汽车线控转向系统的技术探讨

汽车线控转向系统的技术探讨汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。如何合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是设计人员的重要研究课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。线控转向系统（Steering–By-WireSystem，简称SBW）的发展，正是迎合这种客观需求。它是继EPS后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS操纵稳定性更好的特点，而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。一、线控转向系统的发展概况德国奔驰公司在1990年开始了前轮线控转向的研究，并将它开发的线控转向系统应用于概念车F400Carving上。日本Koyo也开发了线控转向系统，但为了保证系统的安全，仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分，即通过离合器连接，当线控转向失效时通过离合器结合回复到机械转向。宝马汽车公司的概念车BMWZ22，应用了SteerByWire技术，转向盘的转动范围减小到160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone设计开发的概念车“FILO”，雪铁龙越野车“C-Crosser”，Daimlerchrysler概念车“R129”，都采用了线控转向系统。2003年日本本田公司在纽约国际车展上推出了LexusHPX概念车，该车也采用了线控转向系统，在仪表盘上集成了各种控制功能，实现车辆的自动控制。估计几年后，机械系统将由电缆与电子信号取代。二、线控转向系统的结构及工作原理（一）线控转向系统的结构汽车线控转向系统主要由转向盘模块、前轮转向模块、主控制器（ECU）以及自动防故障系统组成，其结构如图1所示。1．转向盘模块转向盘模块包括转向盘组件、转向盘转角传感器、力矩传感器、转向盘回正力矩电机。其主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量转向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器，同时主控制器向转向盘回正力矩电机发送控制信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。2．前轮转向模块前轮转向模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、电机控制器和前轮转向组件等。其功能是将测得的前轮转角信号反馈给主控制器，并接受主控制器的命令，控制转向盘完成所要求的前轮转角，实现驾驶员的转向意图。3．主控制器主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向盘回正力矩电机和转向电机发送命令，控制两个电机协调工作。主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，前轮线控转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽，以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快恢复到稳定状态。4．自动防故障系统自动防故障系统是线控转向系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度的保持汽车的正常行驶。线控转向技术采用严密的故障检测和处理逻辑，以最大程度地提高汽车安全性能。（二）线控转向系统的工作原理其工作过程:来自转向盘传感器和各种车辆当前状态的信息送给电子控制子系统后，利用计算机对这些信息进行控制运算，然后对车辆转向子系统发出指令，使车辆转向。同时车轮转向子系统中的转向阻力传感器给出的信息也经电子控制子系统，传给转向盘子系统中模拟路感的部件。原理如图2所示。三、线控转向系统的性能特点由于线控转向系统中的转向盘和转向轮之间没有机械连接，是断开的，通过总线传输必要的信息，故该系统也称作柔性转向系统。具有如下性能特点:柔性转向能消除转向干涉问题，为实现多功能全方位的自动控制，以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的系统集成提供了显著的先决条件。对前轮驱动轿车，在安装发动机时需要考虑刚性转向轴占用空间，转向轴必须依据汽车是左侧驾驶还是右侧驾驶安装在发动机附近，设计人员必须协调处理各种需要安排部件。而柔性转向去掉了原来转向系各个功能模块之间的刚性机械连接，大大方便了系统的总布置。舒适性得到提高。在刚性转向系统中，路面不平和转向轮的不平衡，可以回传到转向图1线控转向系统的结构示意图图2线控转向系统的工作原理图轴，而柔性系统不能。转向回正力矩能够通过软件依据驾驶员的要求进行调整。因此在不改变设计的情况下，可以个性化地适合特定的驾驶者和驾驶环境，与转向有关的驾驶行为都可以通过软件来实现。消除了碰撞事故中转向柱引起伤害驾驶员的可能性，不必设立转向防扭机构。驾驶员腿部活动空间增加，出入更方便自由。四、线控转向的关键技术（一）传感器技术现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。汽车电子控制系统控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈的精度，传感器科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。汽车SBW系统需要的相关传感器有:角位移传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等。（二）总线技术随着汽车总线技术的发展，存在着多种汽车总线标准，未来将会使用到具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议。这一类总线标准主要有TTP、Bytef-light和FlexRay。TTP（时间触发协议）是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议，能够支持多种容错策略，具有节点的恢复和整合功能；BMW公司的Byte-light可用于汽车线控系统的通信网络，其特点是既能满足某些高优先级消息需要时间触发，以保证确定延迟的要求，又能满足某些消息需要事件触发，需要中断处理要求；而其他汽车制造商目前计划采用FlexRay，这是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信系统，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chryler，Motorola和Philips联合开发和建立了FlexRay标准，GM公司，Boseh公司和Volkswagen公司也加入了联合开发协会，现在已经有7个核心成员，共同致力于开发汽车分布式控制系统中高速总线系统的标准。日前FlexRay标准的物理层标准已经由Philips公司开发完成，通迅协议正在研发中。该标准的出台不仅提高了信息传输的一致性、可靠性，而且还简化了信息开发和使用过程，并降低了成本。从现在的发展来看，由于FlexRay是基于时间和事件的触发协议，要优于TTP。基于总线技术的SBW系统将传统的机械转向系统变成通过高速容错通信总线相连的电气系统，实现系统的自动化、智能化、网络化与信息化。（三）动力电源动力电源承担着SBW系统中电子控制单元、4个电动机的供电（2个冗余转矩反馈电动机和2个冗余转向电动机），2个转矩反馈电动机功率大约为50～80W，2个转向电动机功率大约为500～800W，电源负荷相当重，因此要保证整个系统的稳定工作，动力电源的性能至关重要。随着电子元件及其高功耗零部件的不断增加，使得汽车负荷成倍增加。若继续维持12V供电系统，就必须通过提高电流来获得更多的功率，但是过高的电流将给整个系统带来安全隐患，汽车电路上的热能消耗大大增加，所以汽车供电系统必须提高电压以满足现代汽车电气系统负荷日益增长的需要。于是，42V供电系统应运而生。42V电源的采用也为发展SBW系统创造了条件:电动机的质量减轻了20%；减小了线束直径，降低了设计与使用成本，方便安装；降低了负载电流；提高了电子元件的集成度等。这些优点对其开发具有决定性的影响，必将大大推动SBW系统的电动机以及相关部件的发展。（四）可靠性技术线控转向系统发展过程中最大的困扰是可靠性的问题。由于线控转向系统中转向盘和转向车轮之间没有直接的机械连接，当电控系统出现故障时，车辆将无法保证转向功能，处于失控状态。随着技术的发展，电控系统的可靠性不断得到提高，在系统设计中大量引入了“冗余设计”的理念，比如:传感器的冗余、电机的冗余、车载电源系统的冗余等，使线控转向系统的可靠性得到了明显提高。图3所示为线控转向系统冗余设计的一个典型代表。为保证线控转向系统有充足的电能供应，而且为防止电源故障，必须使用更加安全的42V电源系统。在转向盘下方安置2个转向传感器，保证可以辨识出驾驶员的操纵意图。转向盘电机的供电采用了两路冗余设计；为保证转向盘电机损坏时也可以施加回正力矩，在转向盘下方安装1个扭转弹簧或者安装第二个转向盘电机。为保证车辆前轮具有转向能力，使用了两路转向电机，相应地配备了2个转向传感器。在ECU的设计和控制软件的设计上也都采用了冗余设计的思想。由于采用了上述种种措施，大大提高了线控转向系统的可靠性。为SBW系统在汽车上的应用提供了保障。五、线控转向系统的前景展望汽车线控转向系统的设计以减轻驾驶员的体力和脑力劳动、提高整车主动安全性为根本出发点，使汽车性能适合于更多非职业驾驶员的要求，对广大消费者有着巨大的吸引力。下面从几方面来说明其前景:从生产成本来看，随着电子芯片和电子元器件成本的降低，而处理能力和可靠性却大大提高，这将使得线控转向系统的成本在不久将来达到消费者的接受水平。再从其实现的条件看，预计42V电源将会得到快速发展，各种传感器精度将会有所提高、成本会有所降低，以及模拟路感的电机振动控制技术将会更加成熟，这些为其在汽车上的应用创造了条件。另外从现代汽车的发展趋势来看，未来汽车的主体是低排放汽车（LEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）、电动汽车（EV）四大EV汽车，辅助驾驶系统和无人驾驶汽车是新兴的热门研究领域，实现汽车智能转向的最佳方案就是采用线控转向系统，这些都给线控转向系统带来了更加广阔的应用前景。总之，线控转向系统是一种适合消费者的新技术，尤其对于今后实现汽车无人驾驶的设想创造了前提。