商用车智能电液转向系统的设计与验证

万民伟，张新闻

（1.杭州世宝汽车方向机有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技学院 机械与能源工程学院，浙江 杭州 310023）

前言

商用车由于质量大，质心高，体积大，其操纵轻便性与操纵稳定性难以达到乘用车水平[1]。因此相比乘用车，商用车对于驾驶员有着较高的驾驶负担。针对商用车转向系统，近年来逐渐有提高驾驶员舒适性和安全性的先进技术涌现。商用车电液转向系统在保留传统机械液压助力工作平顺、功率密度高的优点上，获得了更好的转向操纵感和节能性能[2]。并且其对于传统燃油车和新能源车均可适配，并且可以在其基础上实现智能驾驶[3]，国外商用车的电液转向起步较早，博世开发有面向商用车的先进Servotwin叠加转向系统、沃尔沃开发有动态转向系统（Volvo Dynamic Steering），低速行驶时，电机提供额外的力；高速行驶时，电机自动调整转向，在侧风或路面不平整对方向盘造成影响时进行补偿。在整车方面，戴姆勒在无人驾驶卡车方面是行业先驱，卡车已经在德国和美国测试驱动的路线驾驶了约20 000公里。

目前国内商用车的电液转向系统还处于起步阶段，主要以高校的研究为主。耿国庆[4]基于电控液压循环球转向系统，进行了商用车电液转向系的主动回正研究，取得了良好的控制效果。张齐[5]针对大型客车，基于液压循环球转向器，设计开发了电液转向系统，实现了助力的输出，并降低了整车的油耗。吕连杰[6]针对商用卡车开发了电液转向系统，完成了原理样机的制造，在实车测试中取得了良好的效果。

1 转向系统总体设计

针对中重型商用车，所设计转向系统的采用一种新型电液循环球结构，主要结构特征如下：

（1）电动助力转向装置[7]：主要包括转矩和转角传感器、永磁同步电机、蜗轮蜗杆减速机构。匹配的永磁同步电机通过蜗轮蜗杆减速机构连接到转向轴上，电动助力的输出轴与液压助力转向器的输入轴连接。

（2）循环球转向装置：电液循环球结构为整体液压助力式循环球转向器，经过匹配设计，驾驶员对转向盘施加的转矩与电动助力装置产生的转矩经过叠加后，通过扭杆传递给转向螺杆，扭杆的变形量直接控制转阀的工作状态，以得到不同的转向助力。

（3）控制器：采用的控制器设计集成在电机尾部以达到良好的安装布置工艺和防水性能。常规助力模式下在助力特性曲线的基础上，加上系统的摩擦、惯性、阻尼和回正补偿得到电机的助力电流，达到随速助力和主动回正的功能。转角伺服（自动转向）模式下，则根据转角信号和转速信号，对方向盘的位置进行控制。

2 转向系统工作模式协调控制技术

2.1 常规助力模式

常规助力模式下，根据采集到的转向盘转矩、车速等车辆信息，在助力特性曲线的基础上，加上系统的摩擦、惯性、阻尼和回正补偿得到电机的助力电流，达到随速助力和主动回正的功能。为了提高商用车的直线行驶功能，设计中位补偿功能，纠正商用车行驶跑偏的问题。图1为常规助力模式下的控制策略。在此基础上从产品化的角度考虑，控制器能够实现对扭矩中位标定和角度标定功能，并具备热保护、末端保护、失效保护等保护机制、故障诊断功能。

图1 常规助力模式下的控制策略

2.2 人机协同控制决策方法

车道保持系统LKA需要利用车载摄像头对道路状况和车辆运行参数进行检测，并通过信号处理获得准确、可靠的行车信息；然后，考虑如何利用得到的信息进行驾驶员转向干预度的判断，在驾驶员优先决策下解决电机和人之间的决策矛盾。具体而言，如何通过转向系统转矩信号和转角信号变化特性利用智能控制理论判断驾驶员对转向系统掌控程度，建立驾驶员干预度的推理模糊模型，进而确定车道保持转向功能的开启条件。在充分尊重驾驶员转向意图的情况下，实现人机协同控制。

车道保持模式下的转向系统控制策略如图2所示，智能电液转向系统的输出扭矩需要叠加一个车道保持LKA系统的目标扭矩，这个目标扭矩补偿依据摄像头视觉数据（车辆与中心线偏移距离、车辆航向角、道路曲率）和车速信号计算得到。

图2 车道保持模式下的转向系统控制策略

3 转向系统的试验验证

3.1 转向角阶跃试验

试验方法：使用CANape模拟上层控制器，发送测试要求中给出的目标转向角，监测反馈转角跟随状态，对比CANape的命令转角与EPS控制器输出的转角的时间历程。所得的转向角阶跃试验结果如下表1所示。在阶跃试验中，阶跃响应时间最大为23 ms，上升时间随着目标转向角指令的增大而增长，稳态误差在±0.8°以内，满足了系统的性能要求。

表1 转向角阶跃试验结果

3.2 接管功能试验

当系统处于角度控制模式下时，人为控制方向盘，人工介入条件满足设定条件后，转向器会自动进入人工介入助力模式。接管功能试验结果如图3所示。

图3 接管功能试验结果

从图中可以看出，当系统处于自动驾驶模式（角度控制模式）时，不满足人工介入条件，不执行人工介入控制。人工介入扭矩超过设定扭矩阈值（4 Nm），持续时间超过设定阈值（300 ms），满足人工介入条件，并进入人工介入模式。

4 结语

本文为解决商用车转向系统的电动化和智能化问题，在循环球转向系统中集成电动助力机构，实现传统液压助力转向、机械手动转向所不具备的随速助力转向、主动回正等功能，并通过智能电液转向系统所需的助力特性、主动回正控制策略、力矩叠加控制策略及伺服转向控制策略等研究，开发一种具有随速助力、主动回正、辅助转向及自动转向功能的智能电液转向系统，并成功推向了市场。该系统能够配合商用车整车实现在复杂环境下辅助驾驶和无人驾驶对于转向系统的执行需求，提升商用车的操控性，并为商用车的智能化驾驶奠定了基础。