汽车线控转向技术的发展与应用

汽车线控转向技术的发展与应用

汽车转向系统的基本性能是保证车辆在任何工况下转动转向盘时有较理想的操纵稳定性。随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化，汽车转向系统从传统的液压助力转向系统

（Hydraulic Power Steering System，HPS）、电控液压动力转向系统（Electronic Control Hydraulic Power Steering Sys-tern，ECHPS），发展到现在逐渐推广应用的电动液压动力转向系统（Electro-Hydraulic Power Steering System，EHPS）。近年来，汽车线控转向技术（Steer-ing-Bv-Wire，SBW）也成为国外的研究热点。SBW是X-By-Wire的一种。X-By-Wire的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。“X”表示任何与安全相关的操作，包括转向、制动，等等。

1 汽车线控转向系统的结构和基本原理

1.1 汽车线控转向系统的结构

汽车线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器（ECU）三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成，如图1所示。

方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号.并传递给主控制器：同时接受主控制

器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩.以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。

主控制器对采集的信号进行分析处理.判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。

自动防故障系统是线控转向系的重要模块.它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高汽车安全性能。

电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务，其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500-800 W，加上汽车上的其它电子设备，电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。

1.2汽车线控转向系统的原理简介

汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接.完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制.不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间。是汽车转向系统的重大革新。

方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号.并传递给主控制器：同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩.以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。

主控制器对采集的信号进行分析处理.判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。

自动防故障系统是线控转向系的重要模块.它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高汽车安全性能。

电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务，其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500-800 W，加上汽车上的其它电子设备，电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。

1.2汽车线控转向系统的原理简介

汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接.完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制.不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间。是汽车转向系统的重大革新。

汽车线控转向系统的工作原理如图2所示。用传感器检测驾驶员的转向数据.然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令：转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况。从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。

1.3汽车线控转向系统的特点

（1）提高汽车安全性能。去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害；智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理，并做出相应的调整；当汽车处于极限工况时，能够自动对汽车进行稳定控制。

（2）改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化。低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；高速行驶时，转向比率变大，获得更好的直线行驶条件。

（3）改善驾驶员的路感。由于转向盘和转向车轮之间元机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息.作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。

（4）增强汽车舒适性。由于消除了机械结构连接，地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上。从而减缓了驾驶员的疲劳：驾驶员的腿部活动空间和汽车底盘的空间明显增大。

2 汽车线控转向系统的主要技术发展

汽车线控转向系统的实现有如下的关键技术需要解决。

2.1 线控转向系统的稳定可靠及安全性问题

目前阻挠线控转向系统普及的一个重要因素是其可靠性问题，现在还无法在可靠性与成本之间取得一个很好的平衡。世界各大研究机梅正在就这一问题进行联合攻关，相信这一问题能够得到合理的解决。装载