線控轉向系統(tǒng) - 主動前輪轉向控制技術研究

　　一般來說，線控轉向系統(tǒng)由方向盤總成、轉向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構如圖2所示。

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　　方向盤總成包括方向盤、方向盤轉角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機。其主要功能是將駕駛員的轉向意圖(通過測量方向盤轉角)轉換成數字信號，并傳遞給主控制器;同時接受主控制器送來的力矩信號，產生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應的路感信息。

　　轉向執(zhí)行總成包括前輪轉角傳感器、轉向執(zhí)行電機、轉向電機控制器和前輪轉向組件等。轉向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉向電機控制器控制轉向車輪轉動，實現駕駛員的轉向意圖。

　　主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，給方向盤回正力電機和轉向電機發(fā)送指令，控制兩個電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應，以減少駕駛員對汽車轉向特性隨車速變化的補償任務，減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作進行判別。

　　由于線控轉向系統(tǒng)結構的特殊性，因而自動防故障系統(tǒng)成為線控轉向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。

　　2 主動前輪轉向動力學控制

　　2.1 橫擺角速度的控制

　　在一般的駕駛操作中，駕駛員要同時完成兩個任務：(1)路徑跟隨;(2)車輛姿態(tài)的保持。路徑跟隨由于涉及到路線的選擇和跟隨等復雜問題，目前還無法由控制器完全取代駕駛員。相反，因為外界擾動對車輛姿態(tài)的影響常常很突然，車輛姿態(tài)的控制對駕駛員而言，特別是對新手來說，就比較困難。而這樣的控制由控制器卻完全可以實現。由于涉及到車輛的姿態(tài)控制的動力學參數主要是橫擺角速度，因而對橫擺角速度的控制也成為主動前輪轉向控制最重要的方面。

　　對橫擺角速度的控制，常見的方法有3種：(1)橫擺角速度反饋控制;(2)魯棒單向解耦橫擺角速度控制;(3)基于擾動觀察器的橫擺角速度控制。橫擺角速度反饋控制的基本思路是利用理想橫擺角速度Yest和實際橫擺角速度Y之差進行反饋控制。寶馬的主動轉向系統(tǒng)運用的是橫擺角速度反饋控制的方法，其控制器為PI控制。橫擺角速度反饋控制不但使橫擺角速度響應的帶寬增大，而且使橫擺角速度阻尼增大，尤其是在車速較高時改善了車輛的操縱穩(wěn)定性。但也同時存在著降低橫擺角速度和側向加速度的增益，進而使駕駛員中低速時操縱困難。針對上述問題，一般采用定增益形式的橫擺角速度反饋控制進行改進，該控制方法可保持車輛橫擺角速度增益在反饋控制時不變。圖3所示為一定　增益橫擺角速度反饋控制框圖。其中，為車輛在等速圓周運動情況下從前輪轉角到橫擺角速度的增益，Kyaw為反饋比例系數。

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　　魯棒單向解耦橫擺角速度控制是由德國宇航局的阿克曼教授提出的，在合理分解駕駛員操作任務的基礎上，對橫擺角速度和側向加速度單向解耦，進而對橫擺角速度進行控制。所謂單向解耦，指的是控制器在對車輛的橫擺角速度進行反饋控制時對車輛前橋解耦點的側向加速度沒有影響，而在駕駛員進行側向運動控制時，可以通過側向加速度間接影響橫擺角速度，保證車輛能順利過彎，這是該算法的最大特點。由于該算法本身對車輛不確定參數(如：車輛質量分布、車速、輪胎與地面間的附著系數)具有一定的魯棒性，故而稱為魯棒單向解耦控制。魯棒單向解耦控制也存在橫擺角速度阻尼隨車速的增加而下降的問題，可采用預設橫擺角速度阻尼的控制方法加以解決。該方法是在單向解耦控制和橫擺角速度阻尼之間進行折衷，實現既能在不同車速下保持較好的橫擺角速度阻尼特性，又能維持車輛控制對名義模型的橫擺角速度單向解耦。圖4所示為魯棒單向解耦橫擺角速度控制框圖。圖中在實際控制時采用的是一個衰退的積分，從而使橫擺角速度的控制只在擾動發(fā)生1 s內產生作用，幫助駕駛員穩(wěn)定車輛，1 s以后，車輛將完全在駕駛員的控制之下。參考橫擺角速度值由式(1)算出，是一個與速度有關的穩(wěn)態(tài)值。

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　　近年來，隨著控制技術的發(fā)展，一種以往多用于電機控制的擾動觀察器控制方法被移植到了車輛橫擺角速度控制中。該控制方法的基本原理如圖5所示，利用擾動觀察器理論建立的反饋補償器，通過反饋補償器根據車輛包含擾動的實際橫擺角速度生成一個補償轉角，疊加到車輛的輸入轉角上，從而實現對車輛橫擺角速度的控制。反饋補償器的表達式如下：

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　　從表達式中可以看出，所謂的擾動觀察器其實質是利用車輛的反向動力學傳遞模型，通過車輛的實際橫擺角速度來計算車輛的名義前輪轉角，進而通過與實際前輪轉角求差來得到抵消橫擺擾動的轉角來進行控制。由于控制過程中橫擺角速度信號會遇到噪聲信號，故一般擾動觀察器都帶有一個低通濾波環(huán)節(jié)。低通濾波環(huán)節(jié)同時還有改變反向動力學模型分子分母階次的作用，使其在控制上可以實現?；跀_動觀察器的橫擺角速度控制具有結構簡單，含義清晰，對外界擾動和系統(tǒng)參數變化具有較強的魯棒性特點。理論和實驗證明擾動觀察器的控制結構更適合進行橫擺穩(wěn)定性控制，成為未來橫擺角速度控制發(fā)展的一個方向。