主動前輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

在車輛的操縱穩(wěn)定性控制中，比較常見的是利用縱向控制產(chǎn)生橫擺力矩來提高車輛的穩(wěn)定性，稱為直接橫擺力矩控制。直接橫擺力矩控制常常是以犧牲車輛的部分制動性能為代價，而采用主動轉(zhuǎn)向控制來實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性控制卻可以在不影響制動的情況下達(dá)到同樣的效果，并且其所需要的輪胎力只有制動時的約1/4。在諸如對開路面制動等工況下，主動轉(zhuǎn)向還可以有效地抵消由于不平衡制動力所產(chǎn)生的擾動力矩，保證車輛的穩(wěn)定行駛。由于具有上述優(yōu)勢，主動轉(zhuǎn)向技術(shù)成為當(dāng)前底盤動力學(xué)控制發(fā)展的熱點之一。

常見主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(也稱為主動后輪轉(zhuǎn)向)。主動前輪轉(zhuǎn)向是隨著線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一項技術(shù)，并且隨著寶馬的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配實車而進(jìn)入實用階段。由于主動前輪轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)車輛的結(jié)構(gòu)能夠很好兼容，同時對車輛操縱穩(wěn)定性的提高效果明顯，顯示出了良好的發(fā)展前景，成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來發(fā)展的主要方向之一。

1 主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

目前可用于乘用車的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有兩種形式：一種是以寶馬和ZF公司聯(lián)合開發(fā)的AFS系統(tǒng)為代表的機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過行星齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)增加一個輸入自由度從而實現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向，目前已裝配于寶馬5系的轎車上，以及韓國的MANDO、美國的TRW、日本的JTEKT公司也有類似產(chǎn)品；另一種是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SWB)，利用控制器綜合駕駛員轉(zhuǎn)向角輸入和當(dāng)時的車輛狀態(tài)來決定轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出電流，最終驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)在許多概念車和實驗室研究中已廣泛采用，如通用公司的Sequel燃料電池概念車就采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。

　　線控轉(zhuǎn)向和機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的區(qū)別體現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能通過轉(zhuǎn)向盤與車輪間的機(jī)械連接確保其轉(zhuǎn)向性能，而線控轉(zhuǎn)向必須通過系統(tǒng)主要零件的冗余設(shè)計來保證車輛的安全性。由于上述安全性和可靠性的原因，目前法律上還不允許將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接裝備車輛。

　　1．1 機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　下面以寶馬的AFS系統(tǒng)為例，介紹機(jī)械式主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。該系統(tǒng)主要由三大子系統(tǒng)組成：液壓助力齒輪齒條動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變傳動比執(zhí)行系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

該系統(tǒng)除傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)械構(gòu)件外，主要包括兩大核心部件：一是一套雙行星齒輪機(jī)構(gòu)，通過疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動比功能；二是Sewtronic液力伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。在駕駛過程中，駕駛員輸入的力矩和轉(zhuǎn)角共同傳遞給扭桿，其中的力矩輸入由液力伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行助力控制，而角輸入則通過由伺服電機(jī)驅(qū)動的雙行星齒輪機(jī)構(gòu)與控制器輸出的附加轉(zhuǎn)角進(jìn)行角疊加，經(jīng)過疊加后的總轉(zhuǎn)向角才是傳遞給齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最終轉(zhuǎn)角。其中，控制器輸出的轉(zhuǎn)角是根據(jù)各個傳感器的信號，包括車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、偏轉(zhuǎn)率、橫向加速度經(jīng)綜合計算得到的。由于寶馬主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅能夠?qū)D(zhuǎn)向力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且還可以對轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行調(diào)整，因而可以使轉(zhuǎn)向輸入與當(dāng)前的車速達(dá)到最佳匹配。

1．2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　一般來說，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(通過測量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)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(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。

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

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

　　由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，因而自動防故障系統(tǒng)成為線控轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)向動力學(xué)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(wù)：(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(fù)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(xiàn)。由于涉及到車輛的姿態(tài)控制的動力學(xué)參數(shù)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(zhuǎn)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(jìn)行反饋控制。寶馬的主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)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(cè)向加速度的增益，進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)，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(yùn)動情況下從前輪轉(zhuǎn)角到橫擺角速度的增益，Kyaw為反饋比例系數(shù)。

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(wù)的基礎(chǔ)上，對橫擺角速度和側(cè)向加速度單向解耦，進(jìn)而對橫擺角速度進(jìn)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(jìn)行反饋控制時對車輛前橋解耦點的側(cè)向加速度沒有影響，而在駕駛員進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動控制時，可以通過側(cè)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(shù)(如：車輛質(zhì)量分布、車速、輪胎與地面間的附著系數(shù))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(yù)設(shè)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(jìn)行折衷，實現(xiàn)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(nèi)產(chǎn)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(guān)的穩(wěn)態(tài)值。

近年來，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，一種以往多用于電機(jī)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(bǔ)償器，通過反饋補(bǔ)償器根據(jù)車輛包含擾動的實際橫擺角速度生成一個補(bǔ)償轉(zhuǎn)角，疊加到車輛的輸入轉(zhuǎn)角上，從而實現(xiàn)對車輛橫擺角速度的控制。反饋補(bǔ)償器的表達(dá)式如下：

從表達(dá)式中可以看出，所謂的擾動觀察器其實質(zhì)是利用車輛的反向動力學(xué)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(zhuǎn)角，進(jìn)而通過與實際前輪轉(zhuǎn)角求差來得到抵消橫擺擾動的轉(zhuǎn)角來進(jìn)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(xué)模型分子分母階次的作用，使其在控制上可以實現(xiàn)?；跀_動觀察器的橫擺角速度控制具有結(jié)構(gòu)簡單，含義清晰，對外界擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性特點。理論和實驗證明擾動觀察器的控制結(jié)構(gòu)更適合進(jìn)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。

　　2．2 D*控制

　　D*控制(或稱為橫擺角速度和側(cè)向加速度的綜合控制)源于四輪轉(zhuǎn)向控制中對后輪轉(zhuǎn)向的控制策略，是一種對車輛的橫擺角速度和側(cè)向加速度進(jìn)行綜合控制的方法。在該控制中，控制的反饋量不再只有橫擺角速度，而是橫擺角速度與側(cè)向加速度的線性組合，如式(3)所示。

　　式中：Cy為側(cè)向加速度，VY為車速與橫擺角速度的乘積，兩者量綱一致，從這里可以看出，D*控制是一種側(cè)重于側(cè)向運(yùn)動控制的控制方法。