姜云浩 张建峰 池群 曹为鹏

摘 要：汽车转向系统是汽车重要的一个电控系统，电控转向系统要高效工作，需要设计控制策略。本文首先分析了国内外汽车转向系统控制策略研究现状，然后设计了汽车转向系统控制策略研究方案，最后建立了汽车电控系统的仿真模型，为后期研发搭建了良好的基础平台。

关键词：控制;转向系统;方案;模型

汽车转向系统的优劣是会严重影响汽车操控性能和安全性能，随着汽车行驶速度的提高，车流的密集，汽车对操控性和安全性的要求越来越高。如何设计汽车转向系统，提升其性能，是汽车制造厂家的一个重要研究内容。

目前，汽车转向系统已经由早期的机械转向，提升为液压助力转向，但是大部分液压助力转向仍然没有实现电控，使得汽车的转向助力放大倍率无法随着车速和路面条件的变化线性调节。在这种非线性的转向助力系统中，仍然需要驾驶者不停的调整方向盘的操纵力来实现控制。这种非线性转向助力系统增加了驾驶员的操纵难度，使驾驶员更容易疲劳，当遇到连续长时间驾驶或复杂驾驶道路时，更容易导致交通事故的发生。

为了提高汽车转向系统的操控性能，并且尽可能的降低成本，可以在液压助力轉向的基础上进行改进。在原液压转向助力系统中，通过增加电磁阀、方向盘扭矩传感器、车速传感器和汽车转向系统电子控制单元（简称ESP ECU）等元件实现线性转向控制。车速传感器和方向盘扭矩传感器将车辆速度变化的信号和转向信号传递给ESP ECU，ESP ECU接收到车速信号和方向盘扭矩传感器信号后，对安装在通向转向动力缸活塞两侧油室的油道之间的电磁阀进行控制，电磁阀的阀芯位于转向动力缸活塞两侧油腔的通道中，控制电磁阀的通电电流可以改变电磁阀磁场线圈的磁场力，就改变了阀芯的位置，实现电磁阀开度的调节，从而就改变转向动力缸活塞两侧油室的液压油流量，最终可以对转向助力放大倍率的控制。液压式电控动力转向系统结构如图1所示：

电控液压助力转向可以根据车速调节转向助力放大倍率，当车速高时，适当降低转向助力放大倍率，使汽车转向更稳定;当车速低时，增大转向助力放大倍率，使汽车转向更轻便，实现转向助力放大倍率始终处于最佳值，达到了汽车转向系统线性控制的良好效果。

1 国内外汽车转向系统控制策略研究现状

自从1886年汽车诞生以来，各项汽车新技术层出不穷，线控转向系统就是其中一项有代表性的技术。线控转向系统从设想到开发成功经历了一个50年左右发展历程。德国的Kasselman和TRW最早在20世纪五六十年代就提出了线控转向系统的概念，但是线控转向控制系统需要先进电子技术和计算机技术作为基础，这在当时条件是不成熟的。到了九十年代初，电子控制技术迅速发展，线控转向系统有重新引起了汽车制造厂商重视。

德国的奔驰公司在1990年开发了线控转向系统，并将该项技术应用到了概念车F400-Cavring上，效果非常好。紧接着，ZF公司在1998年也对线控转向系统进行了研究，在不断的努力下，最终也实现了成功开发。

2000年以后，线控转向控制系统继续发展。通用公司在2002年，在电池概念车“Hy-Wire”上应用了该技术;日本的日产公司在2013年，在传统机械系统的基础上，增加了电子控制单元、车速传感器、转向扭矩传感器和离合器装置，该系统不仅实现在转向系统线性控制，并且借助离合器装置的结合分离，将转向和直线行驶区分开来，进一步节省了能耗。

在各大汽车制造厂商纷纷研究线性转向系统的同时，国外的相关大学和科研机构也开展了大量的研究，并取得了很多成果。早期通过设计出汽车转向系统动态参数的观测器，测出汽车转向系统的运动参数，研究汽车线控转向的控制策略;随着CAD、CAM、CATIA等现代汽车设计制造软件的出现，后期研究首先建立线控转向的车轮动力学模型，然后用上述软件来转向路感与汽车其他参数的关系的分析，最终得到成熟控制策略;在最新的研究中，纷纷采用有限元分析的方法对不同结构的线控转向系统进行分析，使线控转向系统的性能得到进一步的提升。

中国汽车工业的发展也非常迅速，但是对线控转向的研究比较滞后，目前主要是由一些国内的相关高校在开展相关研究。北京理工大学研究了不同参数对线控转向系统稳定性的影响，并建立了“人一车一路”闭环动力学模型。江苏大学在建立线控转向系统动力学模型的基础上，对不同车速下的放大倍率进行了设计和仿真分析;吉林大学对汽车转角控制和路感进行了研究，并在整车动力学模型中实现线控转向系统的仿真分析;武汉理工大学和长安大学也进行了类似的研究，也取得了一些的成果。

前期高校研究线控转向系统技术仅仅停留在理论阶段或实验室试验阶段，并没有投入到生产实践中。近期，国内一些自主品牌生产厂家开始与高校开展合作，将线控转向控制技术的应用到一些概念车上，从而为该技术的进一步推广到量产车上奠定了基础。

2 汽车转向系统控制策略研究方案

线控转向技术是未来转向系统发展的必然趋势，通过系统深入的了解线控转向系统的结构和工作原理，以某一常用车型作为整车对象建立方向盘总成模型和转向执行系统模型，研究线控转向系统的控制策略，通过项目开展，开拓我们的视眼，培养创新和实践能力。课题组制定了以下研究方案，其研究步骤如下：

（1）理解线控转向系统的结构组成及性能特点。全面系统的总结国内外关于线控转向系统的研究成果，把握线控转向系统的发展方向。（2）建立方向盘总成模型和转向执行系统模型。

以某一常用车型为整车研究对象，在Catia/Simulink中建立方向盘总成模型和转向执行系统模型，为后续分析建立模型基础，并对线控转向系统的理想传动比进行研究。

（3）线控转向系统控制策略研究。

研究汽车转向系统的控制流程，利用传感器获取汽车路感信息，以汽车横摆角速度增益不随车速和方向盘转角变化为目标，计算最佳传动比。对设计的控制策略进行仿真验证。具体的技术路线如图2所示：

3 研究的初步成果

目前课题组在转向系统控制策略的研究开展过程中，已经利用Catia软件构建了转向执行系统模型，其模型如图3所示，下一步需加入转向扭矩传感器、车速传感器和ESP ECU构成完整研究模型，为后期设计与控制效果的验证提供了坚实的基础。

4 项目创新特色

目前大部分汽车转向系统的控制策略是基于某一典型工况或者忽略道路条件的影响。而不同道路情况会有不同的“路感”，即对汽车转向系统的作用力不同，本项目的研究将通过传感器获取车速变化信号的同时，结合当前道路“路感”信息，作为控制系统的输入参数，使设计的控制策略更加科学准确。

基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（省级 一般项目）：线控转向系统控制策略研究， 项目编号：201612056016X。