汽车线控转向系统节能设计研究综述

1.2 项目研究的科学意义

要使线控转向技术真正实用化，必须对线控转向系统动力学特性和驾驶员“路感”、转向系统控制策略、电机的动态控制算法和系统节能策略等核心理论及技术进行深入研究，并对汽车稳定性能进行分析和评价。本项目的研究将为SBW系统开发提供理论依据，开发具有自主知识产权的国产实用的SBW系统，从而，有利于提高我国汽车技术水平和掌握汽车核心技术。可以肯定线控转向系统对现代汽车的性能产生了正向的影响，甚至可能带来一场汽车控制思想的革命。
该项目研究具有以下科学意义：
（1）基于节能设计的线控转向系统，有效降低系统能耗，提高汽车系统可靠性和经济性。从系统结构动力学和控制两个方面，以转向系统能量消耗最低和系统稳定性为综合目标，研究基于节能设计理论和方法设计转向装置结构参数和控制策略，实现同等驾驶工况下采用节能设计的转向系统能耗更低，提高转向系统及整车的能量使用效率。
（2）驾驶员路感的节能设计，优化驾驶员的路感，降低路感电机能耗，同时为驾驶员提供个性化的、更符合习惯的“路感”。在线控转向系统中，驾驶员“路感”是由路感电机的模拟来生成的。由输入信号之中取得最能够代表汽车实际行驶状态以及路面状况的信息，路感电机控制以这些信息作为输入变量，从而使转向盘为驾驶员提供更符合习惯的“路感”，并降低转向系路感电机的能量消耗。
（3）理想可变转向传动比的节能设计，提高转向结构传动效率和汽车的操纵稳定性。采用节能设计思想，设计高效的理想变传动比，通过前轮转向控制可以实现传动比的任意设置，依照驾驶员习惯及车速，汽车依据行驶工况由控制算法来控制传动比实时设置；同时对前轮转角参数进行补偿，让汽车转向特性保持不变，进而将传统“人-车闭环”系统中驾驶员所承担的部分工作由ECU控制器来完成，这可大大减轻驾驶员的负担，提高了车辆系统对驾驶员转向输入系统的响应及“人车闭环”系统的主动安全性。
（4）系统采用电子控制，推动汽车的智能化发展，提高汽车安全可靠性。线控系统采用电子控制来实现智能灵活的转向控制。并且具有很强的兼容性，修改软件部分参数就能够用于其它型号的车，对于新车型的开发，能够结束大量的成本和时间；采用线控转向系统的汽车内部空间宽敞，相较于传统机械部件在车辆上的安排和移动自由没有限制，减少了事故发生时对司机的伤害。

2 线控转向节能设计几个关键问题
2.1 转向驱动机构动力学及控制策略节能设计问题

在SBW系统中，电子控制装置替代原来的机械连接，这种显著的改进可将转向装置设计为变传动比，变传动比能很好地克服固定传动比的缺点，Fuhrer和Harter等人通过实时修正转向灵敏度优化汽车转向性能和操纵性能。
对SBW的研究在日本和西方国家发展很快。在判定稳态转向的情况下，基于对驾驶员行为的研究，Tajima等首先建立了关于转向性能的控制逻辑，然而没有考虑瞬态运动控制。Segawa等人研究了SBW汽车稳定性控制问题。近年来，Chai等对SBW汽车控制策略的研究转向方向盘力矩的设计。 与日本的研究者相比，西方国家倾向于实际SBW样机的开发，很少注意转向控制策略的研究。对SBW系统转向传动比的设计要么根据Tajima的原理要么根据经验设计成汽车速度的函数，Kaufmann等根据Tajima等人的理论，提出了一系列SBW汽车的操纵动力学控制逻辑，包括稳态转向操纵和瞬态操纵转向响应特性。
基于理想传动比的控制算法能有效地提高SBW汽车的稳态转向性能。为改善瞬态操纵性能，降低驾驶员工作负荷、提高路径保持能力、提高转向响应特性，提出了汽车偏航速控制和汽车集成控制两种控制策略，并通过试验模拟器进行了验证。在通过弯道时，Takimoto等认为精确的前馈转向控制更容易实现，可以弱化反馈调节。在转向位置控制性能和危险避让操纵性方面，除了减轻驾驶员工作负荷和提高汽车操纵性能外，这种稳态响应特性也能提高汽车的驾驶性能（例如避免转向性能突变）。目前，在线控转向机构设计及控制策略采用节能设计思路和方法研究的还非常少，处于初期阶段。

2.2 线控转向理想可变传动比及控制策略的节能设计问题

线控转向系统取消了转向盘和转向轮的机械连接，可以根据需要设计角传动比——可变传动比，可以根据车辆的车速变化而变化，实现理想的转向特性。这样的汽车具有较好的操纵性能，能够减轻驾驶员驾驶时的精神负担和体力负荷。因此，林逸等围绕横摆角速度增益为定值，对线控转向系统理想的可变传动比进行了研究，提出了线控转向理想转向传动比控制规律设计的不同方案，并设计了转向盘力反馈控制策略、横摆角速度反馈控制律、遗传算法优化转向增益的线控转向控制策略、系统的全状态反馈控制策略和等分数阶鲁棒控制策略等，分析了线控转向变传动比控制对车辆操纵稳定性的影响。欧阳海等提出了前馈补偿控制算法和横摆角速度反馈控制算法两种线控转向车辆前轮转角控制算法，并证明了前馈补偿控制算法和横摆角速度反馈控制算法能够提高车辆响应速度。目前在该系统中对可变传动比设计及控制的研究比较多，但基于节能设计的研究还未见报道。

2.3 转向驱动电机动态跟踪控制及策略的节能设计问题

刘玉清等人研究表明，电流PID闭环控制能够实现对目标电流的准确跟踪控制，也就实现了对转向电机为车辆转向提供的转向力矩的跟踪控制。C-J Kim等人提出道路信息反馈策略来控制电机，提高驾驾驶员的转向路感和电机的稳定性，这种转向盘系统的控制策略使用了电机的扭矩MAP和驾驶员和道路的传输信息。在过度转向条件下，KATSUHIRO SAKAI等人提出了基于驱动力特性图的SBW驱动电机的主动转向扭矩控制策略，实现SBW装置的变传动比特性，提高光滑路面从汽车急转到恢复稳定的能力。近年来，研究者已从汽车主动安全方面关注汽车转向系传动比的主动控制和转向力矩的主动控制。例如，在紧急情况下（道路附着系数变化、对开路面或侧向风干扰等），变传动比控制可减小过转向的速比，转向例句控制可根据汽车偏航率或驱动力图有效改善汽车的稳定性。另外，它也能很好地改善驾驶员的转向响应时间，可以将紧急情况下驾驶员的反应准备时间由通常的0.2秒提高到0.6秒，这种控制能补偿驾驶员的反应时间，同时提高汽车主动安全性。采用节能设计的驱动电机动态跟踪控制可以获得更好的动态的响应和更低的能量消耗。

2.4 线控转向车辆动力学及控制问题

由于汽车轮胎的侧向力具有饱和特性，转弯工况汽车的操纵性能和稳定性将会受到损害。与传统控制相比线控技术在底盘集成控制上具有不可比拟的优势，特别是在极限工况下，利用线控技术实现转向及制动，对于提高汽车的操纵性和驾驶舒适性具有较大的优势。
英国LEEDS大学的Selby等提出采用DYC和AFS综合控制方法，其方法是根据所建立的车辆动力学模型，然后设计出DYC和AFS的控制策略。根据侧向加速度的不同，来判断DYC和AFS哪个系统起主要功能，研究表明集成控制比单独控制更具有优势，其缺点是附着条件变化及驾驶员制动的作用没有考虑进来。对于此影响，美国加利福尼亚大学的Zeyada等通过对AFS与DBC的分别实验，找到了2种方法的优缺点，对于极限工况的各种情况，提出了一种模糊控制算法，该算法基于控制横摆角速度来实现，AFS和DBC的集成有显著效果。上述研究中，虽然考虑了路面附着系数的影响，但驾驶员制动的影响没有被考虑，日本东京农业技术大学的Mothoki Shino等也提出AFS和DYC的系统控制方法，其核心是最优控制理论，对汽车前轮转角和四轮制动力进行控制，依据模型匹配控制，对于轮胎的非线性特性与汽车的整车匹配给出了良好解决的解决方法，使汽车的主动安全性和操纵稳定性在极限工况下大大提高，遗憾的是，该方案同样没考虑路面附着条件变化及驾驶员制动的影响。
Taehyun等人考虑汽车横摆力矩和侧倾干扰力矩，研究车辆在极限运动的工况下，依靠两前轮的线控转向要比调节单个车轮的制动和驱动更加具有稳定性，即线控转向与线控制动的集成控制的效率更高。