基于电液耦合转向系统的商用车防失稳控制

基于电液耦合转向系统的商用车防失稳控制

王涛

安徽江淮汽车集团股份有限公司  安徽合肥  231200

摘要：商用车具有重心高、质量大、体积大、宽高比小的特点，致使商用车更易发生失稳危险，造成巨大的经济损失及人员伤亡，所以研究如何防止商用车失稳具有重要的现实意义。

关键词：车辆；电液耦合转向系统；失稳控制

本文设计了一种用于商用车的电液耦合转向系统(EHCS)，使乘用车EPS高级功能可应用于商用车，以避免车辆失稳，该系统为商用车的电动化、智能化转向系统的发展提供了良好的基础。由于转向系统在参与稳定性控制时仅在线性区域中发挥良好作用，一旦轮胎进入非线性区域，轮胎侧向力易饱和，此时转向系统对车辆稳定性控制的贡献较小，所以本文设计的控制方法主要是防止车辆失稳，即保证车辆始终处于线性区域。

一、电液耦合转向系统结构

在传统液压助力转向系统基础上，电液耦合转向系统在液压转向机输入轴上端集成了助力电机及减速机构，通过控制助力电机实现主动力矩调节功能。所使用的电液耦合转向系统与当前电控液压助力系统的区别在于，无需添加复杂的阀体结构，对传统液压助力系统改动小，电机调节更简单、直接，易于实现主动控制。电机助力和驾驶员的手力共同施加到动力转向总成并与液压助力耦合，在系统设计中，将电机助力和驾驶员的手力作为一个整体考虑，电机助力变化仅影响驾驶员手力，对液压助力系统影响小。

二、补偿控制策略设计

图1是转向参与稳定性控制的流程图，驾驶员的输入信号同时传输到实车和车辆参考模型，通过车辆实际转角、车速、路面附着系数判断车辆行驶状态是否处于稳定区域，若处于稳定区，则采用柔性PID控制方法跟踪控制横摆角速度期望值；若在稳定域外，则使用自适应增量控制方法降低助力矩，直到车辆重回稳定区域并继续跟踪控制横摆角速度期望值。

图1

1、跟踪控制横摆角速度期望值。为确保车辆不会发生失稳，实际横摆角速度需始终跟踪期望横摆角速度，当实际横摆角速度超过预期值时，助力电机应主动降低助力；当实际值低于预期值时，需主动增加助力。

PID控制作为一种成熟的工业控制方法，操作简单，易于使用。然而，常规的PID控制存在精度及稳定性问题。本文设计了一种柔性的PID控制方法来解决二者之间的矛盾，根据横摆角速度实际值和期望值之间的差异实时调整控制器的参数，以增强系统的鲁棒性。

2、附着系数对转向阻力矩的影响。当车辆处于转向状态时，转向输入力矩需克服转向阻力，转向阻力包括回正、摩擦力矩。有学者指出，在附着系数低的路面上高速行驶时，路面与轮胎之间的回正力矩会大幅降低。目前，转向阻力矩与路面附着系数之间的关系还无精确的公式，因此本文通过TruckSim仿真实验得出其关系。

实验中，所选车辆的前轴载荷为50kN，转向盘输入为阶跃信号，路面附着系数从0.1增加到1.0，得到前轮主销处转向阻力矩变化，在不同车速下，随着路面附着系数的增加，转向阻力矩持续增大，且增大幅度较大，表明附着系数对转向阻力矩影响较大。驾驶员若未意识到路面附着系数的变化，其操作可能导致车辆不按预期状态行驶，甚至导致车辆失稳。同时，路面附着力系数也会影响轮胎与路面之间的受力，所以对车辆稳定性影响较大。

3、考虑附着系数的稳定区设计。本文提出了考虑路面附着系数的车辆稳定性区域的新概念，以解决非线性区域中的车辆失稳问题。车辆稳定域是指当车辆以一定速度在附着路面上行驶时，若转向角在稳定边界曲线内，车辆则能保持稳定行驶。本文以路面附着系数及车速为输入，基于TruckSimm软件测试转向角的稳定范围，获得了低附、中附、高附状态下的车辆稳定域，随着车速的增加，转向角边界逐渐缩小。当车速高时，车辆易进入非线性区，并且不同路面附着系数确定的车辆稳定性区域范围也不同。随着附着系数的增加，稳定性区域逐渐变宽，表明车辆在附着系数大的路面上不易失稳。

4、自适应递增算法。若车辆行驶在稳定域外，若助力矩降幅过大将导致驾驶员紧张。设计一种基于稳定性域溢出程度的自适应递增方法，以逐渐降低转向助力矩，在不引起驾驶员反感的情况下调节车辆，并避免反向助力，以防止打手现象的发生。

三、实验验证及结果

本文建立了电液耦合转向系统试验台，对控制方法进行了验证，包括：①LabVIEW实时仿真平台；②电机助力系统；③液压助力系统；④阻力仿真系统(电机仿真模式)；⑤转向机械结构。LabVIEW数据采集系统采集转向盘转角信号和转向盘转矩信号，将其发送到车辆模型，在车辆模型计算后，转向阻力矩信号被发送到阻力模拟系统，助力电机的助力信号被发送给助力电机驱动器。考虑到用发动机驱动液压泵的困难，本文采用可调速电机代替发动机驱动液压泵，其控制信号也来自LabVIEW实时仿真控制平台。

通过上述硬件在环试验台验证了所提出的控制方法，实验中使用的EHCS系统的基本参数为：额定电压DC24V；额定转速1600r/min；适用油压15MPa；油泵流量18L/min；额定功率640W；适用的前轴载荷85kN；最大输出扭矩7056N·m；传动比23.27。部分车辆参数：整备质量10000kg；簧载质量6360kg；高3430mm；宽2600mm；发动机功率175kW；转向传动比23.27；前轴载荷50kN；前轴距离3106mm；前后轮距2030mm、1863mm。

验证条件：车速为70km/h、100km/h，因车速较低不易失稳；考虑到实际实验操作及数据观察的难度与可重复性，驾驶员以手力矩近似正弦曲线的方式转动转向盘，通过与双移线工况的比较，发现该工况也能很好地反映车辆的失稳状态信息。将路面附着系数分别设为中附0.6、高附0.85，以验证车辆侧滑及侧翻时的控制效果。

在μ＝0.6时，无补偿控制的车辆处于临界失稳状态，在近10s时将失稳；μ＝0.85时，无补偿控制的车辆将在3.5s附近失稳。在相同工况下，有补偿控制的车辆前轮转角比无补偿控制车辆小25%，前轮转角减小的原因是，当车辆即将失稳时，电机助力矩主动减小，施加到转向系统的总力矩减小，前轮转角相应减小，以防车辆失稳。

路面附着系数μ＝0.85时，当无补偿控制时，电机助力矩较大，电机在3.5s附近失去控制。当存在补偿控制时，由于补偿力矩作用，电机的助力矩会减少60%，横摆角速度减少约20%。路面附着系数μ＝0.6时，电机助力矩及横摆角速度分别降低52%、63%。

与车速为70km/h类似，有补偿控制时，前轮转角减小约21%，车辆横摆角速度减小67%，可有效防止车辆失稳。另外，前3.5s车辆的前轮转角及横摆角速度差异不大，这种现象的原因是，此时车辆的行驶状态超过稳定域，并且车辆放弃跟踪期望的横摆角速度，而是进入稳定区域的自适应控制，仅控制车辆进入稳定域内。3.5s后，车辆回到稳定域并再次跟踪预期值，这种控制方法最大程度地确保车辆在任何时候都能在稳定区域内行驶。

四、结论

1、针对商用车在中高速转向行驶工况下易失稳的现象，基于电液耦合转向系统，设计了一种防止和控制商用车失稳的方法，与现有的稳定性控制方法相比，基于EHCS转向系统的控制响应更快、更易实现、成本更低。

2、车辆的行驶状态分为线性和非线性情况处理，若车辆在线性稳定区域内行驶，则通过柔性PID方法跟踪控制横摆角速度期望值；若车辆在线性稳定区外行驶，则通过参考所建立的车辆行驶稳定域，使用自适应递增方法来控制车辆重回线性稳定区。

3、基于硬件在环试验台，对控制策略进行了验证，结果表明，该方法能有效地控制车辆在线性稳定区的行驶。

参考文献：

[1]刘晶郁．商用车横向稳定性优化控制联合仿真分析[J].机械工程学报，2017，53(02):115-123.