转向路感控制系统在汽车上的应用

李晓莲，高李明，孙文政，吴旭静

（南京依维柯汽车有限公司产品工程部，江苏 南京 211806）

1 前言

路感是指车辆在转向过程中，转向系统把车辆运动状态和路面状态信息反馈给驾驶员的一种现象。汽车转向时，轮胎产生的回正力矩通过转向系统传递给驾驶员，同时传递给驾驶员的还包括路面不平度、路面附着状况、转向程度和轮胎载荷及气压等信息。驾驶员通过获得的信息，进而对驾驶操作进行修正，保证汽车安全高效运行。现有汽车转向系统为了减轻驾驶员负担，采用了动力转向，即通过附加动力源进行转向助力。但是，助力力矩与转向路感相互矛盾，在路面回正力矩保持一定时，助力力矩越大则驾驶员得到的转向路感越差。

新兴的电液主动转向系统可以对力与转角进行分别控制，实时调整转向传动比大小，获得良好的转向性能。电液主动转向系统采用液压模块调整附加前轮转角时，不可避免对系统力传递特性产生影响，使驾驶员得到的路感偏离实际道路状况，不利于驾驶员对车况与路况的掌握，影响行车安全。

合理的转向系统设计以及路感控制策略，对驾驶安全性显得尤为重要。本文针对电液主动转向系统，提出一种路感控制策略，充分发挥其变传动比的优势，使驾驶员得到更好的路感，对于实际产品开发具有很大的意义。

2 电液主动转向路感系统简介

电液主动转向路感控制系统，可以在执行主动转向时，根据路面实际情况施加合适的助力力矩，给驾驶员反馈真实准确的路面信息；并通过提供一种路感控制方法，增强系统抗干扰能力，提高系统鲁棒性。系统由机械传动模块、电动助力模块、液压模块、传感器模块及控制模块5大模块组成，详见图1。

1）机械传动模块包括依次连接的方向盘、转向管柱、循环球转向器、转向摇臂、转向直拉杆、转向梯形及车轮。转向直拉杆包括液压缸、活塞、直拉杆；液压缸的外壳通过转向摇臂与循环球转向器输出端固定连接，外壳上开设有进油口和出油口；活塞装配在上述液压缸内，活塞两端固定安装直拉杆，直拉杆后端连接转向梯形及车轮。

2）电动助力模块包括助力电机、联结套机构。助力电机采用弧形直线电机，弧形直线电机初级与控制模块电气连接，次级并列设置在所述机械传动模块的转向管柱上，转向管柱分为上下两段，分别通过联结套机构与弧形直线电机次级的上下两端连接。

3）液压模块包括储油罐、驱动电机、液压泵、比例换向阀。液压泵驱动电机连接液压泵，储油罐中的低压油经液压泵作用后转换为高压油并流向比例换向阀；比例换向阀分配高压油方向和流量大小，通过油管和上述液压缸相通，改变活塞两侧的压力大小，驱动活塞相对液压缸运动。

4）传感器模块包括转角传感器、转矩传感器、车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器。转角传感器安装在转向盘上并与所述控制模块电气连接，提供驾驶员输入的转角信号；转矩传感器安装在转向管柱上并与所述控制模块电气连接，提供转向管柱实际转矩信号；车速传感器、轮速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器安装在整车上，分别与控制模块电气连接并提供车速、轮速、横摆角速度、侧向加速度信号。

5）控制模块包括变传动模块、整车状态估计模块、回正力矩估计模块、变传动模块、附加位移控制模块、转矩-位移修正模块、助力增益模块、助力增益修正模块。

图1 系统结构框图

3 电液主动转向路感系统控制原理

电液主动转向路感系统的控制原理框图见图2。

系统通过各控制模块获取车辆状态信息，并根据获取的相关信息计算回正力矩、理想助力增益值及理想传动比，判断是否执行主动转向干预操作：①状态估计模块31接收侧向加速度信号25和轮速信号35，根据车辆载荷和轮胎参数，采用卡尔曼滤波方法估计出车轮所受的纵向力和侧向力，并计算出侧向力影响系数36，回正力矩估计模块33根据侧向力影响系数计算回正力矩37；②助力增益模块29接收车速信号23和转矩信号22，结合回正力矩37，计算出理想助力增益38。计算理想助力增益的方法为：

式中：Ta——理想转矩；Td——驾驶员输入转矩；T0——开始提供助力时转矩；ka——理想助力增益；Tmax——最大助力输入转矩；Tf——最大转矩；kb——助力特性曲线斜率。

变传动模块34接收车速信号23、横摆角速度24和转角信号21，计算理想传动比39，并根据主动转向控制策略，判断是否执行主动转向干预操作。

3.1 不执行主动转向干预操作时的路感控制

设Tr为回正力矩，Tf为摩擦力矩，Ta为助力力矩，Tp为驾驶员感受到的力矩，则Tr=Tf+Ta+Tp，由于摩擦力矩难以控制，以固定值处理，助力增益计算模块根据输入的车速和转矩信号，计算出驾驶员感受到的理想力矩。

助力增益计算模块结合回正力矩估计模块输入的回正力矩，计算出所需要的助力力矩大小，根据反馈的弧形直线电机实际电流信号，采用基于BP神经网络整定的PID控制算法，动态调整理想助力增益；电流增大时，弧形直线电机输出的转矩增大，经过转向管柱作用，驾驶员感受到的力矩减小，电流减小时则相反。

基于BP神经网络整定的PID控制算法，具体步骤如下。

1）确定BP神经网络初始结构参数，包括：隐藏层数目m，隐藏节点数，惯性系数λ，学习率α，输入节点数目n，输出节点数目q，初始化各层加权系数wii=1，2，3，设定采样序数k=1。

2）进行采样分别得到给定助力增益R（t）和实际助力增益Q（t），计算当前时刻偏差为E（t）=R（t）-Q（t）和BP神经网络各层神经元的输入输出，输出的参数即为PID控制的比例、积分和微分参数。

3）BP神经网络进行在线学习整定，对各层加权系数wii=1，2，3进行自适应调节；令k=k+1，重复上述步骤。

3.2 执行主动转向干预操作时的路感控制

1）附加位移控制模块32发出驱动电机控制信号和比例换向阀控制信号，控制驱动电机驱动液压泵产生高压油，经过比例换向阀流量分配进入液压缸，改变活塞两侧压差大小，使与活塞连接的直拉杆相对液压缸输出附加位移40，并通过转向梯形机构将附加位移转化为附加前轮转角，完成主动转向干预。

2）转矩-位移修正模块30接收经过附加位移控制模块作用后输出的附加位移40，采用Hinf鲁棒控制方法对助力增益进行修正，输出电流修正信号41。

3）助力增益修正模块44分别接收电流修正信号41和理想助力增益38，并对两者进行线性叠加，输出弧形直线电机控制信号26。弧形直线电机初级在修正后的控制信号26的作用下，输出转向助力转矩42，经弧形直线电机次级和转向管柱，作用于循环球转向器并向车轮传递。

本文提出的路感控制方法，增强系统抗干扰能力，保证行驶稳定性，同时获得较好的转向路感，且系统鲁棒性较好。

图2 电液主动转向路感系统的控制原理框图

4 结束语

本文介绍的电液主动转向路感控制系统，可根据汽车不同行驶工况，改变转向系统传动比大小，在执行主动转向的同时，克服变传动比模块造成的力矩传递特性变化对转向路感的影响，根据路面实际情况施加合适的助力力矩，给驾驶员反馈真实准确的路面信息。

系统采用弧形直线电机助力，直接驱动转向管柱提供转向助力，减少了采用普通电机需要搭配减速机构产生的摩擦损耗，结构简单，易于控制且启动稳定性较好。

系统采用在循环球转向器前的转向管柱进行助力的方式，弧形直线电机输出的助力转矩经过循环球转向器向车轮传递，传动比较大，所需提供的助力转矩较小，电机体积和质量可以减小，方便在驾驶室布置。