商用車智能電液轉向系統的設計與驗證

萬民偉，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學院 機械與能源工程學院，浙江 杭州 310023）

前言

商用車由于質量大，質心高，體積大，其操縱輕便性與操縱穩定性難以達到乘用車水平[1]。因此相比乘用車，商用車對于駕駛員有著較高的駕駛負擔。針對商用車轉向系統，近年來逐漸有提高駕駛員舒適性和安全性的先進技術涌現。商用車電液轉向系統在保留傳統機械液壓助力工作平順、功率密度高的優點上，獲得了更好的轉向操縱感和節能性能[2]。并且其對于傳統燃油車和新能源車均可適配，并且可以在其基礎上實現智能駕駛[3]，國外商用車的電液轉向起步較早，博世開發有面向商用車的先進Servotwin疊加轉向系統、沃爾沃開發有動態轉向系統（Volvo Dynamic Steering），低速行駛時，電機提供額外的力；高速行駛時，電機自動調整轉向，在側風或路面不平整對方向盤造成影響時進行補償。在整車方面，戴姆勒在無人駕駛卡車方面是行業先驅，卡車已經在德國和美國測試驅動的路線駕駛了約20 000公里。

目前國內商用車的電液轉向系統還處于起步階段，主要以高校的研究為主。耿國慶[4]基于電控液壓循環球轉向系統，進行了商用車電液轉向系的主動回正研究，取得了良好的控制效果。張齊[5]針對大型客車，基于液壓循環球轉向器，設計開發了電液轉向系統，實現了助力的輸出，并降低了整車的油耗。呂連杰[6]針對商用卡車開發了電液轉向系統，完成了原理樣機的制造，在實車測試中取得了良好的效果。

1 轉向系統總體設計

針對中重型商用車，所設計轉向系統的采用一種新型電液循環球結構，主要結構特征如下：

（1）電動助力轉向裝置[7]：主要包括轉矩和轉角傳感器、永磁同步電機、蝸輪蝸桿減速機構。匹配的永磁同步電機通過蝸輪蝸桿減速機構連接到轉向軸上，電動助力的輸出軸與液壓助力轉向器的輸入軸連接。

（2）循環球轉向裝置：電液循環球結構為整體液壓助力式循環球轉向器，經過匹配設計，駕駛員對轉向盤施加的轉矩與電動助力裝置產生的轉矩經過疊加后，通過扭桿傳遞給轉向螺桿，扭桿的變形量直接控制轉閥的工作狀態，以得到不同的轉向助力。

（3）控制器：采用的控制器設計集成在電機尾部以達到良好的安裝布置工藝和防水性能。常規助力模式下在助力特性曲線的基礎上，加上系統的摩擦、慣性、阻尼和回正補償得到電機的助力電流，達到隨速助力和主動回正的功能。轉角伺服（自動轉向）模式下，則根據轉角信號和轉速信號，對方向盤的位置進行控制。

2 轉向系統工作模式協調控制技術

2.1 常規助力模式

常規助力模式下，根據采集到的轉向盤轉矩、車速等車輛信息，在助力特性曲線的基礎上，加上系統的摩擦、慣性、阻尼和回正補償得到電機的助力電流，達到隨速助力和主動回正的功能。為了提高商用車的直線行駛功能，設計中位補償功能，糾正商用車行駛跑偏的問題。圖1為常規助力模式下的控制策略。在此基礎上從產品化的角度考慮，控制器能夠實現對扭矩中位標定和角度標定功能，并具備熱保護、末端保護、失效保護等保護機制、故障診斷功能。

圖1 常規助力模式下的控制策略

2.2 人機協同控制決策方法

車道保持系統LKA需要利用車載攝像頭對道路狀況和車輛運行參數進行檢測，并通過信號處理獲得準確、可靠的行車信息；然后，考慮如何利用得到的信息進行駕駛員轉向干預度的判斷，在駕駛員優先決策下解決電機和人之間的決策矛盾。具體而言，如何通過轉向系統轉矩信號和轉角信號變化特性利用智能控制理論判斷駕駛員對轉向系統掌控程度，建立駕駛員干預度的推理模糊模型，進而確定車道保持轉向功能的開啟條件。在充分尊重駕駛員轉向意圖的情況下，實現人機協同控制。

車道保持模式下的轉向系統控制策略如圖2所示，智能電液轉向系統的輸出扭矩需要疊加一個車道保持LKA系統的目標扭矩，這個目標扭矩補償依據攝像頭視覺數據（車輛與中心線偏移距離、車輛航向角、道路曲率）和車速信號計算得到。

圖2 車道保持模式下的轉向系統控制策略

3 轉向系統的試驗驗證

3.1 轉向角階躍試驗

試驗方法：使用CANape模擬上層控制器，發送測試要求中給出的目標轉向角，監測反饋轉角跟隨狀態，對比CANape的命令轉角與EPS控制器輸出的轉角的時間歷程。所得的轉向角階躍試驗結果如下表1所示。在階躍試驗中，階躍響應時間最大為23 ms，上升時間隨著目標轉向角指令的增大而增長，穩態誤差在±0.8°以內，滿足了系統的性能要求。

表1 轉向角階躍試驗結果

3.2 接管功能試驗

當系統處于角度控制模式下時，人為控制方向盤，人工介入條件滿足設定條件后，轉向器會自動進入人工介入助力模式。接管功能試驗結果如圖3所示。

圖3 接管功能試驗結果

從圖中可以看出，當系統處于自動駕駛模式（角度控制模式）時，不滿足人工介入條件，不執行人工介入控制。人工介入扭矩超過設定扭矩閾值（4 Nm），持續時間超過設定閾值（300 ms），滿足人工介入條件，并進入人工介入模式。

4 結語

本文為解決商用車轉向系統的電動化和智能化問題，在循環球轉向系統中集成電動助力機構，實現傳統液壓助力轉向、機械手動轉向所不具備的隨速助力轉向、主動回正等功能，并通過智能電液轉向系統所需的助力特性、主動回正控制策略、力矩疊加控制策略及伺服轉向控制策略等研究，開發一種具有隨速助力、主動回正、輔助轉向及自動轉向功能的智能電液轉向系統，并成功推向了市場。該系統能夠配合商用車整車實現在復雜環境下輔助駕駛和無人駕駛對于轉向系統的執行需求，提升商用車的操控性，并為商用車的智能化駕駛奠定了基礎。