汽車轉向系統控制策略研究的探索

姜云浩 張建峰 池群 曹為鵬

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

關鍵詞：控制;轉向系統;方案;模型

汽車轉向系統的優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。如何設計汽車轉向系統，提升其性能，是汽車制造廠家的一個重要研究內容。

目前，汽車轉向系統已經由早期的機械轉向，提升為液壓助力轉向，但是大部分液壓助力轉向仍然沒有實現電控，使得汽車的轉向助力放大倍率無法隨著車速和路面條件的變化線性調節。在這種非線性的轉向助力系統中，仍然需要駕駛者不停的調整方向盤的操縱力來實現控制。這種非線性轉向助力系統增加了駕駛員的操縱難度，使駕駛員更容易疲勞，當遇到連續長時間駕駛或復雜駕駛道路時，更容易導致交通事故的發生。

為了提高汽車轉向系統的操控性能，并且盡可能的降低成本，可以在液壓助力轉向的基礎上進行改進。在原液壓轉向助力系統中，通過增加電磁閥、方向盤扭矩傳感器、車速傳感器和汽車轉向系統電子控制單元（簡稱ESP ECU）等元件實現線性轉向控制。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，對安裝在通向轉向動力缸活塞兩側油室的油道之間的電磁閥進行控制，電磁閥的閥芯位于轉向動力缸活塞兩側油腔的通道中，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，實現電磁閥開度的調節，從而就改變轉向動力缸活塞兩側油室的液壓油流量，最終可以對轉向助力放大倍率的控制。液壓式電控動力轉向系統結構如圖1所示：

電控液壓助力轉向可以根據車速調節轉向助力放大倍率，當車速高時，適當降低轉向助力放大倍率，使汽車轉向更穩定;當車速低時，增大轉向助力放大倍率，使汽車轉向更輕便，實現轉向助力放大倍率始終處于最佳值，達到了汽車轉向系統線性控制的良好效果。

1 國內外汽車轉向系統控制策略研究現狀

自從1886年汽車誕生以來，各項汽車新技術層出不窮，線控轉向系統就是其中一項有代表性的技術。線控轉向系統從設想到開發成功經歷了一個50年左右發展歷程。德國的Kasselman和TRW最早在20世紀五六十年代就提出了線控轉向系統的概念，但是線控轉向控制系統需要先進電子技術和計算機技術作為基礎，這在當時條件是不成熟的。到了九十年代初，電子控制技術迅速發展，線控轉向系統有重新引起了汽車制造廠商重視。

德國的奔馳公司在1990年開發了線控轉向系統，并將該項技術應用到了概念車F400-Cavring上，效果非常好。緊接著，ZF公司在1998年也對線控轉向系統進行了研究，在不斷的努力下，最終也實現了成功開發。

2000年以后，線控轉向控制系統繼續發展。通用公司在2002年，在電池概念車“Hy-Wire”上應用了該技術;日本的日產公司在2013年，在傳統機械系統的基礎上，增加了電子控制單元、車速傳感器、轉向扭矩傳感器和離合器裝置，該系統不僅實現在轉向系統線性控制，并且借助離合器裝置的結合分離，將轉向和直線行駛區分開來，進一步節省了能耗。

在各大汽車制造廠商紛紛研究線性轉向系統的同時，國外的相關大學和科研機構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向系統動態參數的觀測器，測出汽車轉向系統的運動參數，研究汽車線控轉向的控制策略;隨著CAD、CAM、CATIA等現代汽車設計制造軟件的出現，后期研究首先建立線控轉向的車輪動力學模型，然后用上述軟件來轉向路感與汽車其他參數的關系的分析，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構的線控轉向系統進行分析，使線控轉向系統的性能得到進一步的提升。

中國汽車工業的發展也非常迅速，但是對線控轉向的研究比較滯后，目前主要是由一些國內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對線控轉向系統穩定性的影響，并建立了“人一車一路”閉環動力學模型。江蘇大學在建立線控轉向系統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;吉林大學對汽車轉角控制和路感進行了研究，并在整車動力學模型中實現線控轉向系統的仿真分析;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向系統技術僅僅停留在理論階段或實驗室試驗階段，并沒有投入到生產實踐中。近期，國內一些自主品牌生產廠家開始與高校開展合作，將線控轉向控制技術的應用到一些概念車上，從而為該技術的進一步推廣到量產車上奠定了基礎。

2 汽車轉向系統控制策略研究方案

線控轉向技術是未來轉向系統發展的必然趨勢，通過系統深入的了解線控轉向系統的結構和工作原理，以某一常用車型作為整車對象建立方向盤總成模型和轉向執行系統模型，研究線控轉向系統的控制策略，通過項目開展，開拓我們的視眼，培養創新和實踐能力。課題組制定了以下研究方案，其研究步驟如下：

（1）理解線控轉向系統的結構組成及性能特點。全面系統的總結國內外關于線控轉向系統的研究成果，把握線控轉向系統的發展方向。（2）建立方向盤總成模型和轉向執行系統模型。

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向執行系統模型，為后續分析建立模型基礎，并對線控轉向系統的理想傳動比進行研究。

（3）線控轉向系統控制策略研究。

研究汽車轉向系統的控制流程，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。具體的技術路線如圖2所示：

3 研究的初步成果

目前課題組在轉向系統控制策略的研究開展過程中，已經利用Catia軟件構建了轉向執行系統模型，其模型如圖3所示，下一步需加入轉向扭矩傳感器、車速傳感器和ESP ECU構成完整研究模型，為后期設計與控制效果的驗證提供了堅實的基礎。

4 項目創新特色

目前大部分汽車轉向系統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”，即對汽車轉向系統的作用力不同，本項目的研究將通過傳感器獲取車速變化信號的同時，結合當前道路“路感”信息，作為控制系統的輸入參數，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新創業訓練計劃項目（省級 一般項目）：線控轉向系統控制策略研究， 項目編號：201612056016X。