【正文】 錯(cuò)誤指令時(shí)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將會(huì)把駕駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向意圖進(jìn)行屏蔽，通過自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控 制，使汽車盡快地恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。近十幾年來，主動(dòng)轉(zhuǎn)向開始應(yīng)用于普通的車輛上。在整個(gè)泊車過程中，駕駛員只需制動(dòng)車輛 ，而不需要對(duì)車輛前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù) （ 1）可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比 可變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是指車輛在行駛過程中，通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比隨車速變化，從而改善車輛操縱性能的控制技術(shù) [18]。例如在車輛受到側(cè)向陣風(fēng)作用時(shí)，由于側(cè)向風(fēng)導(dǎo)致車輛受到側(cè)向力，而此側(cè)向力是通過輪胎變形提供側(cè)向力與之平衡，那么即使在前輪轉(zhuǎn)角未改變時(shí)，車輛的航跡角也會(huì)發(fā)生改變。而且輔助系統(tǒng)可以降低駕駛員疲勞，補(bǔ)償駕駛員的人為誤差和駕駛員的反應(yīng)時(shí)間。在該工況下，由于左右輪上下不等的制動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生繞車輛質(zhì)心的橫擺力矩，使得車輛發(fā)生制動(dòng)跑偏現(xiàn)象。 汽車主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)支持技術(shù) 車輛動(dòng)力學(xué) 汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究人 車系統(tǒng)中，人和車輛作用的相互匹配問題?？v向動(dòng)力學(xué)研究車輛直線運(yùn)動(dòng)及其控制問題，主要是車輛沿前進(jìn)方向的受力與其運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)仿真時(shí)，車輛模型應(yīng)該選用模型階次較高的模型。 控制理論在車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用 為實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，性能優(yōu)良的控制器是車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向必不可少的部分，所以控制理論在車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的應(yīng)用十分重要。寶馬穩(wěn)定性控制采用了模型跟蹤的控制策略。最具代表性的是最優(yōu)控制，就是在一定的具體條件下，在完成所要求的具體控制任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)的 某些性能指標(biāo)最佳。 ?H 控制，一般首先采用反饋線性化方法將非線性被控對(duì)象線性化，比如通過非線性 狀態(tài)前饋將非線性部分抵消，得到一個(gè)線性的簡化模型 (通常是時(shí)域內(nèi)的 )，然后按線性 ?H 控制設(shè)計(jì)方法 (一般先化為標(biāo)準(zhǔn) H? 控制問題 )設(shè)計(jì)反饋控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)不確定界內(nèi)的任意攝動(dòng)具有魯棒穩(wěn)定性。很顯然系統(tǒng)是多輸入系統(tǒng)，利用控制理論協(xié)調(diào)各種控制輸入關(guān)系，實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比控制、輪胎回正控制、主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制是車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向應(yīng)用的前提條件。液壓助力裝置部分由液壓助力器、儲(chǔ)油箱、轉(zhuǎn)向油泵及管路等組成。而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成，它的作用是將駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的操縱力傳給轉(zhuǎn)向器，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只有固定的傳動(dòng)比，存在著一定的弊病。因而這也是工程師們面臨的一個(gè)比較困難的選擇：如果采用直接轉(zhuǎn)向，駕駛者在過急彎時(shí)就不需要大幅轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，但是在高速行駛時(shí)，方向盤細(xì)微的動(dòng)作都將會(huì)影響到行駛穩(wěn)定性；反過來說，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)越是間接，車輛在高速公路上的行駛穩(wěn)定性就越高，但是必須犧牲過彎時(shí)的操控性。如直接橫擺力矩控制（ DYC）和電子穩(wěn)定性控制（ ESP）， DYC 通過采用額外的橫擺力矩來產(chǎn)生，來抵消該力矩； ESP 則通過減少制動(dòng)力達(dá)到力矩的平衡，來提高車輛的穩(wěn)定性，即在穩(wěn)定性和制動(dòng)距離之間折中，為提高汽車的穩(wěn)定性而增加汽車的有效制動(dòng)距離。讓駕駛者在低速轉(zhuǎn)向時(shí)感覺輕松，而在高速轉(zhuǎn)向時(shí)感覺更加安全。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)不必?fù)Q手，停車狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈即可將方向盤從一側(cè)限 位位置轉(zhuǎn)到另一側(cè)限位位置。偏轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)(DSC 支持 )；主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輔助 DSC 使車輛穩(wěn)定下來。只有通過該 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已無法保證車輛穩(wěn)定時(shí)， DSC 才開始工作。通過對(duì)主動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)的研究，來探索到最佳的輔助轉(zhuǎn)向角控制，使汽車在高速行駛的過程中轉(zhuǎn)向自如，低速行駛時(shí)輕便快捷，不僅僅讓駕駛員享受到了操控的輕松自如，更重要的是在你高速狀況遇到緊急事件的時(shí)候可以輕松應(yīng)付，增強(qiáng)了駕駛過程的安全性。 總轉(zhuǎn)向角傳感器用于采集轉(zhuǎn)向齒輪的旋轉(zhuǎn)角信號(hào)，由此獲得車輛的車輪轉(zhuǎn)向角（或轉(zhuǎn)向角）。 如 圖 35 所示，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后給油泵提供動(dòng)力，通過壓力控制閥控制轉(zhuǎn)向器油缸中的壓力，同時(shí)通過節(jié)流閥控制流向轉(zhuǎn)向器油缸液壓油的流量，減小由于壓力波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。 圖 36 為行星齒輪主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理圖， 圖 37 行星齒輪主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)外觀圖。左側(cè)的主動(dòng)太陽輪與轉(zhuǎn)向盤 相連，將轉(zhuǎn)向盤上輸入的轉(zhuǎn)向角經(jīng)由行星架傳遞給右側(cè)的行星齒輪副。這樣與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向相同，方向柱實(shí)現(xiàn)固定傳動(dòng)比。其關(guān)系如下所示： 當(dāng)方向盤無狀態(tài)輸入時(shí)，只有電機(jī)起作用， 1422311mtm d m m ms umni G i G zzn zz? ? ? ? (31) 當(dāng)電機(jī)無狀態(tài)輸入，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比不發(fā)生改變， 231 1 4swzsumn z zi n z z?? (32) 當(dāng)方向盤和電機(jī)同時(shí)作用時(shí)， 12swsum sumni nn? ? (33) 11s z mz m mi i G? ? ??? (34) .pspr?? (35) 式中： 1 17z? 、 2 12z ? 、 3 15z ? 、 4 14z ? 為太陽輪和行星齒輪齒數(shù)， mtn 、 swn 、 1sumn 、 2sumn 分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)速、方向盤控制輸出總轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制總轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速。 正常情況下，駕駛員施加在轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩為 至 ，在此范圍內(nèi)為扭桿變形范圍 。由于 312 10a a m?? ? ? ，扭桿在中位時(shí)左右兩側(cè)各有 10 m?? 的余量，如果轉(zhuǎn)換為閥芯與閥套相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度左右各有 ，即如果駕駛員向方向盤施加轉(zhuǎn)矩讓閥芯與閥套產(chǎn)生相對(duì)角度超過 ，油路打開。 令：0 1012 ( )skpp? ?? 則： 112 ( ) /ssp p k p k p?? ? ? 222 ( ) /p p k p k p?? ? ? 2 0 22( ) /p p k p??? 1 0 12( ) /p p kp??? 則方程組 式（ 4120） （ 422） 變形為： 1 1 2 2( ) ( )d s d s sC A k p p C A k p p Q? ? ? ? (425) 1 1 2 1 1 2( ) ( )d s d p a iC A k p p C A k p A x C p p? ? ? ? ? (。假設(shè)左轉(zhuǎn)向的方向?yàn)檎较颍ㄗ蟾椎拈y口面積為 1A ，通右缸的閥口面積為 2A 。 由式 (46)(48)以及式 (410)(413)，得到： 1 1 2 22 ( ) 2 ( )d s d s sC A p p C A p p Q??? ? ? ? (414) 1 1 4 1 0 12 ( ) 2 ( )d s d LC A p p C A p p Q? ? ? ? (415) 3 2 0 2 2 22 ( ) 2 ( )d d s LC A p p C A p p Q??? ? ? ? (416) 轉(zhuǎn)閥節(jié)流面積變化數(shù)學(xué)模型 根據(jù)實(shí)測(cè)閥套和閥芯，其結(jié)構(gòu) 如 圖 43 所示 。 燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 本章小結(jié) 本章介紹主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的組成，并 利用不同的手段工具進(jìn)行各部件的原理介紹，深入了設(shè)計(jì)原理和方案，便于理解和掌握。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)，即主動(dòng)太陽輪固定時(shí)，可由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪通過行星齒輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)太陽輪。右側(cè)的太陽輪作為輸出軸，其輸出的轉(zhuǎn)向角度是由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角度與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向角度疊加得到，也就是汽車的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度。 4 輸出高壓油 7. 限流器口 1234567燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 36 行星齒輪主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理圖 圖 37 行星齒輪主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)外觀 如圖 36所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向器油缸中壓力大于控制所需的壓力時(shí)，高壓油通過限流器將液壓油引向壓力控制閥實(shí)現(xiàn)壓力控制功能。當(dāng)主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)非期望的自轉(zhuǎn)向動(dòng)作時(shí)，電磁鎖插入執(zhí)行單元的蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)將執(zhí)行單元鎖死，確保執(zhí)行單元不干涉轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作。在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛員將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)傳給扭桿，使得液力伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部的閥芯和閥套有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，依據(jù)車速和轉(zhuǎn)向角度等信息，液力系第 3章 主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 21 統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向器齒輪齒條機(jī)構(gòu)進(jìn)行力輸入；在不同工況下，伺服電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速通過渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)行星齒輪組外殼，使得從方向盤傳來的轉(zhuǎn)角和行星齒輪組外殼的轉(zhuǎn)角進(jìn)行疊加，疊加之后的轉(zhuǎn)角作為齒輪齒條機(jī)構(gòu)的角輸入，達(dá)到轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比可變的功能。電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)可作為選裝裝備選裝。 DSC 的閾值高于主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)作閾值。速度較高時(shí)，伺服電機(jī)會(huì)反向補(bǔ)償方向盤轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是，速度較高時(shí)傳動(dòng)比較大，速度較低時(shí)傳動(dòng)比較小。那么，所謂的主動(dòng)式轉(zhuǎn)向并不是需要汽車轉(zhuǎn)向時(shí)它會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，它只是對(duì)駕駛員的轉(zhuǎn)向動(dòng)作起一種輔助性作用，以便 駕駛員更安全、準(zhǔn)確、輕松地按自己的意圖實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但是設(shè)計(jì)師們也想出了種種辦法來盡量增強(qiáng)操 控穩(wěn)定性，來減小這種弊端。而相反， 如果傳動(dòng)比較小，車輛在高速下顯得比較穩(wěn)重，低速下轉(zhuǎn)向就比較吃力。助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由油泵、控制閥、螺桿螺母式轉(zhuǎn)向器及助力缸等組成。豐富的發(fā)展史也說明轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)于汽車整體有著非常重要的地位，可以肯定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還將繼續(xù)得到大力發(fā)展。典型的機(jī)器人線性控制 ?H 見于文獻(xiàn)，將建模誤差以及負(fù)載變化的不確定因素等價(jià)地表示為模型參數(shù)的攝動(dòng)，通過非線性補(bǔ)償?shù)玫揭粋€(gè)簡單的帶有不確定性攝動(dòng) 部分的線性狀態(tài)方程，然后運(yùn)用 ?H 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)問題的燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 狀態(tài)反饋方法求得控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)具有所要求的魯棒穩(wěn)定性。最優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在于選擇最優(yōu)控制律，以便使該性能指標(biāo)達(dá)到極值 (極大或極小 )。 在 50 年代蓬勃興起的航天技術(shù)的推動(dòng)下，控制理論在 1960 年前后開始了從經(jīng)典階段到現(xiàn)代階段的過渡，其重要標(biāo)志之一是卡爾曼系統(tǒng)地把狀態(tài)空間法引入到系統(tǒng)與控制理論中。因此，研究車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。同時(shí)，該模型只是用于車輛動(dòng)力學(xué)仿真，不是用于控制器設(shè)計(jì)，其模型非線性對(duì)仿真沒有影響。 對(duì)于車輛主動(dòng)轉(zhuǎn)向而言 ，主要是根據(jù)實(shí)際需求建立不同自由度的車輛建立車輛動(dòng)力學(xué)模型。汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容歸納為以下四點(diǎn)： 1．路面特性分析、環(huán)境分析及環(huán)境與路面對(duì)汽車的作用； 2．汽車系統(tǒng)燕山大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 及其部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，汽車內(nèi)各子系統(tǒng)的相互作用； 3．汽車系統(tǒng)最佳控制和最佳使用； 4．車輛人系統(tǒng)的相互匹配和模型研究，駕駛員模型，以使車輛的工程技術(shù)設(shè)計(jì)適合于人的使用，從而使人 —機(jī)系統(tǒng)對(duì)工作效率最高。而主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)壓力等信號(hào)計(jì)算出所需補(bǔ)償?shù)臋M擺力矩并通過調(diào)整相應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)向角實(shí)現(xiàn)方向調(diào)節(jié)。因此主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向可以提供緊急情況下的駕駛安全性和車輛穩(wěn)定性。通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主動(dòng)控制車輛的前輪轉(zhuǎn)角，以前輪轉(zhuǎn)角 作為系統(tǒng)輸入，影響車輛質(zhì)心側(cè)傾角和橫擺角速度狀態(tài)，提高車輛操縱穩(wěn)定性 [1921]。在高速工況下，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比較大，駕駛員能夠更加穩(wěn)定地操控車輛，根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)可知，車輛在高速行駛時(shí)其橫向穩(wěn)定性受前輪轉(zhuǎn)角變化的影響非常大，即使前輪有一個(gè)微小的轉(zhuǎn)角也會(huì)使車輛產(chǎn)生一個(gè)較大的橫向移 動(dòng)，采用較大的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比可以有效降低車輛高速時(shí)轉(zhuǎn)向的靈敏度，從而克服此類問題。另一種是電控可變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，韓國的 MANDO(AFS)、日本的 JTEKT 公司以開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品。主動(dòng)轉(zhuǎn)向可實(shí)現(xiàn)如下功能： （ 1）低速轉(zhuǎn)向輕便，高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定； （ 2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快； （ 3）在危險(xiǎn)工況下實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定性的控制。這些車輛采用地下埋線、激光和機(jī)器視覺獲取車輛在道路上的行駛姿態(tài)，通過主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航控制。 主控制器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)理論分析車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用控制算法結(jié)合車輛狀態(tài)做出決策，向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)第 2章 動(dòng)力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的發(fā)展史 13 向電機(jī)發(fā)出控制指令，控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，保證車輛在各種工況下都具有理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以減少駕駛員對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性隨車速變化進(jìn)行的補(bǔ)償控制任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。 轉(zhuǎn)向盤總成包括：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機(jī)。 國內(nèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器目前還處于機(jī)械 —液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向階段，對(duì)于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校開展了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建模及動(dòng)力分析等研究，但目前還沒有實(shí)用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 目前由于汽車供電系統(tǒng)的因素，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)難以提供較大功率，現(xiàn)階段電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究以及近期的應(yīng)用對(duì)象主要針對(duì)轎車。 日本大學(xué)和本田汽車公司在汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面也做了一些理論工作和模擬器試驗(yàn)研究。世界其他各大汽車廠家、研發(fā)機(jī)構(gòu)（包括 DaimlerChrysler、寶馬、 ZF、 DELPHI、 TRW 等）以及日本的光洋（ Koyo）精工技術(shù)研究所、日本國立大學(xué)、本田汽車公司等也先后對(duì)汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了深入研究。市區(qū)型開關(guān)還與油門有關(guān)，使得在踩油門加速和松油門減速時(shí)，轉(zhuǎn)向更平滑。新一代的 EPS 則不僅在低速和停車時(shí)提供助力，而且還能在高速時(shí)提高汽車的操縱穩(wěn)定性。Delphi 公司已經(jīng)為大眾的 Polo、菲亞特 Punto 開發(fā)出 EPS。直到 1988 年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子控