汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的原理介紹及發(fā)展應(yīng)用

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本性能是保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)有較理想的操縱穩(wěn)定性。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展和汽車系統(tǒng)的集成化，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Hydraulic Power Steering System，HPS)、電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electronic Control Hydraulic Power Steering Systern，ECHPS)，發(fā)展到現(xiàn)在逐漸推廣應(yīng)用的電動(dòng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro-Hydraulic Power Steering System，EHPS)。近年來，汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)(Steer-ing-By-Wire，SBW)也成為國外的研究熱點(diǎn)。SBW是X-By-Wire 的一種。X-By-Wire的全稱是“沒有機(jī)械和液力后備系統(tǒng)的安全相關(guān)的容錯(cuò)系統(tǒng)”。“X”表示任何與安全相關(guān)的操作，包括轉(zhuǎn)向、制動(dòng)，等等。

　　1 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理

　　1．1 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器(ECU)三個(gè)主要部分以及自動(dòng)防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。

　　方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)。方向盤總成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(shí)接受主控制器送來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩，以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信息。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等組成。轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成的功能是接受主控制器的命令，通過轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

　　主控制器對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向方向盤回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送指令，控制兩個(gè)電機(jī)的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應(yīng)，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補(bǔ)償任務(wù)，減輕駕駛員負(fù)擔(dān)。同時(shí)控制器還可以對駕駛員的操作指令進(jìn)行識別，判定在當(dāng)前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當(dāng)汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)將駕駛員錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而自動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定控制，使汽車盡快地恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　自動(dòng)防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實(shí)施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應(yīng)的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。作為應(yīng)用最廣泛的交通工具之一，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(dòng)檢測和自動(dòng)處理是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的組成系統(tǒng)之一。它采用嚴(yán)密的故障檢測和處理邏輯，以更大地提高汽車安全性能。

　　電源系統(tǒng)承擔(dān)著控制器、兩個(gè)執(zhí)行馬達(dá)以及其它車用電器的供電任務(wù)，其中僅前輪轉(zhuǎn)角執(zhí)行馬達(dá)的最大功率就有500-800W，加上汽車上的其它電子設(shè)備，電源的負(fù)擔(dān)已經(jīng)相當(dāng)沉重。所以要保證電網(wǎng)在大負(fù)荷下穩(wěn)定工作，電源的性能就顯得十分重要。

　　1．2 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理簡介

　　汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車主動(dòng)安全性的關(guān)鍵總成，傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)是由駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實(shí)現(xiàn)的。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，不但可以自由設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計(jì)帶來無限的空間，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大革新。
 
汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理。用傳感器檢測駕駛員的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)總線將信號傳遞給車上的ECU，并從轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)獲得反饋命令；轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)也從轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)獲得駕駛員的轉(zhuǎn)向指令，并從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)獲得車輪情況，從而指揮整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制車輪轉(zhuǎn)到需要的角度，并將車輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，比如轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，以使駕駛員獲得路感，這種路感的大小可以根據(jù)不同的情況由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)控制。

　　1．3 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　(1)提高汽車安全性能。去除了轉(zhuǎn)向柱等機(jī)械連接，完全避免了撞車事故中轉(zhuǎn)向柱對駕駛員的傷害；智能化的ECU根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)判斷駕駛員的操作是否合理，并做出相應(yīng)的調(diào)整；當(dāng)汽車處于極限工況時(shí)，能夠自動(dòng)對汽車進(jìn)行穩(wěn)定控制。

　　(2)改善駕駛特性，增強(qiáng)操縱性。基于車速、牽引力控制以及其它相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)向比率(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和車輪轉(zhuǎn)角的比值)不斷變化，低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向比率變大，獲得更好的直線行駛條件。

　　(3)改善駕駛員的路感。由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間無機(jī)械連接，駕駛員“路感”通過模擬生成?？梢詮男盘栔刑岢鲎钅軌蚍磻?yīng)汽車實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為轉(zhuǎn)向盤回正力矩的控制變量，使轉(zhuǎn)向盤僅向駕駛員提供有用信息，從而為駕駛員提供更為真實(shí)的“路感”。

(4)增強(qiáng)汽車舒適性。由于消除了機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，地面的不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡不會(huì)傳遞到轉(zhuǎn)向軸上，從而減緩了駕駛員的疲勞；駕駛員的腿部活動(dòng)空間和汽車底盤的空間明顯增大。

　　2 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要技術(shù)發(fā)展

　　汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有如下的關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

　　2．1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠及安全性問題

　　目前阻撓線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)普及的一個(gè)重要因素是其可靠性問題，現(xiàn)在還無法在可靠性與成本之間取得一個(gè)很好的平衡。世界各大研究機(jī)構(gòu)正在就這一問題進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，相信這一問題能夠得到合理的解決。裝載機(jī)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，必須解決如下問題：

　　(1)目前，電子部件還沒有達(dá)到機(jī)械部件那樣可靠的程度，如何保證在電子部件出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)其最基本的轉(zhuǎn)向功能，即如何保證電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、安全工作是十分重要的，這也是電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前最為突出的問題；

　　(2)由于方向盤與轉(zhuǎn)向輪之間沒有直接的機(jī)械連接，因此如何提供給駕駛員合適的路感，以使駕駛員能夠感受到道路的狀況以及轉(zhuǎn)向輪所處的位置，從而據(jù)此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向力矩是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一；

　　(3)為了保證車輛的行駛安全性，即車輛只要是在運(yùn)行中，都應(yīng)該保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠起作用；

　　(4)如何通過軟件來實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)向圈數(shù)、轉(zhuǎn)向敏感度和路感強(qiáng)弱可調(diào)節(jié)。

　　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠及安全性問題對于傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)，可以通過精巧設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性和可靠性，但線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向車輪之間無機(jī)械連接，完全依靠電子和電器元件來工作。目前，電子部件還沒有達(dá)到機(jī)械部件那樣可靠的程度，如何保證在電子部件出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)其最基本的轉(zhuǎn)向功能，即如何保證線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、安全工作是十分重要的。這也是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。為解決這個(gè)問題，國外一些汽車公司采用了系統(tǒng)冗余和容錯(cuò)技術(shù)。

　　 2．2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中模擬“路感”的問題

　　如何生成讓駕駛員能夠感知汽車實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的路感，是實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須解決的問題之一。這就涉及到模擬路感的電機(jī)震動(dòng)控制技術(shù)。

　　汽車轉(zhuǎn)向系一直存在著輕與靈的矛盾。為此，人們常將轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)成變傳動(dòng)比，在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角時(shí)以靈為主，在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)角時(shí)以輕為主。但是，靈的范圍只在轉(zhuǎn)向盤中間位置附近，僅對高速行駛有意義，并且傳動(dòng)比不能隨車速變化，所以這種方法不能從根本上解決這一矛盾。另外，轉(zhuǎn)向力與路感也是相互制約的，轉(zhuǎn)向力小意味著轉(zhuǎn)向輕便，能減小駕駛員的體力消耗；但轉(zhuǎn)向力過小，就缺乏路感。傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向由于不能對助力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與路感的關(guān)系困難，特別是汽車高速行駛時(shí)，仍然會(huì)提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飄，從而影響操縱穩(wěn)定性。由于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由電機(jī)提供動(dòng)力源，由于電動(dòng)機(jī)具有彈簧阻尼的效果，能減少不平路面對轉(zhuǎn)向盤的沖擊力和車輪不平衡引起的震動(dòng)，這樣同時(shí)就減少了駕駛員的“路感”。采用模擬路感的電機(jī)震動(dòng)控制技術(shù)可以有效地解決這一問題。

　　2．3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力電源問題

　　線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在傳統(tǒng)的ECU供電系統(tǒng)條件下無法實(shí)施。未來車輛將采用電源技術(shù)，到時(shí)汽車電子附件的供電問題將會(huì)得到圓滿解決。

　　2．4 傳感器的精度和成本問題

　　傳感器是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的器件之一。在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中需要多個(gè)轉(zhuǎn)向傳感器參與工作。這些傳感器的作用是：實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)角的大小和方向，并將此信息轉(zhuǎn)換為電信號傳送到電子控制器。電子控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向傳感器的信號及車輛導(dǎo)向單元的信號按照控制模型進(jìn)行分析運(yùn)算與判斷，然后將該信息送至轉(zhuǎn)向盤電動(dòng)機(jī)與兩個(gè)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)。

　　傳感器的精度問題決定了整個(gè)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能可靠性。加速開發(fā)研究既可靠又低廉的傳感器十分重要，價(jià)格昂貴也是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)難于推廣的一個(gè)原因。

　　3 應(yīng)用前景

　　從我國裝載機(jī)行業(yè)的整體技術(shù)發(fā)展的水平來看，裝載機(jī)線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的大量應(yīng)用尚有一段距離，但該項(xiàng)技術(shù)的采用，必定會(huì)帶來我國裝載機(jī)行業(yè)技術(shù)水平的質(zhì)的飛躍。

　　輔助駕駛系統(tǒng)和無人駕駛是現(xiàn)在新興的熱門研究領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)車輛智能轉(zhuǎn)向的最佳方案就是采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研制開發(fā)也為自動(dòng)駕駛車輛的開發(fā)提供了良好的科研平臺，其自身也具有良好的應(yīng)用前景。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由汽車產(chǎn)業(yè)向工程車輛轉(zhuǎn)移，是工程車輛發(fā)展的必然趨勢，雖然國內(nèi)外生產(chǎn)廠商剛開始注意這個(gè)問題，但我們相信線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢，必然會(huì)在工程車輛中得到廣泛的應(yīng)用。

　　4 結(jié)束語

　　綜上所述，汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)以求獲得最佳的汽車轉(zhuǎn)向性能，提高汽車的操縱性、穩(wěn)定性和安全性，使汽車具有一定的智能化。汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展代表未來汽車轉(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)研究還是空白，無法與國外相比。從我國現(xiàn)有條件出發(fā)，對該系統(tǒng)進(jìn)行深入、細(xì)致的研究，對于拓展電氣傳動(dòng)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，都將有深遠(yuǎn)的意義。