（车辆工程专业论文）主动前轮转向系统的控制研究.pdf

上海交通人学博士学位论文摘要 主动前轮转向系统的控制研究 摘要 转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置，其性能直接影响到汽车的操 纵性能和稳定性能。主动前轮转向( a f s a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ) 通过电机根据车速和行 驶工况改变转向传动比。低、中速时，转向传动比较小，转向直接，以减少转向盘 的转动圈数，提高转向的灵敏性和操纵性；高速时，转向传动比较大，提高车辆的 稳定性和安全性。同时，系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈 信息。因此，主动前轮转向为车辆行驶的灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准， 代表着转向技术的发展趋势。 现有主动前轮转向系统大多在液压转向系统结构的基础上，采用行星齿轮机构， 实现主动转向。系统中，通过调节液压油的输入输出实现对转向盘手力的调节，但 必须对液压油进行冷却，因而系统复杂且不可避免存在着液压转向系统的弊端。 本文在电动助力转向机构的基础上，设计了新型的主动前轮转向系统结构，通 过一套行星齿轮机构与助转角电机实现主动前轮转向。助转角电机( a f s 执行器) 用来 实现可变传动比( v s r v a r i a b l es t e e r i n gr a t i o ) 以及对车辆稳定性的控制；原助力转向系 统中的助力电机( e p s 执行器) ，根据转向盘转矩和当前车辆行驶情况，对驾驶员转向 手力进行调整。因而，该转向系统通过助力电机和助转角电机，分别对转向力矩和 前轮转角进行调节，实现主动转向。利用助力电机对转向手力调节避免了现有主动 前轮转向系统中液压助力的缺点。 控制系统是主动前轮转向系统的核心，控制策略的优劣直接影响主动前轮转向 系统的性能。为对该主动前轮转向系统进行控制研究，文中在系统结构分析的基础 上，建立主动前轮转向系统模型和车辆操纵动力学模型，从转向性能和整车操纵稳 定性要求出发，设计主动前轮转向控制系统，制定相应的控制逻辑和控制策略。研 究中，将系统解耦为e p s 执行器和a f s 执行器，分别进行控制研究。e p s 执行器实 现转向盘转向力矩的控制；a f s 执行器实现可变传动比控制和车辆稳定性控制。车 辆稳定性控制过程中，采用横摆角速度和估计的质心侧偏角共同对车辆进行控制， 利用质心侧偏角的控制补偿单一横摆角速度控制所引起的行驶跟踪误差。 第l 页 上海交通大学博士学位论文 摘要 实际行驶过程中，车辆会受到系统内部和外界的干扰，车辆参数产生波动；同 时系统中还存在非线性摩擦、传感器噪声以及负载扰动等不确定因素的干扰。为较 好地实现对目标车辆运动状态轨迹的跟踪控制，文中将鲁棒控制理论引入主动前轮 转向的控制。根据控制系统的不同特点，对e p s 执行器进行抵抗传感器噪声和外部 干扰输入的标准h 。鲁棒控制器设计；对a f s 执行器针对车辆行驶过程中侧偏刚度的 摄动和外界侧向风干扰，进行混合l q r i - l 的鲁棒最优控制器设计，以提高主动前轮 转向控制系统的稳定性能、鲁棒性能和抗干扰性能。 本文最后，根据所设计的控制策略，开发主动前轮转向系统的控制软硬件，并 进行控制器硬件在环台架试验。硬件在环台架试验中，通过非线性车辆动力学模型 和转向系统实物，构建主动前轮转向系统的仿真试验平台，对所设计的主动前轮转 向控制器进行控制性能验证。试验结果表明：本文设计的主动前轮转向系统具有较 好的转向轻便性能、回正性能，同时能够有效地提高车辆的稳定性。 关键词：主动前轮转向，车辆动力学，鲁棒控制，硬件在环 第u 页 上海交通大学博卜学位论文a b s t r a c t 一_；i ；i 曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼皇 i n v e s t i g a t i o nt oc o n t r o lo fa na c t i v ef r o n t s t e e i u n gs y s t e m a b s t r a c t s t e e r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tf o rl a n ec h a n g i n gc o n t r o lo fw h e e l e d v e h i c l e s i t sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e sv e h i c l es t e e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yd i r e c t l y a c t i v ef r o n t s t e e r i n g ( a f s ) v a r i e st h es t e e r i n gr a t i oe l e c t r o n i c a l l yi nd i r e c tr e l a t i o nt ot h es p e e da n d r o a dc o n d i t i o n s u n d e rn o r m a lr o a dc o n d i t i o n sa tl o wa n dm e d i u ms p e e d s ，t h es t e e r i n g b e c o m e sm o r ed i r e c t ，r e q u i r i n gl e s ss t e e r i n ge f f o r to f t h ed r i v e r i n c r e a s i n gt h ec a l sa g i l i t y a n dd r i v a b i l i t y a th i ：g h s p e e d ，t h es t e e r i n gb e c o m e sl e s sd i r e c to f f e r i n gi m p r o v e d d i r e c t i o n a ls t a b i l i t y i na d d i t i o n ，r o a di n f o r m a t i o nc a nb ef e db yt h em e c h a n i c a ll i n k m a i n t a i n e db e t w e e nt h ef r o n tw h e e l sa n dt h es t e e r i n gw h e e l a sar e s u l t ，t h ea f s s y s t e m p r o v i d e st h ev e h i c l ew i t han e ws t a n d a r do fd r i v i n ga g i l i t y , a m e n i t ya n ds a f e t y i ti st h e t r e n di nd e v e l o p m e n to ft h es t e e r i n gs y s t e m m o s to ft h ee x i s t i n ga f ss y s t e m sa r ed e v e l o p e di na s s o c i a t i o nw i t hh y d r a u l i cp o w e r u n i t sa n dap l a n e t a r yg e a rs e t t h e r e f o r e ，s o m ed i s a d v a n t a g e sa p p e a ri n e v i t a b l yd u et ot h e s e r v os y s t e mi nt h eh y d r a u l i cp o w e r s t e e r i n ga n di t sc o o l i n g t h ea f ss y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nac o m m e r c i a le l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e m a c t i v es t e e r i n gi sr e a l i z e dw i t hap l a n e t a r yg e a rs e ta n da na n g l ea s s i s tm o t o r t h e a n g l ea s s i s tm o t o r ( a f sa c t u a t o r ) i su s e dt oi m p o s ev a r i a b l es t e e r i n gr a t i o ( v s r ) c o n t r o l a n dt oi m p r o v ev e h i c l es t a b i l i t y t h eo r i g i n a lt o r q u ea s s i s tm o t o r ( e p sa c t u a t o r ) i sa p p l i e d t om o d i f yt h ed r i v e rs t e e r i n gt o r q u ea c c o r d i n gt ot h e s p e e da n dd r i v i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，t h ea f ss y s t e mc a r lr e g u l a t et h es t e e r i n gt o r q u ea n ds t e e r i n ga n g l eb yt h ee p s a c t u a t o ra n da f sa c t u a t o r , r e s p e c t i v e l y t h em o t o ru s e dt or e g u l a t et h es t e e r i n gt o r q u ec a n a v o i dt h ed i s a d v a n t a g e so f u s i n gh y d r a u l i cs y s t e mi nt h ee x i s t i n ga f ss y s t e m a sac o r ep a r ti nt h ea f ss y s t e m ，t h ec o n t r o l l e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ea f s p e r f o r m a n c e f o ri n v e s t i g a t i o nt ot h ea f sc o n t r o l ，as i m p l i f i e dm o d e la n dt h ev e h i c l e 第1 l i 页 m o d e la r ed e v e l o p e d t h e n ，t h ec o n t r o ll o g i ca n dt h es t r a t e g yo ft h ea f ss y s t e ma r e d e s i g n e db a s e do ns t e e r i n gp e r f o r m a n c ea n dv e h i c l es t a b i l i t y i nt r e a t m e n to ft h ea f s s y s t e m ，t h ec o n t r o l so fe p sa c t u a t o ra n da f sa c t u a t o ra r ed e c o u p l e d t h ee p s a c t u a t o ri s c o n t r o l l e dt om o d i f yt h es t e e r i n ge f f o r t ，w h i l et h ea f sa c t u a t o ri sc o n t r o l l e dt oi m p o s e v s rf o rt h ev e h i c l es t a b i l i t ye n h a n c e m e n t i nc o n t r o lo ft h ev e h i c l ed y n a m i cs t a b i l i t y , b o t ht h ey a wr a t ea n de s t i m a t e ds i d e s l i pa n g l ea r ea p p l i e d t h es i d e s l i pa n g l ec o n t r o li s u t i l i z e dt oc o m p e n s a t et h et r a c k i n ge r r o rc a u s e db ys i n g l ey a w r a t ec o n t r 0 1 d u r i n gt h ed r i v i n g ，t h ev e h i c l ei ss u b j e c t e dt oi n t e r n a la n d e x t e r n a ld i s t u r b a n c eo ft h e s y s t e m i na d d i t i o n ，u n c e r t a i n t i e sc a u s e dd u et ot h en o n l i n e a rf r i c t i o n ，s e n s o rn o i s ea n d l o a dv a r i e t i e sa l s oe x i s ti nt h es y s t e m t h et h e o r yo fr o b u s tc o n t r o li si n t r o d u c e dt ot h e a f sc o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ow o r k i n gc o n d i t i o n s ，as t a n d a r dh 。c o n t r o li sa p p l i e di nt h ee p s a c t u a t o rc o n t r o lf o rt h ep u r p o s eo fp r e v e n t i o nf r o me x t e r n a ld i s t u r b a n c ea n ds e n s o rn o i s e ， w h i l eam i x e dl q r h 。o p t i m a lc o n t r o li sa p p l i e dt ot h ev e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o lo fa f s a c t u a t o rt od e a lw i t ht h ec r o s s w i n dd i s t u r b a n c ea n dp e r t u r b a t i o no fc o m e r i n gs t i f f n e s s t h e r e f o r e ，t h es t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so ft h e a f ss y s t e mc o n t r o lt oa l lk i n d so f d i s t u r b a n c ec a nb ee n s u r e d t h ea f sc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g ya n da l s ot e s t e db y m e a n so ft h eh a r d w a r e i n t h e l o o p ( h i l ) s i m u l a t i o nm e t h o d f o rt h eh i ls i m u l a t i o n , a n o n l i n e a rv e h i c l em o d e li sp r o v i d e dt ob eas i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt l l ea f ss y s t e m e f f e c t i v e n e s so ft h ep r e s e n ta f sc o n t r o l l e ri sv e r i f i e db yt h eh i ls i m u l a t i o np r o c e d u r e b yt e s tr e s u l t s ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ep r e s e n ta f ss y s t e ma p p e a r st o b ee f f e c t i v ei n m o d i f y i n gt h es t e e r i n ge f f o r ta n di m p r o v i n gt h ev e h i c l es t a b i l i t y k e y w o r d s ：a c t i v ef r o n ts t e e r i n g ，v e h i c l ed y n a m i c s ，r o b u s tc o n t r o l ，h a r d w a r e _ i n - t h e 。l o o p 第1 v 页 上海交通大学陴上学何论文 卡要符号说明 “ 口y 彳 b b c b 蕾 b _ b ， 口。 c d d e f 孵、f 咿、f 时、f i ， 乃、瓦 易、巳、巳 f pf ， 凡 f 毋、f 帝、f 州、f 。 g d 瓯 g j g l g ； h is i m jc 主要符号说明 前轴至质心距离，m 侧向加速度，m s s 车身侧面迎风面积，m 2 后轴至质心距离，1 1 1 转向轴阻尼系数，n m s r o d e p s 执行器阻尼系数，n 1 1 1 s r a d a f s 执行器阻尼系数，n i n s t a d 转向横拉杆阻尼系数，n s m 前轮阻尼系数，n m s r a d 空气阻力系数 轮胎拖距，m 路感强度 作用在左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上的轮胎纵向力，n 前、后轴的纵向力，n 作用在左前轮、右前轮、左后轮、右后轮上的轮胎侧向力，n 前、后轴的侧向力，n 侧向风，n 左前轮、右前轮、左后轮、有后轮的负载，n e p s 执行器电机至转向轴减速比 a f s 执行器电机至转向轴减速比 转向轴至前轮传动比 前轴负载，n 期望横摆角速度增益，l s 质心高度，m 两行星轮系太阳轮之间的传动比 行星齿轮到输出轮的传动比 转向管柱转动惯最，k g m 2 第1 页 上海交通大学博士学何论文 卡要符号说明 jk j 3 j 。 k 。 k c k 越 k e k m k d k t 巧 k 。 砀、k o , ( ) k 蚋、k ，q 乞 工， l t l 。 m m ， m z p p ， ，p 屯 r s ， & l 厢 e p s 执行器转动惯量，k g m 2 a f s 执行器转动惯量，k g - m 2 前轮转动惯量，k g m 2 整车转动惯量，k g m 2 助力系数 转向管柱扭转刚度，n m s r a d e p s 执行器轴扭转刚度，n m s t a d e p s 执行器反电动势常数，n m a a f s 执行器电机轴扭转刚度，n m r a d 轮胎纵向刚度，n r a d 转向横拉杆扭转刚度，n m e p s 执行器转矩常数，v ( r a d s ) 转向轮扭转刚度，n m r a d 前后轮侧偏刚度，n r a d 前后轮侧偏刚度标准值，n t a d e p s 执行器电枢电感，h a f s 执行器电枢绕组电感，h 转向摇臂长度，m 侧向风作用点到质心距离，m 整车质量，k g 齿轮齿条质量，k g 轮胎回正力矩，n m 齿轮齿条位移，m 轮胎气压，m p a 可变传动比 小齿轮半径，m e p s 执行器电枢电阻，q a f s 执行器电枢绕组电阻，q 滑移率 转向灵敏度 a f s 执行器电磁转矩，n m 第2 页 上海交通大学博士学何论文 卡要符号说明 皇曼曼曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼蔓曼n 一_ 一 -mi 。曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼量皇曼曼皇曼曼曼曼曼皇舅 t 助力矩，n - m r 期望助力矩，n m d z 乃 一b ，w 形 口 b 9 d 厂 p 丸 皖 5 d 屯 6r 6 融 8 | 瓤 屯 疋 o f 、盯， t 酗f 转矩传感器测得转向管柱力矩，n m 转向盘力转矩，n m e p s 执行器电磁转矩，n i l l 车辆纵向和侧向行驶速度，m s 侧向风的相对速度，m s 左右轮距，m 轮胎侧偏角，t a d 车辆质心侧偏角，r a d 期望质心侧偏角，t a d 横摆角速度，r a d s 期望横摆角速度，r a d s 空气密度，k g m 3 地面附着系数 a f s 执行器磁通量幅值，w b 转向管柱的转角，t a d 转向盘转角，t a d e p s 执行器电机转子旋转角度，r a d 平均前轮转角，t a d 驾驶员提供的前轮转角，r a d 目标平均前轮转角，r a d a f s 执行器电机转子旋转角度，r a d 转向管柱上所获得的叠加转向，t a d 如和k 的变化幅值，n r a d 路面附着衰减系数，s m a f s 执行器的补偿角，t a d 第3 页 上海交通大学博上学位论文 插图索引 序号 图1 - 1 图1 - 2 图1 3 图1 - 4 图1 5 图1 - 6 图2 1 图2 2 图 图 图 图 一3 4 5 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 - 7 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 插图索引 图题 页码 可变转向传动比设计6 宝马的主动前轮转向系统7 德尔福的主动前轮转向系统8 光洋精工的主动转向系统9 新主动前轮转向控制原理1 l 全文体系结构1 3 主动前轮转向系统结构1 6 转向轴式电动助力转向系统的结构1 6 行星齿轮结构示意图1 7 直流电机等效电路图1 8 b l d c 等效电路图1 9 行星齿轮角度叠加2 l 非线性车辆模型及外部作用力2 6 速度为3 0 k n g h 时模型验证2 9 速度为6 0 k m h 时模型验证3 0 e p s 执行器助力特性曲线3 8 理想传动比概念4 l 本研究所采用的可变传动比4 2 车辆二自由度模型4 3 状态观测器4 7 带状态观测器的系统结构4 8 a o k i 等人的部分试验结果4 9 主动前轮转向系统控制示意图5 i h 。标准控制问题5 3 不确定性系统的h 。控制5 4 鲁棒性能问题5 5 第l 页 上海交通大学博j j 学竹沦文插图索引 曼量曼鼍曼曼皇量皇量皇量il i i_ _ii_i i i ! 序号 图4 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图4 - 1 4 图4 - 1 5 图4 1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 - 1 9 图4 - 2 0 图4 - 2 1 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图题页码 助力控制模式5 7 a f s 执行器控制6 2 a f s 控制单元6 2 回正控制模式7 0 阻尼控制模式u mililo o q q 7 1 主动前轮转向系统控制逻辑7 2 转向轻便性仿真7 4 外部输入干扰下转向管柱力矩响应7 5 外部输入干扰下助力误差和路感误差响应7 6 回正控制仿真7 7 阻尼控制仿真7 8 转向盘角输入的车辆稳定性控制仿真( o 9 ) 7 9 转向盘角输入的车辆稳定性控制仿真( p ：o 4 ) 8 0 侧向风作用下车辆稳定性控制仿真( = o 9 ) 8 1 侧向风作用下车辆稳定性控制仿真( p = o 4 ) 8 2 制动过程的车辆稳定性控制仿真8 3 对开路面紧急制动的车辆稳定性控制仿真8 5 硬件在环( h i l ) 仿真系统8 8 控制系统硬件设计原理图9 0 h 桥电机控制电路原理图9 l 三相永磁无刷直流电机控制系统电路原胛图9 2 三相全波换相波形图9 4 低通滤波原理图9 5 数据接收原理图9 6 数据接收时序图9 7 初始化流程图9 9 主循环控制流稃图1 0 0 数据采集子程序流程1 0 2 数据接收予程序1 0 2 转向轻便性能试验( 原地转向) 1 0 4 第2 页 上海交通大学博上学似论文插图索引 序号 图5 一1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 一1 8 图5 1 9 图 题页码 转向轻便性能试验( v = 1 2 r r g s ) 1 0 5 转向轻便性能试验( v = 3 0 n v s ) 1 0 6 转向回正性能试验1 0 7 转向盘角输入的车辆稳定性控制试验1 0 9 对开路面紧急制动的车辆稳定性控制试验1 0 9 转向盘中间区域转向评价1 1 0 第3 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：降舷哈 日期：z 矿驴8 年，护月弓9 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密匝 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名舟、镓拎 指导教师弛张建久 日期：卯孑年1 0 月弓i ) 日日期：2 - o o g ! 年p 月7 0 日 上海交通大学博上学何论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车动力转向系统的发展 转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，通过转向轮相对汽车纵向 轴线偏转一定的角度，改变或恢复汽车行驶方向。按转向能源的不同，转向系统可 分为机械转向系统和动力转向系统两大类。 机械转向系统以驾驶员的体力( 手力) 作为转向的能源，系统中所有传力件都是机 械的。传统的汽车转向系统都是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘， 通过转向器和一系列的杆件传递到转向轮而实现的【l 】。当前轴负荷增加到某一数值 后，靠人力转动转向轮就很费力。 动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机( 或电机) 的动力作为转向的能源，通过在 机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置，使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机 动性。随着汽车技术及转向系统的发展，动力转向系统主要分为液压助力转向系统、 电控液压助力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统等。 1 1 1 液压助力转向系统 液压助力转向系统( h p s h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 在传统的机械转向系统基础上 增加液压系统，发动机带动转向油泉工作，转向控制阀控制油液流动的方向和油压 大小，提供转向助力，减少驾驶员作用在转向盘上的手力，减轻驾驶员体力负担。 正常情况下，液压助力转向系统的转向能量只有小部分来自驾驶员提供的体能，而 大部分是发动机通过驱动油泵所提供的液压能。 液压助力转向系统具有省力、易操控的优点，对汽车的结构和操纵性能产生了 很大的影响，但液压助力转向系统也存在一些自身无法避免的缺吲2 】： ( 1 ) 能量消耗大，经济性差 液压助力转向系统的油泵是由发动机带动，因而转向系统不能独立于发动机工 作。车辆行驶过程中，只有少量时间内需要转向，而发动机始终带动油泵旋转，油 液不停地循环造成了发动机能量的浪费。因此液压助力转向系统经济性较差，一般 第l 页 上海交通大学博士学位论文 第一苹绪论 曼曼曼曼i ii 皇曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! 曼曼皇曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼 轿车每行驶一百公里要多消耗o 3 0 4 升的燃料。 ( 2 ) 助力特性单一 液压助力转向系统的助力特性主要由分配阀的结构决定，分配阀的结构参数确 定后，转向系统的助力特性就确定了，不能再对其进行调节，因而不能满足在不同 车速下对轻便性和灵敏性的要求。 ( 3 ) 转向回正性差 液压助力转向系统在回正过程中，不可避免地存在阀芯和阀套之间的残余角， 即转向盘回到中间位置时助力压差不能立即减少为零，形成阻碍回正的阻力矩，影 响车辆转向的回正性能。 ( 4 ) 体积大 液压助力转向系统由分配阀、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成，体积较 大，占用较大的空间，不利于汽车的总体布置。 ( 5 ) 存在液压油泄漏问题，对环境造成污染。 1 1 2 电控液压助力转向系统 电控液压助力转( 司( e c h p s e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 是在 液压助力转向系统的基础上增加电控装置构成。 与液压助力转向系统相比，系统增加了液压反应装置和液流分配阀，而加设的 电控系统则包括动力转向e c u 、电磁阀和车速传感器等。电控液压助力转向系统利 用电控单元根据车速调节作用在转向盘上的助力，通过控制转向控制阀的开启程度 改变液压助力系统辅助力的大小，从而实现辅助转向力随车速而变化的助力特性。 低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；高速行驶时助力作用减弱，驾驶员 的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证转向操纵的舒适性和灵活性，又提高了 高速行驶中转向的稳定性和安全感，使操纵轻便性和稳定性达到合适的平衡状态， 在一定程度上解决了轻便性和灵敏性的矛盾【2 】。 迄今为止，电控液压助力转向系统已经在轿车上获得普遍应用。与此同时，电 控液压系统也使得转向系统机构更复杂，价格更昂贵，而且仍然无法克服液压助力 转向系统的缺点，如效率低、耗能大，以及液压油泄漏等问题。 1 1 3 电动助力转向系统 电动助力转向( e p s e l e c t r i cp o w e rs t e e d n g ) 系统利用电机提供转向助力转矩，电 第2 页 j ：海交通大学博上j 学位论文 第一章 绪论 机提供的转向力矩由电控单元( e c u ) 实时调节与控制，通过减速机构与驾驶员施加的 转向力矩共同作用到转向管柱上。高速时电机提供的辅助力度小，使转向盘操纵沉 稳，增强汽车高速行驶时的安全性；低速时电机提供的辅助力度大，使转向盘操纵 起来轻便，从而可以较好解决汽车操纵时轻便性和灵敏性的矛盾【3 】。电动助力转向目 前己成为世界汽车技术发展的研究热点之一。 根据电动机布置位置不同，e p s 可分为：转向轴式电动助力转向系统( c e p s ： c o l u n m - e p s ) 、齿轮轴式电动助力转向系统( p - e p s ：p i n i o n e p s ) ) 及c 齿条轴式电动助力 转向系统( r e p s ：r a c k e p s ) 三种 4 1 。 e p s 利用电机取代液压系统提供转向助力，提高汽车操纵的稳定性、适宜的转 向轻便性的同时，降低了发动机功率损耗、降低油耗与污染，提高了转向系统的低 温工作性能等【5 ，6 1 。但由于目前汽车电源和电机本身的一些原因，限制了电动助力在 大型汽车上的应用。同时，由于e p s 还是机械式转向系统，传统转向系统由于转向 盘和转向车轮之间的固定连接而产生一些自身无法避免的缺陷，如转向特性受驾驶 员驾驶技术的影响严重，汽车传动比固定等。 1 1 4 线控转向系统 线控转向系统( s b w - s t e e rb yw i r e ) 取消转向盘与转向轮之间的机械连接，驾驶员 的转向操作与转向轮之间通过信号及控制器进行连接。驾驶员的转向操作仅仅是向 车辆输入驾驶指令，控制器根据驾驶员指令、当前车辆状态和路面状况确定合理的 前轮转角，实现转向系统的智能控制，提高车辆的稳定性，降低驾驶员的操纵负担。 由于取消了转向盘和转向车轮之间的机械连接，线控转向系统摆脱了传统转向 系统的各种限制，可以自由设计汽车转向系统的力传递特性和角传递特性，给汽车 转向特性的设计带来很大的自由发展空耐7 ，引。线控转向的优点主要有： ( 1 ) 取消了转向盘和转向车轮之间的机械约束和干涉，使之可以相对独立运动， 同时机构部件数量的减少，也使得系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总 间隙降低，提高系统的响应速度和准确性； ( 2 ) 通过通用的执行器来调整转向，使用转角传感器和力矩传感器信号对汽车转 向的动力性进行调整，不影响转向盘对车轮的快速调整； ( 3 ) 通过软件调整转向盘的回馈力矩和转向传动比，使转向系统根据目标和环境 进行调整，而不需要对系统进行重新设计，也更便于把转向系统与其它主动 安全设备相结合，实现对汽车的集成控制，提高车辆稳定性。 因此，线控转向系统与液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力 簏3 页 上海交通大学博士学位论文 第1 币绪论 转向系统有本质的区别。线控转向系统的特点使其可以通过监测车辆行驶状态，根 据驾驶员的驾驶意图，由控制系统及时地对车辆进行控制，主动提高车辆的路径跟 踪性能及车辆的行驶稳定性，属于主动式转向。而液压助力转向系统、电控液压助 力转向系统、电动助力转向系统由于其转向盘与前轮转向之间的机械连接是固定的， 从而转向系统的传动比固定，设计时只能根据车型的定位选择一个合适的转向传动 比。同时，当车辆发生不稳定时，只能通过驾驶员的转向操作对车辆的不稳定进行 补偿。因而从本质上将，液压助力转向系统、电控液压助力转向系统、电动助力转 向系统等传统转向系统均属于被动式转向。 1 2 主动式转向控制的必要性 主动式转向控制的特点主要是：传动比可变和通过转向干预来实现对车辆稳定 性的主动控制。与之相比，传统的被动式转向系统的主要缺点是： ( 1 ) 转向传动比固定 转向传动比通常定义为转向盘转角与前轮转角之比值。转向传动比在很大程度上 决定了转向的灵敏度、转向反馈力和路感，如果不能主动改变转向传动比，则转向 系统带来的驾驶感受也不能改变。转向传动比小，方向就灵敏、转向较重、路感强： 转向传动比大，方向平稳、转向舒适、缺乏路感。因此，一旦针对中等车速工况的 传动比设计确定，低速或停车工况下，驾驶员需要大角度地转动转向盘；高速时， 转向灵敏性增加，而稳定性和安全性则随之下降，这就构成了无法避免的矛盾。 ( 2 ) 安全性较差 车辆在行驶过程中会遇到各种各样的干扰，车辆转向响应特性随车速、侧向加速 度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的 操作补偿，增加了驾驶员的操纵负担。实际行驶过程中，驾驶员体力上的不足常常 是导致交通事故的主要原因1 9 , 1 0 。在极端情况下，驾驶员往往不能对车辆实施稳定性 控制。例如，在公路上高速行驶时突然变线以超越另一辆车然后回到车道时，或者 高速行驶中突然发现前方有障碍物需要急转弯时，很容易出现转向不足或者转向过 度，车辆将偏离自己预定的方向，可能失去控制。因此，单靠驾驶员进行调节的传 统转向系统往往增加了驾驶员的操纵负担，并存在很大的安全隐患。 ( 3 ) 车辆稳定性较差 车辆的行驶常常受到不对称制动力、轮胎与路面间附着系数的变化、侧向风等的 干扰，车辆的行驶状态往往不是驾驶员所期望的，车辆稳定性降低。而传统转向系 第4 页 上海交通大学博l 学何论文第章绪沦 统对车辆的不稳定只能通过驾驶员来调节。但在危险路面上，驾驶员，尤其是经验 不足以及疲劳的驾驶员会慌张、反应过度，从而进一步导致车辆不稳定l l 。 同时，当车辆遭遇到非预计的侧向运动时，驾驶员至少需要0 5 s 的时间对其做 出反应【1 2 1 。在这段驾驶员的反应时间内，受不到控制的车辆可能会产生危险的横摆 角速度和侧偏角，这可能是有经验的驾驶员也无法处理的。 因此，具有固定传动比的传统转向系统无法解决行驶过程中转向灵敏性、稳定 性和安全性之间的矛盾；转向系统对车辆稳定性的控制主要通过行驶过程中驾驶员 对车辆不稳定的被动补偿，这对于车辆稳定性和驾驶舒适性都是不利的，因此有必 要对车辆进行主动式转向控制。 1 3 主动前轮转向系统的概述及特点 主动前轮转i 句( a f s a c t i v e 仔o n ts t e e r i n g ) 通过行星齿轮机构增加系统的自由度， 根据驾驶员的驾驶意图，利用电机对前轮施加一个4 i 依赖驾驶员转向盘输入的附加 转角，对驾驶者的转向角度进行修正，及时对车辆进行控制，主动提高车辆的操纵 性、稳定性和轨迹保持性能，实现主动式转向。 主动前轮转向通过在驾驶员转向角输入的基础上叠加附加的转向角，实现独立 于驾驶员的转向干预，优化车辆对驾驶员输入的响应或在紧急情况下提高车辆的稳 定性。因此，主动前轮转向是介于传统的动力转向和线控转向之间的一种转向系统。 它在机械式动力转向系统的结构基础上实现转向，但又具有线控转向的优点，可以 主动对车辆进行控制，使前轮转向角度按照驾驶员的意愿进行，其性能与线控转向 系统相类似。因此，主动前轮转向系统的最大特点是可以实现可变传动比和对车辆 稳定性的主动控制。 ( 1 ) 可变传动比 可变传动比是指根据驾驶条件增加或减小前轮的转向角度，低速时电机的作用 与驾驶者转动转向盘的方向一致，转向传动比较小，提供比传统车更直接的转向传 动比，以减少转向盘的转动圈数，提高转向的灵敏性和操纵性；高速时电机的运转 方向与驾驶者转动转向盘方向相反，减少前轮的转向角度，转向传动比增大，从而 使转向传动更间接，提高车辆的稳定性和安全性【1 3 】。 可变传动比的设定使得