三轴电控电动式全轮转向系统设计与控制研究.pdf

三轴电控电动式全轮转向系统设计与控制研究
The design and control of all-wheel steering system for three-axle vehicle
袁磊,刘西侠,刘维平,李炯
YUAN Lei, LIU Xi-xia, LIU Wei-ping, LI Jiong
(中国人民解放军装甲兵工程学院机械工程系,北京100072)
摘要:系统方案的合理确定和控制算法的选择是三轴车辆全轮转向系统设计过程中的两个关键问题。
首先针对三轴车辆全轮系统方案确定问题,设计了一套电控电动式的全轮抟向系统,并对系
统涉及的关键环节进行了分析。同时,针对通常采用的侧偏角比例控制全轮转向系统,高
速转向时车辆横摆角速度增益过小,系统魯棒牲不好的题,基于魯棒控制理论,设计了零
圆偏角比控制前馈和H2/H棒控制反的全轮转向控制器,井对车辆牲能和车轮转角情况
进行了饩真分析,真结果表明:魯棒控制器能够保证车辆具有较为理想的质心側偏角和横
摆角速度,同时,相比而言,车辆状态参数响应和收敛速度更快,中后轴车轮转角更小。
关键词:三轴车辆;全轮专向;棒控制
中分类号:U463.4
文献标识码:A
文章绵号:1009-0134(2015)10(上)-0092-04
Doi:10.3969/∫j. issn.1009~0134.2015.19.26
0引言
面的研究较为广泛。因此,本文提出了基于零侧偏角
重型车辆和大型特种车辆的底盘通常在两轴以上,
比例前馈和H2/H鲁棒控制反馈的全轮转向控制,并进
由于其车身长,重心高,导致车辆通常低速机动性不
行了仿真分析。结果表明:该控制方式能够较为有效地
好,高速稳定性较差。全轮转向系统能够改善车辆的
改善车辆中高速响应特性
低速机动性和高速操纵稳定性,近几年得到了人们的普1全轮转向系统设计
遍重视。三轴车辆作为多轴车辆的一种典型代表,其全
三轴车辆电控电动式全轮转向系统方案设计主要从
轮转向系统的研究可进一步推广到多轴车辆上。三轴年
转向系统总体方案和系统控制逻辑两方面进行阐述。
辆全轮转向系统研究和应用过程中,系统方案的确定和
系统控制算法的合理选择是两个关键问题。
1.1全轮转向系统总体方案
目前,全轮转向系统的研究多集中在两轴车辆上,
全轮转向系统总体方案如图1所示。机械转向传动
其典型代表是尼桑公司的电控电动式四轮转向系统,该
方案采用齿轮齿条转向器,转向器位于前轴后方、转向
系统在英菲尼迪MS-9、M45等多款车上得到应用,较好
梯形后置的布置方式。该布置梯形臂较短、占用空间
地改善了车辆的操纵稳定性。电控电动式全轮转向系统
小、容易实现。
体积小、重量轻,可进一步推广到多轴车辆上,而对于
多轴车辆全轮转向系统设计的研究较少。对于全轮转向
系统方案的设计,主要包含转向梯形机构设计、转向系
统驱动方案设计、传感系统布置、转向控制算法实现
转向辅助控制逻辑设计等问题。
全轮转向系统的核心是全轮转向控制?。在多轴车
辆全轮转向控制的研究中,多数学者都选取了零侧偏角
比例控制。但零側偏角比例控制全轮转向车辆,高速转
向时横摆角速度增益较大;同时,由于路面条件、轮胎
参数和车速等系统参数的不确定性,导致控制器鲁棒性
1方向盘:2.前桥转向机构:3.中桥机构:4.后前转向机构:5.中桥带减速器电机
6.后桥带减速器电机:7.车速传感器;8横摆角速度传器:9.前轮转角传感器
不好回。鲁棒控制是一种解决对象模型不确定性和外界
10.中轮转角传器;11,后轮转角传忘器;12.控劇系统
扰动不确定性问题的有效方法,在两轴车辆全轮转向方
图1全轮转向系统总体方案
收稿日期:2015-05-07
基金项目:国家自然科学基金项目(51305457)
作者筒介:袁磊(1990-),男,云南宣威人,博士,研究方向为车辆总体技术。
92】第37卷第10期2015-10(上)
学免免ww.ututu.com
?性业自他
全轮转向系统方案确定主要包含三:个部分:1)机
根据图1所示,三轴车辆全轮转向二自由度模型,
械转向系统的设计,采用如图中3、4的中后桥转向机构可得车辆状态空间方程,如公式(1)所示。
设计,该机构采用齿轮齿条传动,把电机的旋转运动转
换为拉杆的平动;2)转向驱动方案设计,采用如图中
5、6的带减速器电机的驱动方案,电机根据控制系统提
供的控制信号实现对控制;3)转向控制系统和传感系
统的实现,采用PLC实现控制算法的开发,同时采用转
角传感器实现车轮转角的有效测量、采用车速传感器、
陀螺仪实现对车轮转角、车速和横摆角速度的测量。
2.1侧偏角比例前馈控制
1.2全轮转向系统控制逻辑
前馈控制器主要为了保证车辆质心側偏角较小和状
全轮转向系统的控制逻辑如图2所示,在系统控制
态参数响应速度较快。由阿克曼定理可表示出前馈比例
算法实现过程中,为保证车辆的通用性和系统安全性,
系数k和k?
需要加入转向模式选择开关、显示界面以及系统故障代
码输出电路。如图2所示。控制器在转向模式选择开关
选择全轮转向模式后,电控单元基于车轮转角信号和车
k =1-LU/L
辆状态参数信息输出后两轴电机驱动信号,实现对车辆
其中,L12和L:分别为1、2轴和1、3轴的距离,L1
转向的控制。
为车辆转向中心到一轴的距离。当车辆稳态转向时,车
辆满足B、r以及B为零,同时将82=k81,83=ん8和式(2
电控单
带入式(1)可得:
转向模式选择开关
电源电路外部电源
立ckらcwL-立 Ca >c4-mwec
前轮转角传感器
∑Qa4)-Ca∑CF-m2∑c
中轮转角传感器
信
转向驱动电机
谓7軍片机
将式(3)带入式(2)可得前馈比例系数k1和k2。
后轮转角传感器
理
动上转向模式指示
2.2混合鲁棒反馈控制
横摆角速度传感器
路
H2/H混合控制器能够很好地解决模型不确定性和
车速传感器
投障代码输出
外界干扰不确定性的问题,其本质就是寻找一个真实的
控制器K,使闭环控制系统满足闭环系统肉部稳定且从
图2全轮转向系统控逻辑
扰动到输出的闭环传递函数的H。范数和H2范数都小于
2全轮转向鲁棒控制
给定值,同时系统的闭环极点位于LMI区域内。输出反
馈HH。混合控制设计间题描述为图3,其中p、K为广
为保证车辆质心侧偏角为零和车辆横摆角速度增益义受控制矩阵和控制器η。
适中的控制目标,采用零侧偏角比例控制前馈和H3/H
鲁棒控制反馈的形式,车辆控制模型如图1所示。
图4输出反馈H2/H。控制间题结构
H2H混合控制设计问题的状态空间方程可描述为:
图3三轴车辆二自由度模型
图中,m为车辆总质量,I2为车辆绕z轴的转动惯
x=Ax+Bw+ By
量,C为等效车轮刚度,l为车辆质心到第i轴的距离,
z。=Cx+D21W+D。24
Z =Cx+D w+Du
6为各车轮转角,α为各车轮侧偏角,B为