轉向路感控制系統在汽車上的應用

李曉蓮，高李明，孫文政，吳旭靜

（南京依維柯汽車有限公司產品工程部，江蘇 南京 211806）

1 前言

路感是指車輛在轉向過程中，轉向系統把車輛運動狀態和路面狀態信息反饋給駕駛員的一種現象。汽車轉向時，輪胎產生的回正力矩通過轉向系統傳遞給駕駛員，同時傳遞給駕駛員的還包括路面不平度、路面附著狀況、轉向程度和輪胎載荷及氣壓等信息。駕駛員通過獲得的信息，進而對駕駛操作進行修正，保證汽車安全高效運行。現有汽車轉向系統為了減輕駕駛員負擔，采用了動力轉向，即通過附加動力源進行轉向助力。但是，助力力矩與轉向路感相互矛盾，在路面回正力矩保持一定時，助力力矩越大則駕駛員得到的轉向路感越差。

新興的電液主動轉向系統可以對力與轉角進行分別控制，實時調整轉向傳動比大小，獲得良好的轉向性能。電液主動轉向系統采用液壓模塊調整附加前輪轉角時，不可避免對系統力傳遞特性產生影響，使駕駛員得到的路感偏離實際道路狀況，不利于駕駛員對車況與路況的掌握，影響行車安全。

合理的轉向系統設計以及路感控制策略，對駕駛安全性顯得尤為重要。本文針對電液主動轉向系統，提出一種路感控制策略，充分發揮其變傳動比的優勢，使駕駛員得到更好的路感，對于實際產品開發具有很大的意義。

2 電液主動轉向路感系統簡介

電液主動轉向路感控制系統，可以在執行主動轉向時，根據路面實際情況施加合適的助力力矩，給駕駛員反饋真實準確的路面信息；并通過提供一種路感控制方法，增強系統抗干擾能力，提高系統魯棒性。系統由機械傳動模塊、電動助力模塊、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）機械傳動模塊包括依次連接的方向盤、轉向管柱、循環球轉向器、轉向搖臂、轉向直拉桿、轉向梯形及車輪。轉向直拉桿包括液壓缸、活塞、直拉桿；液壓缸的外殼通過轉向搖臂與循環球轉向器輸出端固定連接，外殼上開設有進油口和出油口；活塞裝配在上述液壓缸內，活塞兩端固定安裝直拉桿，直拉桿后端連接轉向梯形及車輪。

2）電動助力模塊包括助力電機、聯結套機構。助力電機采用弧形直線電機，弧形直線電機初級與控制模塊電氣連接，次級并列設置在所述機械傳動模塊的轉向管柱上，轉向管柱分為上下兩段，分別通過聯結套機構與弧形直線電機次級的上下兩端連接。

3）液壓模塊包括儲油罐、驅動電機、液壓泵、比例換向閥。液壓泵驅動電機連接液壓泵，儲油罐中的低壓油經液壓泵作用后轉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，改變活塞兩側的壓力大小，驅動活塞相對液壓缸運動。

4）傳感器模塊包括轉角傳感器、轉矩傳感器、車速傳感器、輪速傳感器、橫擺角速度傳感器、側向加速度傳感器。轉角傳感器安裝在轉向盤上并與所述控制模塊電氣連接，提供駕駛員輸入的轉角信號；轉矩傳感器安裝在轉向管柱上并與所述控制模塊電氣連接，提供轉向管柱實際轉矩信號；車速傳感器、輪速傳感器、橫擺角速度傳感器、側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、側向加速度信號。

5）控制模塊包括變傳動模塊、整車狀態估計模塊、回正力矩估計模塊、變傳動模塊、附加位移控制模塊、轉矩-位移修正模塊、助力增益模塊、助力增益修正模塊。

圖1 系統結構框圖

3 電液主動轉向路感系統控制原理

電液主動轉向路感系統的控制原理框圖見圖2。

系統通過各控制模塊獲取車輛狀態信息，并根據獲取的相關信息計算回正力矩、理想助力增益值及理想傳動比，判斷是否執行主動轉向干預操作：①狀態估計模塊31接收側向加速度信號25和輪速信號35，根據車輛載荷和輪胎參數，采用卡爾曼濾波方法估計出車輪所受的縱向力和側向力，并計算出側向力影響系數36，回正力矩估計模塊33根據側向力影響系數計算回正力矩37；②助力增益模塊29接收車速信號23和轉矩信號22，結合回正力矩37，計算出理想助力增益38。計算理想助力增益的方法為：

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

變傳動模塊34接收車速信號23、橫擺角速度24和轉角信號21，計算理想傳動比39，并根據主動轉向控制策略，判斷是否執行主動轉向干預操作。

3.1 不執行主動轉向干預操作時的路感控制

設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，助力增益計算模塊根據輸入的車速和轉矩信號，計算出駕駛員感受到的理想力矩。

助力增益計算模塊結合回正力矩估計模塊輸入的回正力矩，計算出所需要的助力力矩大小，根據反饋的弧形直線電機實際電流信號，采用基于BP神經網絡整定的PID控制算法，動態調整理想助力增益；電流增大時，弧形直線電機輸出的轉矩增大，經過轉向管柱作用，駕駛員感受到的力矩減小，電流減小時則相反。

基于BP神經網絡整定的PID控制算法，具體步驟如下。

1）確定BP神經網絡初始結構參數，包括：隱藏層數目m，隱藏節點數，慣性系數λ，學習率α，輸入節點數目n，輸出節點數目q，初始化各層加權系數wii=1，2，3，設定采樣序數k=1。

2）進行采樣分別得到給定助力增益R（t）和實際助力增益Q（t），計算當前時刻偏差為E（t）=R（t）-Q（t）和BP神經網絡各層神經元的輸入輸出，輸出的參數即為PID控制的比例、積分和微分參數。

3）BP神經網絡進行在線學習整定，對各層加權系數wii=1，2，3進行自適應調節；令k=k+1，重復上述步驟。

3.2 執行主動轉向干預操作時的路感控制

1）附加位移控制模塊32發出驅動電機控制信號和比例換向閥控制信號，控制驅動電機驅動液壓泵產生高壓油，經過比例換向閥流量分配進入液壓缸，改變活塞兩側壓差大小，使與活塞連接的直拉桿相對液壓缸輸出附加位移40，并通過轉向梯形機構將附加位移轉化為附加前輪轉角，完成主動轉向干預。

2）轉矩-位移修正模塊30接收經過附加位移控制模塊作用后輸出的附加位移40，采用Hinf魯棒控制方法對助力增益進行修正，輸出電流修正信號41。

3）助力增益修正模塊44分別接收電流修正信號41和理想助力增益38，并對兩者進行線性疊加，輸出弧形直線電機控制信號26。弧形直線電機初級在修正后的控制信號26的作用下，輸出轉向助力轉矩42，經弧形直線電機次級和轉向管柱，作用于循環球轉向器并向車輪傳遞。

本文提出的路感控制方法，增強系統抗干擾能力，保證行駛穩定性，同時獲得較好的轉向路感，且系統魯棒性較好。

圖2 電液主動轉向路感系統的控制原理框圖

4 結束語

本文介紹的電液主動轉向路感控制系統，可根據汽車不同行駛工況，改變轉向系統傳動比大小，在執行主動轉向的同時，克服變傳動比模塊造成的力矩傳遞特性變化對轉向路感的影響，根據路面實際情況施加合適的助力力矩，給駕駛員反饋真實準確的路面信息。

系統采用弧形直線電機助力，直接驅動轉向管柱提供轉向助力，減少了采用普通電機需要搭配減速機構產生的摩擦損耗，結構簡單，易于控制且啟動穩定性較好。

系統采用在循環球轉向器前的轉向管柱進行助力的方式，弧形直線電機輸出的助力轉矩經過循環球轉向器向車輪傳遞，傳動比較大，所需提供的助力轉矩較小，電機體積和質量可以減小，方便在駕駛室布置。