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主动前轮转向系统的控制研究

陈德玲  
【摘要】: 转向系统是控制汽车行驶路线和方向的重要装置,其性能直接影响到汽车的操纵性能和稳定性能。主动前轮转向(AFS-Active front steering)通过电机根据车速和行驶工况改变转向传动比。低、中速时,转向传动比较小,转向直接,以减少转向盘的转动圈数,提高转向的灵敏性和操纵性;高速时,转向传动比较大,提高车辆的稳定性和安全性。同时,系统中的机械连接使得驾驶员直接感受到真实的路面反馈信息。因此,主动前轮转向为车辆行驶的灵敏性、舒适性和安全性设定了新标准,代表着转向技术的发展趋势。 现有主动前轮转向系统大多在液压转向系统结构的基础上,采用行星齿轮机构,实现主动转向。系统中,通过调节液压油的输入输出实现对转向盘手力的调节,但必须对液压油进行冷却,因而系统复杂且不可避免存在着液压转向系统的弊端。 本文在电动助力转向机构的基础上,设计了新型的主动前轮转向系统结构,通过一套行星齿轮机构与助转角电机实现主动前轮转向。助转角电机(AFS执行器)用来实现可变传动比(VSR-Variable steering ratio)以及对车辆稳定性的控制;原助力转向系统中的助力电机(EPS执行器),根据转向盘转矩和当前车辆行驶情况,对驾驶员转向手力进行调整。因而,该转向系统通过助力电机和助转角电机,分别对转向力矩和前轮转角进行调节,实现主动转向。利用助力电机对转向手力调节避免了现有主动前轮转向系统中液压助力的缺点。 控制系统是主动前轮转向系统的核心,控制策略的优劣直接影响主动前轮转向系统的性能。为对该主动前轮转向系统进行控制研究,文中在系统结构分析的基础上,建立主动前轮转向系统模型和车辆操纵动力学模型,从转向性能和整车操纵稳定性要求出发,设计主动前轮转向控制系统,制定相应的控制逻辑和控制策略。研究中,将系统解耦为EPS执行器和AFS执行器,分别进行控制研究。EPS执行器实现转向盘转向力矩的控制;AFS执行器实现可变传动比控制和车辆稳定性控制。车辆稳定性控制过程中,采用横摆角速度和估计的质心侧偏角共同对车辆进行控制,利用质心侧偏角的控制补偿单一横摆角速度控制所引起的行驶跟踪误差。 实际行驶过程中,车辆会受到系统内部和外界的干扰,车辆参数产生波动;同时系统中还存在非线性摩擦、传感器噪声以及负载扰动等不确定因素的干扰。为较好地实现对目标车辆运动状态轨迹的跟踪控制,文中将鲁棒控制理论引入主动前轮转向的控制。根据控制系统的不同特点,对EPS执行器进行抵抗传感器噪声和外部干扰输入的标准H∞鲁棒控制器设计;对AFS执行器针对车辆行驶过程中侧偏刚度的摄动和外界侧向风干扰,进行混合LQR/H∞的鲁棒最优控制器设计,以提高主动前轮转向控制系统的稳定性能、鲁棒性能和抗干扰性能。 本文最后,根据所设计的控制策略,开发主动前轮转向系统的控制软硬件,并进行控制器硬件在环台架试验。硬件在环台架试验中,通过非线性车辆动力学模型和转向系统实物,构建主动前轮转向系统的仿真试验平台,对所设计的主动前轮转向控制器进行控制性能验证。试验结果表明:本文设计的主动前轮转向系统具有较好的转向轻便性能、回正性能,同时能够有效地提高车辆的稳定性。


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