线控(后轮)转向系统控制技术解析.docxVIP

线控转向系统通过线控化、智能化可以实现个性驾驶、辅助驾驶、无人驾驶等目标，是智能网联汽车落地的关键技术之一，其相关的动力学控制技术更是影响线控转向系统整体性能的核心技术。该文介绍了线控后轮转向系统的基本结构及其动力学建模问题，分别对带有线控后轮转向系统的车辆稳定性控制技术、容错控制技术等进行了简要概述，对后轮转向系统的未来研究趋势进行了展望。

——四轮转向与传统前轮转向

目前市面上普遍采用的是前轮转向+后轮随动式的转向方式，即驾驶员转动方向盘，方向盘通过转向传动系统，带动转向横拉杆横向位移，使前轮发生左右偏转，车辆开始转向运动，后轮由于轮胎的弹性变形，使得后轮产生随动转向，但由于后轮是随动转向，前后轮转向之间存在一个相位差，由此导致车辆的质心侧偏角增加，使得车辆的操纵稳定性变差。而根据阿克曼转向特性可知，车辆在直线行驶或者转向行驶时，车轮与路面接触过程中要始终维持纯滚动的状态，而在转向过程中，若想保证轮胎始终处于纯滚动的运动状态，车辆的前后轮必须以同一圆心作圆周运动，则车辆前轮的轴线延长线相交于两后轮轴线延长线上，车辆的转弯半径变大，机动性变差，转向灵活度降低，在高速行驶状况下，车辆的横摆角速度、侧向加速度会因为方向盘转角的激增而发生陡然变化，由此影响了车辆的操作稳定性。随着人们对于车辆操纵稳定性和安全性的要求越来越高，前轮转向车辆低速转向灵活性差，高速转向稳定性不高的缺点使得研究人员开始对新的转向技术展开研究，在此基础上，诞生了四轮转向技术。四轮转向（4WS）技术作为提高车辆操纵稳定性和行驶安全性的有效控制方式之一，已经受到越来越多的关注和研究。大量研究和实车测试表明，4WS技术在改善车辆低速转向灵活性，提高高速行驶安全性方面有着显著优越性。

（1）低速转弯工况

车辆处于低速转弯工况时，车辆的前轮转角与后轮转角方向相反，四个车轮前进方向的垂向延长线的交点为旋转中心，车辆以此为圆心作圆周运动。由下图可以看出，主动后轮转向车辆的旋转中心位置跟前轮转向车辆相比，与车辆的距离更近，此时车辆的转弯半径更小，而因为相反的前后轮转角，使得内侧车轮旋转轨迹线之间的距离变小，车辆内轮差由此减小，增加车辆转弯的安全性与机动性。

图1低速车辆转向轨迹

（2）中高速转弯工况

在中高速转弯工况时，前轮转向车辆的前轮在偏转时会产生侧偏角，车辆在向心力的作用下开始转动，同时，车辆的后轮产生的侧偏角会共同负责车辆的转动，但是车辆运动的不稳定性也会随着车速的增加而增加，此时车身方向与车辆行进速度方向角度相差较大。4WS车辆在高速转向时，前后轮转角方向相同，行进速度方向可更好的贴合车身方向，此时车辆在高速情况还可保持较高的向心力，稳定转向，操稳性能更好。

图2高速车辆转向运动轨迹

——转向系统基本结构及动力学建模

线控转向系统相较于传统机械转向系统的主要优势在于能够完成转向系统力传递与位移传递的完全解耦，简而言之就是转向系统的力传递特性和位移传递特性能够分别独立设计。现有的分布式转向系统的执行机构多为前后轴独立转向，结构布置如图3所示，前后轴各有1个独有的转向执行机构带动左右侧车轮同时转动，其中后轮转向系统即为力与位移完全解耦的线控转向系统。

图3前后轴分布式线控转向

后轮线控转向系统的执行机构动力学建模可以表示为转向电机模型和后轮齿轮齿条模型。

（1）转向电机模型

图4所示是直流电机的等效电路图。

图4?直流电机等效电路图

根据Kirchhoff电压定律，直流电机电枢回路的微分方程可表示为：

其中：为转向电机电枢电感；为转向电机电枢电流；为转向电机电枢电阻；为转向电机反电动势；为转向电机电枢两端电压；为转向电机反电动势常数；为转向电机转速。

（2）后轴齿轮齿条模型

后轴齿条与小齿轮的动力学方程为：

其中：为后轴齿条质量；为后轴齿条阻尼因数；为后轴齿条所受转向阻力；为后轴转向电机输出转矩；为后轴齿条位移；后轴小齿轮转角；为后轴转向电机减速比；为后轴小齿轮半径。将齿条受力等效到后轴转向器上，可得：

其中，为等效到后轴轮胎的回正力矩。

——车辆稳定性控制

线控后轮转向系统的位移特性控制有2种较为典型的方式，如图5所示。第1种方式是稳定性控制法，其实施过程可以概括为根据驾驶员的转角/转矩输入指令及汽车当前行驶状态，计算得到理想的横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度等控制目标，设计稳定性控制器根据控制目标求解所需的后轮转角，转角跟踪控制器以所需后轮转角为目标，输出扭矩带动转向执行机构对后轮转角进行跟踪。第2种方式为变传动比控制法，即先根据驾驶员的转角输入和系统传动比计算后轮参考转角，然后设计转角跟踪控制器控制转向电机输出扭矩对后轮参考转角进行跟踪。

图5?线控转向系统位移特性典型控制方法

在上述2种控制结构中，研究人员重点关注的问题有以下3点：1）线控后轮转