汽車線控轉向系統節能設計研究綜述

曹杰，王保華，陳小兵

（湖北汽車工業學院汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

前言

汽車線控轉向系統是以電子軟聯接取代傳統的機械連接的裝置。方向盤路感以及轉向輪轉動的驅動電機，是汽車上重要的能量消耗裝置之一，線控轉向系統的結構參數和力學特性以及系統能量消耗控制直接影響到汽車的轉向操縱動力學特性及燃油經濟性能，采納節能設計思維研究線控轉向裝置的傳動比設置還有動力學問題、路感模擬策略以及路感電機控制策略節能設計、轉向電機動態控制及節能策略設計等問題是一個新的研究方向，因此，線控轉向系統節能設計理論及方法必須深入研究。

1 國內外研究現狀及發展動態分析

1.1 國內外研究現狀及發展動態分析

隨著半導體技術的迅速發展，汽車線控轉向技術逐漸成為可能。奔馳公司在研究了后橋線控轉向以及多橋汽車的第三橋線控轉向系統之后，于1990年開始了對前輪轉向線控系統進行了深入的研究，并且，把它開發的線控轉向系統安裝在其概念車F400 Carving上。

本田汽車公司和東京大學在汽車線控轉向系統方面，做了一些理論研究和模擬器實驗。他們以人-車閉環系統特性為研究對象，理想化的系統傳動比，讓車輛的穩態增益不再跟隨車速變動，如此就線控轉向系統的特點可以充分被利用，最大限度的降低駕駛員的負擔，以駕駛員角控制特性和力控制特性對汽車主動安全性的影響最為重點研究對象。

在歐洲，Fiat、Daimler-Chrysler、Ford Europe和 Volvo等汽車公司、Bosch等零部件廠商和Vienna、Chalmers等大學聯合開展“X-by-wire”計劃，對線控轉向系統的落實、安全性以及可靠性方面進行了研究。Daimler-Chrysler已經研發了名為“R129”的電驅動概念車。它取消了加速踏板、方向盤及制動踏板，徹底采用操縱桿控制汽車，實現了Drive-bywire技術。寶馬汽車公司在其BMW Z22概念車上也應用了線控轉向控制系統及線控驅動技術,使轉向盤轉動角度范圍縮減到160度，這讓駕駛員在緊急轉向時輕松了很多。

國內在線控轉向方面的研究才剛起步，吉林大學、清華大學、同濟大學、北京理工大學等高校對線控技術進行了一些相關研究。隨著 SBW 研究關注度的提高，國內科研機構也紛紛開始重視，將人力和物力投入其中進行研究。同濟大學汽車學院研制出國內首輛裝備電子轉向系統的概念車——“春輝三號”，該車是國內首輛使用電子轉向技術的電動車。吉林大學宗魏宏、長富等人研究了對電控轉向系統的關鍵技術，并提出了主要問題以及其解決方法,為其他該方面的研究者提供了一個理論基礎。在控制策略方面，武漢理工大學劉永學等提出了相關的算法研究。

1.2 項目研究的科學意義

要使線控轉向技術真正實用化，必須對線控轉向系統動力學特性和駕駛員“路感”、轉向系統控制策略、電機的動態控制算法和系統節能策略等核心理論及技術進行深入研究，并對汽車穩定性能進行分析和評價。本項目的研究將為SBW系統開發提供理論依據，開發具有自主知識產權的國產實用的 SBW 系統，從而，有利于提高我國汽車技術水平和掌握汽車核心技術。可以肯定線控轉向系統對現代汽車的性能產生了正向的影響，甚至可能帶來一場汽車控制思想的革命。

該項目研究具有以下科學意義：

（1）基于節能設計的線控轉向系統，有效降低系統能耗，提高汽車系統可靠性和經濟性。從系統結構動力學和控制兩個方面，以轉向系統能量消耗最低和系統穩定性為綜合目標，研究基于節能設計理論和方法設計轉向裝置結構參數和控制策略，實現同等駕駛工況下采用節能設計的轉向系統能耗更低，提高轉向系統及整車的能量使用效率。

（2）駕駛員路感的節能設計，優化駕駛員的路感，降低路感電機能耗，同時為駕駛員提供個性化的、更符合習慣的“路感”。在線控轉向系統中，駕駛員“路感”是由路感電機的模擬來生成的。由輸入信號之中取得最能夠代表汽車實際行駛狀態以及路面狀況的信息，路感電機控制以這些信息作為輸入變量，從而使轉向盤為駕駛員提供更符合習慣的“路感”，并降低轉向系路感電機的能量消耗。

（3）理想可變轉向傳動比的節能設計，提高轉向結構傳動效率和汽車的操縱穩定性。采用節能設計思想，設計高效的理想變傳動比，通過前輪轉向控制可以實現傳動比的任意設置，依照駕駛員習慣及車速，汽車依據行駛工況由控制算法來控制傳動比實時設置；同時對前輪轉角參數進行補償，讓汽車轉向特性保持不變，進而將傳統“人-車閉環”系統中駕駛員所承擔的部分工作由ECU控制器來完成，這可大大減輕駕駛員的負擔，提高了車輛系統對駕駛員轉向輸入系統的響應及“人車閉環”系統的主動安全性。

（4）系統采用電子控制，推動汽車的智能化發展，提高汽車安全可靠性。線控系統采用電子控制來實現智能靈活的轉向控制。并且具有很強的兼容性，修改軟件部分參數就能夠用于其它型號的車，對于新車型的開發，能夠結束大量的成本和時間；采用線控轉向系統的汽車內部空間寬敞，相較于傳統機械部件在車輛上的安排和移動自由沒有限制，減少了事故發生時對司機的傷害。

2 線控轉向節能設計幾個關鍵問題

2.1 轉向驅動機構動力學及控制策略節能設計問題

在 SBW 系統中，電子控制裝置替代原來的機械連接，這種顯著的改進可將轉向裝置設計為變傳動比，變傳動比能很好地克服固定傳動比的缺點，Fuhrer和Harter等人通過實時修正轉向靈敏度優化汽車轉向性能和操縱性能。

對 SBW 的研究在日本和西方國家發展很快。在判定穩態轉向的情況下，基于對駕駛員行為的研究，Tajima等首先建立了關于轉向性能的控制邏輯，然而沒有考慮瞬態運動控制。Segawa等人研究了SBW汽車穩定性控制問題。近年來，Chai等對SBW汽車控制策略的研究轉向方向盤力矩的設計。與日本的研究者相比，西方國家傾向于實際 SBW 樣機的開發，很少注意轉向控制策略的研究。對 SBW 系統轉向傳動比的設計要么根據Tajima的原理要么根據經驗設計成汽車速度的函數，Kaufmann等根據Tajima等人的理論，提出了一系列 SBW 汽車的操縱動力學控制邏輯，包括穩態轉向操縱和瞬態操縱轉向響應特性。

基于理想傳動比的控制算法能有效地提高 SBW 汽車的穩態轉向性能。為改善瞬態操縱性能，降低駕駛員工作負荷、提高路徑保持能力、提高轉向響應特性，提出了汽車偏航速控制和汽車集成控制兩種控制策略，并通過試驗模擬器進行了驗證。在通過彎道時，Takimoto等認為精確的前饋轉向控制更容易實現，可以弱化反饋調節。在轉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荷和提高汽車操縱性能外，這種穩態響應特性也能提高汽車的駕駛性能（例如避免轉向性能突變）。目前，在線控轉向機構設計及控制策略采用節能設計思路和方法研究的還非常少，處于初期階段。

為響應國家政策，推動武術“走出去”，2016年7月22日，國家體育總局武術運動管理中心印發了《中國武術發展五年規劃(2016-2020年)》，規劃中指出：加強武術的國際交流與合作,加大對國外武術教練員、裁判員和運動員的培訓，增加武術師資外派數量，擴大武術器材援助和輸出，增派武術交流訪問團，定期舉辦各類武術展示交流活動，逐步加大武術援外力度，重點與國際武術聯合會成員國建立長期合作關系[4]。

2.2 線控轉向理想可變傳動比及控制策略的節能設計問題

線控轉向系統取消了轉向盤和轉向輪的機械連接，可以根據需要設計角傳動比——可變傳動比，可以根據車輛的車速變化而變化，實現理想的轉向特性。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擔和體力負荷。因此，林逸等圍繞橫擺角速度增益為定值，對線控轉向系統理想的可變傳動比進行了研究，提出了線控轉向理想轉向傳動比控制規律設計的不同方案，并設計了轉向盤力反饋控制策略、橫擺角速度反饋控制律、遺傳算法優化轉向增益的線控轉向控制策略、系統的全狀態反饋控制策略和等分數階魯棒控制策略等，分析了線控轉向變傳動比控制對車輛操縱穩定性的影響。歐陽海等提出了前饋補償控制算法和橫擺角速度反饋控制算法兩種線控轉向車輛前輪轉角控制算法，并證明了前饋補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速度。目前在該系統中對可變傳動比設計及控制的研究比較多，但基于節能設計的研究還未見報道。

2.3 轉向驅動電機動態跟蹤控制及策略的節能設計問題

劉玉清等人研究表明，電流PID閉環控制能夠實現對目標電流的準確跟蹤控制，也就實現了對轉向電機為車輛轉向提供的轉向力矩的跟蹤控制。C-J Kim等人提出道路信息反饋策略來控制電機，提高駕駕駛員的轉向路感和電機的穩定性，這種轉向盤系統的控制策略使用了電機的扭矩 MAP和駕駛員和道路的傳輸信息。在過度轉向條件下，KATSUHIRO SAKAI等人提出了基于驅動力特性圖的SBW驅動電機的主動轉向扭矩控制策略，實現 SBW 裝置的變傳動比特性，提高光滑路面從汽車急轉到恢復穩定的能力。近年來，研究者已從汽車主動安全方面關注汽車轉向系傳動比的主動控制和轉向力矩的主動控制。例如，在緊急情況下（道路附著系數變化、對開路面或側向風干擾等），變傳動比控制可減小過轉向的速比，轉向例句控制可根據汽車偏航率或驅動力圖有效改善汽車的穩定性。另外，它也能很好地改善駕駛員的轉向響應時間，可以將緊急情況下駕駛員的反應準備時間由通常的0.2秒提高到0.6秒，這種控制能補償駕駛員的反應時間，同時提高汽車主動安全性。采用節能設計的驅動電機動態跟蹤控制可以獲得更好的動態的響應和更低的能量消耗。

2.4 線控轉向車輛動力學及控制問題

由于汽車輪胎的側向力具有飽和特性，轉彎工況汽車的操縱性能和穩定性將會受到損害。與傳統控制相比線控技術在底盤集成控制上具有不可比擬的優勢，特別是在極限工況下，利用線控技術實現轉向及制動，對于提高汽車的操縱性和駕駛舒適性具有較大的優勢。

英國LEEDS大學的Selby等提出采用DYC和AFS綜合控制方法，其方法是根據所建立的車輛動力學模型，然后設計出DYC和AFS的控制策略。根據側向加速度的不同，來判斷DYC和AFS哪個系統起主要功能，研究表明集成控制比單獨控制更具有優勢，其缺點是附著條件變化及駕駛員制動的作用沒有考慮進來。對于此影響，美國加利福尼亞大學的Zeyada等通過對AFS與DBC的分別實驗，找到了2種方法的優缺點，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現，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的影響，但駕駛員制動的影響沒有被考慮，日本東京農業技術大學的Mothoki Shino等也提出AFS和DYC的系統控制方法，其核心是最優控制理論，對汽車前輪轉角和四輪制動力進行控制，依據模型匹配控制，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傾干擾力矩，研究車輛在極限運動的工況下，依靠兩前輪的線控轉向要比調節單個車輪的制動和驅動更加具有穩定性，即線控轉向與線控制動的集成控制的效率更高。

3 技術關鍵與應用前景

實現汽車線控轉向節能設計理論和方法研究需要解決以下關鍵技術：

如何產生駕駛員能夠感知到汽車的實際駕駛狀況和道路狀況，是實現解決線控轉向的技術關鍵所在。基于節能設計的路感模擬控制策略及路感電機控制算法，在保證方向盤路感性能要求的條件下，實現路感模擬系統更低的能量消耗。

（2）轉向機構及控制策略節能設計方法研究

電驅動轉向系統的研究，其核心技術為控制策略的設計。線控轉向系統控制策略重點研究理想可變傳動比和控制策略的節能設計、驅動電機力矩動態波動的節能控制策略和算法，更好的道路感知策略和控制道路干擾和傳感器噪聲控制策略等方面進一步優化和提高轉向系統的動態性能和穩定性。在期望橫擺角速度增益和側向加速度增益不變的情況下研究傳動比的設置，通過綜合控制可以解決上述問題。

（3）轉向控制與轉向動態穩定性研究

轉向動態穩定性包括轉向電機動態穩定性和汽車轉向穩定性兩個方面。基于結構的節能設計，研究出理想的轉向器變傳動比，這樣在轉向盤小轉角時轉向系統需要靈敏為主要目標，反之在轉向盤大轉角時以“輕”為主要目標。線控轉向系統的電動機具有彈簧阻尼的效果, 可以減少路面的不平整對轉向盤的沖擊力以及車輪不平衡引起的震動，這樣的效果就減少了駕駛員的“路感”。使用模擬路感的節能控制策略以及模擬路感的電機震動控制技術，能夠有效地解決電機動態穩定性這一問題。理想狀態下，轉向傳動比隨方向盤轉角及車速變化而變化，采用理想轉向傳動比的線控轉向系統，其轉向傳動比要比采用固定傳動比的線控轉向系統的要小，這樣能夠減少前輪轉角穩定性控制下

方向盤的轉角輸入，同時減輕駕駛員的體力負荷；當車輛進行并線、變道操作時，使用轉向理想傳動比的方式會使轉向更好的靈敏性，其能夠更加及時地感知到轉向響應，有效的避免轉向延誤造成的換道過急，提高汽車轉向的穩定性。

（4）節能設計理論和方法研究及系統能耗分析

線控轉向節能設計研究當前還主要集中在節能控制理論和方法研究，節能控制策略設計，提高系統穩定性和可靠性方面。SBW系統電功率消耗大，結合SBW系統能量消耗特點，設計合理的節能策略是一個關鍵的技術問題。目前，這方面的研究還很少，因此，在此方面開展探索性研究對實現整車節能降耗是非常必要和必須的。

4 結束語

汽車線控轉向系統符合環保、節能和安全的汽車技術發展方向，是系統科學、控制理論與機械、力學、電子與能源等學科領域的交叉研究，是國民經濟支柱產業——汽車產業中關鍵技術問題的基礎性研究，是機械結構和系統動力學與汽車智能化線控類技術的一個分支，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 陳煜.理想轉向傳動比和四輪轉向的汽車電子轉向系統研究,吉林大學,碩士學位論文,2004.7.

[2] 林逸,于蕾艷,施國標.線控轉向系統的角傳動比研究[J].農業機械學報,2007,(08).

[3] 于蕾艷,林逸,施國標.遺傳算法優化線控轉向系統角傳動比的研究[J].計算機仿真, 2008,(08).

[4] 施國標,于蕾艷,林逸.線控轉向系統的全狀態反饋控制策略[J].農業機械學報, 2008,(02).

[5] 歐陽海,張杜鵲,高崗.線控轉向車輛前輪轉角控制算法研究[J].輕型汽車技術, 2009,(09).