汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究

□ 楊文興 □ 楊俊智 □ 周 強，

1.蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院 蘭州 730050

2.蘭州電源車輛研究所有限公司 蘭州 730050

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是指通過通信網(wǎng)絡(luò)連接各部件的控制系統(tǒng)，它替代了傳統(tǒng)的機械或液壓連接，取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪的機械連接，占據(jù)空間小，并可減少汽車發(fā)生碰撞時對駕駛員的傷害；系統(tǒng)轉(zhuǎn)動效率高，響應(yīng)時間短，控制單元接收各種數(shù)據(jù)，可以在瞬時轉(zhuǎn)向條件下，立刻提供轉(zhuǎn)向動力，轉(zhuǎn)動車輪。取消轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器后，有利于提高汽車碰撞安全性和整車主動安全性。交通工具如汽車、輪船、飛機都可以采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從而大大改善駕駛特性，增強車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國外的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì) 50年代，TRW 和德國 Kasselman等對SBW系統(tǒng)的概念作了大膽的設(shè)想［1］，將方向盤與轉(zhuǎn)向車輪之間用控制信號代替原有的機械連接。在日內(nèi)瓦國際汽車展覽會上，意大利的Bertone汽車設(shè)計及開發(fā)公司曾展示了新型概念車“FILO”?！癋ILO”采用“Drive-By-Wire”系統(tǒng)，所有的駕駛動作都通過信號傳遞。它使用操縱桿進行轉(zhuǎn)向操作，并采用最新的42V供電系統(tǒng)。澳大利亞昆士蘭大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)分別研究了線控轉(zhuǎn)向的硬件在環(huán)試驗、主動轉(zhuǎn)向控制策略以提高操縱性和安全性。SKF的汽車分部推出了一款稱為Novanta的新型線控汽車，已經(jīng)批量生產(chǎn)。

1.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

吉林大學(xué)以多自由度整車動力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的方向盤回正力矩模型和前輪轉(zhuǎn)向控制的關(guān)鍵問題進行了初步研究，為SBW系統(tǒng)的進一步研究開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)［2-3］。江蘇大學(xué)應(yīng)用鍵合圖理論建立SBW系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，仿真SBW系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)向特性［4］。武漢理工大學(xué)應(yīng)用智能控制方法對SBW系統(tǒng)轉(zhuǎn)向變傳動比和路感模擬控制策略進行研究［5］。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種全新概念的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖1所示，它由方向盤、主控制器、車輪轉(zhuǎn)向3個主要模塊以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。

方向盤模塊包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機。方向盤模塊的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量方向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器；同時接受ECU送來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信號。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機、轉(zhuǎn)向電機控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的功能是接受ECU的命令，控制轉(zhuǎn)向電機實現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。ECU對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向方向盤回正力矩電機和轉(zhuǎn)向電機發(fā)送命令，控制兩個電機的工作。自動防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要模塊，它包括一系列監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和等級作出相應(yīng)處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。汽車的安全性是必須首先考慮的因素，是一切研究的基礎(chǔ)，因而故障的自動檢測和自動處理是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的組成系統(tǒng)之一。

2.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

其工作過程為：來自轉(zhuǎn)向盤傳感器和各種車輛當(dāng)前狀態(tài)的信息送至電子控制子系統(tǒng)后，利用計算機對這些信息進行控制運算，然后對車輛轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)發(fā)出指令，使車輛轉(zhuǎn)向。同時車輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向阻力傳感器給出的信息也經(jīng)電子控制子系統(tǒng)傳給轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)中模擬路感部件，工作原理如圖2所示。

圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理圖

3 線控轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳感器技術(shù)

現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展特征之一就是越來越多的部件采用電子控制。汽車電子控制系統(tǒng)控制效果依賴于傳感器的信息采集和反饋的精度，傳感器科技含量直接影響整個汽車電子控制系統(tǒng)的性能。汽車SBW系統(tǒng)需要的相關(guān)傳感器有：角位移傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等。

3.2 動力電源

動力電源承擔(dān)著SBW系統(tǒng)中電子控制單元，2個轉(zhuǎn)矩反饋電機功率大約為50～80 W、4個電機的供電（2個冗余轉(zhuǎn)矩反饋電機和2個冗余轉(zhuǎn)向電機），2個轉(zhuǎn)向電機功率大約為500～800 W，電源負荷相當(dāng)重，因此要保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，動力電源的性能至關(guān)重要。隨著電子元件及其高功耗零部件的不斷增加，使汽車負荷成倍增加。若繼續(xù)維持12V供電系統(tǒng)，就必須通過提高電流來獲得更大的功率，但是過高的電流將給整個系統(tǒng)帶來安全隱患，汽車電路上的熱能消耗大大增加，所以汽車供電系統(tǒng)必須提高電壓以滿足現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)負荷日益增長的需要，于是，42V供電系統(tǒng)應(yīng)運而生。42V電源的采用也為發(fā)展SBW系統(tǒng)創(chuàng)造了條件：電動機的質(zhì)量減輕了20%，減小了線束直徑，降低了設(shè)計與使用成本，方便安裝，降低了負載電流，提高了電子元件的集成度等。這些優(yōu)點對其開發(fā)具有決定性的影響，必將大大推動SBW系統(tǒng)的電動機以及相關(guān)部件的發(fā)展。

3.3 總線技術(shù)

汽車各電子系統(tǒng)的ECU如何進行信息通信及各系統(tǒng)如何進行集成，在很大程度上依賴于總線技術(shù)。目前存在著多種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，未來會使用具有高速實時傳輸特性的一些總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這一類總線標(biāo)準(zhǔn)主要有時間觸發(fā)協(xié)議（TTP）、Byteflight和 FlexRay。TTP是一個應(yīng)用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議，能夠支持多種容錯策略，具有節(jié)點恢復(fù)和再整合功能；BMW公司的Byteflight可用于汽車線控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，其特點是既能滿足某些高優(yōu)先級消息需要時間觸發(fā)，以保證確定延遲的要求，又能滿足某些消息需要事件觸發(fā)，需要中斷處理的要求；FlexRay是一種特別適合下一代汽車應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，具有容錯功能和確定的消息傳輸時間，能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求?；诳偩€技術(shù)的SBW系統(tǒng)將傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變成通過高速容錯通信總線相連的電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化。

3.4 可靠性技術(shù)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展過程中最大的困擾是可靠性問題。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間沒有直接的機械連接，當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，車輛將無法保證轉(zhuǎn)向功能，會處于失控狀態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展，電控系統(tǒng)的可靠性不斷得到提高，在系統(tǒng)設(shè)計中大量引入了“冗余設(shè)計”的理念，比如：傳感器的冗余、電機的冗余、車載電源系統(tǒng)的冗余等，使線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性得到了明顯提高。

為保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有充足的電能供應(yīng)，而且為防止電源故障，必須使用更加安全的42V電源系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)向盤下方安置2個轉(zhuǎn)向傳感器，保證可以辨識出駕駛員的操縱意圖。轉(zhuǎn)向盤電機的供電采用了兩路冗余設(shè)計；為保證轉(zhuǎn)向盤電機損壞時也可以施加回正力矩，在轉(zhuǎn)向盤下方安裝1個扭轉(zhuǎn)彈簧或者安裝第二個轉(zhuǎn)向盤電機。為保證車輛前輪具有轉(zhuǎn)向能力，使用了兩路轉(zhuǎn)向電機，相應(yīng)地配備了2個轉(zhuǎn)向傳感器。在ECU的設(shè)計和控制軟件的設(shè)計上也都采用了冗余設(shè)計的思想。由于采用了上述種種措施，大大提高了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，為SBW系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用提供了保障。

4 結(jié)束語

應(yīng)用汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)以求獲得最佳的汽車轉(zhuǎn)向性能，提高了汽車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性，使汽車實現(xiàn)一定的智能化。汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展代表著未來汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展方向，并將在汽車轉(zhuǎn)向領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位。我國的線控轉(zhuǎn)向技術(shù)研究相對來說還是空白，無法與國外相比。在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種適合消費者的新技術(shù)，從我國現(xiàn)有條件出發(fā)，對該系統(tǒng)進行深入、細致的研究，對于拓展電氣傳動技術(shù)的應(yīng)用、加快國產(chǎn)汽車的電子化發(fā)展以及提供未來智能汽車駕駛技術(shù)的支持，都將具有深遠的意義。

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