萬民偉，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

前言

商用車由于質(zhì)量大，質(zhì)心高，體積大，其操縱輕便性與操縱穩(wěn)定性難以達(dá)到乘用車水平[1]。因此相比乘用車，商用車對于駕駛員有著較高的駕駛負(fù)擔(dān)。針對商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，近年來逐漸有提高駕駛員舒適性和安全性的先進技術(shù)涌現(xiàn)。商用車電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)機械液壓助力工作平順、功率密度高的優(yōu)點上，獲得了更好的轉(zhuǎn)向操縱感和節(jié)能性能[2]。并且其對于傳統(tǒng)燃油車和新能源車均可適配，并且可以在其基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能駕駛[3]，國外商用車的電液轉(zhuǎn)向起步較早，博世開發(fā)有面向商用車的先進Servotwin疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、沃爾沃開發(fā)有動態(tài)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Volvo Dynamic Steering），低速行駛時，電機提供額外的力；高速行駛時，電機自動調(diào)整轉(zhuǎn)向，在側(cè)風(fēng)或路面不平整對方向盤造成影響時進行補償。在整車方面，戴姆勒在無人駕駛卡車方面是行業(yè)先驅(qū)，卡車已經(jīng)在德國和美國測試驅(qū)動的路線駕駛了約20 000公里。

目前國內(nèi)商用車的電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還處于起步階段，主要以高校的研究為主。耿國慶[4]基于電控液壓循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進行了商用車電液轉(zhuǎn)向系的主動回正研究，取得了良好的控制效果。張齊[5]針對大型客車，基于液壓循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，設(shè)計開發(fā)了電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實現(xiàn)了助力的輸出，并降低了整車的油耗。呂連杰[6]針對商用卡車開發(fā)了電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，完成了原理樣機的制造，在實車測試中取得了良好的效果。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計

針對中重型商用車，所設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的采用一種新型電液循環(huán)球結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)特征如下：

（1）電動助力轉(zhuǎn)向裝置[7]：主要包括轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角傳感器、永磁同步電機、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)。匹配的永磁同步電機通過蝸輪蝸桿減速機構(gòu)連接到轉(zhuǎn)向軸上，電動助力的輸出軸與液壓助力轉(zhuǎn)向器的輸入軸連接。

（2）循環(huán)球轉(zhuǎn)向裝置：電液循環(huán)球結(jié)構(gòu)為整體液壓助力式循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，經(jīng)過匹配設(shè)計，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)矩與電動助力裝置產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過疊加后，通過扭桿傳遞給轉(zhuǎn)向螺桿，扭桿的變形量直接控制轉(zhuǎn)閥的工作狀態(tài)，以得到不同的轉(zhuǎn)向助力。

（3）控制器：采用的控制器設(shè)計集成在電機尾部以達(dá)到良好的安裝布置工藝和防水性能。常規(guī)助力模式下在助力特性曲線的基礎(chǔ)上，加上系統(tǒng)的摩擦、慣性、阻尼和回正補償?shù)玫诫姍C的助力電流，達(dá)到隨速助力和主動回正的功能。轉(zhuǎn)角伺服（自動轉(zhuǎn)向）模式下，則根據(jù)轉(zhuǎn)角信號和轉(zhuǎn)速信號，對方向盤的位置進行控制。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作模式協(xié)調(diào)控制技術(shù)

2.1 常規(guī)助力模式

常規(guī)助力模式下，根據(jù)采集到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、車速等車輛信息，在助力特性曲線的基礎(chǔ)上，加上系統(tǒng)的摩擦、慣性、阻尼和回正補償?shù)玫诫姍C的助力電流，達(dá)到隨速助力和主動回正的功能。為了提高商用車的直線行駛功能，設(shè)計中位補償功能，糾正商用車行駛跑偏的問題。圖1為常規(guī)助力模式下的控制策略。在此基礎(chǔ)上從產(chǎn)品化的角度考慮，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對扭矩中位標(biāo)定和角度標(biāo)定功能，并具備熱保護、末端保護、失效保護等保護機制、故障診斷功能。

圖1 常規(guī)助力模式下的控制策略

2.2 人機協(xié)同控制決策方法

車道保持系統(tǒng)LKA需要利用車載攝像頭對道路狀況和車輛運行參數(shù)進行檢測，并通過信號處理獲得準(zhǔn)確、可靠的行車信息；然后，考慮如何利用得到的信息進行駕駛員轉(zhuǎn)向干預(yù)度的判斷，在駕駛員優(yōu)先決策下解決電機和人之間的決策矛盾。具體而言，如何通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩信號和轉(zhuǎn)角信號變化特性利用智能控制理論判斷駕駛員對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)掌控程度，建立駕駛員干預(yù)度的推理模糊模型，進而確定車道保持轉(zhuǎn)向功能的開啟條件。在充分尊重駕駛員轉(zhuǎn)向意圖的情況下，實現(xiàn)人機協(xié)同控制。

車道保持模式下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略如圖2所示，智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出扭矩需要疊加一個車道保持LKA系統(tǒng)的目標(biāo)扭矩，這個目標(biāo)扭矩補償依據(jù)攝像頭視覺數(shù)據(jù)（車輛與中心線偏移距離、車輛航向角、道路曲率）和車速信號計算得到。

圖2 車道保持模式下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的試驗驗證

3.1 轉(zhuǎn)向角階躍試驗

試驗方法：使用CANape模擬上層控制器，發(fā)送測試要求中給出的目標(biāo)轉(zhuǎn)向角，監(jiān)測反饋轉(zhuǎn)角跟隨狀態(tài)，對比CANape的命令轉(zhuǎn)角與EPS控制器輸出的轉(zhuǎn)角的時間歷程。所得的轉(zhuǎn)向角階躍試驗結(jié)果如下表1所示。在階躍試驗中，階躍響應(yīng)時間最大為23 ms，上升時間隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)向角指令的增大而增長，穩(wěn)態(tài)誤差在±0.8°以內(nèi)，滿足了系統(tǒng)的性能要求。

表1 轉(zhuǎn)向角階躍試驗結(jié)果

3.2 接管功能試驗

當(dāng)系統(tǒng)處于角度控制模式下時，人為控制方向盤，人工介入條件滿足設(shè)定條件后，轉(zhuǎn)向器會自動進入人工介入助力模式。接管功能試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 接管功能試驗結(jié)果

從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)處于自動駕駛模式（角度控制模式）時，不滿足人工介入條件，不執(zhí)行人工介入控制。人工介入扭矩超過設(shè)定扭矩閾值（4 Nm），持續(xù)時間超過設(shè)定閾值（300 ms），滿足人工介入條件，并進入人工介入模式。

4 結(jié)語

本文為解決商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的電動化和智能化問題，在循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中集成電動助力機構(gòu)，實現(xiàn)傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向、機械手動轉(zhuǎn)向所不具備的隨速助力轉(zhuǎn)向、主動回正等功能，并通過智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的助力特性、主動回正控制策略、力矩疊加控制策略及伺服轉(zhuǎn)向控制策略等研究，開發(fā)一種具有隨速助力、主動回正、輔助轉(zhuǎn)向及自動轉(zhuǎn)向功能的智能電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并成功推向了市場。該系統(tǒng)能夠配合商用車整車實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下輔助駕駛和無人駕駛對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行需求，提升商用車的操控性，并為商用車的智能化駕駛奠定了基礎(chǔ)。