電動車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究

常江雪 白學峰

摘要：線控轉(zhuǎn)向是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的最新技術(shù)之一。文章對比分析了國內(nèi)外線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，詳細介紹了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、特點和工作原理，并提出了在電動車輛上采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案，從而提高車輛的轉(zhuǎn)向特性和安全性。

Abstract： SBW is the latest technology in vehicle steering system. This paper reviews the domestic and foreign development of steer-by-wire steering system. The structure， characteristics and operating principle of the steer-by- wire steering system were introduced in detail. At last， the solutions that making steer-by-wire steering system in engineering vehicle were proposed to improve the steering characteristics and safety of the vehicle.

關(guān)鍵詞：線控轉(zhuǎn)向;控制策略;主動安全

Key words： steer-by-wire system;control strategy;active safety

中圖分類號：U463.62?????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0236-02

0? 引言

電動車輛的發(fā)展趨勢是節(jié)能、安全、環(huán)保。車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是實現(xiàn)車輛主動安全的重要系統(tǒng)，其操縱穩(wěn)定性直接影響著車輛的性能。本文研究的對象是電動車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了控制車輛能夠沿駕駛員預想的路徑行駛，駕駛員必須時刻調(diào)節(jié)自身的情況，這增加了駕駛員的駕駛負擔。當遇到復雜工況時，駕駛員很難控制車輛，容易發(fā)生交通事故;近幾年隨著智能技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，機電液一體化技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用在汽車上，研究人員提出了很多能夠提高電動車輛性能的方案，解決了目前電動車輛面臨的諸多難題，成為現(xiàn)代電動車輛的未來發(fā)展趨勢。

1? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展概況

國外學者對線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究已經(jīng)達到了一定的水平。1990年，德國奔馳公司研究了前輪線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，并且將該技術(shù)應用在概念車F400 Carving上。德爾福公司研制了前輪和四輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。寶馬公司的BMWZ22概念車也使用了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它把方向盤的最大轉(zhuǎn)角設計成160°，這大大降低了緊急轉(zhuǎn)向時駕駛員的操作負擔。意大利Bertone公司設計的“FILO”概念車、Daimler chrysler“R129”概念車、雪鐵龍越野車“C-Crosser”等，都使用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。國外的科研院校機構(gòu)也積極參與了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究，如美國斯坦福大學進行了硬件在環(huán)試驗和主動轉(zhuǎn)向控制策略試驗、紐約州立大學進行人車閉環(huán)控制、伊利諾伊大學在線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的可靠性和容錯性方面做了深入的研究。

我國對線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究起步較晚。研究比較深入的是同濟大學的“春暉三號-嘉樂”微型電動車，它最突出的特點就是采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，研發(fā)出線控轉(zhuǎn)向四輪驅(qū)動微型概念車。武漢理工大學對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動比和路感的模糊控制算法進行了研究，并開展了仿真分析。但這些研究尚處于初級階段，還沒有應用在真實車輛上[2]。北京理工大學的施國標、于蕾艷等深入探究了線控轉(zhuǎn)向變傳動比和橫擺角速度反饋的主動控制。吉林大學研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動比、穩(wěn)定性算法、方向盤回正力矩等內(nèi)容。此外，吉林大學還設計出一個線控轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_架，如圖1所示。

2? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)改變了車輛原始轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動機構(gòu)，分離了駕駛員的操作系統(tǒng)和控制車輪轉(zhuǎn)向的執(zhí)行系統(tǒng)，形成了兩個獨立的子系統(tǒng)，通過控制單元和傳感器將兩個子系統(tǒng)聯(lián)系在一起，控制單元通過分析和計算車輛的工況，可以調(diào)節(jié)車輛轉(zhuǎn)向時的力傳遞特性，從而降低了駕駛員的操作負擔，提高了人車閉環(huán)系統(tǒng)的主動安全性能。

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由三個部分組成，分別是方向盤模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊和控制器模塊，如圖2所示。

2.1 方向盤總成? 方向盤總成由方向盤、力矩傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、方向盤回正力矩電機組成。其主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向指令傳送給主控制器，進而由主控制器來控制液壓轉(zhuǎn)向模塊的動作;此外，主控制器向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機發(fā)送信號，產(chǎn)生一定的回正力矩，將相應的駕駛路感信息提供給駕駛員。

2.2 前輪轉(zhuǎn)向總成? 前輪轉(zhuǎn)向總成由前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向電機控制器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機和轉(zhuǎn)向組件等組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的功能是接收主控制器傳來的控制指令，通過轉(zhuǎn)向電機來控制轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)動，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向指令。

2.3 控制器總成? 控制器的主要功能是采集傳感器輸入的信號，通過預先設置的控制算法對信號進行分析和處理，并向轉(zhuǎn)向電機和方向盤回正力距電機發(fā)送控制指令，控制它們的轉(zhuǎn)速，確保車輛在各種狀態(tài)下都具有理想的響應性，減輕駕駛員的操作負擔[3]。

3? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點

線控轉(zhuǎn)向技術(shù)斷開了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，通過控制器來控制它們之間的相互運動，這樣可以實現(xiàn)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法實現(xiàn)的轉(zhuǎn)向響應和穩(wěn)定性。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括方向盤總成、前輪轉(zhuǎn)向總成、主控制器總成，以及自動防故障系統(tǒng)和電源等輔助部件。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)點[4-5]：

3.1 改善轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向特性

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)由控制器實時設置角傳動比，并對前輪轉(zhuǎn)角進行補償，使車輛的轉(zhuǎn)向特性保持最優(yōu)。由于取消了機械連接的限制，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以自由設計傳動比。當車輛低速行駛時可以減小傳動比，以提高轉(zhuǎn)向的響應速度;而高速行駛時可以增大傳動比，以提高轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，這樣可以增加駕駛員的駕駛信心。

3.2 提高路感響應性

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的路感是駕駛員通過方向盤受到的反作用力而感受到的。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間沒有機械連接，所以無法感受到轉(zhuǎn)向盤的反作用力，此時駕駛員所感受到的“路感”信息是主控制器根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，向轉(zhuǎn)向盤回正力矩電機提供控制信號而形成的。由于控制器可以提取出最能夠反應車輛真實路況信號作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，因此可以使轉(zhuǎn)向盤僅向駕駛員提供有用的信號，從而可以獲得更加符合駕駛員喜好的“路感”信息。

3.3 有利于節(jié)能環(huán)保

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)斷開了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接，使整車的重量減輕。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在需要轉(zhuǎn)向時電機才會輸出功率，同時采用電子元件提高了傳動效率和響應時間，從而能夠提高車輛的燃油經(jīng)濟性，節(jié)約了能源，減少可燃混合氣燃燒作功后產(chǎn)生的廢氣排放[6]。

3.4 提高車輛的安全性和穩(wěn)定性

車輛在行駛過程中常常會遇到各種復雜路況，如對開路面、低附著路面、側(cè)向風等，當車輛行駛在這些路況時容易失去穩(wěn)定性。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以通過采集傳感器的信號實時判斷車輛的運行狀態(tài)，當車輛有失區(qū)穩(wěn)定性趨勢時，通過轉(zhuǎn)向電機來控制前輪的轉(zhuǎn)角，從而使車輛恢復到穩(wěn)定狀態(tài)行駛。

3.5 提高車輛安全性，降低開發(fā)成本

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向柱、皮帶、皮帶輪等機械部件，使得駕駛室里有更多的空間布置被動安全部件，從而可以降低事故發(fā)生時對駕駛員造成的傷害。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件部分具有很高的通用性，主控制器采用軟件控制，通過修改算法中一些特定參數(shù)就能夠應用于其它車型，降低了新車型的開發(fā)成本[7]。

4? 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的前景展望

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們越來越注重車輛的節(jié)能、環(huán)保、安全性和舒適性，車輛電子化和智能化已經(jīng)成為汽車未來的發(fā)展趨勢。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終將應用在現(xiàn)代汽車上。

在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，車輛的轉(zhuǎn)向不是由駕駛員操縱方向盤進行控制，而是由主控制器控制電機來實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向動作。我們利用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向角傳動比可以自由設計的特點，設計一種讓駕駛員更容易操作的車輛轉(zhuǎn)向特性，降低駕駛員的工作負擔，提高舒適性，這具有重要的實踐研究意義[8]。

就電動車輛來說，在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎上加入線控技術(shù)，將電子與液壓結(jié)合起來，設計一種電動車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這樣既能擁有液壓轉(zhuǎn)向的優(yōu)點，又能在電子元件的控制下，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作靈活性，使車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、準確可靠、轉(zhuǎn)向靈活，提高車輛轉(zhuǎn)向特性，降低駕駛負擔，改善車輛操縱性。這也是電動車輛線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有待研究的課題。

參考文獻：

[1]于蕾艷，林逸，李玉芳.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2006，1.

[2]楊勝兵.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究[D].武漢理工大學，2008.

[3]歐陽海.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法研究[D].武漢理工大學，2010.

[4]左波.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述[J].技術(shù)論壇，2009，26（5）：18-20.

[5]羅石，商高高，蘇清祖.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤力回饋控制模型的研究[J].汽車工程，2006（10）.

[6]李濤濤.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱性改善策略與轉(zhuǎn)向盤回正力矩研究[D].長春：吉林大學，2007.

[7]黃良斌.一種電液比例閥的模糊PID控制技術(shù)研究[D].大連理工大學，2008.

[8]劉永.汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.