汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的原理介紹及發(fā)展應用

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)動轉(zhuǎn)向盤時有較理想的操縱穩(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)在逐漸推廣應用的電動液壓動力轉(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。SBW是X-By-Wire 的一種。X-By-Wire的全稱是“沒有機械和液力后備系統(tǒng)的安全相關(guān)的容錯系統(tǒng)”。“X”表示任何與安全相關(guān)的操作，包括轉(zhuǎn)向、制動，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)三個主要部分以及自動防故障系統(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。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、轉(zhuǎn)向電機控制器和前輪轉(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)向電機控制器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。

　　主控制器對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態(tài)，向方向盤回正力電機和轉(zhuǎn)向電機發(fā)送指令，控制兩個電機的工作，保證各種工況下都具有理想的車輛響應，以減少駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向特性隨車速變化的補償任務(wù)，減輕駕駛員負擔。同時控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別，判定在當前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)或駕駛員發(fā)出錯誤指令時，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會將駕駛員錯誤的轉(zhuǎn)向操作屏蔽，而自動進行穩(wěn)定控制，使汽車盡快地恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。

　　自動防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系的重要模塊，它包括一系列的監(jiān)控和實施算法，針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。作為應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)，因而故障的自動檢測和自動處理是線控轉(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)承擔著控制器、兩個執(zhí)行馬達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，電源的負擔已經(jīng)相當沉重。所以要保證電網(wǎng)在大負荷下穩(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)是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運動是由駕駛員操縱轉(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)向輪之間的機械連接，完全由電能實現(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)計汽車轉(zhuǎn)向的力傳遞特性，而且可以設(shè)計汽車轉(zhuǎn)向的角傳遞特性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計帶來無限的空間，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，從而指揮整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動。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)動轉(zhuǎn)矩反饋到系統(tǒng)的其余部分，比如轉(zhuǎn)向操縱機構(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

　　(1)提高汽車安全性能。去除了轉(zhuǎn)向柱等機械連接，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，并做出相應的調(diào)整；當汽車處于極限工況時，能夠自動對汽車進行穩(wěn)定控制。

　　(2)改善駕駛特性，增強操縱性?；谲囁?、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，轉(zhuǎn)向比率低，可以減少轉(zhuǎn)彎或停車時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度；高速行駛時，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)向車輪之間無機械連接，駕駛員“路感”通過模擬生成。可以從信號中提出最能夠反應汽車實際行駛狀態(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的“路感”。

(4)增強汽車舒適性。由于消除了機械結(jié)構(gòu)連接，地面的不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡不會傳遞到轉(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很好的平衡。世界各大研究機構(gòu)正在就這一問題進行聯(lián)合攻關(guān)，相信這一問題能夠得到合理的解決。裝載機線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實現(xiàn)，必須解決如下問題：

　　(1)目前，電子部件還沒有達到機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，即車輛只要是在運行中，都應該保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠起作用；

　　(4)如何通過軟件來實現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)向圈數(shù)、轉(zhuǎn)向敏感度和路感強弱可調(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)的機械系統(tǒng)，可以通過精巧設(shè)計來實現(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，電子部件還沒有達到機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)。為解決這個問題，國外一些汽車公司采用了系統(tǒng)冗余和容錯技術(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際行駛狀態(tài)和路面狀況的路感，是實現(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震動控制技術(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)計成變傳動比，在轉(zhuǎn)向盤小轉(zhuǎn)角時以靈為主，在轉(zhuǎn)向盤大轉(zhuǎn)角時以輕為主。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)液壓動力轉(zhuǎn)向由于不能對助力進行實時調(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，仍然會提供較大助力，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)由電機提供動力源，由于電動機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，這樣同時就減少了駕駛員的“路感”。采用模擬路感的電機震動控制技術(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)條件下無法實施。未來車輛將采用電源技術(shù)，到時汽車電子附件的供電問題將會得到圓滿解決。

　　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)中需要多個轉(zhuǎn)向傳感器參與工作。這些傳感器的作用是：實時檢測轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向電動機的轉(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向單元的信號按照控制模型進行分析運算與判斷，然后將該信息送至轉(zhuǎn)向盤電動機與兩個轉(zhuǎn)向電動機。

　　傳感器的精度問題決定了整個線控轉(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，價格昂貴也是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)難于推廣的一個原因。

　　3 應用前景

　　從我國裝載機行業(yè)的整體技術(shù)發(fā)展的水平來看，裝載機線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的大量應用尚有一段距離，但該項技術(shù)的采用，必定會帶來我國裝載機行業(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，必然會在工程車輛中得到廣泛的應用。

　　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)進行深入、細致的研究，對于拓展電氣傳動技術(shù)的應用、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，都將有深遠的意義。