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

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，必須對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(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，并對汽車穩(wěn)定性能進(jìn)行分析和評價。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)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)實(shí)用的SBW系統(tǒng)，從而，有利于提高我國汽車技術(shù)水平和掌握汽車核心技術(shù)。可以肯定線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對現(xiàn)代汽車的性能產(chǎn)生了正向的影響，甚至可能帶來一場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)動力學(xué)和控制兩個方面，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)計理論和方法設(shè)計轉(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，優(yōu)化駕駛員的路感，降低路感電機(jī)能耗，同時為駕駛員提供個性化的、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)的模擬來生成的。由輸入信號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)向傳動比的節(jié)能設(shè)計，提高轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)傳動效率和汽車的操縱穩(wěn)定性。采用節(jié)能設(shè)計思想，設(shè)計高效的理想變傳動比，通過前輪轉(zhuǎn)向控制可以實(shí)現(xiàn)傳動比的任意設(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控制傳動比實(shí)時設(shè)置；同時對前輪轉(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)的主動安全性。
（4）系統(tǒng)采用電子控制，推動汽車的智能化發(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的車，對于新車型的開發(fā)，能夠結(jié)束大量的成本和時間；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自由沒有限制，減少了事故發(fā)生時對司機(jī)的傷害。

2 線控轉(zhuǎn)向節(jié)能設(shè)計幾個關(guān)鍵問題
2.1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力學(xué)及控制策略節(jié)能設(shè)計問題

在SBW系統(tǒng)中，電子控制裝置替代原來的機(jī)械連接，這種顯著的改進(jìn)可將轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計為變傳動比，變傳動比能很好地克服固定傳動比的缺點(diǎn)，F(xiàn)uhrer和Harter等人通過實(shí)時修正轉(zhuǎn)向靈敏度優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向性能和操縱性能。
對SBW的研究在日本和西方國家發(fā)展很快。在判定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的情況下，基于對駕駛員行為的研究，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)動控制。Segawa等人研究了SBW汽車穩(wěn)定性控制問題。近年來，Chai等對SBW汽車控制策略的研究轉(zhuǎn)向方向盤力矩的設(shè)計。 與日本的研究者相比，西方國家傾向于實(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SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動比的設(shè)計要么根據(jù)Tajima的原理要么根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計成汽車速度的函數(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，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)計及控制策略采用節(jié)能設(shè)計思路和方法研究的還非常少，處于初期階段。

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

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)計角傳動比——可變傳動比，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，對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想的可變傳動比進(jìn)行了研究，提出了線控轉(zhuǎn)向理想轉(zhuǎn)向傳動比控制規(guī)律設(shè)計的不同方案，并設(shè)計了轉(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)向變傳動比控制對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。歐陽海等提出了前饋補(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)中對可變傳動比設(shè)計及控制的研究比較多，但基于節(jié)能設(shè)計的研究還未見報道。

2.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)動態(tài)跟蹤控制及策略的節(jié)能設(shè)計問題

劉玉清等人研究表明，電流PID閉環(huán)控制能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)電流的準(zhǔn)確跟蹤控制，也就實(shí)現(xiàn)了對轉(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)動力特性圖的SBW驅(qū)動電機(jī)的主動轉(zhuǎn)向扭矩控制策略，實(shí)現(xiàn)SBW裝置的變傳動比特性，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，研究者已從汽車主動安全方面關(guān)注汽車轉(zhuǎn)向系傳動比的主動控制和轉(zhuǎn)向力矩的主動控制。例如，在緊急情況下（道路附著系數(shù)變化、對開路面或側(cè)向風(fēng)干擾等），變傳動比控制可減小過轉(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)時間，可以將緊急情況下駕駛員的反應(yīng)準(zhǔn)備時間由通常的0.2秒提高到0.6秒，這種控制能補(bǔ)償駕駛員的反應(yīng)時間，同時提高汽車主動安全性。采用節(jié)能設(shè)計的驅(qū)動電機(jī)動態(tài)跟蹤控制可以獲得更好的動態(tài)的響應(yīng)和更低的能量消耗。

2.4 線控轉(zhuǎn)向車輛動力學(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，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，對于提高汽車的操縱性和駕駛舒適性具有較大的優(yōu)勢。
英國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)所建立的車輛動力學(xué)模型，然后設(shè)計出DYC和AFS的控制策略。根據(jù)側(cè)向加速度的不同，來判斷DYC和AFS哪個系統(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，其缺點(diǎn)是附著條件變化及駕駛員制動的作用沒有考慮進(jìn)來。對于此影響，美國加利福尼亞大學(xué)的Zeyada等通過對AFS與DBC的分別實(shí)驗(yàn)，找到了2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對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，對汽車前輪轉(zhuǎn)角和四輪制動力進(jìn)行控制，依據(jù)模型匹配控制，對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)動的工況下，依靠兩前輪的線控轉(zhuǎn)向要比調(diào)節(jié)單個車輪的制動和驅(qū)動更加具有穩(wěn)定性，即線控轉(zhuǎn)向與線控制動的集成控制的效率更高。