汽车主动转向系统设计及控制特性研究.pdf

汽车与设计132023.6汽车主动转向系统设计及控制特性研究徐华磊（河北省汽车球铰链技术创新中心，保定市格瑞机械有限公司 河北 保定 071023）摘要：汽车主动转向系统是一种新型的车辆控制技术，可以通过电子控制单元实现车辆主动转向，减少驾驶员的方向盘转动操作，从而减轻疲劳感，这对于长时间驾驶的人来说尤为重要。汽车主动转向系统还能够实时监测车辆的运行状态，并根据路况和车速自动调整车轮的转向角度，确保车辆在紧急情况下能够快速、准确地响应驾驶员的指令，从而提高行车安全性、稳定性和操控性，因此对汽车主动转向系统设计进行研究至关重要。该文分析汽车主动转向系统的工作原理，并探讨其控制特性和设计优化方向，以更好地提升汽车主动转向系统性能，促进汽车行业的可持续发展。关键词：汽车；主动转向系统；控制特性作者简介：徐华磊，河北省汽车球铰链技术创新中心、保定市格瑞机械有限公司助理工程师，研究方向为车辆工程。汽车主动转向系统（Active Steering System）是一种现代汽车技术，它利用电子控制单元（ECU）和各种传感器监测车辆的运行状态，并通过调整车轮的角度改变车辆的行驶方向。在汽车诞生初期，所有的转向都是由驾驶员通过手动操作转向盘完成的，为了减轻驾驶员的驾驶负担，动力转向系统被研发出来。这种系统利用液压或电动机辅助驾驶员转向，从而使转向更加轻松。然而，其通常只能提供固定的转向助力，无法根据驾驶条件进行方向调整。为了解决固定转向比的问题，一些汽车企业开始使用可变转向比的系统，以根据车速来调整转向比，使车辆在高速行驶时转向更加稳定，在低速行驶时转向更加轻松。在不断的研究中，BMW 推出了主动转向系统。该系统不仅能根据车速调整转向比，还可以根据其他因素（如侧风、道路条件等）来调整转向，从而为驾驶员提供最佳的驾驶体验。此外，主动转向系统还可以在紧急情况下自动进行转向，以增强行驶安全性。因此，相较于传统的机械转向系统，主动转向系统能够更快速、准确地响应驾驶员的指令，提高车辆的稳定性、安全性和驾驶员的舒适度1。本文分析汽车主动转向系统的工作原理和设计方法，并探讨其控制特性和设计优化方向，从而更好地优化汽车主动转向系统设计，提升汽车转向性能。1 汽车主动转向系统工作原理汽车主动转向系统通过使用电子控制单元、传感器和执行器来实现自动调整车轮角度的功能，可以根据车辆的运行状态和驾驶员的操作快速准确地调整车辆方向，提高车辆的稳定性和操控性，从而提高驾驶舒适度和行车安全性2。通常，汽车主动转向系统会使用多个传感器来检测车辆的运行状态，包括车速、转向角度、加速度等。这些传感器将车辆的实时运行数据传输到电子控制单元进行分析和处理，从而检测车辆运行状态。电子控制单元根据传感器传输的数据，结合车辆的动态特性和驾驶员的操作，计算出所应调整车轮角度的大小和方向，之后再由执行器调整车轮角度。执行器由执行机构和自动化调节机构两部分组成，它们接受电子控制单元的指令，通过控制车轮转向机构调整车轮角度，从而实现车辆行驶方向的调整。在工作过程中，汽车主动转向系统会使用反馈机制实时监测车辆的运行方向和状态，以确保调整后的方向正确并且稳定。如果发现任何不正常的情况，汽车主动转向系统会通过警报或者减速等手段通知驾驶员，并且自动停止调整车轮角度。2 汽车主动转向系统设计影响因素对汽车主动转向系统进行深入分析，可以更好地了解汽车主动转向系统内部的构造，从而对汽车主动转向系统设计进行优化。汽车主动转向系统设计影响因素较多，比如传感器选择、控制算法设计、执行器选择、反馈控制等3。因此，设计者需要综合考虑车型特点、成本、驾驶员需求和目标市场等汽车与设计14汽车测试报告因素，以设计出高性能、强安全性的主动转向系统。一是传感器选择。汽车主动转向系统需要使用多个传感器来检测车辆的运行状态，包括车速、转向角度、加速度等。因此，设计者需要根据传感器的精度、响应速度、可靠性和成本等因素选择最合适的传感器。二是控制算法设计。控制算法是汽车主动转向系统的核心部分，它需要根据传感器检测的数据实时计算出所需调整的车轮角度大小和方向。在对汽车主动转向系统进行设计时，设计者需要考虑控制算法的复杂度、实时性、准确度和稳定性等因素，以实现对车辆的高精度控制。三是执行器选择。执行器是汽车主动转向系统的执行部分，它需要根据控制算法的指令快速准确地调整车轮角度。设计者需要选择最合适的执行器类型，例如电机、点火控制器等，并考虑执行器的响应速度、承载能力和可靠性等因素。四是反馈控制。反馈控制是汽车主动转向系统的重要部分，它可以实时监测车辆的行驶方向和状态，以确保调整后的方向正确并且稳定。针对反馈控制，设计者需要选择合适的反馈控制方法，例如车轮转角传感器、惯性传感器等，并考虑反馈控制的精度、响应速度和实时性等因素。3 汽车主动转向系统控制特性分析控制特性是汽车主动转向系统的重要性能指标之一，它直接影响车辆的操控性和稳定性。因此，在开展汽车主动转向系统设计时，要充分考虑到汽车主动转向系统的控制特性，优化主动转向系统的参数和控制策略，从而使汽车主动转向系统设计实现最优化。3.1动态响应特性汽车主动转向系统需要能够快速、准确地调整车轮角度，以实现车辆方向的调整。因此，其动态响应特性非常重要。设计者需要通过控制算法的优化和执行器的选择，实现系统的快速响应和高精度控制。3.2稳定性和可靠性特性汽车主动转向系统的稳定性特性是指系统在不同工况下的稳定性表现。因为车辆在运行中会受到各种外力的影响，所以设计者需要通过控制算法的优化和反馈控制的应用，实现汽车主动转向系统的稳定性控制，从而保证车辆行驶的稳定性和安全性4。此外，设计者需要考虑汽车主动转向系统的抗干扰能力、故障诊断能力和故障容错能力等因素，以确保系统的可靠性和安全性。3.3驾驶员习惯适应特性在汽车主动转向系统设计中，需要考虑驾驶员的操作习惯，从而使系统与驾驶员的操作习惯相适应。例如，汽车主动转向系统需要能够通过学习驾驶员的操作习惯，自适应地调整车辆的转向角度，从而提高驾驶员的驾驶体验。在分析汽车主动转向系统控制特性时，需要考虑包括动态响应特性、稳定性和可靠性特性、驾驶员习惯适应特性等在内的各种因素。同时，还要优化控制算法、选择合适的执行器和反馈控制方法，以提高汽车主动转向系统的性能。4 汽车主动转向系统设计优化方向对汽车主动转向系统工作原理、设计方法和控制特性进行分析，可以更好地总结出汽车主动转向系统设计优化方向，提高车辆的操控性、稳定性和安全性。为了进一步提高汽车主动转向系统的性能，在汽车主动转向系统设计中需要采用 5 种优化方法。4.1控制算法优化控制算法是影响汽车主动转向系统性能的关键因素之一5。采用模型预测控制、自适应控制等高级控制算法，可极大地提高系统的响应速度、精度和稳定性。第一，模型预测控制是一种高级控制算法，它通过建立数学模型来预测系统的响应，从而实现更高级的控制性能。在汽车主动转向系统设计中，可以建立车辆动力学模型，预测车辆的运动轨迹和转向角度，以实现更高级的转向控制。第二，自适应控制算法可以根据系统的变化来自适应地调整控制参数，从而实现更高级的控制性能，更好地适应不同的驾驶条件和路况变化。此外，要根据模糊控制算法，将模糊的输入信息转化为清晰的控制指令，从而提升控制性能，高效处理驾驶员的操作信息和环境信息，以实现更智能化的转向控制。4.2执行器选择优化优化执行器选择是提升汽车主动转向系统设计效果的一个重要途径。设计者需要根据车型特点、成本和性能需求等因素，选择最合适的执行器，以优化汽车主动转向系统性能。不同类型的执行器具有不同的特点和性能，在汽车主动转向系统中，可以采用高效的电机控制器和驱动器、液压控制器和液压马达来调整车轮角度，以实现更高精度的转向控制6。除此之外，可以采用电液混合系统来实现汽车与设计152023.6更高效的转向控制。其结合了电机和液压系统的优点，可以更好地优化汽车主动转向系统设计。4.3反馈控制优化反馈控制是汽车主动转向系统的重要控制方法之一。通过优化反馈控制，可以提高汽车主动转向系统的稳定性和精度。例如，可以采用先进的传感器技术和滤波算法，以提高反馈信号的精度和可靠性。高精度传感器可以提供更精确的反馈信号，从而实现更高精度的转向控制。在汽车主动转向系统中，可以采用高精度的角度传感器和陀螺仪等传感器7。此外，采用滤波算法可以去除传感器信号中的噪声和干扰，从而提高反馈信号的准确性和稳定性。因此，可以采用数字滤波算法和卡尔曼滤波算法等高级滤波算法，以提高反馈信号的精度和可靠性。还可以采用多传感器数据融合技术，将角度传感器、陀螺仪和视觉传感器等多种传感器获取的数据进行整合，通过对反馈控制的优化，促进汽车主动转向系统设计优化。4.4驾驶员适应性优化在优化汽车主动转向系统设计的过程中，设计者需要考虑驾驶员的操作习惯，从而使主动转向系统与驾驶员的驾驶习惯相适应。在汽车主动转向系统中，可以采用机器学习算法和人工智能技术来学习驾驶员的操作习惯，以自适应地调整转向角度和转向速度，从而优化转向控制。此外，驾驶环境是影响驾驶员适应性的重要因素之一。在汽车主动转向系统设计中，可以通过环境传感器和视觉传感器等来感知驾驶环境的变化，以提高驾驶员的驾驶体验。4.5多级安全保护优化汽车主动转向系统是一个非常关键的安全系统，其安全性非常重要8。为了提高汽车主动转向系统的安全性，设计者需要采用多级安全保护措施。第一，设置转向限制器，通过限制车轮角度的范围，避免转向过度或者转向失控等情况发生。第二，设置转向角度传感器，实时监测车轮的转向角度，从而及时发现和避免转向控制出现异常情况。第三，设置故障诊断与保护机制，通过检测和诊断系统故障，及时发现和修复故障，以保证系统的可靠性和安全性。汽车主动转向系统的优化需要从多个方面进行考虑，包括控制算法、执行器选择、反馈控制、驾驶员适应性和多级安全保护等方面。设计者需要根据成本和性能需求等因素优化系统的整体性能，并确保系统的可靠性和安全性。5 结束语未来，随着自动驾驶技术的发展和消费者需求的不断变化，汽车主动转向系统将面临更多的挑战和机遇。汽车制造商需要加强与各种研究机构和高校的合作，不断探索和创新汽车主动转向系统设计方法和技术。例如，引入人工智能技术和大数据分析技术，实现更加智能和高效的主动转向控制。此外，还可以探索新材料和新工艺，实现更加轻量化和经济化的主动转向系统设计，以更好地满足消费者和相关部门的需求，推动汽车工业的可持续发展。参考文献：1 魏家晓.基于永磁同步电机的汽车线控主动转向系统的控制策略研究 D .淄博:山东理工大学,2 0 2 1.2 毛吉伟.主动转向系统在提升汽车性能方面的创新 J .汽车与驾驶维修(维修版),2 0 1 7(6):1 4 3.3 黄炳华,陈祯福.汽车主动转向系统中转向阻力矩的分析与计算 J .武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2 0 0 8(6):9 1 2-9 1 5.4 赵树恩,张沙沙,刘文文.汽车主动转向系统变传动比特性研究 C /中国汽车工程学会.2 0 1 4中国汽车工程学会年会论文集.北京:机械工业出版社,2 0 1 4:1 1 8 9-1 1 9 4.5 马国宸,宋小文,王耘,等.汽车电动助力转向系统、防抱死系统与主动悬架集成控制 J .机械科学与技术,2 0 1 1(1 0):1 6 0 2-1 6 0 7.6 刘成恩.汽车主动转向系统设计及控制特性研究 D .重庆:重庆交通大学,2 0 1 7.7 赵树恩,刘成恩,刘文文.汽车主动转向系统变传动比及电机控制特性研究 J .机械设计与制造,2 0 1 7(S 1):1 7 4-1 7 8.8 张可启.基于线控主动转向系统的汽车稳定性控制研究 D .重庆:重庆交通大学,2 0 1 8.