電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性研究

田軍南　黃日帆　王垚　張維華

摘 要：隨著電動汽車的快速發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為電動汽車的重要組成部分，對于提升駕駛穩(wěn)定性和操控性具有重要意義。本文通過對電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性研究分析，總結(jié)了相關(guān)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。首先，介紹了電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)，然后重點(diǎn)討論了影響操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，包括車輛動力學(xué)特性、控制算法和傳感器技術(shù)等。接著，對不同電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性研究方法和實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行了比較和分析，包括仿真模擬、試驗(yàn)臺架和實(shí)車試驗(yàn)等。最后，對未來電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性研究的方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電動汽車 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 操縱穩(wěn)定性

1 引言

隨著環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)和能源危機(jī)的不斷加劇，電動汽車為一種清潔高效的交通工具逐漸得到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動汽車具有零排放、低噪音和高能效等優(yōu)勢。然而，在高速行駛和急轉(zhuǎn)彎等情況下電動汽車在操控性和駕駛穩(wěn)定性方面仍然存在一定挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在電動汽車中存在傳動鏈路的復(fù)雜性、能量損失以及對空間的占用等一系列問題。為了克服這些問題與挑戰(zhàn)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸成為電動汽車中的一種新型轉(zhuǎn)向解決方案[1-2]。

本文在總結(jié)大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，著重從影響電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素、電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性不同的研究方法與實(shí)驗(yàn)手段兩個(gè)方面介紹電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的現(xiàn)階段相關(guān)研究，并對未來研究方向進(jìn)行展望，以促進(jìn)電動汽車駕駛穩(wěn)定性和操控性的提升。

2 電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本原理和結(jié)構(gòu)

2.1 電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的概述與基本原理

電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種基于電信號和電動機(jī)控制的轉(zhuǎn)向解決方案，旨在提高電動汽車的操控性和駕駛穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有更高的精確性和靈活性。它通過電子控制單元（ECU）和電動機(jī)控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對前輪轉(zhuǎn)向角度的精確控制。

電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本原理是通過電動機(jī)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)前輪的轉(zhuǎn)向。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時(shí)，傳感器將轉(zhuǎn)向角度的信號傳遞給電子控制單元。電子控制單元根據(jù)接收到的信號，計(jì)算出電動機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度和速度，并通過電機(jī)控制單元控制電動機(jī)的運(yùn)動。電動機(jī)的轉(zhuǎn)動通過傳動裝置傳遞到前輪，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。

2.2 電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成部分

電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由多個(gè)組成部分構(gòu)成，包括電子控制單元（ECU）、電動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳感器等。

電子控制單元（ECU）是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)接收和處理來自傳感器的信號，并控制電動機(jī)的運(yùn)動。ECU通過算法和控制策略實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確控制，以滿足駕駛員的操控需求。電動機(jī)是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的執(zhí)行器，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)動前輪。根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向需求，電動機(jī)通過電機(jī)控制單元的控制，以特定的角度和速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將電動機(jī)的轉(zhuǎn)動傳遞到前輪，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通常由齒輪、傳動桿和連桿等組成，確保電動機(jī)的轉(zhuǎn)動能夠準(zhǔn)確傳遞到前輪，從而實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向控制。傳感器是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部分，用于感知駕駛員的轉(zhuǎn)向操作和車輛的轉(zhuǎn)向角度。常用的傳感器包括轉(zhuǎn)向角度傳感器和轉(zhuǎn)向力傳感器。轉(zhuǎn)向角度傳感器用于測量方向盤的轉(zhuǎn)動角度，而轉(zhuǎn)向力傳感器用于測量駕駛員施加在方向盤上的力。

3 影響操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素

3.1 車輛動力學(xué)特性的影響

車輛動力學(xué)特性是影響電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的重要因素之一[3-4]。車輛動力學(xué)特性包括車輛的質(zhì)量分布、懸掛系統(tǒng)、輪胎特性等。這些特性直接影響著車輛的穩(wěn)定性和操控性。

車輛的質(zhì)量分布對操縱穩(wěn)定性具有重要影響。在電動汽車中，電池組通常位于車輛的底部，這會導(dǎo)致車輛的重心較低，從而提高車輛的穩(wěn)定性。前后軸的負(fù)載平衡也是關(guān)鍵因素，過大的前軸負(fù)載可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過輕，而過大的后軸負(fù)載可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過重，都會影響操縱穩(wěn)定性。此外，懸掛系統(tǒng)對于車輛的操縱性和穩(wěn)定性也扮演著至關(guān)重要的角色。懸掛系統(tǒng)的剛度和減震器的效果直接影響著車輛在行駛過程中的穩(wěn)定性和操控性。合理的懸掛系統(tǒng)可以提供良好的懸掛剛度和減震效果，減少車身的側(cè)傾和縱向搖動，提高操縱穩(wěn)定性。輪胎特性也是影響操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。輪胎的抓地力和操控性能直接影響著車輛的轉(zhuǎn)向響應(yīng)和穩(wěn)定性。合適的輪胎規(guī)格和胎壓可以提供良好的抓地力，而合理的輪胎硬度和花紋設(shè)計(jì)可以提供良好的操控性能。

3.2 控制算法的影響

控制算法是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的核心部分，對操縱穩(wěn)定性具有重要影響。控制算法通過精確計(jì)算和判斷，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向控制算法需要根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向操作和車輛的狀態(tài)，計(jì)算出電動機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度和速度。這需要考慮到車輛的動力學(xué)特性、路面情況和駕駛員的意圖等因素，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向控制。控制算法需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整轉(zhuǎn)向控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的駕駛情況和路面條件。例如，在高速行駛時(shí)，控制算法可以采用更精細(xì)的控制策略，以提供更高的操控性和穩(wěn)定性；而在低速行駛或急轉(zhuǎn)彎時(shí)，控制算法可以調(diào)整轉(zhuǎn)向角度和速度，以提供更靈活的轉(zhuǎn)向響應(yīng)?？刂扑惴ㄟ€需要考慮到安全性和穩(wěn)定性之間的平衡。在一些特殊情況下，例如緊急避讓或失控時(shí)，控制算法需要及時(shí)作出響應(yīng)，以保證車輛的穩(wěn)定性和駕駛員的安全。

3.3 傳感器技術(shù)的影響

傳感器技術(shù)是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，對操縱穩(wěn)定性具有重要影響。傳感器技術(shù)可以提供準(zhǔn)確的車輛狀態(tài)信息和駕駛員操控信息，以實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向控制。

轉(zhuǎn)向角度傳感器用于測量方向盤的轉(zhuǎn)動角度，可以提供精確的駕駛員操控信息。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測方向盤的轉(zhuǎn)動角度，轉(zhuǎn)向角度傳感器可以將轉(zhuǎn)向操控信息傳遞給控制算法，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向控制。此外，轉(zhuǎn)向力傳感器也是影響操縱穩(wěn)定性的重要傳感器之一。轉(zhuǎn)向力傳感器可以測量駕駛員施加在方向盤上的力，從而提供駕駛員的意圖和操控需求?？刂扑惴梢愿鶕?jù)轉(zhuǎn)向力傳感器的信號，調(diào)整轉(zhuǎn)向控制參數(shù)，以滿足駕駛員的操控需求[5]。

4 電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性主要研究方法和實(shí)驗(yàn)手段

4.1 仿真模擬

仿真模擬是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究中常用的一種方法。通過建立電動汽車的數(shù)學(xué)模型和控制算法，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真模擬可以模擬不同駕駛情況下的轉(zhuǎn)向控制效果，評估操縱穩(wěn)定性，并優(yōu)化控制算法。與此同時(shí)，仿真模擬還可以快速驗(yàn)證新的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略的可行性，減少實(shí)際試驗(yàn)的成本和時(shí)間。

在進(jìn)行仿真模擬時(shí)，需要根據(jù)電動汽車的物理特性和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。模型可以包括車輛動力學(xué)模型、電動機(jī)模型、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)模型等。然后，根據(jù)控制算法和駕駛場景，通過計(jì)算機(jī)程序模擬轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)行，得到轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向力和車輛的響應(yīng)等結(jié)果。

4.2 試驗(yàn)臺架

試驗(yàn)臺架是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究中常用的實(shí)驗(yàn)手段之一。試驗(yàn)臺架可以通過搭建具有真實(shí)車輛零部件的實(shí)驗(yàn)平臺，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)環(huán)境下的測試和評估。

在試驗(yàn)臺架上，可以安裝真實(shí)的電動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和傳感器等部件，以模擬真實(shí)的轉(zhuǎn)向操控和車輛響應(yīng)。通過控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動和記錄傳感器的數(shù)據(jù)，可以評估轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同駕駛情況下的操縱穩(wěn)定性和操控性能。通過試驗(yàn)臺架的實(shí)驗(yàn)，可以獲得更接近實(shí)際駕駛情況的數(shù)據(jù)，提供更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能評估。然而，試驗(yàn)臺架的建設(shè)和維護(hù)成本較高，且受到實(shí)際環(huán)境的限制，不能完全模擬所有駕駛場景。

4.3 實(shí)車試驗(yàn)

實(shí)車試驗(yàn)是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究中最直接和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)手段。通過在實(shí)際道路上進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，可以全面評估轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性和操控性能。

在實(shí)車試驗(yàn)中，研究人員可以安裝測試設(shè)備，如轉(zhuǎn)向角度傳感器、轉(zhuǎn)向力傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀等，來監(jiān)測和記錄轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能。通過在不同路況和駕駛情況下的試驗(yàn)，可以獲得真實(shí)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)和駕駛員的操控感受。實(shí)車試驗(yàn)可以提供最真實(shí)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能評估，但同時(shí)也存在一些局限性。例如：實(shí)車試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，并受到交通和環(huán)境條件的限制；實(shí)車試驗(yàn)還涉及到安全問題，需要采取相應(yīng)的措施來確保試驗(yàn)的安全性。

5 未來研究方向展望

電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的研究在不斷發(fā)展，但仍存在一些挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在未來的研究中，可以從以下幾個(gè)方面著手開展研究。

（1）提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確性和響應(yīng)性

未來的研究可以致力于進(jìn)一步提高電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精確性和響應(yīng)性。通過優(yōu)化控制算法和提高傳感器的精度，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向控制。同時(shí)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，開發(fā)出更智能和自適應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以滿足不同駕駛情況和駕駛員的需求。

（2）研究復(fù)雜駕駛場景下的操縱穩(wěn)定性

復(fù)雜駕駛場景下的操縱穩(wěn)定性是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的重要方向之一。未來的研究可以關(guān)注電動汽車在高速行駛、急轉(zhuǎn)彎、濕滑路面等復(fù)雜情況下的轉(zhuǎn)向性能。通過深入研究和優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略，提高電動汽車在這些場景下的操控性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升駕駛員的安全性和駕駛體驗(yàn)。

（3）強(qiáng)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其他車輛系統(tǒng)的協(xié)同性

未來研究的重要方向之一是探索電動汽車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其他車輛系統(tǒng)的協(xié)同性，以進(jìn)一步提升電動汽車的操控性、安全性和駕駛體驗(yàn)。通過與車輛動力系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)更高效和智能的整車控制。未來的研究注重不同系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)同控制方法，以提高整車的性能和駕駛體驗(yàn)。

（4）提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性是電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究的重要關(guān)注點(diǎn)。未來的研究可以致力于解決轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同工況和惡劣環(huán)境下的安全性和可靠性問題。通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改進(jìn)傳感器技術(shù)和控制策略，可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保駕駛員的行車安全。

（5）推動標(biāo)準(zhǔn)化和法規(guī)制定

電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和法規(guī)制定是未來研究的重要方向之一。建立統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)和測試標(biāo)準(zhǔn)，可以促進(jìn)不同研究之間的比較和交流。制定相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，可以確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的安全性和合規(guī)性，推動電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)論

電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性的研究是電動汽車行業(yè)中的重要課題，電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)和機(jī)遇的領(lǐng)域。通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新，可以進(jìn)一步提升電動汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能和功能，推動電動汽車行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

基金項(xiàng)目：

2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目：電動車線控轉(zhuǎn)向路感控制系統(tǒng)及其穩(wěn)定性研究（項(xiàng)目編號：2021KY0851）項(xiàng)目資助、2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目：基于多層次視覺神經(jīng)機(jī)制的輪廓檢測研究（項(xiàng)目編號：2023KY0883）項(xiàng)目資助、廣西科技師范學(xué)院2023年度校級本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目：基于SPOC平臺下的 BOPPPS 教學(xué)模式在地方應(yīng)用型本科高校電氣信息類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究--以《自動控制理論》課程為例（項(xiàng)目編號：2023GKSYGB17）項(xiàng)目資助。

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