汽車線控轉(zhuǎn)向控制技術(shù)綜述

陳龍浩

摘 要：汽車的操縱性能決定了汽車的舒適性、安全性等關(guān)鍵性能，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接決定了汽車的操縱性能。為了改進(jìn)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的控制研究顯得尤為重要，文章對于線控轉(zhuǎn)向控制的核心進(jìn)行介紹，將線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)核心的控制分為三部分，路感模擬控制、主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、故障診斷與容錯(cuò)控制。詳細(xì)說明了每一部分目前的研究現(xiàn)狀，并對于不同的方法進(jìn)行了比較分析。最后對于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的瓶頸和發(fā)展的前景作出了分析。

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng);控制策略;發(fā)展前景

中圖分類號：U463.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988（2020）19-253-05

Overview of automobile steering by wire control technology

Chen Longhao

（Chongqing vehicle inspection and Research Institute Co.， Ltd.， National Coach Quality Supervision

& Inspection Center， Chongqing 401122）

Abstract： The car's handling performance determines the car's comfort， safety and other key performance， and the steering system directly determines the car's handling performance. In order to improve the performance of automobile steering system， the control research of steer by wire technology is particularly important. This paper introduces the core of steer by wire control. The core control of steer by wire system is divided into three parts： road sense simulation control， active steering control， fault diagnosis and fault-tolerant control. The paper describes the current research status of each part and the different methods. Finally， the bottleneck and development prospect of steer by wire system are analyzed.

Keywords： Steer by wire system; Control strategy; Prospects of development

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-253-05

前言

隨著汽車技術(shù)的日益革新，在轉(zhuǎn)向方面，各公司與科研機(jī)構(gòu)取得了長足進(jìn)步。汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展從最初的機(jī)械轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向，發(fā)展為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。但為了進(jìn)一步地提高各項(xiàng)性能，目前各大機(jī)構(gòu)和企業(yè)都著手研究關(guān)于線控轉(zhuǎn)向方面的技術(shù)。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即用電信號的傳遞與控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)。同時(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤上的阻力矩也由電機(jī)模擬產(chǎn)生，可以自由地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳遞特性和力傳遞特性[1]。在改善路感、改善轉(zhuǎn)向特性、提高穩(wěn)定性和安全性方面有明顯優(yōu)勢，并且有利于底盤一體化集成控制。

1 線控轉(zhuǎn)向的控制組成

線控轉(zhuǎn)向的控制設(shè)計(jì)大體包括以下三部分，由于線控轉(zhuǎn)向和傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向的區(qū)別在于轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間不再具有機(jī)械連接，故對于駕駛員而言，駕駛中的路感便會(huì)產(chǎn)生差異。而線控轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢在于可以改變轉(zhuǎn)向特性，當(dāng)汽車低速行駛時(shí)減小轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，提高轉(zhuǎn)向靈敏性;高速行駛時(shí)增大轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比，使轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)，提高操縱性[2]。故在控制的設(shè)計(jì)中，主要需要考慮的是路感的模擬控制和主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，而電控部分并不能做到萬無一失，所以需要在設(shè)計(jì)中考慮到故障容錯(cuò)控制。

以下章節(jié)分別綜述三部分控制的主要方法，介紹了在發(fā)展過程中，出現(xiàn)了各種有效的控制方法，原理和比較各種方法各自的優(yōu)勢和不足。

2 路感模擬控制

2.1 路感的機(jī)理

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向的過程中，通過機(jī)械連接轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳遞控制使轉(zhuǎn)向車輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到汽車的轉(zhuǎn)向;同時(shí)可以實(shí)時(shí)從路面把駕駛員需要的轉(zhuǎn)向力矩傳遞給駕駛員，這個(gè)轉(zhuǎn)向力矩反映了整車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及輪胎的受力狀態(tài)信息，通常將這種信息反饋稱之為路感。路感是一種觸覺信息，良好的路感能夠降低駕駛員的駕駛難度，提高駕駛的安全性，因此也是評價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一。

由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了方向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間的機(jī)械連接，通過轉(zhuǎn)向角信號和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制車輪轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致路感無法直接反饋給駕駛員，這從駕駛安全性角度考慮是絕對不允許的。針對這個(gè)問題，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤總成中包含有路感模擬電機(jī)，用來產(chǎn)生作用于方向盤的阻力矩以模擬路感。

一般認(rèn)為“路感清晰”指的是能夠及時(shí)地反饋信息，具有好的回正能力，同時(shí)在汽車低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向較為靈敏，不需要駕駛員提供過大的轉(zhuǎn)矩就能實(shí)現(xiàn)輕松轉(zhuǎn)向，即低速轉(zhuǎn)向輕便;高速時(shí)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，不易受路面狀態(tài)影響車輛行駛平穩(wěn)性，即高速行駛沉穩(wěn)。

2.2 實(shí)現(xiàn)路感模擬的結(jié)構(gòu)

根據(jù)作用的原理不同，在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也有差異，執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為電機(jī)、磁流變液、操縱桿、基于液壓作用等多種結(jié)構(gòu)形式。

2.3 路感模擬的控制策略

2.3.1 基于汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的控制策略

通過分析汽車運(yùn)動(dòng)過程中狀態(tài)參數(shù)（如車速、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度和整車質(zhì)量等）對路感的影響，將這些參數(shù)進(jìn)行非線性擬合得到計(jì)算路感的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。然后根據(jù)之前所設(shè)定的路感目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)和擬合參數(shù)得到現(xiàn)在所需的路感。為了簡化控制策略的繁雜性，文獻(xiàn)[3]以路感電機(jī)的電流值作為目標(biāo)函數(shù)，通過車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器將車速信號和駕駛員輸入的轉(zhuǎn)向角信號作為算法的輸入變量，基于低速轉(zhuǎn)向輕便和高速轉(zhuǎn)向沉穩(wěn)的路感要求，控制汽車在低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，此時(shí)路感電機(jī)的電流應(yīng)小一些;高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向沉穩(wěn)，此時(shí)路感電機(jī)的電流相應(yīng)的應(yīng)大一些。該方法只需要輸入兩個(gè)變量，能夠簡化控制策略，但是存在當(dāng)擬合函數(shù)不夠準(zhǔn)確時(shí)控制精度不夠，所獲得的路感較差。中國石油大學(xué)的于蕾艷[4]提出了路感的評價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)車輛動(dòng)態(tài)參數(shù)車速和方向盤轉(zhuǎn)角計(jì)算輪胎的回正力矩，在研究了不同的傳動(dòng)力對輸入阻抗和回正性的影響后，得到了以下結(jié)論：減少力傳動(dòng)比時(shí)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)輕盈省力，使橫擺角速度和側(cè)向加速度響應(yīng)值增大即動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好;相反，增大傳動(dòng)比后，方向盤單位轉(zhuǎn)角所需的力矩增大，車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)性降低，有利于保持車輛高速行駛穩(wěn)定性，同時(shí)回正性降低。在調(diào)整力傳動(dòng)比參數(shù)后進(jìn)行雙紐線試驗(yàn)和蛇形實(shí)驗(yàn)獲得了良好的路感評價(jià)性能，并改善了汽車的操縱穩(wěn)定性。美國德爾福公司的Snaket Amberkar等對路感模擬和轉(zhuǎn)向變傳動(dòng)比控制策略進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制策略對汽車載荷和輪胎的變化具有良好的魯棒性[5]。

2.3.2 基于回正力矩的的控制策略

由于回正力矩是駕駛員獲得路感的主要來源，故將回正力矩作為參考來模擬反饋給駕駛員的路感。文獻(xiàn)[6]研究汽車的回正力矩所產(chǎn)生的機(jī)理，把回正力矩當(dāng)做使整個(gè)系統(tǒng)擾動(dòng)的來源，采用了雙向控制擾動(dòng)觀測器來反饋路感，因此在估計(jì)回正力矩的過程中，可以不需要傳統(tǒng)意義上的力矩傳感器，但是這種方法要求控制器精度較高，并且存在估計(jì)的信號與真實(shí)的回正力矩可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況。因此有人直接在轉(zhuǎn)向車輪上安裝力矩傳感器策略回正力矩，再將測量結(jié)果處理后直接通過路感電機(jī)反饋到轉(zhuǎn)向盤上，這種辦法較為方便。

文獻(xiàn)[7]將自適應(yīng)估計(jì)法則與快速非奇異終端滑動(dòng)模式（FNTSM）控制方案相結(jié)合，提出了一種自適應(yīng)快速非奇異終端滑動(dòng)模式（AFNTSM）控制器。在建立汽車動(dòng)力學(xué)模型后將自動(dòng)回正扭矩和地面摩擦力視為外部干擾，通過AFNTSM控制器設(shè)計(jì)不僅可以有效估計(jì)和補(bǔ)償回正扭矩干擾，并且能夠使跟蹤誤差快速收斂應(yīng)對外部干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明與傳統(tǒng)的FNTSM控制器和基于傳統(tǒng)滑模的自適應(yīng)滑?？刂破飨啾?，AFNTSM控制器具有更高的跟蹤精度和更快的收斂速度，具有很大的優(yōu)越性。然而該控制器的算法復(fù)雜，無疑給控制器硬件施加了額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)。

2.3.3 參考傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感的控制策略

利用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的路感產(chǎn)生的原理，利用輪胎縱向力、側(cè)向力、車輪定位參數(shù)以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與地面的干摩擦系數(shù)建立的動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此可以計(jì)算出相應(yīng)的路感。文獻(xiàn)[8]建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，得到了計(jì)算回正力矩的公式，整車模型采用二自由度作為虛擬車輪參考模型估計(jì)產(chǎn)生路感。通過這種方法設(shè)計(jì)出的路感能達(dá)到跟傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)近似的效果，可以很快讓駕駛員適應(yīng)手感，但是存在輪胎力和車輪定位參數(shù)等不易獲得的問題。由輪胎、車輛動(dòng)力學(xué)和道路之間的相互作用所產(chǎn)生的反饋力是至關(guān)重要的，然而它的檢測與成本、健壯性和故障問題有關(guān)。為此文獻(xiàn)[9]采用有利的估計(jì)算法對輪胎力進(jìn)行估計(jì)，通過將摩擦力建模為隨機(jī)Gauss—Markov過程，并設(shè)計(jì)了擴(kuò)展卡爾曼濾波器估計(jì)輪胎受到的阻力矩，通過仿真數(shù)據(jù)和非線性車輛動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證了這種方法的有效性。美國天合汽車集團(tuán)的孫曉東等[20]在對方向盤總成進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模時(shí)為了簡化模型，采用了降階的方法，并應(yīng)用魯棒控制算法實(shí)現(xiàn)了對路感模擬的閉環(huán)控制。通過matlab仿真和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的控制策略可以保證汽車具有良好的路感和操縱穩(wěn)定性。

3 主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠無束縛地得到駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的指令目標(biāo)輸入和汽車的轉(zhuǎn)向輪的變化之間的關(guān)系，汽車可以控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和行駛需要之間的關(guān)系，這樣能夠?qū)囕v的進(jìn)行調(diào)節(jié)。在現(xiàn)在國內(nèi)外的背景下，與線控轉(zhuǎn)向有關(guān)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向主要分為三類，即變傳動(dòng)比控制策略、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制策略以及轉(zhuǎn)向電機(jī)控制策略。主要有基于駕駛的系統(tǒng)自適應(yīng)控制、有關(guān)橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的不同控制方法以及與車輛行駛輪胎有關(guān)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制等。關(guān)于汽車穩(wěn)定方面的指標(biāo)大部分是分析車輛在行駛中的各方面信息，在關(guān)于車輛轉(zhuǎn)向方面實(shí)行動(dòng)態(tài)的控制。在主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)中，可以通過設(shè)定線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)增益控制理想轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比來提高汽車的操縱穩(wěn)定性，還可以利用對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行多種反饋形式來改善其性能。

3.1 變傳動(dòng)比控制策略

汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的控制對于整車有著非常重要的意義。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的車輛中沒有設(shè)計(jì)操縱盤和車輛的轉(zhuǎn)動(dòng)輪之間的相互運(yùn)動(dòng)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比可以進(jìn)行自由設(shè)計(jì)，以使其趨于理想化。根據(jù)有關(guān)汽車傳動(dòng)比的動(dòng)力知識可知，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比的設(shè)定應(yīng)該滿足一些條件，即：當(dāng)汽車在低速運(yùn)行時(shí)，汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比應(yīng)該小一些，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)較小的方向盤就能夠獲得較大的汽車前輪轉(zhuǎn)向角，這樣可以很好地調(diào)節(jié)駕駛員駕駛汽車時(shí)的舒適感和汽車的穩(wěn)定性;而當(dāng)汽車在高速運(yùn)行時(shí)，汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比就應(yīng)該大一些，這樣當(dāng)在駕駛過程中出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況時(shí)，汽車不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)了較小的方向盤轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致車輛失控;當(dāng)汽車轉(zhuǎn)過較小的彎道時(shí)，它的傳動(dòng)比應(yīng)該能夠變得小一些，這樣可以讓車輛轉(zhuǎn)向迅速;當(dāng)汽車通過較大的彎道的時(shí)候，它的傳動(dòng)比要被調(diào)節(jié)的大一些，這樣可以讓車輛轉(zhuǎn)向輕快。合理地分析設(shè)計(jì)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的變傳動(dòng)比的特性，可以實(shí)現(xiàn)上述要使傳動(dòng)比更優(yōu)良的目標(biāo)。

3.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制策略

現(xiàn)在應(yīng)用于車輛上的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成主要含有AFS、ARS和4WS三種形式，這三種形式的基本思想均是要利用變化的車輛轉(zhuǎn)向輪的偏角，進(jìn)而改變汽車車輪輪胎上的輪胎力，這樣能夠產(chǎn)生一個(gè)使汽車恢復(fù)之前的穩(wěn)定性的作用力矩，這樣就能夠保證汽車在行駛過程中的穩(wěn)定性，達(dá)到動(dòng)態(tài)控制汽車的穩(wěn)定性的目的。

在車輛穩(wěn)定性的控制策略中包含分?jǐn)?shù)階PID和模糊PID的控制算法，PID的方法在其中應(yīng)用的十分廣泛。文獻(xiàn)[10]中，作者根據(jù)其所設(shè)計(jì)的一種模型具有兩個(gè)自由度的特點(diǎn)，并考慮到汽車行駛時(shí)的側(cè)翻問題對其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的控制和側(cè)翻的控制進(jìn)行了研究，其中應(yīng)用了模糊的PID控制，將得出的實(shí)際值與理論值進(jìn)行比較，并作為之后的控制器的輸入，然后結(jié)合設(shè)計(jì)的規(guī)則和模糊自適應(yīng)PI控制器對汽車的穩(wěn)定性和側(cè)翻傾向進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了提高車輛的穩(wěn)定性的目的。

一些根據(jù)汽車的控制的優(yōu)化算法在對車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)向中也有著非常廣泛的利用。文獻(xiàn)[11]中，作者開發(fā)了能夠?qū)θ珷顟B(tài)進(jìn)行觀測的控制，還有一種線性二次正定（LQR）的工具，通過這兩種開發(fā)的控制器建立模型，并且采用灰箱技術(shù)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的模型參數(shù)進(jìn)行識別，采用這種技術(shù)可以有效地避免由于執(zhí)行系統(tǒng)的非線性而對整個(gè)系統(tǒng)帶來的影響。文獻(xiàn)[12]中，作者設(shè)計(jì)了應(yīng)用了魯棒原理的車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)候的方案，在這個(gè)設(shè)計(jì)方案中，作者考慮了外部環(huán)境的干擾和系統(tǒng)的隨機(jī)性，并且應(yīng)用了魯棒性的二次調(diào)節(jié)器，來對車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，提出了一種與這種調(diào)節(jié)器相關(guān)的較好的控制方案，然后利用相應(yīng)試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明該方案的主動(dòng)前輪魯棒性的調(diào)節(jié)機(jī)制可以很好的滿足目標(biāo)，對于汽車行駛過程的穩(wěn)定有著較好的提高。

3.3 轉(zhuǎn)向電機(jī)控制策略

通過接收上面兩個(gè)的控制命令，然后利用電機(jī)或者液壓系統(tǒng)對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制，以保證轉(zhuǎn)向角控制的精確性。與傳統(tǒng)的典型PID控制相比，模糊PID控制可以應(yīng)用于多種環(huán)境當(dāng)中，原因是它對于外界環(huán)境的干擾可以不受太大的影響。在轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成中應(yīng)用的電機(jī)一般為永磁同步電機(jī)，這種電機(jī)能夠很好地應(yīng)用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用電機(jī)當(dāng)中，精確地完成對車輛轉(zhuǎn)向角調(diào)節(jié)，對車輛的轉(zhuǎn)向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

文獻(xiàn)[13]中，作者在對電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，參考線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的參數(shù)不確定性，依據(jù)這一現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制器，這種控制器的要求能夠自適應(yīng)前饋扭矩控制，于是采用了齒輪齒條的結(jié)構(gòu)，利用這種方法對系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可以進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的裝置，利用這種裝置可以對系統(tǒng)的控制電機(jī)進(jìn)行相關(guān)研究。

4 故障容錯(cuò)控制

對于線控系統(tǒng)，故障診斷與容錯(cuò)控制十分重要。由于線控系統(tǒng)取消了方向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，要求要比傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)可靠性更高[14]。因此對于容錯(cuò)控制的要求也會(huì)高于現(xiàn)有的已成規(guī)模的相關(guān)電控系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。軟件容錯(cuò)和硬件容錯(cuò)共同組成了容錯(cuò)系統(tǒng)的一般部分，通過設(shè)計(jì)軟件程序來解決故障，叫做軟件容錯(cuò)，比硬件容錯(cuò)成本低，容錯(cuò)的能力有一定的局限性。硬件容錯(cuò)技術(shù)多數(shù)采取冗余原則來容錯(cuò)，其中有被動(dòng)冗余的方法和主動(dòng)冗余的方案，被動(dòng)冗余的控制方案中，冗余的部分只是作為備份，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，備份部分才開始加入工作。主動(dòng)冗余控制的方法中，冗余部分與系統(tǒng)并行工作。容錯(cuò)控制的關(guān)鍵部分主要體現(xiàn)在線控系統(tǒng)傳感器的容錯(cuò)和電機(jī)及控制器容錯(cuò)上，以下從各種研究算法和現(xiàn)狀出發(fā)，綜述相關(guān)的研究成果。

4.1 線控系統(tǒng)傳感器故障容錯(cuò)控制

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引入了電機(jī)及其控制器進(jìn)行車輛駕路感模擬和轉(zhuǎn)向動(dòng)作執(zhí)行，因此必然需要比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向更多的傳感器，用來給系統(tǒng)提供運(yùn)行信號，為了使控制器對電機(jī)施加合理的控制，比傳統(tǒng)的控制更加精確，因此傳感器容錯(cuò)控制對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

根據(jù)線控系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，傳感器的容錯(cuò)控制現(xiàn)今主要通過解析數(shù)學(xué)模型的方法來構(gòu)建。在汽車線控轉(zhuǎn)向的傳感器的容錯(cuò)控制中，主要分為傳感器故障診斷和故障補(bǔ)償兩大部分。文獻(xiàn)[15]提出了一種線控轉(zhuǎn)向的分析冗余的方法，研究是在非線性觀測器和長距離預(yù)測的基礎(chǔ)上開展的。為了對車輛的轉(zhuǎn)向角進(jìn)行估計(jì)，設(shè)計(jì)出了一種滑膜觀測器。充分利用了組合線性車輛模型、線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和橫擺角速度。通過長距離的預(yù)測方法，估計(jì)的轉(zhuǎn)向角隨著電流輸入在不同的預(yù)測視角下來預(yù)測轉(zhuǎn)向角。這種分析的方法可以用來減少多余的車輪角度傳感器的數(shù)量，同時(shí)提高了可靠性。錯(cuò)誤診斷、隔離和調(diào)節(jié)算法采用多數(shù)表決方案開發(fā)，用于檢測故障傳感器以保持安全駕駛性。將這種算法和研究建立的線性車輛模型在軟件Simulink中進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)出三個(gè)不同方面的常見故障來檢測所提出算法的有效性，結(jié)果顯示，故障診斷傳感器所花的檢測時(shí)間隨著預(yù)測角度的增加而減少，說明了相對于單點(diǎn)觀測所有故障，所提出的基于FDIA算法的預(yù)測分析更具有優(yōu)勢。但該方法只在仿真中證明其有效性，并未在實(shí)車中測試，故存在一定的局限性。

4.2 線控系統(tǒng)電機(jī)及控制器故障容錯(cuò)控制

在線控轉(zhuǎn)向中，轉(zhuǎn)向的動(dòng)力來源于電機(jī)。主要包括了兩方面：用來給駕駛員提供轉(zhuǎn)向時(shí)的路感和動(dòng)力。電機(jī)的可靠性是研究者們首先要考慮的因素，電機(jī)和控制器的容錯(cuò)就體現(xiàn)的十分重要。然而控制器又是決定了電機(jī)能否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確運(yùn)行的核心部分，控制策略的提出，主要依據(jù)于整車和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的狀態(tài)，那樣才能實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，線控轉(zhuǎn)向的控制品質(zhì)，很大程度上由控制器的穩(wěn)定性來影響著。實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)和設(shè)置冗余硬件是保證控制器穩(wěn)定運(yùn)行的兩種手段，故而可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，線控轉(zhuǎn)向的運(yùn)行的品質(zhì)得到了保證，根據(jù)控制器與電機(jī)之間的控制關(guān)系，可以對電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)所需要的補(bǔ)償控制進(jìn)行相關(guān)研究，那樣就為能夠在最大限度上保證線控轉(zhuǎn)向的可靠性提供了可能。

文獻(xiàn)[16]提出了一種用于EPS和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的冗余解，兩個(gè)電機(jī)放置在同一個(gè)軸上，滾珠絲杠系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向齒條的直線運(yùn)動(dòng)。為了使要求達(dá)到最佳狀態(tài)，得出了IPM電機(jī)是一種行之有效的解決方案。分析了最嚴(yán)重的的三相電路短路的情況，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下，計(jì)算最大制動(dòng)力矩和短路電流，最大制動(dòng)力矩與有效制動(dòng)力矩之間的關(guān)系和電機(jī)參數(shù)在電機(jī)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。最后，一種減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的技術(shù)被提出。利用所提出的冗余結(jié)構(gòu)，不僅可以優(yōu)化轉(zhuǎn)子疊片，而且可以采用兩個(gè)電機(jī)之間的不同的對準(zhǔn)。允許轉(zhuǎn)矩諧波有效的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩盡量平滑。文獻(xiàn)[17]的容錯(cuò)控制方法是，附加一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋電路，分析了適用于汽車線控系統(tǒng)的三種容錯(cuò)永磁無刷直流電機(jī)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5 總結(jié)與展望

本文全面綜述了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制的主要方法，現(xiàn)階段的理論研究情況和實(shí)際應(yīng)用情況。從駕駛員獲得的模擬的路感、主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制和容錯(cuò)控制三個(gè)方面出發(fā)，詳細(xì)地綜述了汽車線控轉(zhuǎn)向的主要控制方法。線控轉(zhuǎn)向的優(yōu)越性不言而喻，但由于其本身的出現(xiàn)最初是應(yīng)用于飛機(jī)，但在汽車的設(shè)計(jì)控制研究中，具有一定的借鑒意義，還有一些問題需要解決，只有這些問題得到解決，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才能真正的大面積面向市場。

在汽車行走在復(fù)雜路況、復(fù)雜交通環(huán)境條件下，如何使得線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)性和抗干擾能力進(jìn)一步提高。

前面章節(jié)對于線控系統(tǒng)的控制研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，絕大多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚且只能在仿真試驗(yàn)中證明其研究成果的有效性，所以還需解決實(shí)車裝載與實(shí)車性能試驗(yàn)驗(yàn)證的問題，為市場推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

轉(zhuǎn)向與汽車的操縱穩(wěn)定性有著十分密切的關(guān)系，由于考慮到了十分復(fù)雜的行駛工況，線控轉(zhuǎn)向的研究需要著重地考慮車輛的操穩(wěn)性能和駕駛員與車輛上的乘員的舒適性，這是評價(jià)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要分析和評價(jià)的指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] Se-wook oh，Seok-Chan Yun.The Development of an Advanced Control Method for the Steer-by-Wire System to Improve the Vehicle Maneuverability and Stability [C].SAE paper No.2003-01- 0578，2003.

[2] 鄭宏宇.汽車線控轉(zhuǎn)向路感模擬與主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略研究[D].長春.吉林大學(xué).2009.

[3] 王德志.SBW試驗(yàn)臺控制單元設(shè)計(jì)及分析[D].長安大學(xué)， 2009.

[4] 于蕾艷，林逸，施國標(biāo).線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感控制策略的研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008（06）：248-250+269.

[5] Sanket Amberkar， Farhad Bolourchi， Jon Demerly etc. A Control System Methodology for Steer by Wire Systems [C]. SAE Paper No.2004-01-1106， 2004.

[6] Peter D， Gerhard R. Electric Power Steering - The First Step on the Way to“Steer by Wire”[J]. Sae Technical Paper， 1999.

[7] Zhe Sun;Jinchuan Zheng;Hai Wang;Zhihong Man. Adaptive fast non-singular terminal sliding mode control for a vehicle steer-by- wire system[J]. IET Control Theory & Applications， 2017， Vol.11（8）： 1245-1254.

[8] Mehdizadeh E， Kabganian M， Kazemi R. A new force feedback for Steer-by-Wire vehicles via virtual vehicle concept[J]. 2011， 413（1）： 2281-2286.

[9] N.Bajcinca， C. Nuthong and F. Svaricek， "Road feedback estimation for steer-by-wire control，" 2006 IEEE International Conference on Control Applications， Munich， 2006， pp. 1288-1293.

[10] 劉軍，晏曉娟，陶昌齡等.基于線控轉(zhuǎn)向的主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略研究[J].汽車技術(shù)，2016（6）：5-10.

[11] Aly M，Roman M，et al.Observer-Based Optimal Position Control for Electrohydraulic Steer-by-Wire System Using Gray-Box System Identified Model[J].Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control，2017，139（12）：121002-121010.

[12] 陳德鈴，殷承良，張建武.基于參數(shù)不確定的主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向魯棒性控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（8）：1329-1333.

[13] Wu X，Zhang M，Xu M，et al.Adaptive Feedforward Control of a Steer-by-Wire System by Online Parameter Estimator[J]. Interna -tional Journal of Automotive Technology，2018，19（1）：159-166.

[14] 田承偉.線控轉(zhuǎn)向汽車容錯(cuò)控制方法研究.[D].長春.吉林大學(xué).2010.

[15] Mohammad Sharif-ul Hasan and Sohel Anwar. Sliding Mode Observer and Long Range ?Prediction Based Fault Tolerant Control of a Steer-by-Wire Equipped Vehicle[C]. SAE2008-01- 0903.

[16] Nicola Bianchi， Michele Dai Pré and Silverio Bolognani. Design of a Fault-Tolerant IPM Motor for Electric Power Steering[J].Vehi -cular Technology， IEEE Transactions on， July 2006，Volume：55， Issue：4.

[17] Malakondaiah Naidu， Suresh Gopalakrishnan， Thomas. Nehl. Fault Tolerant Permanent ?Magnet Motor Drive Topologies for Automo -tive X-By-Wire Systems[C].Industry Applications Society Annual Meeting， 2008. IAS '08. IEEE， 5-9 Oct. 2008.