主动前轮转向控制现状与发展趋势

1、主动前轮转向控制技术的现状与发展趋势來源：中国汽车工业信息网发布时间：2009年7月2日0引言在车辆的操纵稳定性控制中，比较常见的是利川纵向控制产牛横摆力矩来提高车辆的稳 定性，称为直接横摆力矩控制。直接横摆力矩控制帘常'是以牺牲车辆的部分制动性能为代价, 而采用主动转向控制来实现车辆稳定性控制却可以在不影响制动的情况卜达到同样的效果, 并且其所需要的轮胎力只有制动时的约1/4。在诸如对开路面制动等工况下，主动转向还可 以有效地抵消由于不平衡制动力所产牛的扰动力矩，保证车辆的稳定行驶。rti于具有上述优 势，主动转向技术成为当前底盘动力学控制发展的热点之一。常见主动转向系统有主动前轮转

2、向系统afs和四轮转向系统(也称为主动后轮转向)。 主动前轮转向是随着线控转向技术的发展而发展起來的一项技术，并随着宝马的主动转向 系统装配实车而进入实川阶段。rh于主动前轮转向与传统车辆的结构能够很好兼容，同时对 车辆操纵稳定性的捉高效果明显，显示出了良好的发展前景，成为转向系统未來发展的主要 方向之一。1主动前轮转向系统的工作原理目前可川于乘用车的主动转向系统主耍有两种形式：-种是以宝马和zf公司联合开发 的afs系统为代表的机械式主动转向系统，通过行星齿轮机械结构増加一个输入自由度从 而实现附加转向，目前已装配于宝马5系的轿车上，以及韩国的mando、美国的trw. fl本的jtekt公

3、司也有类似产品；另一种是线控转向系统(swb),利用控制器综合驾驶员 转向角输入和当时的车辆状态來决定转向电机的输出电流，最终驱动前轮转动。该系统在许 多概念车和实验室研究屮己广泛采用，如通川公司的sequel燃料电池概念车就采川了线控 转向技术。线控转向和机械式主动转向系统最大的区别体现在当系统发牛故障时，机械式主动转向 系统仍能通过转向盘与乍轮间的机械连接确保英转向性能，而线控转向必须通过系统主要零 件的冗余设计來保证车辆的安全性。由于上述安全性和可靠性的原因，目前法律上还不允许 将线控转向系统直接装备车辆。1. 1机械式主动转向系统卜-面以宝马的afs系统为例，介绍机械式主动转向系统的结

4、构和工作原理。该系统主 耍由三大子系统组成：液压助力齿轮齿条动力转向系统、变传动比执行系统和电控系统。系 统原理图如图1所示。转向盘转角驾¥2仪向力舷-转向 b 行星齿轮角 v 机构 电机调整碣m向角调卉电机1- 扭”机车轮转向 力矩i宝马主动转向系统原理图该系统除传统的转向机械构件外，主要包括两大核心部件：一是一套双行星齿轮机构, 通过叠加转向实现变传动比功能；二是sewtronic液力伺服转向系统，用于实现转向助力功 能。在驾驶过程中，驾驶员输入的力矩和转角共同传递给扭杆，其中的力矩输入由液力伺服 机构根据车速和转向角度进行助力控制，而介输入则通过由伺服电机驱动的双行星齿轮机构

5、与控制器输出的附加转角进行角叠加，经过叠加后的总转向角才是传递给齿轮齿条转向机构 的最终转角。其中，控制器输出的转角是根据各个传感器的信号，包括车轮转速、转向角度、 偏转率、横向加速度经综合计算得到的。由于宝马主动转向系统不仅能够对转向力矩进行调 节，而且还可以对转向角度进行调整，因而可以使转向输入与当前的车速达到最佳匹配。1. 2线控转向系统般来说，线控转向系统山方向盘总成、转向执行总成和主控制器(ecu)3个主要部分以及口动防故障系统、电源等辅助系统组成,系统结构如图2所示。驾驶员转向机转向盘转角总转向车轮转电机调轅角z向和帀节电if|图2线控转向系统结构示意图方向盘总成包括方向盘、方向盘

6、转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。其主 要功能是将驾驶员的转向意图(通过测虽方向盘转角)转换成数字信号，并传递给主控制器； 同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前伦转向组件等o 转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向千伦转动，实现 驾驶员的转向意图。主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，给方向盘冋正力电机和转 向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾 驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻

7、驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员 的操作进行判别。由于线控转向系统结构的特殊性，因而自动防故障系统成为线控转向系统的重要模块, 它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最 大限度地保持汽车的正常行驶。2主动前轮转向动力学控制2. 1横摆角速度的控制在一般的驾驶操作屮，驾驶员要同时完成两个任务：（1）路径跟随；（2）车辆姿态的保持。 路径跟随市于涉及到路线的选择和跟随等复杂问题，口前还无法市控制器完全取代驾驶员。 相反，因为外界扰动对车辆姿态的影响帘常很突然，车辆姿态的控制对驾驶员而言，特别是 对新手来说，就比鮫困难。血这样的控制由控制器却完全可以实现。

8、由于涉及到车辆的姿态 控制的动力学参数主耍是横摆角速度，因而对横摆角速度的控制也成为主动前伦转向控制最 重耍的方面。对横摆角速度的控制，常见的方法有3种：（1）横摆角速度反馈控制；（2）鲁棒单向解耦 横摆角速度控制；（3）基于扰动观察器的横摆角速度控制。横摆角速度反馈控制的基木思路 是利用理想横摆角速度vest和实际横摆角速度丫 z差进行反馈控制。宝马的主动转向系统 运用的是横摆角速度反馈控制的方法，其控制器为pi控制。横摆角速度反馈控制不但使横 摆角速度响应的带宽增大，而门使横摆角速度阻尼增大，尤其是在年速鮫高时改善了年辆的 操纵稳定性。但也同时存在着降低横摆角速度和侧向加速度的增益，进而使

9、驾驶员中低速时 操纵困难。针对上述问题，一般采用定增益形式的横摆角速度反馈控制进行改进，该控制方 法可保持年辆横摆角速度增益在反馈控制时不变。图3所示为一定增益横摆角速度反馈控 制框图。其中，久为车辆在等速圆周运动情况下从前轮转角到横摆角速度的增益，kyaw 为反馈比例系数。理想横摆角速度沧图3定增益横摆角速度反馈控制框图鲁棒单向解耦横摆角速度控制是山德国宇航局的阿克曼教授提出的，在合理分解驾驶员 操作任务的基础上，対横摆角速度和侧向加速度单向解耦，进而对横摆角速度进行控制。所 谓单向解耦,指的是控制器在对车辆的横摆角速度进行反馈控制时对车辆前桥解耦点的侧向 加速度没有影响，而在驾驶员进行侧向

10、运动控制时，可以通过侧向加速度间接影响横摆角速 度，保证车辆能顺利过弯，这是该算法的最大特点。山于该算法本身对车辆不确定参数(如: 车辆质量分布、车速、轮胎与地血间的附着系数)具有-定的鲁棒性，故而称为鲁棒单向解 耦控制。鲁棒单向解耦控制也存在横摆角速度阻尼随车速的增加而下降的问题，可采川预设 横摆角速度阻尼的控制方法加以解决。该方法是在单向解耦控制和横摆角速度阻尼z间进行 折衷，实现既能在不同车速下保持较好的横摆角速度阻尼特性，又能维持车辆控制对名义模 型的横摆角速度单向解耦。图4所示为鲁棒单向解耦横摆角速度控制框图。图中在实际控 制时采用的是一个衰退的积分，从而使横摆角速度的控制只在扰动发

11、半1s内产牛作用，帮 助驾驶员稳定车辆，1s以后，车辆将完全在驾驶员的控制之下。参考横摆角速度值山式(1) 算出，是一个速度有关的稳态值。方阿盘转角&+ +附加转角&f叫 mlddra车辆r图4鲁棒单向解稱横摆角速度控制示意图f(e一 1 +0. is(1)近年来，随着控制技术的发展，一种以往多用于电机控制的扰动观察器控制方法被移植 到了车辆横摆角速度控制中。该控制方法的基木原理如图5所示，利用扰动观察器理论建 立的反馈补偿器，通过反馈补偿器根据车俩包含扰动的实际横摆角速度牛成一个补偿转角, 叠加到年辆的输入转角上，从而实现对车辆横摆角速度的控制。反馈补偿器的表达式如卜:斫由小

12、"询方向盘i5曲轮转角i a - r町j z干扰信号d&-横摆角速度yft*wsb w控制器图5基于扰动规察器的横摆角速度控制框图从表达式中可以看出，所谓的扰动观察器其实质是利用车辆的反向动力学传递模型，通 过车辆的实际横摆角速度來计算车辆的名义前轮转角，进而通过与实际前轮转角求差來得到 抵消横摆扰动的转角來进行控制。由于控制过程中横摆角速度信号会遇到噪声信号，故一般 扰动观察器都带冇一个低通滤波环节。低通滤波环节同时还冇改变反向动力学模型分了分母 阶次的作用，使其在控制上可以实现。基于扰动观察器的横摆角速度控制貝有结构简单，含 义清晰，対外界扰动和系统参数变化具有较强的鲁棒

13、性特点。理论和实验证明扰动观察器的 控制结构更适合进行横摆稳定性控制，成为未来横摆角速度控制发展的一个方向。22d*控制d対空制(或称为横摆角速度和侧向加速度的综合控制)源于四轮转向控制中対后轮转向 的控制策略，是一种对车辆的横摆角速度和侧向加速度进行综合控制的方法。在该控制屮， 控制的反馈最不再只有横摆角速度，而是横摆角速度与侧向加速度的线性组合，如式(3)所 不。式中：cy为侧向加速度，v丫为车速与横摆角速度的乘积，两者量纲-致，从这里可 以看出，d*控制是一种侧重于侧向运动控制的控制方法。d*控制框图如图6所示，其屮d*由理想车辆模型推出的与车速有关的比例系数与驾驶 员输入的转角求得。c

14、ff(s)为前馈控制传递函数，主耍实现的是随午速改善示辆响应增益, cfs(s)为反馈控制环节，用来生成附加转角。图6 d控制算法原理框图与横摆角速度反馈控制相比，d*控制可以进一步提高车辆的转向响应速度，在抑制扰 动的同时，提高车辆轨迹跟踪的能力，在侧向运动要求比较高的工况下(如：低附着系数路 面双移线，侧向阵风直线行驶)效果较好。2. 3侧倾稳定性控制在车辆行驶过程屮，高速过弯、紧急避让和侧向阵风的干扰都存可能肓接导致车辆侧翻, 另外，重心偏高的车辆也特别容易发生侧翻。还有，当驾驶员对车辆的侧向稳定性做出错谋 估计时，也会导致车辆侧翻的发生。侧向加速度是影响车辆侧向稳定性的主要因素，通过主

15、 动转向可存效地影响车辆的侧向加速度从而控制车辆的侧倾。般来说，车辆的防侧翻控制 采用一个指示车辆侧倾状态的阙值，当检测到的侧倾状态超过阙值，则触发防侧翻控制。阙 值可以是重心处的侧向加速度、车辆侧翻系数或者载荷转移系数等。图7所示为基于主动转向和制动集成控制的控制系统图。图中只为侧翻系数，是由车 辆的轮宽和簧载质量重心处的侧向加速度來求得。当，丨r丨<1时，意味着车辆侧向稳定, 而当r二±1时，则意味着车辆左侧或右侧的车轮将抬离地面。该控制冇两种模式，当iri <0. 9时，车辆正常行驶，控制系统处于连续操纵转向控制模式，附加转角根据対侧倾阻 尼的优化策略产牛.，可以有

16、效减小转向产牛的侧倾，抑制处于车辆侧倾共振频带内的外界扰 动。当，ir40. 9时，车辆处于侧倾危险状态，控制系统进入紧急转向控制模式，此时 附加转角6r=kr( i r i -0.9),可以有效增大车辆转弯半径，同时系统进行一定的紧急制 动操作，进一步降低车速，从而避免车辆发生侧翻。-0.9人/0.9 “紧急转向控制r车辆动力学棋巾紧:&制动系统匕兰执行器图7主动转向防侧翻控制系统在主动转向防侧翻的控制中，由丁附加转角的存在，会影响车辆按照驾驶员意图行驶的 能力，因此控制策略中应由一个关丁汽车行驶吋车道保持能力的控制方法，如釆用主动制动 的方法。由丁千辆侧翻的危害性比较大，因此这类控

17、制一般都遵循了侧翻控制优先丁年道跟 随的原则。2. 4可变转向传动比的控制操纵稳定性实际上是一个人车路闭环系统的特性，操纵稳定性的好坏最终决定于驾驶员 感受，因而在主动前轮转向的控制屮，如何提高驾驶员操纵的安全性和舒适性也成为提高系 统操纵稳定性的一个重要因素。在传统汽车上，从方向盘到车轮的传动比是一个定值。在低 速时，车辆如在泊车停靠等工况下，或者由于障碍物而突然变道时，需要驾驶员大幅、快速 操纵方向盘，增加了驾驶员的身体负担。相反，在高速吋，由于年辆转向响应增益加大，较 小的方向盘转角就会产生较大的侧向加速度，增加了驾驶员的精神负担。可变转向传动比可 有效地解决上述问题。一般来说，变转向传

18、动比控制中转向传动比的变化主耍取决丁两方面 的因素：车速利方向盘转角。随着车速的升高，转向传动比增加，随着方向盘转角的增大, 转向传动比减小，如图8所示。这样，可以使得驾驶员在低速时转向轻便而高速时操纵稳 定。在目前的主动前轮转向控制屮，许多控制算法都把可变转向传动比控制作为一个前馈环 节，同反馈环节一起改善车辆的操纵稳定性。在机械式主动转向系统中，可变传动比是通过 转角證加的方式实现的，其输入、输出关系如下：式中：wsw为方向盘输入转角，wring为主动齿轮输入转角，cd、a2为两者叠加的比 例系数。l5lo50100150200车速（km）8转向传动比随车速变化的曲线3主动前轮转向动力学控制展望由于年辆横摆角速度和侧向加速度通过轮胎的侧向力耦合,利用主动转向通过侧向力来 改善年辆的操纵稳定性必然面临无法解决的矛盾，即侧向加速度与横摆角速度无法同时达到 比较理想的优化状态。如何理解这一才厉的性质以及如何实现车辆侧向运动和横摆运动的综 合改善从而进一步提高车辆的操纵稳定性，将是需要我们深人思考和研究的问题。由于轮胎本