線控轉向系統(tǒng)技術綜述與實車應用(二)

◆文/江蘇 高惠民

(接2022年第6期)

六、SBW系統(tǒng)的路感反饋控制

汽車轉向系統(tǒng)主要有兩大功能：一是操縱轉向，駕駛員通過操縱轉向盤來控制轉向輪繞主銷轉動；二是反饋路感，將整車及輪胎的運動狀態(tài)、受力情況通過轉向盤反饋給駕駛員，即路感。前者駕駛員是輸入，實現(xiàn)轉向系統(tǒng)的角位移功能；后者是將路感反饋給駕駛員，實現(xiàn)力傳遞功能。二者結合，構成了汽車轉向過程中的“人一車—路”的閉環(huán)控制。

1.轉向盤力矩分析

駕駛員在操縱車輛過程中，轉向盤操縱轉矩與轉向盤轉角、車速以及路面附著情況等密切相關。為了讓駕駛者能夠清晰地觸摸到這些信息，所設計的SBW轉向盤上力矩模型(圖9)，充分考慮轉向盤力矩影響因素，如反饋力矩、摩擦力矩、阻尼控制力矩、限位控制力矩以及主動回正力矩，這些可以看作轉向盤上的反作用力。所建立模型是這些力矩的總和。

圖9 SBW系統(tǒng)轉向盤反作用力矩模型

(1)反饋力矩

根據(jù)車輛行駛狀態(tài)反饋給駕駛員的力矩，其大致反映了車輛的行駛狀態(tài)和路面狀況。在相關標準和文獻的研究中，大量的研究結果表明車速、轉向盤轉角、側向加速度與轉向盤轉矩之間存在密切聯(lián)系。

①汽車低速行駛時，其側向加速度的變化較小，駕駛員不易感知到此車身信息的變化，但是對轉向盤轉角變化卻非常敏感，因而在設計路感時，轉向盤轉角和車速信息要占比較大的權重。

②汽車高速行駛時，由于受到車輛操縱穩(wěn)定性的制約，轉向盤在較小的范圍內轉動，此時轉角的變化對側向加速度的影響很大，駕駛員對側向加速度變化反而很敏感，因而在設計路感時，要重點考慮側向加速度和車速對轉向盤力矩的影響。

③汽車在高、低速之間行駛時，此時的車速越大，則轉向盤力矩越大。駕駛員對側向加速度和轉向盤轉角都較為敏感，因而在設計路感時，不僅要考慮轉向盤轉角的影響，也要將側向加速度和車速對轉向盤力矩的影響考慮進去。

(2)摩擦力矩

在機械結構中，摩擦力矩是一直存在不可忽略的。而SBW系統(tǒng)因斷開了轉向管柱與轉向器間的連接，所以駕駛員能夠直接感受到的摩擦力矩只來源于轉向盤總成?？紤]到轉向管柱的制造及裝配引起的摩擦力矩的不確定性，摩擦力矩較小近似常數(shù)，設計為隨車速變化的函數(shù)，滿足駕駛員在不同車速下對路感的需求。

(3)阻尼控制力矩

汽車在高速行駛時，駕駛員較小的轉向盤誤操作都將導致失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，為緩解此種情況，在建立轉向盤力矩模型中添加阻尼控制力矩。適當?shù)淖枘崃乜刂瓶蓽p少駕駛員撒手回正后引起的轉向盤超調和抖動現(xiàn)象。其大小可以認為與轉向盤角速度成比例關系，隨著角速度與車速的增大而增大。

(4)限位控制力矩

限位控制是指駕駛員在轉動轉向盤到轉角極限時，給予駕駛員限位提示。在傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)中，因轉向管柱與轉向器之間存在機械連接，駕駛員可以準確的感知到轉向盤允許轉過的最大角度。而在SBW系統(tǒng)中，限位裝置需要重新設計，讓駕駛員在裝有SBW系統(tǒng)的汽車上能有傳統(tǒng)汽車同樣的限位感觸，提高駕駛的安全性和穩(wěn)定性。SBW汽車目前有兩種方式進行限位：一是機械限位，即在轉動的最大位置處加裝機械結構進行限位；二是軟件限位，通過編寫限位控制程序以達到限位的目的，一旦駕駛員轉動轉向盤超過設定范圍后，控制器立即驅動路感電機施加與駕駛員相反方向的力矩阻止駕駛員的過操作行為。與機械限位相比較，軟件限位的方法更能體現(xiàn)出SBW系統(tǒng)角傳動比自由設計的優(yōu)勢以及路感設計時的靈活性與多樣性。

(5)主動回正力矩

轉向系統(tǒng)的回正力矩主要由車輪受到地面的側向、垂向以及橫向三個方向的反作用力和車輪定位參數(shù)引起的，它能夠準確并敏感地反映出車輛行駛車速、前輪轉角以及路面附著系數(shù)和道路不平度等信息的變化?？紤]到SBW系統(tǒng)中轉向盤到轉向器之間不存在機械連接，駕駛員撒手后SBW汽車轉向盤不會回正。因此，有必要對轉向盤進行主動回正控制，即通過路感電機控制轉向盤回正。為克服轉向盤回正過程中的阻力，采用基于左右車輪轉向角度偏差控制的主動回正力矩，將主動回正力矩設計為隨轉向盤轉角和目標回正轉角差值的增大而增大的函數(shù)，同時，在回正過程中，過快的轉向盤回正速度同樣會導致轉向盤的超調與抖動現(xiàn)象，因此需要將阻尼控制也考慮在內以保證轉向盤順利平穩(wěn)地回正。

2.線控轉向系統(tǒng)的路感控制策略

綜上所述，根據(jù)轉向盤上的力矩分析，目前SBW系統(tǒng)的路感模擬控制方法主要有四種，各種控制策略特點如圖10所示。

圖10 SBW系統(tǒng)的路感控制策略特點圖

第一種為傳感器測量方法，由于齒條處力矩包含有輪胎力和回正力矩等信息，所以使用傳感器測量齒條力的數(shù)據(jù)經過濾波處理就可以作為反饋力矩。

第二種測得轉向電機電流等效路面負載。SBW系統(tǒng)感受到的來自路面、輪胎的力矩反饋，該反饋主要來自汽車在行駛過程中受到的回正力矩及整個系統(tǒng)的摩擦力矩。其中，回正力矩主要由輪胎與地面間的阻力矩、輪胎和主銷定位產生的力矩和轉向系統(tǒng)的慣性力矩組成，并且還受輪胎特性、路面附著條件、車速等影響。SBW系統(tǒng)通過轉向電機輸出的力矩需要克服輪胎受到的地面阻力和轉向系統(tǒng)的慣性及摩擦力，轉向電機驅動器中的電流可以很好地包含這些狀態(tài)信息。因此，在轉向電機輸出力矩反饋中引入電流環(huán)設計。通過測量得到汽車轉向電機電流進而得到齒條力反饋給路感電機。轉向電機電流與車速、轉向盤力反饋電機電流的關系(圖11)。同時，為了避免阻力變化干擾導致方向盤抖動，在電流反饋的基礎上增加阻尼控制，經調節(jié)力矩反饋系數(shù)實現(xiàn)SBW系統(tǒng)的路感模擬。轉向電機電流等效路面負載控制策略框圖如圖12所示。

圖11 轉向電機電流與車速、轉向盤力反饋電機電流關系

圖12 轉向電機電流等效路面負載控制策略框圖

第三種是根據(jù)經驗設計路感反饋，也叫參數(shù)擬合法，即根據(jù)汽車的狀態(tài)與路感存在一定的關系來設計路感模擬策略，通過傳感器測量一些容易測得的參數(shù)，如轉向盤轉角、車速、側向加速度等，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)將路感與數(shù)據(jù)設計成函數(shù)關系式，以達到模擬路感的設計目標，同時滿足駕駛員對路感的要求。

第四種是基于車輛動力學模型的方法，依據(jù)車輛動態(tài)響應、駕駛員轉向盤輸入等狀態(tài)，利用車輛動力學模型估算輪胎回正力矩和需要補償?shù)姆答伭?，進而計算期望的反饋力矩指令。該方法對車輛狀態(tài)、駕駛風格具有自適應能力，是目前研究的主流，典型的基于動力學模型的路感反饋控制思路如圖13所示。按照模塊的功能，可以將路感反饋控制策略分為2個層次，上層控制策略計算期望的路感反饋力矩，下層控制策略準確、快速執(zhí)行該反饋力矩。

圖13 基于動力學模型的路感反饋控制原理圖

七、線控轉向系統(tǒng)容錯和故障診斷

源于飛機線控操縱而開發(fā)的汽車SBW技術必須要符合汽車安全、節(jié)能、環(huán)保的要求，這是汽車結構的重要變革。但是正由于線控轉向系統(tǒng)在轉向盤和轉向輪之間不存在機械連接 ，電子設備的魯棒性比機械、液壓部件低，電子部件可能毫無預警信號地發(fā)生故障。某個傳感器、執(zhí)行機構或電子控制單元發(fā)生故障時，必須快速以容錯方式處理，否則將發(fā)生不期望的轉向乃至事故。因此，亟待提高的容錯與故障診斷技術是線控轉向技術能夠產業(yè)化的關鍵技術之一。

1.線控轉向系統(tǒng)的容錯技術

容錯技術大多采用冗余原則，包括被動冗余方案與主動冗余方案，被動冗余方案中冗余部分作為備份，只有系統(tǒng)出現(xiàn)故障時才工作；主動冗余方案中，冗余部分與系統(tǒng)并行工作。SBW系統(tǒng)的容錯方法主要包括硬件冗余容錯方法和軟件容錯方法等。

硬件冗余是在SBW系統(tǒng)基本結構的基礎上將一些關鍵電子部件如傳感器、執(zhí)行機構、通信網絡、電源等兩倍、甚至三倍冗余，三倍冗余成本較高，大多采用兩倍冗余。如2013年日產(Nissan)公司在量產的英菲尼迪Q50車型上首次采用了線控主動轉向(Direct Adaptive Steering，DAS)系統(tǒng)，如圖14所示。公開的技術資料表明：DAS系統(tǒng)共有三個ECU單元，這三個ECU是彼此互通的，可以對彼此的運行狀態(tài)進行相互監(jiān)控；如果其中一個ECU出現(xiàn)運行故障，系統(tǒng)仍可根據(jù)其他兩個正常ECU的處理結果進行轉向準確控制，最后即使所有電子系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)還可以通過離合器控制轉向盤和車輪轉向系統(tǒng)進行機械連接，實現(xiàn)機械轉向系統(tǒng)功能；DAS系統(tǒng)的轉向執(zhí)行電機也采用雙電機驅動。

圖14 英菲尼迪Q50線控主動轉向結構圖

2.關鍵部件的容錯方法

僅通過硬件冗余實現(xiàn)容錯的線控轉向系統(tǒng)缺點是結構復雜，成本較高。為了降低成本，不犧牲容錯性能的前提下必須降低冗余部件的總數(shù)。利用解析冗余，SBW系統(tǒng)大多采用軟件冗余(完整性控制)與硬件冗余相結合的容錯控制方法。 圖15是日本豐田汽車零部件子公司JTEKT研發(fā)的SBW轉向子系統(tǒng)兩倍硬件冗余容錯結構示意圖和E/E架構框圖。

圖15 JTEKT研發(fā)的SBW系統(tǒng)硬件冗余結構示意圖和E/E架構框圖

采用了電氣和電子系統(tǒng)(E/E架構)冗余和備用電源(BPS)。如果其中任何一個單元出現(xiàn)故障，則僅正常工作的單元獨立運行。如果正常的單元也發(fā)生故障，則兩個單元均停止運行。主電源發(fā)生故障時，則從BPS向E/E系統(tǒng)供電，E/E系統(tǒng)可以持續(xù)運行。另外，還設置了一個功能，在SBW系統(tǒng)正常啟動前和運行結束后固定轉向盤的位置，防止轉向盤在系統(tǒng)運行中過度轉向。

啟動時，打開點火開關后，兩個單元同步，轉向盤角度和車輪轉角進行相位匹配。匹配完成后，系統(tǒng)控制在車輛發(fā)動機和BPS啟動完成后啟動。最后，在關閉點火開關并鎖定轉向盤后，系統(tǒng)控制結束。

(1)雙轉向電機冗余同步控制問題

雙轉向電機冗余是一種較為簡單直觀且十分可行的容錯控制手段，多項研究都采用了備份執(zhí)行器的方式提高SBW系統(tǒng)的可靠性。然而，無論是在轉向器齒條上還是轉向管柱上，安裝多個執(zhí)行器的弊端之一就是執(zhí)行器之間會存在不同步的問題，導致力矩沖擊或不平衡，影響轉向器壽命。為了解決這電機線控轉向系統(tǒng)的同步性問題，采用雙電機智能控制方法，轉向電機A和轉向電機B均采用三閉環(huán)控制，其中轉角環(huán)和電流環(huán)采用PID控制，轉速環(huán)采用第一滑?？刂破骺刂?；轉向電機A和轉向電機B之間采用交叉耦合補償控制結構，采集轉向電機A和轉向電機B的實際轉速做差經過第二滑?？刂破鞯玫降目刂菩盘柗謩e補償給轉向電機A和轉向電機B的電流環(huán)，從而快速消除兩電機之間轉速不一致性達到同步控制?？刂圃砣鐖D16所示。

圖16 SBW系統(tǒng)雙轉向電機轉速同步控制原理圖

(2)雙路感電機反作用力矩問題

路感是指汽車行駛過程中駕駛員通過轉向盤反饋得到的轉向阻力矩，這個力矩包含了整車及輪胎的運動和受力狀態(tài)信息，對駕駛員掌握汽車運動狀態(tài)和行駛環(huán)境狀況有重要的作用。良好的路感是保證汽車操縱穩(wěn)定性不可缺少的部分。在SBW系統(tǒng)中反饋給駕駛員的路感是通過ECU控制方向盤總成中的路感電機模擬生成。

但是，路感電機發(fā)生了故障的情況下，則駕駛員所感受到的路感作用力矩變小，駕駛員難以正確地控制轉向操縱角。例如，存在駕駛員超出本意過度地轉向操縱轉向盤的可能性。因此，優(yōu)選防備路感電機的故障，準備路感冗余系統(tǒng)。豐田汽車公開了一種SBW系統(tǒng)。在路感電機發(fā)生了故障的情況下，通過路感冗余系統(tǒng)的路感反饋電機電流控制對轉向盤施加某種程度的反作用力扭矩。圖17是SBW系統(tǒng)操縱路感反作用力控制單元的E/E冗余結構的示意。路感反作用力產生單元包括相互獨立的第一單元與第二單元。第一單元與第二單元具有相同的結構，能夠根據(jù)相同的機理生成路感反作用力扭矩TR。

圖17 SBW系統(tǒng)路感反作用力控制單元的E/E冗余結構示意圖

第一單元的路感電機轉子經由減速器與輸出軸相連。輸出軸經由齒輪等傳動機構與轉向盤軸相連。能夠將路感反作用力扭矩TR傳遞給轉向盤，該路感電機動作由控制單元控制?？刂茊卧軌蚋鶕?jù)第一單元的路感電機電流傳感器檢測識別第一單元的故障(異常)。同樣，第二單元是第一單元備份，其結構和工作原理與第一單元相同。

控制裝置的反作用力控制特性如圖18所示。圖中橫軸表示轉向盤操縱轉向角θ，縱軸表示由轉向操縱反作用力生成單元產生的反作用力扭矩TR。反作用力特性不固定，能夠通過控制單元對路感電機動作控制來調整?？紤]第一單元與第二單元的兩者正常的情況。控制單元控制第一單元與第二單元中的至少一者的路感電機的動作，產生通常特性的反作用力扭矩(Cn曲線)。通常特性Cn曲線具有隨著轉向操縱角θ增加而反作用力扭矩TR增加的趨勢。這個反作用力扭矩反饋到駕駛員的手感上，因而駕駛員容易正確地控制轉向操縱角θ，即能夠良好地確保轉向盤的操作性。接下來考慮第一單元與第二單元中的一者發(fā)生了“單一故障 (single failure)”的情況。在單一故障的情況下，控制單元控制第一單元與第二單元中能正常工作的另一者的路感電機的動作，產生第一特性(C1曲線)的反作用力扭矩TR。與通常特性(Cn曲線)相同，第一特性C1曲線具有隨著轉向操縱角θ增加而反作用力扭矩TR增加的趨勢。由此，在單一故障時，也能夠再現(xiàn)適度的增長感，能夠良好地確保轉向盤的操作性。但是，控制單元使第一特性C1曲線的反作用力扭矩TR的大小從通常特性Cn“積極地”變化。單一故障時的第一特性C1曲線從通常特性Cn曲線發(fā)生變化，因而駕駛員容易識別“產生了單一故障”的手感。

圖18 路感反饋系統(tǒng)反作用力矩特性曲線圖

圖19中除了顯示出通常特性(Cn曲線)與第一特性(C1曲線)之外，還顯示出第二特性(C2曲線)。第二特性是第一單元與第二單元兩者發(fā)生了故障的“雙重故障 (double failure)”的情況下的反作用力扭矩TR的特性。在雙重故障時，無法控制路感電機的動作生成反作用力扭矩TR。第二特性(C2曲線)的主成分為減速器等引起的機械摩擦力矩。在第二特性(C2曲線)中，無論轉向操縱角θ如何，反作用力矩TR大致一定。 在圖中，表示通常特性(Cn曲線)的與表示第二特性(C2曲線)在轉向操縱角θ＝規(guī)定值θx的點交叉。第一轉向操縱角范圍R1段是轉向操縱角θ為0(空擋)至規(guī)定值θx的范圍。第二轉向操縱角范圍R2段是轉向操縱角θ大于規(guī)定值θx的范圍。

圖19 路感反饋系統(tǒng)“雙重故障”反作用力矩特性曲線圖

在第一特性(C1曲線)設定為通常特性(Cn曲線)與第二特性(C2曲線的中間。即在第一轉向操縱角范圍R1段內，第一特性(C1曲線)的反作用力扭矩TR大于相對于相同的轉向操縱角θ的通常特性(Cn曲線)的反作用力扭矩TR，小于相對于相同的轉向操縱角θ的第二特性(C2曲線)的反作用力扭矩TR，(C2＞C1＞Cn)。另一方面，在第二轉向操縱角范圍R2段內，第一特性(C1曲線)的反作用力扭矩TR小于相對于相同的轉向操縱角θ的通常特性(Cn曲線)的反作用力扭矩TR，大于相對于相同的轉向操縱角θ的第二特性(C2曲線)的反作用力扭矩TR，(C2＜C1＜Cn)。這是因為萬一產生了雙重故障時，駕駛員更容易感受路感反作用力矩變動而從容應對。

圖20是簡要地表示所涉及的反作用力控制的流程圖。在步驟S100中，控制單元對是否產生了單一故障進行判定。在未產生單一故障的情況下(步驟S100；否)，處理進入步驟S200。另一方面，在產生了單一故障的情況下(步驟S100；是)，處理進入步驟 S300。 在步驟S200中，控制單元進行通常反作用力控制。具體而言，控制單元基于轉向操縱角θ、車速V等計算通常特性(Cn曲線)的目標反作用力扭矩。而且，控制單元進行第一與第二單元中的至少一者的路感電機的電流控制，以便獲得目標反作用力扭矩(步驟S210)。另一方面，在步驟S300中，控制單元進行單一故障反作用力控制。具體而言，控制單元基于轉向操縱角θ、車速V等計算第一特性(C1曲線)的目標反作用力扭矩。而且，控制單元進行第一單元與第二單元中的正常的系統(tǒng)的路感電機的電流控制，以便獲得目標反作用力扭矩(步驟S310)。

圖20 路感反饋系統(tǒng)反作用力矩控制流程圖

八、展望

一汽豐田旗下全新車型bz4x正式在中國上市。這是豐田e-TNGA架構下的首款純電SUV。在bz4x車型上選裝One Motion Grip(單把操縱)模塊化駕駛操作系統(tǒng)將線控轉向系統(tǒng)與異形轉向盤結合，舍棄了轉向盤與輪胎之間的機械連接(圖21)。bz4x與競爭車型相比，具備了五大競爭優(yōu)勢。

圖21 豐田bz4x線控轉向異形轉向盤示意圖

1.轉向盤轉動角度設定為±150°，無需換手打輪即可完成轉向操作，極大減輕了駕駛員在掉頭、入庫、彎道行駛等時的操作負擔。

2.通過獨立控制轉向盤轉向力矩與車輪轉角，提升操控感。與選擇駕駛模式聯(lián)動，改變轉向裝置的特征。

3.阻斷輪胎帶來的不必要振動，只傳達路面狀態(tài)等必要信息。在經過凹凸不平路面，或車道跟蹤輔助功能運行時，控制輪胎的動作，確保車輛的安全性。

4.“One Motion Grip”擴展了腿部空間，提升了駕駛位的自由度及上下車便利性。

5.旋鈕式換擋(豐田首次)，操作更為直觀簡便。

SBW系統(tǒng)通過電控單元控制轉向電機進行車輛方向控制的方式，能夠完成主動轉向及自動轉向功能，實現(xiàn)輔助駕駛、平行駕駛甚至自動駕駛，通過調節(jié)駕駛員與轉向系統(tǒng)控制器之間的控制權重，不僅能根據(jù)不同駕駛員的駕駛習慣、駕駛特性以及車輛當前的行駛情況，提供個性化的駕駛輔助，還能夠幫助駕駛員逐步適應從輔助駕駛到自動駕駛的過渡，是智能汽車轉向系統(tǒng)的最佳選擇。

未來性能更優(yōu)越、優(yōu)點更多的線控轉向開發(fā)與使用將成為必然。線控轉向更符合未來智能駕駛技術的發(fā)展需求，當智能駕駛不需要人參與時，轉向盤就成了多余。因此，線性技術在未來也將會有良好的商業(yè)化和產業(yè)化的市場前景。

(全文完)