汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)研究綜述

1.2 項(xiàng)目研究的科學(xué)意義

要使線控轉(zhuǎn)向技術(shù)真正實(shí)用化，必須對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性和駕駛員“路感”、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略、電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制算法和系統(tǒng)節(jié)能策略等核心理論及技術(shù)進(jìn)行深入研究，并對(duì)汽車穩(wěn)定性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。本項(xiàng)目的研究將為SBW系統(tǒng)開發(fā)提供理論依據(jù)，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)實(shí)用的SBW系統(tǒng)，從而，有利于提高我國(guó)汽車技術(shù)水平和掌握汽車核心技術(shù)?？梢钥隙ň€控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)代汽車的性能產(chǎn)生了正向的影響，甚至可能帶來(lái)一場(chǎng)汽車控制思想的革命。
該項(xiàng)目研究具有以下科學(xué)意義：
（1）基于節(jié)能設(shè)計(jì)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，有效降低系統(tǒng)能耗，提高汽車系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和控制兩個(gè)方面，以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能量消耗最低和系統(tǒng)穩(wěn)定性為綜合目標(biāo)，研究基于節(jié)能設(shè)計(jì)理論和方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制策略，實(shí)現(xiàn)同等駕駛工況下采用節(jié)能設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能耗更低，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及整車的能量使用效率。
（2）駕駛員路感的節(jié)能設(shè)計(jì)，優(yōu)化駕駛員的路感，降低路感電機(jī)能耗，同時(shí)為駕駛員提供個(gè)性化的、更符合習(xí)慣的“路感”。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，駕駛員“路感”是由路感電機(jī)的模擬來(lái)生成的。由輸入信號(hào)之中取得最能夠代表汽車實(shí)際行駛狀態(tài)以及路面狀況的信息，路感電機(jī)控制以這些信息作為輸入變量，從而使轉(zhuǎn)向盤為駕駛員提供更符合習(xí)慣的“路感”，并降低轉(zhuǎn)向系路感電機(jī)的能量消耗。
（3）理想可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的節(jié)能設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)傳動(dòng)效率和汽車的操縱穩(wěn)定性。采用節(jié)能設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)高效的理想變傳動(dòng)比，通過前輪轉(zhuǎn)向控制可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的任意設(shè)置，依照駕駛員習(xí)慣及車速，汽車依據(jù)行駛工況由控制算法來(lái)控制傳動(dòng)比實(shí)時(shí)設(shè)置；同時(shí)對(duì)前輪轉(zhuǎn)角參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，讓汽車轉(zhuǎn)向特性保持不變，進(jìn)而將傳統(tǒng)“人-車閉環(huán)”系統(tǒng)中駕駛員所承擔(dān)的部分工作由ECU控制器來(lái)完成，這可大大減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，提高了車輛系統(tǒng)對(duì)駕駛員轉(zhuǎn)向輸入系統(tǒng)的響應(yīng)及“人車閉環(huán)”系統(tǒng)的主動(dòng)安全性。
（4）系統(tǒng)采用電子控制，推動(dòng)汽車的智能化發(fā)展，提高汽車安全可靠性。線控系統(tǒng)采用電子控制來(lái)實(shí)現(xiàn)智能靈活的轉(zhuǎn)向控制。并且具有很強(qiáng)的兼容性，修改軟件部分參數(shù)就能夠用于其它型號(hào)的車，對(duì)于新車型的開發(fā)，能夠結(jié)束大量的成本和時(shí)間；采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車內(nèi)部空間寬敞，相較于傳統(tǒng)機(jī)械部件在車輛上的安排和移動(dòng)自由沒有限制，減少了事故發(fā)生時(shí)對(duì)司機(jī)的傷害。

2 線控轉(zhuǎn)向節(jié)能設(shè)計(jì)幾個(gè)關(guān)鍵問題
2.1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及控制策略節(jié)能設(shè)計(jì)問題

在SBW系統(tǒng)中，電子控制裝置替代原來(lái)的機(jī)械連接，這種顯著的改進(jìn)可將轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)為變傳動(dòng)比，變傳動(dòng)比能很好地克服固定傳動(dòng)比的缺點(diǎn)，F(xiàn)uhrer和Harter等人通過實(shí)時(shí)修正轉(zhuǎn)向靈敏度優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向性能和操縱性能。
對(duì)SBW的研究在日本和西方國(guó)家發(fā)展很快。在判定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的情況下，基于對(duì)駕駛員行為的研究，Tajima等首先建立了關(guān)于轉(zhuǎn)向性能的控制邏輯，然而沒有考慮瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)控制。Segawa等人研究了SBW汽車穩(wěn)定性控制問題。近年來(lái)，Chai等對(duì)SBW汽車控制策略的研究轉(zhuǎn)向方向盤力矩的設(shè)計(jì)。 與日本的研究者相比，西方國(guó)家傾向于實(shí)際SBW樣機(jī)的開發(fā)，很少注意轉(zhuǎn)向控制策略的研究。對(duì)SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)要么根據(jù)Tajima的原理要么根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)成汽車速度的函數(shù)，Kaufmann等根據(jù)Tajima等人的理論，提出了一系列SBW汽車的操縱動(dòng)力學(xué)控制邏輯，包括穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向操縱和瞬態(tài)操縱轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性。
基于理想傳動(dòng)比的控制算法能有效地提高SBW汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能。為改善瞬態(tài)操縱性能，降低駕駛員工作負(fù)荷、提高路徑保持能力、提高轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性，提出了汽車偏航速控制和汽車集成控制兩種控制策略，并通過試驗(yàn)?zāi)M器進(jìn)行了驗(yàn)證。在通過彎道時(shí)，Takimoto等認(rèn)為精確的前饋轉(zhuǎn)向控制更容易實(shí)現(xiàn)，可以弱化反饋調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)向位置控制性能和危險(xiǎn)避讓操縱性方面，除了減輕駕駛員工作負(fù)荷和提高汽車操縱性能外，這種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性也能提高汽車的駕駛性能（例如避免轉(zhuǎn)向性能突變）。目前，在線控轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略采用節(jié)能設(shè)計(jì)思路和方法研究的還非常少，處于初期階段。

2.2 線控轉(zhuǎn)向理想可變傳動(dòng)比及控制策略的節(jié)能設(shè)計(jì)問題

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪的機(jī)械連接，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)角傳動(dòng)比——可變傳動(dòng)比，可以根據(jù)車輛的車速變化而變化，實(shí)現(xiàn)理想的轉(zhuǎn)向特性。這樣的汽車具有較好的操縱性能，能夠減輕駕駛員駕駛時(shí)的精神負(fù)擔(dān)和體力負(fù)荷。因此，林逸等圍繞橫擺角速度增益為定值，對(duì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想的可變傳動(dòng)比進(jìn)行了研究，提出了線控轉(zhuǎn)向理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比控制規(guī)律設(shè)計(jì)的不同方案，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向盤力反饋控制策略、橫擺角速度反饋控制律、遺傳算法優(yōu)化轉(zhuǎn)向增益的線控轉(zhuǎn)向控制策略、系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制策略和等分?jǐn)?shù)階魯棒控制策略等，分析了線控轉(zhuǎn)向變傳動(dòng)比控制對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響。歐陽(yáng)海等提出了前饋補(bǔ)償控制算法和橫擺角速度反饋控制算法兩種線控轉(zhuǎn)向車輛前輪轉(zhuǎn)角控制算法，并證明了前饋補(bǔ)償控制算法和橫擺角速度反饋控制算法能夠提高車輛響應(yīng)速度。目前在該系統(tǒng)中對(duì)可變傳動(dòng)比設(shè)計(jì)及控制的研究比較多，但基于節(jié)能設(shè)計(jì)的研究還未見報(bào)道。

2.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤控制及策略的節(jié)能設(shè)計(jì)問題

劉玉清等人研究表明，電流PID閉環(huán)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)電流的準(zhǔn)確跟蹤控制，也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)為車輛轉(zhuǎn)向提供的轉(zhuǎn)向力矩的跟蹤控制。C-J Kim等人提出道路信息反饋策略來(lái)控制電機(jī)，提高駕駕駛員的轉(zhuǎn)向路感和電機(jī)的穩(wěn)定性，這種轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)的控制策略使用了電機(jī)的扭矩MAP和駕駛員和道路的傳輸信息。在過度轉(zhuǎn)向條件下，KATSUHIRO SAKAI等人提出了基于驅(qū)動(dòng)力特性圖的SBW驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向扭矩控制策略，實(shí)現(xiàn)SBW裝置的變傳動(dòng)比特性，提高光滑路面從汽車急轉(zhuǎn)到恢復(fù)穩(wěn)定的能力。近年來(lái)，研究者已從汽車主動(dòng)安全方面關(guān)注汽車轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比的主動(dòng)控制和轉(zhuǎn)向力矩的主動(dòng)控制。例如，在緊急情況下（道路附著系數(shù)變化、對(duì)開路面或側(cè)向風(fēng)干擾等），變傳動(dòng)比控制可減小過轉(zhuǎn)向的速比，轉(zhuǎn)向例句控制可根據(jù)汽車偏航率或驅(qū)動(dòng)力圖有效改善汽車的穩(wěn)定性。另外，它也能很好地改善駕駛員的轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間，可以將緊急情況下駕駛員的反應(yīng)準(zhǔn)備時(shí)間由通常的0.2秒提高到0.6秒，這種控制能補(bǔ)償駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)提高汽車主動(dòng)安全性。采用節(jié)能設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤控制可以獲得更好的動(dòng)態(tài)的響應(yīng)和更低的能量消耗。

2.4 線控轉(zhuǎn)向車輛動(dòng)力學(xué)及控制問題

由于汽車輪胎的側(cè)向力具有飽和特性，轉(zhuǎn)彎工況汽車的操縱性能和穩(wěn)定性將會(huì)受到損害。與傳統(tǒng)控制相比線控技術(shù)在底盤集成控制上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，特別是在極限工況下，利用線控技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向及制動(dòng)，對(duì)于提高汽車的操縱性和駕駛舒適性具有較大的優(yōu)勢(shì)。
英國(guó)LEEDS大學(xué)的Selby等提出采用DYC和AFS綜合控制方法，其方法是根據(jù)所建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)出DYC和AFS的控制策略。根據(jù)側(cè)向加速度的不同，來(lái)判斷DYC和AFS哪個(gè)系統(tǒng)起主要功能，研究表明集成控制比單獨(dú)控制更具有優(yōu)勢(shì)，其缺點(diǎn)是附著條件變化及駕駛員制動(dòng)的作用沒有考慮進(jìn)來(lái)。對(duì)于此影響，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Zeyada等通過對(duì)AFS與DBC的分別實(shí)驗(yàn)，找到了2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于極限工況的各種情況，提出了一種模糊控制算法，該算法基于控制橫擺角速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，AFS和DBC的集成有顯著效果。上述研究中，雖然考慮了路面附著系數(shù)的影響，但駕駛員制動(dòng)的影響沒有被考慮，日本東京農(nóng)業(yè)技術(shù)大學(xué)的Mothoki Shino等也提出AFS和DYC的系統(tǒng)控制方法，其核心是最優(yōu)控制理論，對(duì)汽車前輪轉(zhuǎn)角和四輪制動(dòng)力進(jìn)行控制，依據(jù)模型匹配控制，對(duì)于輪胎的非線性特性與汽車的整車匹配給出了良好解決的解決方法，使汽車的主動(dòng)安全性和操縱穩(wěn)定性在極限工況下大大提高，遺憾的是，該方案同樣沒考慮路面附著條件變化及駕駛員制動(dòng)的影響。
Taehyun等人考慮汽車橫擺力矩和側(cè)傾干擾力矩，研究車輛在極限運(yùn)動(dòng)的工況下，依靠?jī)汕拜喌木€控轉(zhuǎn)向要比調(diào)節(jié)單個(gè)車輪的制動(dòng)和驅(qū)動(dòng)更加具有穩(wěn)定性，即線控轉(zhuǎn)向與線控制動(dòng)的集成控制的效率更高。