分為上下兩段，分別通過聯(lián)結(jié)套機(jī)構(gòu)與弧形直線電機(jī)次級(jí)的上下兩端連接。

3）液壓模塊包括儲(chǔ)油罐、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓泵、比例換向閥。液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接液壓泵，儲(chǔ)油罐中的低壓油經(jīng)液壓泵作用后轉(zhuǎn)換為高壓油并流向比例換向閥；比例換向閥分配高壓油方向和流量大小，通過油管和上述液壓缸相通，改變活塞兩側(cè)的壓力大小，驅(qū)動(dòng)活塞相對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)。

4）傳感器模塊包括轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、輪速傳感器、橫擺角速度傳感器、側(cè)向加速度傳感器。轉(zhuǎn)角傳感器安裝在轉(zhuǎn)向盤上并與所述控制模塊電氣連接，提供駕駛員輸入的轉(zhuǎn)角信號(hào)；轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在轉(zhuǎn)向管柱上并與所述控制模塊電氣連接，提供轉(zhuǎn)向管柱實(shí)際轉(zhuǎn)矩信號(hào)；車速傳感器、輪速傳感器、橫擺角速度傳感器、側(cè)向加速度傳感器安裝在整車上，分別與控制模塊電氣連接并提供車速、輪速、橫擺角速度、側(cè)向加速度信號(hào)。

5）控制模塊包括變傳動(dòng)模塊、整車狀態(tài)估計(jì)模塊、回正力矩估計(jì)模塊、變傳動(dòng)模塊、附加位移控制模塊、轉(zhuǎn)矩-位移修正模塊、助力增益模塊、助力增益修正模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向路感系統(tǒng)控制原理

電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向路感系統(tǒng)的控制原理框圖見圖2。

系統(tǒng)通過各控制模塊獲取車輛狀態(tài)信息，并根據(jù)獲取的相關(guān)信息計(jì)算回正力矩、理想助力增益值及理想傳動(dòng)比，判斷是否執(zhí)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)操作：①狀態(tài)估計(jì)模塊31接收側(cè)向加速度信號(hào)25和輪速信號(hào)35，根據(jù)車輛載荷和輪胎參數(shù)，采用卡爾曼濾波方法估計(jì)出車輪所受的縱向力和側(cè)向力，并計(jì)算出側(cè)向力影響系數(shù)36，回正力矩估計(jì)模塊33根據(jù)側(cè)向力影響系數(shù)計(jì)算回正力矩37；②助力增益模塊29接收車速信號(hào)23和轉(zhuǎn)矩信號(hào)22，結(jié)合回正力矩37，計(jì)算出理想助力增益38。計(jì)算理想助力增益的方法為：

式中：Ta——理想轉(zhuǎn)矩；Td——駕駛員輸入轉(zhuǎn)矩；T0——開始提供助力時(shí)轉(zhuǎn)矩；ka——理想助力增益；Tmax——最大助力輸入轉(zhuǎn)矩；Tf——最大轉(zhuǎn)矩；kb——助力特性曲線斜率。

變傳動(dòng)模塊34接收車速信號(hào)23、橫擺角速度24和轉(zhuǎn)角信號(hào)21，計(jì)算理想傳動(dòng)比39，并根據(jù)主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略，判斷是否執(zhí)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)操作。

3.1 不執(zhí)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)操作時(shí)的路感控制

設(shè)Tr為回正力矩，Tf為摩擦力矩，Ta為助力力矩，Tp為駕駛員感受到的力矩，則Tr=Tf+Ta+Tp，由于摩擦力矩難以控制，以固定值處理，助力增益計(jì)算模塊根據(jù)輸入的車速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，計(jì)算出駕駛員感受到的理想力矩。

助力增益計(jì)算模塊結(jié)合回正力矩估計(jì)模塊輸入的回正力矩，計(jì)算出所需要的助力力矩大小，根據(jù)反饋的弧形直線電機(jī)實(shí)際電流信號(hào)，采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整理想助力增益；電流增大時(shí)，弧形直線電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩增大，經(jīng)過轉(zhuǎn)向管柱作用，駕駛員感受到的力矩減小，電流減小時(shí)則相反。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定的PID控制算法，具體步驟如下。

1）確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括：隱藏層數(shù)目m，隱藏節(jié)點(diǎn)數(shù)，慣性系數(shù)λ，學(xué)習(xí)率α，輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)目n，輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)目q，初始化各層加權(quán)系數(shù)wii=1，2，3，設(shè)定采樣序數(shù)k=1。

2）進(jìn)行采樣分別得到給定助力增益R（t）和實(shí)際助力增益Q（t），計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻偏差為E（t）=R（t）-Q（t）和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸入輸出，輸出的參數(shù)即為PID控制的比例、積分和微分參數(shù)。

3）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)整定，對(duì)各層加權(quán)系數(shù)wii=1，2，3進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；令k=k+1，重復(fù)上述步驟。

3.2 執(zhí)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)操作時(shí)的路感控制

1）附加位移控制模塊32發(fā)出驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)和比例換向閥控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵產(chǎn)生高壓油，經(jīng)過比例換向閥流量分配進(jìn)入液壓缸，改變活塞兩側(cè)壓差大小，使與活塞連接的直拉桿相對(duì)液壓缸輸出附加位移40，并通過轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)將附加位移轉(zhuǎn)化為附加前輪轉(zhuǎn)角，完成主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)。

2）轉(zhuǎn)矩-位移修正模塊30接收經(jīng)過附加位移控制模塊作用后輸出的附加位移40，采用Hinf魯棒控制方法對(duì)助力增益進(jìn)行修正，輸出電流修正信號(hào)41。

3）助力增益修正模塊44分別接收電流修正信號(hào)41和理想助力增益38，并對(duì)兩者進(jìn)行線性疊加，輸出弧形直線電機(jī)控制信號(hào)26?；⌒沃本€電機(jī)初級(jí)在修正后的控制信號(hào)26的作用下，輸出轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩42，經(jīng)弧形直線電機(jī)次級(jí)和轉(zhuǎn)向管柱，作用于循環(huán)球轉(zhuǎn)向器并向車輪傳遞。

本文提出的路感控制方法，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，保證行駛穩(wěn)定性，同時(shí)獲得較好的轉(zhuǎn)向路感，且系統(tǒng)魯棒性較好。

圖2 電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向路感系統(tǒng)的控制原理框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的電液主動(dòng)轉(zhuǎn)向路感控制系統(tǒng)，可根據(jù)汽車不同行駛工況，改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比大小，在執(zhí)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向的同時(shí)，克服變傳動(dòng)比模塊造成的力矩傳遞特性變化對(duì)轉(zhuǎn)向路感的影響，根據(jù)路面實(shí)際情況施加合適的助力力矩，給駕駛員反饋真實(shí)準(zhǔn)確的路面信息。

系統(tǒng)采用弧形直線電機(jī)助力，直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向管柱提供轉(zhuǎn)向助力，減少了采用普通電機(jī)需要搭配減速機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦損耗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制且啟動(dòng)穩(wěn)定性較好。

系統(tǒng)采用在循環(huán)球轉(zhuǎn)向器前的轉(zhuǎn)向管柱進(jìn)行助力的方式，弧形直線電機(jī)輸出的助力轉(zhuǎn)矩經(jīng)過循環(huán)球轉(zhuǎn)向器向車輪傳遞，傳動(dòng)比較大，所需提供的助力轉(zhuǎn)矩較小，電機(jī)體積和質(zhì)量可以減小，方便在駕駛室布置。