一、前言

由于近年来电动助力转向系统具有液压助力转向系统所不能比拟的许多优点，因而逐渐在国内外许多车型上得到应用，并有逐渐取代液压助力转向系统的趋势。

电动助力转向系统使用电机作为执行器，来提供转向助力。但是，电机的惯量、阻尼和摩擦对转向系统的回正性能也带来了不良的影响。与机械式转向系统相比，电动助力转向系统的回正性能下降。

因此，必须在电动助力转向系统的控制策略中采用回正与主动阻尼控制，以改善系统的回正性能。

我们提出一种转向盘转角PID闭环控制加转向盘力矩门槛值的回正与主动阻尼控制策略。根据该控制策略，为了改善系统的回正性能，有可能需要施加较大的回正力矩或阻尼力矩；但是，由于施加回正力矩或阻尼力矩时，转向盘力矩的值都比较小（小于设定门槛值，一般为2N·m），因此微小的力矩变化就可能影响到驾驶员的操纵手感。由此可以看出，该算法无法解决车辆的回正性能和驾驶员操纵手感之间的矛盾。

作者提出一种新型的回正与主动阻尼控制策略。该策略以功能原理为理论基础，可以在不影响驾驶员操纵手感的前题下，改善车辆的回正性能。

二、回正与主动阻尼控制策略

在低速时，车辆的回正性不好，转向盘无法准确回到中间位置，影响了车辆的直线行驶性能。在高速时，车辆的横摆阻尼变小，转向盘回正时容易出现回正超调，影响了车辆的稳定性。在中等车速时，随转向盘转角大小的不同，车辆既可能出现回正不足也可能出现回正超调的现象。

因此，必须随着车速和转向盘转角的不同，施加不同的控制，以改善车辆的回正性能。

（一）车辆转向与回正过程的理论分析

图1所示为车速30km/h时测得的转向盘力矩转角曲线。测试时，电机离合器处于结合状态；但是对电机没有进行任何控制。从图中可以看出，在一定的侧向加速度范围内，转向盘力矩和转角基本上是线性关系。

为便于分析，将曲线进行理想化处理后。图中k为转向盘力矩转角曲线的斜率，αsr为车辆开始回正时的转向盘转角。

在车辆转向过程中，驾驶员主要需克服3部分阻力矩：（1）轮胎和路面之间的回正力矩；（2）转向系统的摩擦力矩；（3）转向系统的阻尼力矩。相应的，驾驶员所作的功就等于这3部分力矩作功之和。

在一般情况下，转向时的转动速度都不会太快，故而可以忽略阻尼力矩的影响。

轮胎和路面间的回正力矩

ξ为轮胎的总拖距，Kf为前轮的侧偏刚度，β为车辆质心处的侧偏角，lf为车辆质心到前轴的距离，r为车辆的横摆角速度，v为车辆质心的纵向车速，δ为车辆的前轮转角，Fzf为前轮的垂向载荷，D为主销内移量，σ为主销内倾角。 是由车辆侧向力引起的回正力矩，主要在高速时起回正作用；0.5FzfDsin（2σ）sinδ由车辆重力引起的回正力矩，主要在低速时起回正作用。这两者互相补充，使汽车在整个车速范围内都具有适当的回正作用。

在忽略转向系统的阻尼力矩后，A部分的面积SA就代表转向系统的摩擦功；B部分的面积SB则代表克服摩擦功后，储存在轮胎中的能够使车轮产生回正运动的势能，简称回正势能。驾驶员所作的功就是A、B两部分的面积之和即SA SB。

摩擦功和回正势能示意图

在车辆回正的过程中，如果SB=SA，那么轮胎中的回正势能就可以完全克服转向系统中的摩擦功，使转向盘正好回到中间位置，驾驶员不需要对转向系统施加任何控制。如果SB<SA，就意味着轮胎上的回正势能不足以克服转向系统中的摩擦功，转向盘无法回到中间位置，出现回正不足的现象，此时为了使车辆回到直线行驶状态，驾驶员就必须将转向盘拉到中间位置。如果SB>SA轮胎上的回正势能在克服转向系统中的摩擦功之后还有剩余，转向盘将出现回正超调的现象，这种情况下，为了避免转向盘的回正超调，驾驶员必须扶着转向盘，额外地施加一定的阻尼作用。

当SA=SB时，车辆刚好可以完全回正，记此时的转向盘转角为αnr。当车辆开始回正时的转向盘转角αsr小于αnr时，SB<SA，车辆会出现无法回正的现象。反之，当车辆开始回正时的转向盘转角αsr大于αnr时，SB>SA，车辆会出现回正超调的现象。

车速40km/h时，不同转向盘转角的情况下，车辆的撒手回正试验结果。当车速为40km/h，转向盘转角为-44°时进行撒手回正试验（此时车辆侧向加速度为2.5m/s2），残留的转向盘转角为-4°；当转向盘转角为-87°时进行撒手回正试验（此时车辆侧向加速度为4.5m/s2），残留的转向盘转角为 20°。

从这一现象中可以得出结论：在一定车速下，随着转向盘转角的增大，车辆的回正性能发生了改变，从回正不足变成了回正超调。

（二）回正控制策略

在某一车速下，当车辆开始回正时的转向盘转角αsr<αnr时，就要进行回正控制。

施加的回正力矩所作的功要等于A、B两部分面积之差。回正功

回正力矩的方向与转向盘转角的方向相反。由于在车辆整个回正过程中，都有回正力矩作用在转向系统上，因此，该回正力矩的绝对值虽然很小，但是却可以达到提高车辆回正性能的目的。并且与转向盘力矩相比，该回正力矩的相对值也比较小，因此不会影响驾驶员的操纵手感。

（三）主动阻尼控制策略

在某一车速下，当车辆开始回正时的转向盘转角αsr>αnr时，就要进行主动阻尼控制。

施加的阻尼力矩所作的功也要等于图3中A、B两部分面积之差。

阻尼力矩的方向与转向盘转角的方向相同。因为在车辆整个回正过程中，都有阻尼力矩作用在转向系统上，所以，该阻尼力矩的绝对值虽然很小，但是却可以达到抑制车辆回正超调的目的。并且与转向盘力矩相比，该阻尼力矩的相对值也比较小，因此不会影响驾驶员的操纵手感。

（四）车速对关键控制参数k和αnr的影响

在不同车速下，对车辆进行转向盘转角正弦输入，记录转向盘力矩和转角的时间历程，可得到各个车速下的转向盘力矩转角曲线。

根据各个车速下的转向盘力矩转角曲线的斜率k。

有2种方法可以得到不同车速下能够使车辆完全回正的转角αnr的具体数值：（1）几何法，即在转向盘力矩转角曲线上找寻一个转角α，由该转角所确定的A和B两部分的面积相等，则该转角即为αnr；（2）试验法，即在不同车速下进行车辆的撒手回正试验，找寻到一个转角，在该转角下进行试验可以使得车辆完全回正，则这个转角就是αnr。一般来说，几何法比较复杂，且精度不高，故多采用试验法得到αnr。

车速对转向盘力矩转角曲线的斜率k和能够使车辆完全回正的转角αnr有显著的影响。文中将给出利用上述试验方法，在试验车上（昌河北斗星）得到的不同车速下的k和αnr。

k随着车速的升高而增大。这就意味着，在转向盘转角相同的情况下，随着车速的升高，转向盘力矩增大。

与k相反，αnr随着车速的升高而减小。也就是说，随着车速的升高，车辆的回正性能得到了改善。

三、实车试验

（一）试验系统

为了缩短开发周期，采用了快速控制原型法，使用dSPACE硬件系统，内嵌可以在线修改的电动助力转向系统控制策略，在实车上进行了试验。

在试验过程中，试验人员通过Control Desk软件，将控制策略下载到dSPACE硬件中；同时，可以通过Control Desk软件实时监控系统中的各个信号，及时了解系统的工作情况。dSPACE硬件承担ECU的功能，它负责接收各个传感器的信号，并且根据内嵌的控制策略计算出电机的目标电流，然后发指令给电机，提供相应的力矩。

（二）试验结果

1．回正控制

在试验车速为20km/h、车辆侧向加速度为4m/s2时，进行撒手回正试验。无回正控制和有回正控制时的转向盘转角的时间历程对比。从图中可以看出，无回正控制时，驾驶员撒手3s后，残留的转向盘转角为-50°；而有回正控制时，驾驶员撒手3s后，残留的转向盘转角为-12°。结果说明回正控制改善了车辆低速时的回正性能。

2．主动阻尼控制

在试验车速为40km/h、车辆侧向加速度为4.5m/s2时，进行撒手回正试验。无主动阻尼控制和有主动阻尼控制时转向盘转角的时间历程对比。从图中可以看出，无主动阻尼控制时，驾驶员撒手3s后，残留的转向盘转角为 13°；而有回正控制时，驾驶员撒手3s后，残留的转向盘转角为-1°。说明主动阻尼控制抑制了车辆中高速时的回正超调现象。

四、结束语

从理论上分析车辆转向与回正过程，提出了基于功能原理的回正与主动阻尼控制策略。实车试验结果证明，回正与主动阻尼控制策略不但能改善车辆低速时的回正性，而且可以抑制车辆中高速时的回正超调现象。在实车试验过程中，回正与主动阻尼控制并没有给驾驶员的操纵手感带来不良影响。