基于操縱穩定性的主動轉向系統控制

趙婷 閆海敬

摘要：主動轉向系統是現階段動力系統中新提出的一種轉向方案，這種轉向方案的目的是為了保證系統工作的穩定性，保證車輛能夠正常行駛，無論是電動輪汽車還是其他汽車，基于主動轉向系統控制，能在不同路面上針對路面的附著系數建立，對汽車有無主動轉向和主動轉向干預情況等進行分析，調整車速以及不同方向盤轉角的輸入情況，實現行車的階躍響應以及單移線仿真分析。現階段，方針分析結果表明，但階躍輸入越大，汽車在不同路面附著系數和方向盤轉角下的汽車低速轉向橫擺角和質心側偏角更大，轉向靈敏度顯著提升，相對的，汽車在高速橫擺角速度和質心側偏角更小，轉向更加安全，在汽車實際行駛轉角中，主動轉向控制系統越是穩定，則干預方向盤實際轉角更加安全及穩定。

關鍵詞 操縱穩定性 主動轉向系統 汽車

0引言

基于操縱穩定性和車輛轉向的要求，主動轉向系統利用虛擬樣機技術對主主動轉向進行建模和仿真，基于不同的路面附著系數，建立主動轉向系統的模型，從而考慮到底要不要進行主動轉向干預，針對不同路面進行整車車速和不同方向盤轉角之間的性能仿真分析，以此確定主動轉向系統的設計和開發。本文從現有汽車的主動轉向系統和操縱穩定性進行綜合性分析，探討如何在操縱穩定性的要求上開發主動轉向系統控制，以保證主動轉向系統的穩定運行。

1主動轉向系統和操縱穩定性概述

1.1主動轉向系統研究現狀

現如今對主動轉向系統的研究集中在轉向原理以及控制策略中，從行車安全以及操縱便利性角度進行車輛行駛分析，通過對汽車制動轉輪評估和分析主動轉向系統的性能，從而對主動轉向系統進行深入分析，積極采用現如今的虛擬仿真技術進行汽車行駛中的各種情況模擬，針對整車車速以及不同方向盤轉角輸入的性能仿真分析，利用各種VR技術相關軟件進行深入試驗模擬，通過軟件進行虛擬試驗，從而確定向不同路面附著系數下的主動轉向以及主動轉向干預操作，對不同車速情況下的電輪轉向系統進行性能解析，確定應該實施主動轉向控制策略，并建立起主動轉向干預的模型，對不同車速以及方向盤轉角下的汽車低速轉向橫擺角速度和質心偏側角進行分析預測， 實現車輛緩轉向的安全性，保證駕駛員能夠基于路感干預汽車轉向。

1.2主動轉向系統概述

現如今的AFS系統充分考量了內外側輪胎側向力在轉向時的不同飽和差異特性，在新的AFS系統下能顯著減少內側車輪轉角以及外側車輛轉角增加，為外側車輪提供轉向所需的側向力，以此實現更好地跟蹤理想橫擺角速度，保證車輛行駛轉向的安全性和穩定性。且性的AIFS系統結構和實現原理更加合理和簡化，比對傳統主動轉向系統，AIFS系統是由連接左右車輪的一套行星齒輪機構和車輪齒條機構以及轉向盤機械連接裝置組成，通過太陽輪軸和2個太陽輪的固定連接，可以將齒輪齒條相連的小齒輪與行星齒輪連接，并將轉角電機作為電機驅動出輪的外齒圈，也就是將渦輪蝸桿機構旋轉，從而實現車輛的減速增扭，若是電機運轉高速，則可以在電機驅動齒輪產生的轉角和轉向盤之間的轉角外齒圈疊加，通過左右齒條差速運動，保證左右輪的獨立轉向。所以新舊主動轉向動力系統控制穩定性的對比有四大點不同，一是新AFS系統中有扭矩傳感器，比對傳統的主動轉系統能夠更加快速地測量駕駛員轉向盤路局以及轉向盤轉角輸入，二是比對前軸而言，汽車左右車輪能夠在轉向器思想前輪轉向，左右車輪中有輪轂電機，通過電機能夠汽車行駛提供驅動力和轉向助力，從而有效優化電機的驅動性和安全性，三是與后軸對比，轉角電機能利用傳動機構驅動實現轉向器的后輪轉角，達到主動轉向功能的目的，四是汽車轉向中電控ECU能按照實際路況和路面附著系數，反饋整車車速以及轉向盤力矩以及質心側偏角等信號，以此預測駕駛員的駕駛意圖，通過不同的車輛虛擬模型建立確定理想的轉向手力，并在經轉向器傳遞下實現轉向盤力矩等疊加，克服阻力矩后能實現助力轉向，保證轉角電機的后軸轉向器能實時控制后輪獲取轉向所需的附加轉角，從而實現主動轉向功能和助力轉向功能的融合，保證汽車行駛的穩定性。

1.3操縱穩定性概述

車輛操縱穩定性是從兩個角度對車輛行駛進行評價，一是從穩定性角度，二是從操縱性角度，評價的內容是駕駛員行車中能在不過分緊張以及疲勞的狀況下，汽車可以按照駕駛員的駕駛意圖，進行轉向系或者給定方向的行駛，保證汽車行駛中不受外界干擾，即使是在路不平、側風以及貨物等干預依舊能實現穩定行駛。操縱性的評價側重于汽車的操作便利、順從情況，車輛是否能按照駕駛員要求運行，穩定性則是車輛抵抗外界干預行車的狀況。

2基于操縱穩定性的主動轉向系統控制的設計與開發

因為汽車在曲線行駛或者是緊急轉向的時候，由于離心力操作很容易導致汽車前后輪進進的附著極限先后順序不同，汽車失去側向穩定性會導致汽車出現不同的運動狀態，汽車也會因此失去操縱穩定性出現側滑、激轉、甩尾等危險情況，眼中則是會導致后軸側滑失去轉向鞥里以及路徑跟蹤能力，從而導致汽車進會失去安全轉向穩定性，為避免出現彎道事故保證汽車操縱穩定性，主動轉向系統控制設計與開發，要從附加橫擺角速度和不同路面附著系數，前后輪轉向等入手，通過附加橫擺角速度的控制策略改善汽車側向穩定性。基于現如今相控技術的不斷發展，主動轉向技術對于汽車行駛控制而言，已經實現了汽車的主動轉向，依據取向運動的輪胎和路面附著極限，依據汽車轉向時的內外側車輪不同的橫擺角速度和側向力進行綜合性分析，從而提高汽車的穩定性，主動轉向系統控制時要利用好線控技術從而提高汽車側向穩定性，本文從2自由度汽車模型作為參考，在8自由度的控制策略中，直接利用主動轉向技術改善汽車側向穩定性，實現主動轉向系統的建立，以下是主動轉向系統控制的設計與開發的主要內容：

第一，先建立汽車動力學模型，從X、Y兩方向的平動自由度對Z軸的橫擺運動以及繞X軸的側傾運動建立汽車動力學模型，以下是包含4個車輪的8自由度汽車動力學模型，

方程式中的M是整車裝備質量，而Ms則是為簧載質量;Vx、Vy等則是車輛分別沿x軸和y軸的運動反向，則是側傾角，Ff為滾動阻力， 為橫擺角速度，Fxi 、Fyi為輪胎上的縱向力和橫向力。

第二，控制策略的設計和實施，首先汽車控制方式是以主動轉向技術改變車輪內外側的側向力大小，通過調節汽車車輪以及路面之間的切向例，在2自由度參考模型種確定駕駛員的意圖，獲取理論上的汽車行駛軌跡，利用參考模型附著極限對汽車車輪上側向力利用系數對邏輯門限的控制策略使用進行判斷，以此側向力的利用系數為（i=1， 2， 3， 4） 。式中， F yi 為 2自由度參考模型中車輪上的實際側向力;F yimax 為車輪上的極限側向力; th 為車輪上的側向力利用系數門限值。采用直接反饋的比例控制方式，在駕駛員的轉角輸入過程中，當檢測到某車輪上的側向力系數超過了設定的門限值，則利用主動轉向裝置產生一定的主動轉角來保證汽車的側向穩定性。主動轉向角度與轉向輪轉角以及側向力利用系數之間的關系有兩個表達式式中， a 是主動轉向控制轉角輸入;k a 為比例系數; w 為駕駛員轉角輸入 ，現階段主動轉向控制系統可以改變整個汽車的側向受力，通過主動干預以及轉向轉輪角的變化，保證汽車能夠按照駕駛員的意圖行車，保證汽車前進軌跡符符合駕駛員意圖。由于汽車行駛軌跡和汽車行駛速度密切相關，汽車行駛道控制方法進以及汽車行駛速度進行調整，包括汽車行駛姿態也要相應轉變，所以在整個汽車主動轉向控制策略中，需要對汽車整個動力學模型和路況進行分析，尤其是要模擬緊急情況，從關鍵情況對高速形式的緊急避讓工況進行分析，從而保證側向穩定性控制在車道保持控制之上，確保車輛操縱穩定性。

第三，控制框圖，由于主動轉向控制角度大小的確定主要依據和考慮汽車能夠快速完成相應的避讓動作的需要;另外則需要考慮汽車車道保持的能力 。大幅度的改變轉向輪的轉角汽車車道保持的控制很難完成。但汽車的制動力與汽車的附著極限相關聯;另一方面，由于存在車輪上的載荷轉移，因此不宜進行非常大的汽車主動轉向角的控制。所以汽車側向穩定性控制策略，基于主動轉向技術之上，要從汽車側向穩定性的好壞與汽車曲線行駛時的離心力大小有直接的關系入手，采用基于附著系數的邏輯門限控制方法，要是車輪上的側向力利用系數超過門限值，便直接在轉向輪上施加反向的轉向輪轉角來減少汽車的側向力大小，以提高汽車側向穩定性，實際控制框圖如圖2所示。

3結語

綜上所述，基于操縱穩定性的主動轉向系統控制能夠便捷地運用到汽車動態性能的控制當中 ，并且提高汽車的主動安全性提供新的控制方式和方法。系統設計和應用中，要在提高汽車側向穩定性的同時還必須考慮汽車的運行軌跡，利用相應的控制方式來滿足駕駛員的真實意圖，提高汽車的穩定性和操縱性。

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