汽车主动悬架与电动助力转向结构研究

黄立君 高志刚

摘 要：汽车底盘系统中主动悬架和电动助力转向系统作为重要环节，它们相互影响、相互作用。基于此，文章以汽车相关结构概述为切入点，通过建立汽车系统动力学模型，设计汽车控制器，实现主动悬架和电动助力转向系统的协调控制，提高汽车运行舒适性和稳定性。

关键词：汽车;主动悬架;电动助力转向;转向结构

汽车行业的迅速发展，使得人们对汽车性能提出了更高要求，特别是操纵稳定性与行驶平稳性最受人们关注。而汽车悬架系统、转向系统作为关键部件，对车辆行驶具有直接影响，也是厂商提高车辆性能的重点，主要是车辆行驶中，受限于不平整路面，可能会引发振动，通过悬架、车轮、座椅及车身传递至人员身上，需通过悬架系统、转向系统减少驾驶员疲劳感。汽车作为复杂整体，行驶中转向和悬架系统具有相互耦合影响，需加强集成控制，保证车辆行驶性能。

1 汽车相关结构概述

1.1 主动悬架

汽车系统较为复杂，行驶中由于转向，受到路面不平和车速影响，导致发动机、车轮产生振动，降低车辆经济性，还会对车辆平顺性造成影响，导致驾驶员操作车辆出现不适感，损坏车辆承载物及零部件，需以悬架作为保稳减震的部件。车辆底盘中悬架是重要部分，也是车身和车轮传力、连接装置总称，利用悬架能够连接车桥和车身，传递车轮与车身力矩，减缓车辆行驶于不平路面的冲击，确保驾驶员舒适和货物完好（见图1）。

根据图片可知，弹性元件能够缓和不平路面引发冲击，保证车轮与车身弹性联系;减震器能够加快衰减车身与车架振动，保证车辆稳定行驶;导向机构由横向、纵向推力杆组成，能够传递车轮、车身力矩，保证车轮根据轨迹保持车架、车身稳定。汽车行驶状态不同，悬架性能要求不同，正常行驶要求悬架柔软，转弯制动要求悬架坚硬。本文研究主动悬架，使得悬架系统阻尼特性和刚度可结合汽车行驶情况实现自适应调节，保证系统处于减震最佳状态，具有控制车身高度，兼顾操作稳定性与平顺性的优点。

1.2 电动助力转向

汽车转向系统是车辆底板重要环节之一，能够改变或恢复车辆行驶方向，结合不同转向动力源，将系统分为机械式、动力式类型。本文以电动助力转向系统为研究对象，人们对汽车转向灵敏、轻便性能要求较高，机械转向无法满足需求，传统腋芽系统尽管能够解决轻便转向系统，却易导致驾驶员高速行驶下丧失路感，也会增加油耗。采取电动助力转向，能够利用ECU调节，满足行驶工况对系统需求，应用前景广泛。

2 建立汽车系统动力学模型

车辆底板作为振动的复杂模型，建立动力学模型，是探究车辆行驶稳定、平顺的基础前提，底盘系统较为复杂，需搭建相应模型，便于仿真研究。

2.1 路面模型

车辆振动是道路不平造成影响，不平度道路具有随机性，路面平整作为复杂、随机过程，难以统计分析。为简化研究，按照国际标准ISO文件划分路面不平度等级，功率谱密度公式如下：

Gq（n）=nn0-wGq（n0）（1）

其中，n0是参考空间频率，为0.1m-1;n是空间频率;Gq（n0）是路面不平度系数;w是频率指数，取2。路面功率谱密度是垂直方向位移功率谱密度，引入速度公路普密度，能够补充统计路面不平度特性，一定范围中幅值是常数，仅和Gq（n0）相关，可采取白噪声通过成型滤波进行描述，公式如下：

q1（t）=2πn0 Gq（n0）W（t）v-2πfn00q1（t）（2）

其中，n00是路面空間截止频率;q1（t）是前轮路面激励;v是车速;W（t）是白噪声;f是时间频率。

2.2 主动悬架模型

模型建立中考虑整车转向、侧倾、俯仰运动的气度自由动力学模型。公式如下：

Mv（φ+β·）-haM·aθ¨-sij=0（3）

其中，M是整车质量;θ是俯仰角;Ma是簧载质量;β是质心侧偏角;φ是横摆角速度;sij是轮胎侧偏力。前轮由于转角小，轮胎线性模型取：

Fbij=（zbij-zcij）kbij（4）

其中，kbij是垂直刚度;zbij是非簧载质量;Fbij是垂直荷载;zcij是路面输入。

2.3 电动助力转向模型

车辆转向系统中，电动助力转向系统是基于机械转向结构，添加电动机提供助力扭矩，辅以电控单元与扭矩传感器，使得EPS工作中，ECU能够接受车速、转矩新药控制电动机，以此为转向提供助力。

电动机模型：

Bmθm·+Jmθm¨=Tm-（θm-Gθe）km（5）

转向柱模型：

Bsθs·+Jsθs¨+Ts=Th（6）

输出轴模型：

Beθe·+Jeθe¨=Ts+（θm-Gθe）Gkm-Tw（7）

其中，Jm是电动机转动惯量;Js是转向柱转动惯量;Je是减速机构转动惯量;Ts是转矩传感器获得数值;Bs是转向柱阻尼系数;Be是减速机构阻尼系数;Bm是电动机阻尼系数;θm是电动机旋转角;θs是转向柱旋转角;θe是输出轴旋转角;Th是转向盘转矩;Tm是电动机电磁转矩;Tw是输出轴转矩;Ts转矩传感器测得数值;G是减速比。

3 汽车控制器设计

3.1 半主动悬架控制

（1）模糊控制算法。模糊控制数利用丰富经验总结的自然语言进行控制，能够通过实际操作归纳数据，获得控制规律，借助计算机实现自动控制，无需了解控制对象模型，容易被人员接受，控制器设计不依赖精准模型，适应性良好。模糊语言值由多个模糊集和组成，描述输出量和输入量，以控制系统精准度决定集合树木，集合正负对称，遵循模糊控制规则，将操作者控制经验获得的模糊条件集合为控制语句，以此完成模糊控制。

（2）模型不确定参数。整车模型中轮胎有4个，能够引入不确定参数，以乘性不确定代表参数不确定性，公式如下：

ms=（emδm+1）ms—（8）

其中，-是公称参数，|δm|<1，kn、ms代表轮胎刚度，分析实际模型变动情况，取em数值0.3，应用LFT将系统中δm不确定参数输入输出进行计算。

（3）悬架性能指标。汽车询价系统对于汽车操作稳定、平顺具有直接影响，设计悬架系统需考虑性能指标，具体指动挠度、平顺性、等效控制力、轮胎动载荷。

（4）搭建模糊控制模型。建立SFunction接口，搭建悬架模糊控制器与路面模型户运行仿真，添加LMS AMESim前缀代表顺利连接接口，根据AMESSim采集的车身垂向速度、垂向加速度信号，利用模糊控制，以此输出悬架阻力控制力，反馈阻尼控制力至软件减震系统，提高车辆稳定性。

为保证结果准确，选用两种路面輸入激励仿真，B级路面和C级路面，选择速度50km/h，利用软件仿真车辆模型。以此可知，B级路面输入模型垂直加速度降低，改善了动行程比，轮胎动荷载无显著变化;C级路面下垂直加速度、动行程比也有所改善，保证了车辆行驶稳定性。

3.2 电动助力转向控制

（1）PID控制算法。PID控制是采取比例、积分、微分控制规律方式，吸取PD和PI控制优点，提高系统稳定性，减少超调量，应用PID控制器中，比例控制能够稳定系统，以微分控制调节偏差，以积分控制消除余差，合理调节控制参数后，能够将PID控制优点充分发挥出来。PID控制应用广泛，灵活使用，仅需设置参数值，即可实现多样化控制，具有原理简单、控制便捷、适应性强、鲁棒性好的优点，根据系统控制对象调节参数，不会随被控对象特性产生较大变化，适用于工业工程。

（2）控制系统。车辆转向中，为增强车辆转向稳定性，需合理控制电动助力转向系统。车辆行驶时出现转向，输入转向盘转角信号向转矩信号转变，ECU接收转矩信号和车辆速度信号，处理分析即可获得电流信号，减去助力电机运转的电流信号，可通过信号转换进行控制转矩输出，经过执行机构达到控制效果。根据实际转向系统情况，利用PID控制助力转向，在AMESim软件构建模型，创建接口，输入量助力特性曲线图和反馈电流，从模型输入值接口，设置系统参数，进入仿真模式，PID结合软件采集助力特性曲线及反馈电流，借助PID控制电压信号，提高车辆稳定性。

4 汽车主动悬架和电动助力转向结构集成控制

4.1 提出集成控制

悬架和转向系统集成控制中，能够利用转向系统提供助力矩，经过转向机构作用至车轮，地面能够产生横向力，加快车辆横向加速度，使得车辆进行离心运动，存在惯性作用会使得车辆倾斜，影响悬架控制侧倾角与动挠度。悬架系统中，输入路面干扰会造成侧倾、俯仰、簧载质量垂向运动，需重新分配车辆车轮荷载，影响转向控制。而集成控制中，可分为协调、分散及集中控制，其中，集中控制是对整体子系统构件数学模型，设置控制器实现集成控制，子系统互相耦合，可采取现代控制理论设计控制器，却由于控制器与系统模型阶数高，难以有效实施;协调控制能够单独建立子系统模型，设置控制器，以上层协调方式调节系统耦合关系。协调控制便于扩展系统，提高可靠性，设计便捷，本文采取协调控制方式，实现主动悬架和电动助力转向集成控制。

4.2 协调控制过程

在协调悬架和转向系统中，需设计独立悬架控制器，增强系统鲁棒性与模型精确性，建模中考虑不确定因素，对于转向和悬架系统相互影响、作用不考虑，简化设计控制器任务，降低系统建模难度。在单独涉及转向控制器中，也不考虑相互影响，采取简单线性二自由度模型和转向系统模型设计控制器，完成独立控制器后，考虑系统耦合关系，以此实现集成控制，直接将独立控制器接入整车系统，无需对控制器重新设计，利用上层协调器对系统耦合关系加以协调（见图2）。

汽车转弯中，EPS系统结合方向盘操纵转矩与转角输入调节助力转矩，SAS控制器结合车辆状态进行询价系统调节，不考虑协调控制，系统将根据最佳性能完成单独控制，使得车辆横摆角速、侧倾角及悬架动扰度难以达到优化状态，较大的车身侧倾角，会导致汽车产生危险情况。利用协调控制中，控制器需结合车身俯仰角、横摆角速度、侧倾角度等状态信号，协调EPS与SAS系统，以模糊控制设计协调控制器。在控制中，汽车信号输入控制器，输出额外作用力用于SAS系统，产生作用力控制悬架，车辆左转中，以左前轮为例，协调控制器的辅助作用将会根据悬架动挠度增大逐渐减小。

协调控制器采取单输出、输入一维控制器，根据输入信号设置单独控制器，各有规则库与隶属度函数，使得助力系统和往外作用力均由4个输出量叠加构成，通过调节加权系数，协调控制中控制输入信号大小，通过转变甲醛稀释，增加对横摆加速度与侧倾角度控制。例如，车辆左前轮，以悬架动挠度为输入量，基本变化量是[-0.1，0.1]，量化因子选择10，控制偏差E论域，划分语言变量为模糊集，隶属函数应用三角函数。输出量论域Z同样划分语言变量为模糊集，以重心法计算，输出比例系数是150，获得等效辅助数值，重复上述计算过程，进行协调控制。

结语

综上所述，本文建立路面模型、主动悬架模型及电动助力转向模型，立足于模糊控制阀与PID控制措施，设计汽车控制器，采取单输出、输入一维控制器，根据输入信号设置单独控制器，实现协调控制，可有效降低轮胎动位移与悬架动挠度，改善汽车稳定性。

參考文献：

[1]纪文煜.基于模型驱动架构的电动汽车电动助力转向系统可靠性研究[J].太原城市职业技术学院学报，2021（07）：205207.

[2]张文杰，刘言强.解析新能源车辆电动助力转向系统控制策略[J].内燃机与配件，2020（22）：203205.

[3]李志鹏，那少聃，常子凡.自抗扰控制的车辆电动助力转向系统回正控制[J].哈尔滨工程大学学报，2020，41（07）：10661072.

[4]张志勇，蒋文杰，李博浩，王建波.轮毂驱动电动汽车的差动助力转向与回正控制[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2019，16（04）：8593.

[5]陈潇凯，王晨宇，施国标.车辆主动悬架与电动助力转向系统协同优化[J].吉林大学学报（工学版），2020，50（04）：11531159.

[6]刘志尚，段敏.四轮独立驱动电动汽车EPS转向特性研究[J].汽车实用技术，2019（04）：3235.

[7]王文庆，李锋，魏红梅.电动自行车重力感应转向灯设计[J].智富时代，2018（11）：144.

[8]曹景胜，李刚，段敏，师合迪，刘丛浩.基于驾驶模拟器硬件在环的EPS助力特性研究[J].中国科技论文，2018，13（16）：18641870.

[9]于永初.关注未来汽车技术，让汽车转向器更智能[J].汽车工艺师，2018（06）：4547.

[10]曾建力，程海涛.液罐车电动助力转向和主动悬架集成控制研究[J].汽车零部件，2016（03）：2326.