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

在車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性控制中，比較常見(jiàn)的是利用縱向控制產(chǎn)生橫擺力矩來(lái)提高車(chē)輛的穩(wěn)定性，稱(chēng)為直接橫擺力矩控制。直接橫擺力矩控制常常是以犧牲車(chē)輛的部分制動(dòng)性能為代價(jià)，而采用主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛穩(wěn)定性控制卻可以在不影響制動(dòng)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(dòng)時(shí)的約1/4。在諸如對(duì)開(kāi)路面制動(dòng)等工況下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向還可以有效地抵消由于不平衡制動(dòng)力所產(chǎn)生的擾動(dòng)力矩，保證車(chē)輛的穩(wěn)定行駛。由于具有上述優(yōu)勢(shì)，主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)成為當(dāng)前底盤(pán)動(dòng)力學(xué)控制發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

常見(jiàn)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS和四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(也稱(chēng)為主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向)。主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向是隨著線(xiàn)控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，并且隨著寶馬的主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配實(shí)車(chē)而進(jìn)入實(shí)用階段。由于主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)能夠很好兼容，同時(shí)對(duì)車(chē)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(lái)發(fā)展的主要方向之一。

1 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

目前可用于乘用車(chē)的主動(dòng)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(kāi)發(fā)的AFS系統(tǒng)為代表的機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過(guò)行星齒輪機(jī)械結(jié)構(gòu)增加一個(gè)輸入自由度從而實(shí)現(xiàn)附加轉(zhuǎn)向，目前已裝配于寶馬5系的轎車(chē)上，以及韓國(guó)的MANDO、美國(guó)的TRW、日本的JTEKT公司也有類(lèi)似產(chǎn)品；另一種是線(xiàn)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(shí)的車(chē)輛狀態(tài)來(lái)決定轉(zhuǎn)向電機(jī)的輸出電流，最終驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)。該系統(tǒng)在許多概念車(chē)和實(shí)驗(yàn)室研究中已廣泛采用，如通用公司的Sequel燃料電池概念車(chē)就采用了線(xiàn)控轉(zhuǎn)向技術(shù)。

　　線(xiàn)控轉(zhuǎn)向和機(jī)械式主動(dòng)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(shí)，機(jī)械式主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍能通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)與車(chē)輪間的機(jī)械連接確保其轉(zhuǎn)向性能，而線(xiàn)控轉(zhuǎn)向必須通過(guò)系統(tǒng)主要零件的冗余設(shè)計(jì)來(lái)保證車(chē)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(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接裝備車(chē)輛。

　　1．1 機(jī)械式主動(dòng)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(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變傳動(dòng)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(guò)疊加轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)變傳動(dòng)比功能；二是Sewtronic液力伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力功能。在駕駛過(guò)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(chē)速和轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行助力控制，而角輸入則通過(guò)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)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(gè)傳感器的信號(hào)，包括車(chē)輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、偏轉(zhuǎn)率、橫向加速度經(jīng)綜合計(jì)算得到的。由于寶馬主動(dòng)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(duì)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(chē)速達(dá)到最佳匹配。

1．2 線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　一般來(lái)說(shuō)，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤(pán)總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)3個(gè)主要部分以及自動(dòng)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(pán)總成包括方向盤(pán)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤(pán)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(guò)測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳遞給主控制器；同時(shí)接受主控制器送來(lái)的力矩信號(hào)，產(chǎn)生方向盤(pán)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(guò)轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)向車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

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

　　由于線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，因而自動(dòng)防故障系統(tǒng)成為線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實(shí)施算法，針對(duì)不同的故障形式和故障等級(jí)做出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車(chē)的正常行駛。

　　2 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)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(shí)完成兩個(gè)任務(wù)：(1)路徑跟隨；(2)車(chē)輛姿態(tài)的保持。路徑跟隨由于涉及到路線(xiàn)的選擇和跟隨等復(fù)雜問(wèn)題，目前還無(wú)法由控制器完全取代駕駛員。相反，因?yàn)橥饨鐢_動(dòng)對(duì)車(chē)輛姿態(tài)的影響常常很突然，車(chē)輛姿態(tài)的控制對(duì)駕駛員而言，特別是對(duì)新手來(lái)說(shuō)，就比較困難。而這樣的控制由控制器卻完全可以實(shí)現(xiàn)。由于涉及到車(chē)輛的姿態(tài)控制的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要是橫擺角速度，因而對(duì)橫擺角速度的控制也成為主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向控制最重要的方面。

　　對(duì)橫擺角速度的控制，常見(jiàn)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(dòng)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(shí)際橫擺角速度Y之差進(jìn)行反饋控制。寶馬的主動(dòng)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(chē)速較高時(shí)改善了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。但也同時(shí)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(shí)操縱困難。針對(duì)上述問(wèn)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(chē)輛橫擺角速度增益在反饋控制時(shí)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(chē)輛在等速圓周運(yùn)動(dòng)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(guó)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(duì)橫擺角速度和側(cè)向加速度單向解耦，進(jìn)而對(duì)橫擺角速度進(jìn)行控制。所謂單向解耦，指的是控制器在對(duì)車(chē)輛的橫擺角速度進(jìn)行反饋控制時(shí)對(duì)車(chē)輛前橋解耦點(diǎn)的側(cè)向加速度沒(méi)有影響，而在駕駛員進(jìn)行側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，可以通過(guò)側(cè)向加速度間接影響橫擺角速度，保證車(chē)輛能順利過(guò)彎，這是該算法的最大特點(diǎn)。由于該算法本身對(duì)車(chē)輛不確定參數(shù)(如：車(chē)輛質(zhì)量分布、車(chē)速、輪胎與地面間的附著系數(shù))具有一定的魯棒性，故而稱(chēng)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(chē)速的增加而下降的問(wèn)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(shí)現(xiàn)既能在不同車(chē)速下保持較好的橫擺角速度阻尼特性，又能維持車(chē)輛控制對(duì)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(shí)際控制時(shí)采用的是一個(gè)衰退的積分，從而使橫擺角速度的控制只在擾動(dòng)發(fā)生1 s內(nèi)產(chǎn)生作用，幫助駕駛員穩(wěn)定車(chē)輛，1 s以后，車(chē)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(gè)與速度有關(guān)的穩(wěn)態(tài)值。

近年來(lái)，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(dòng)觀察器控制方法被移植到了車(chē)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(dòng)觀察器理論建立的反饋補(bǔ)償器，通過(guò)反饋補(bǔ)償器根據(jù)車(chē)輛包含擾動(dòng)的實(shí)際橫擺角速度生成一個(gè)補(bǔ)償轉(zhuǎn)角，疊加到車(chē)輛的輸入轉(zhuǎn)角上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)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(dòng)觀察器其實(shí)質(zhì)是利用車(chē)輛的反向動(dòng)力學(xué)傳遞模型，通過(guò)車(chē)輛的實(shí)際橫擺角速度來(lái)計(jì)算車(chē)輛的名義前輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)而通過(guò)與實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角求差來(lái)得到抵消橫擺擾動(dòng)的轉(zhuǎn)角來(lái)進(jìn)行控制。由于控制過(guò)程中橫擺角速度信號(hào)會(huì)遇到噪聲信號(hào)，故一般擾動(dòng)觀察器都帶有一個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)。低通濾波環(huán)節(jié)同時(shí)還有改變反向動(dòng)力學(xué)模型分子分母階次的作用，使其在控制上可以實(shí)現(xiàn)。基于擾動(dòng)觀察器的橫擺角速度控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含義清晰，對(duì)外界擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性特點(diǎn)。理論和實(shí)驗(yàn)證明擾動(dòng)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(lái)橫擺角速度控制發(fā)展的一個(gè)方向。

　　2．2 D*控制

　　D*控制(或稱(chēng)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(duì)后輪轉(zhuǎn)向的控制策略，是一種對(duì)車(chē)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(xiàn)性組合，如式(3)所示。

　　式中：Cy為側(cè)向加速度，VY為車(chē)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(dòng)控制的控制方法。