杨晓川 王赫
长城汽车股份有限公司河北省汽车技术创新中心 河北 保定 071000
摘要：线控转向系统节能设计是汽车线控技术新的研究方向。通过对线控转向技术现状的分析，提出了线控转向节能设计思想和需要深入研究的4个关键问题，并阐述了关键技术和应用前景。从汽车转向系统安全性和节能降耗角度，指出研究线控转向系统节能设计方法的科学意义和应用价值。
关键词：路感模拟；变传动比；节能设计；控制策略
1.线控转向节能设计几个关键问题
1.1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。
1.2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。
1.2转向驱动电机动态跟踪控制及策略的节能设计问题
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-JKim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，KATSUHIROSAKAI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。
1.4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。
2.技术关键与应用前景
2.1路感预测与模拟控制策略节能设计研究
如何产生驾驶员能够感知到汽车的实际驾驶状况和道路状况，是实现解决线控转向的技术关键所在。基于节能设计的路感模拟控制策略及路感电机控制算法，在保证方向盘路感性能要求的条件下，实现路感模拟系统更低的能量消耗。
2.2转向机构及控制策略节能设计方法研究
电驱动转向系统的研究，其核心技术为控制策略的设计。线控转向系统控制策略重点研究理想可变传动比和控制策略的节能设计、驱动电机力矩动态波动的节能控制策略和算法，更好的道路感知策略和控制道路干扰和传感器噪声控制策略等方面进一步优化和提高转向系统的动态性能和稳定性。在期望横摆角速度增益和侧向加速度增益不变的情况下研究传动比的设置，通过综合控制可以解决上述问题。
2.3转向控制与转向动态稳定性研究
转向动态稳定性包括转向电机动态稳定性和汽车转向稳定性两个方面。基于结构的节能设计，研究出理想的转向器变传动比，这样在转向盘小转角时转向系统需要灵敏为主要目标，反之在转向盘大转角时以“轻”为主要目标。线控转向系统的电动机具有弹簧阻尼的效果,可以减少路面的不平整对转向盘的冲击力以及车轮不平衡引起的震动，这样的效果就减少了驾驶员的“路感”。使用模拟路感的节能控制策略以及模拟路感的电机震动控制技术，能够有效地解决电机动态稳定性这一问题。理想状态下，转向传动比随方向盘转角及车速变化而变化，采用理想转向传动比的线控转向系统，其转向传动比要比采用固定传动比的线控转向系统的要小，这样能够减少前轮转角稳定性控制下方向盘的转角输入，同时减轻驾驶员的体力负荷；当车辆进行并线、变道操作时，使用转向理想传动比的方式会使转向更好的灵敏性，其能够更加及时地感知到转向响应，有效的避免转向延误造成的换道过急，提高汽车转向的稳定性。
2.4节能设计理论和方法研究及系统能耗分析
线控转向节能设计研究当前还主要集中在节能控制理论和方法研究，节能控制策略设计，提高系统稳定性和可靠性方面。SBW系统电功率消耗大，结合SBW系统能量消耗特点，设计合理的节能策略是一个关键的技术问题。目前，这方面的研究还很少，因此，在此方面开展探索性研究对实现整车节能降耗是非常必要和必须的。
结语
汽车线控转向系统符合环保、节能和安全的汽车技术发展方向，是系统科学、控制理论与机械、力学、电子与能源等学科领域的交叉研究，是国民经济支柱产业——汽车产业中关键技术问题的基础性研究，是机械结构和系统动力学与汽车智能化线控类技术的一个分支，具有良好的应用前景。
参考文献
[1]陈煜.理想转向传动比和四轮转向的汽车电子转向系统研究,吉林大学,硕士学位论文,2004.7.
[2]林逸,于蕾艳,施国标.线控转向系统的角传动比研究[J].农业机械学报,2007,(08).
[3]于蕾艳,林逸,施国标.遗传算法优化线控转向系统角传动比的研究[J].计算机仿真,2008,(08).