大客車新型電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著我國公路條件的不斷改善和國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，作為高速公路客運(yùn)主力運(yùn)輸裝備的大客車產(chǎn)銷量迅速增長。由于大客車載員多，運(yùn)距長，油耗大，其安全性和能耗問題日益受到重視。目前，大客車普遍采用固定助力特性的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，簡稱為HPS），轉(zhuǎn)向泵輸出流量設(shè)計(jì)原則以滿足最大轉(zhuǎn)向阻力工況（即原地轉(zhuǎn)向或低速轉(zhuǎn)向）時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性為主，因此，汽車在中高速行駛時(shí)由于轉(zhuǎn)向阻力矩減小但輸出的助力并未減小，導(dǎo)

2、致方向盤“發(fā)飄”，“路感”明顯降低，在過彎道、變道、緊急避讓等工況下容易出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，引起碰撞、翻車等事故。此外，大客車運(yùn)行過程中，無論是否處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)，HPS轉(zhuǎn)向泵一直在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而汽車大部分時(shí)間處于直行工況，轉(zhuǎn)向泵輸出的液壓能經(jīng)管路和各種閥類元件后成為熱量而散發(fā)了，增加了HPS系統(tǒng)的無效能耗。目前，在乘用車和輕型商用車上逐漸推廣應(yīng)用的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)油泵式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖具有良好的操縱安全性、輕便性和節(jié)能性，但由于所能提

3、供的助力較小，不能滿足前軸載荷較大的大客車的轉(zhuǎn)向助力需要。在國外，中大型客車用電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已得到良好應(yīng)用，顯著改善了整車安全性和節(jié)能性。在我國，相關(guān)研究開發(fā)工作近幾年才開始，與國外相比還有較大差距，許多關(guān)鍵技術(shù)尚未取得突破，還未見到較好的應(yīng)用實(shí)例。因此，研究開發(fā)適合大客車的新型電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，既滿足大客車在不同車速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和路感要求，又克服HPS高能耗的缺點(diǎn)，成為車輛工程技術(shù)領(lǐng)域迫切需要解決的難題，具有重要意義。
　　

4、本文研究一種大客車新型電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electric Controlled HydraulicPower Steering，簡稱為ECHPS)，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將新型電液比例閥內(nèi)置于傳統(tǒng)HPS動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，通過隨速調(diào)節(jié)比例閥開度實(shí)現(xiàn)可變助力特性，可有效提高大客車高速行駛時(shí)的操縱安全性，并降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不轉(zhuǎn)向時(shí)的無效能耗。由于大客車行駛工況復(fù)雜多變，所以對(duì)新型ECHPS的可變助力特性的實(shí)時(shí)精確控制要求高;考慮到工程應(yīng)用的可行性，要求電液比例閥

5、具有良好的結(jié)構(gòu)集成性和性價(jià)比，所以電液比例閥的設(shè)計(jì)研制難度較大。為了解決大客車新型ECHPS在實(shí)際應(yīng)用的瓶頸技術(shù)問題，必須在ECHPS設(shè)計(jì)方法、控制理論與應(yīng)用及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)上尋求突破。
　　本文從大客車ECHPS的理想助力特性研究與設(shè)計(jì)、新型電液比例閥設(shè)計(jì)研制、基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)面控制理論的ECHPS控制及主要關(guān)鍵技術(shù)、ECHPS與整車性能匹配仿真、控制器硬件和軟件開發(fā)、臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。論

6、文主要研究工作如下:
　　首先，在深入研究車輛轉(zhuǎn)向阻力矩形成機(jī)理及影響因素基礎(chǔ)上，建立了包含轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整車和輪胎模型的大客車AMESim模型，仿真得到采用HPS時(shí)大客車各車速下的等效轉(zhuǎn)向盤力矩;在綜合分析通用汽車、豐田汽車、吉林大學(xué)等研究的乘用車駕駛員偏好的轉(zhuǎn)向盤手力特性普遍規(guī)律基礎(chǔ)上，充分考慮大客車新型ECHPS的性能要求和工作特性，結(jié)合大客車實(shí)際行駛典型工況，首次在大客車道路試驗(yàn)中在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向助力大小，獲得了各安全

7、車速范圍內(nèi)大客車駕駛員偏好的轉(zhuǎn)向盤輸入手力，填補(bǔ)了該研究領(lǐng)域試驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白;結(jié)合仿真與試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)大客車ECHPS的助力特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得了滿足大客車性能需求的理想可變助力特性曲線。
　　第二，針對(duì)ECHPS系統(tǒng)中液動(dòng)力、摩擦力對(duì)電液比例閥穩(wěn)態(tài)特性影響明顯的技術(shù)難題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了銜鐵與閥芯一體式的新型電液比例閥;利用電磁場分析專業(yè)軟件Ansoft建立比例閥電磁仿真模型，對(duì)比例閥中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù):隔磁環(huán)倒角角度、隔磁環(huán)位置等進(jìn)行仿真優(yōu)化

8、，將優(yōu)化改進(jìn)后的比例閥進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制特性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)與仿真特性曲線基本吻合，表明所設(shè)計(jì)的新型電液比例閥具有良好的水平位移-力特性、穩(wěn)態(tài)控制特性等性能。
　　第三，針對(duì)大客車行駛工況復(fù)雜多變，ECHPS對(duì)電磁、液壓動(dòng)態(tài)參數(shù)敏感，外部干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，利用反演動(dòng)態(tài)面控制在處理非線性、參數(shù)不確定性方面的顯著優(yōu)勢，提出了基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)面控制的電液比例閥控制策略，通過遞推方式構(gòu)造Lyapunov函數(shù)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，在虛擬控制律設(shè)計(jì)中引入一階濾

9、波器消除高階微分項(xiàng);將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在逼近不確定函數(shù)方面的優(yōu)勢與動(dòng)態(tài)面控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了電液比例閥RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)面控制系統(tǒng)，分析了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性;對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)輸入下閥芯位移輸出響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)面控制顯著了提高比例閥閥芯位置控制精度，縮短了響應(yīng)時(shí)間，抗干擾能力強(qiáng)，解決了全工況下閥芯位移適時(shí)精確控制的難題。
　　第四，建立了大客車新型ECHPS整車控制系統(tǒng)模型，對(duì)各典型工況下車輛操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真。

10、通過對(duì)比分析，在低速轉(zhuǎn)向時(shí)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)面控制的ECHPS具備與HPS同樣良好的轉(zhuǎn)向輕便性，在中高速時(shí)，ECHPS平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩增大，路感增強(qiáng)。表明所設(shè)計(jì)的大客車新型ECHPS控制系統(tǒng)能較好的滿足車輛低速轉(zhuǎn)向輕便和中高速轉(zhuǎn)向時(shí)的路感要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向盤大角速度輸入下，將動(dòng)態(tài)面控制切換至滿足車輛緊急轉(zhuǎn)向時(shí)操縱安全要求的電流補(bǔ)償力矩控制策略，仿真表明電流補(bǔ)償控制能提高車輛緊急轉(zhuǎn)向時(shí)助力效果，提高了車輛行駛安全性。
　　第五，研

11、究開發(fā)了以英飛凌XC886為微處理器，包括車速信號(hào)、位移信號(hào)處理模塊、電液比例閥驅(qū)動(dòng)模塊的ECHPS控制器硬件，控制單元具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)采集和系統(tǒng)控制功能，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)思想開發(fā)了控制器的軟件程序，包括EHCPS主程序、車速、位移信號(hào)采集、PWM輸出子程序，將控制硬件與軟件進(jìn)行集成調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期效果，為ECHPS臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　最后，對(duì)新型ECHPS進(jìn)行了可變助力特性臺(tái)架試驗(yàn)，并首次進(jìn)行了裝配ECHPS系統(tǒng)的

12、SLK6118型大客車實(shí)車轉(zhuǎn)向輕便性、空載和滿載蛇形、轉(zhuǎn)向盤中間位置等操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)，以及ECHPS和HPS能耗對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析吻合。結(jié)果表明，新型ECHPS具有與傳統(tǒng)HPS同樣良好的低速轉(zhuǎn)向輕便性;在蛇形工況，車速為70km/h時(shí)，與傳統(tǒng)HPS相比，轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩峰值和標(biāo)準(zhǔn)差分別增強(qiáng)了20.36％和19.15％，表明采用新型ECHPS后，駕駛員“手感”明顯加強(qiáng)。在轉(zhuǎn)向盤中間位置試驗(yàn)車速為70km/h時(shí)，側(cè)向加速度為0g