電動車輛線控轉向系統研究

常江雪 白學峰

摘要：線控轉向是車輛轉向系統中的最新技術之一。文章對比分析了國內外線控轉向系統，詳細介紹了線控轉向系統的結構組成、特點和工作原理，并提出了在電動車輛上采用線控轉向系統的方案，從而提高車輛的轉向特性和安全性。

Abstract： SBW is the latest technology in vehicle steering system. This paper reviews the domestic and foreign development of steer-by-wire steering system. The structure， characteristics and operating principle of the steer-by- wire steering system were introduced in detail. At last， the solutions that making steer-by-wire steering system in engineering vehicle were proposed to improve the steering characteristics and safety of the vehicle.

關鍵詞：線控轉向;控制策略;主動安全

Key words： steer-by-wire system;control strategy;active safety

中圖分類號：U463.62?????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0236-02

0? 引言

電動車輛的發展趨勢是節能、安全、環保。車輛轉向系統是實現車輛主動安全的重要系統，其操縱穩定性直接影響著車輛的性能。本文研究的對象是電動車輛的轉向系統。為了控制車輛能夠沿駕駛員預想的路徑行駛，駕駛員必須時刻調節自身的情況，這增加了駕駛員的駕駛負擔。當遇到復雜工況時，駕駛員很難控制車輛，容易發生交通事故;近幾年隨著智能技術、電子技術的發展，機電液一體化技術已經被廣泛應用在汽車上，研究人員提出了很多能夠提高電動車輛性能的方案，解決了目前電動車輛面臨的諸多難題，成為現代電動車輛的未來發展趨勢。

1? 線控轉向系統國內外發展概況

國外學者對線控轉向技術的研究已經達到了一定的水平。1990年，德國奔馳公司研究了前輪線控轉向技術，并且將該技術應用在概念車F400 Carving上。德爾福公司研制了前輪和四輪線控轉向系統。寶馬公司的BMWZ22概念車也使用了線控轉向系統，它把方向盤的最大轉角設計成160°，這大大降低了緊急轉向時駕駛員的操作負擔。意大利Bertone公司設計的“FILO”概念車、Daimler chrysler“R129”概念車、雪鐵龍越野車“C-Crosser”等，都使用了線控轉向技術。國外的科研院校機構也積極參與了線控轉向系統的研究，如美國斯坦福大學進行了硬件在環試驗和主動轉向控制策略試驗、紐約州立大學進行人車閉環控制、伊利諾伊大學在線控轉向控制系統的可靠性和容錯性方面做了深入的研究。

我國對線控轉向技術的研究起步較晚。研究比較深入的是同濟大學的“春暉三號-嘉樂”微型電動車，它最突出的特點就是采用了線控轉向技術，研發出線控轉向四輪驅動微型概念車。武漢理工大學對汽車線控轉向系統變傳動比和路感的模糊控制算法進行了研究，并開展了仿真分析。但這些研究尚處于初級階段，還沒有應用在真實車輛上[2]。北京理工大學的施國標、于蕾艷等深入探究了線控轉向變傳動比和橫擺角速度反饋的主動控制。吉林大學研究了線控轉向系統變傳動比、穩定性算法、方向盤回正力矩等內容。此外，吉林大學還設計出一個線控轉向實驗臺架，如圖1所示。

2? 線控轉向系統的結構組成

線控轉向技術改變了車輛原始轉向系統的傳動機構，分離了駕駛員的操作系統和控制車輪轉向的執行系統，形成了兩個獨立的子系統，通過控制單元和傳感器將兩個子系統聯系在一起，控制單元通過分析和計算車輛的工況，可以調節車輛轉向時的力傳遞特性，從而降低了駕駛員的操作負擔，提高了人車閉環系統的主動安全性能。

線控轉向系統由三個部分組成，分別是方向盤模塊、前輪轉向模塊和控制器模塊，如圖2所示。

2.1 方向盤總成? 方向盤總成由方向盤、力矩傳感器、方向盤轉角傳感器、方向盤回正力矩電機組成。其主要功能是將駕駛員的轉向指令傳送給主控制器，進而由主控制器來控制液壓轉向模塊的動作;此外，主控制器向轉向盤回正力矩電機發送信號，產生一定的回正力矩，將相應的駕駛路感信息提供給駕駛員。

2.2 前輪轉向總成? 前輪轉向總成由前輪轉角傳感器、轉向電機控制器、轉向執行電機和轉向組件等組成。轉向執行模塊的功能是接收主控制器傳來的控制指令，通過轉向電機來控制轉向車輪的轉動，完成駕駛員的轉向指令。

2.3 控制器總成? 控制器的主要功能是采集傳感器輸入的信號，通過預先設置的控制算法對信號進行分析和處理，并向轉向電機和方向盤回正力距電機發送控制指令，控制它們的轉速，確保車輛在各種狀態下都具有理想的響應性，減輕駕駛員的操作負擔[3]。

3? 線控轉向系統的優點

線控轉向技術斷開了轉向盤和轉向輪之間的機械連接，通過控制器來控制它們之間的相互運動，這樣可以實現傳統轉向系統無法實現的轉向響應和穩定性。線控轉向系統包括方向盤總成、前輪轉向總成、主控制器總成，以及自動防故障系統和電源等輔助部件。線控轉向系統具有以下優點[4-5]：

3.1 改善轉向輪的轉向特性

線控轉向系統可以根據車輛的行駛狀態由控制器實時設置角傳動比，并對前輪轉角進行補償，使車輛的轉向特性保持最優。由于取消了機械連接的限制，線控轉向系統可以自由設計傳動比。當車輛低速行駛時可以減小傳動比，以提高轉向的響應速度;而高速行駛時可以增大傳動比，以提高轉向的穩定性，這樣可以增加駕駛員的駕駛信心。

3.2 提高路感響應性

傳統轉向系統的路感是駕駛員通過方向盤受到的反作用力而感受到的。在線控轉向系統中，由于轉向盤和轉向輪之間沒有機械連接，所以無法感受到轉向盤的反作用力，此時駕駛員所感受到的“路感”信息是主控制器根據車輛的行駛狀態，向轉向盤回正力矩電機提供控制信號而形成的。由于控制器可以提取出最能夠反應車輛真實路況信號作為轉向盤回正力矩的控制變量，因此可以使轉向盤僅向駕駛員提供有用的信號，從而可以獲得更加符合駕駛員喜好的“路感”信息。

3.3 有利于節能環保

線控轉向系統斷開了轉向盤和轉向輪之間的機械連接，使整車的重量減輕。轉向系統在需要轉向時電機才會輸出功率，同時采用電子元件提高了傳動效率和響應時間，從而能夠提高車輛的燃油經濟性，節約了能源，減少可燃混合氣燃燒作功后產生的廢氣排放[6]。

3.4 提高車輛的安全性和穩定性

車輛在行駛過程中常常會遇到各種復雜路況，如對開路面、低附著路面、側向風等，當車輛行駛在這些路況時容易失去穩定性。而線控轉向系統可以通過采集傳感器的信號實時判斷車輛的運行狀態，當車輛有失區穩定性趨勢時，通過轉向電機來控制前輪的轉角，從而使車輛恢復到穩定狀態行駛。

3.5 提高車輛安全性，降低開發成本

線控轉向系統取消了轉向柱、皮帶、皮帶輪等機械部件，使得駕駛室里有更多的空間布置被動安全部件，從而可以降低事故發生時對駕駛員造成的傷害。由于線控轉向系統硬件部分具有很高的通用性，主控制器采用軟件控制，通過修改算法中一些特定參數就能夠應用于其它車型，降低了新車型的開發成本[7]。

4? 線控轉向系統的前景展望

隨著汽車工業的發展，人們越來越注重車輛的節能、環保、安全性和舒適性，車輛電子化和智能化已經成為汽車未來的發展趨勢。線控轉向系統最終將應用在現代汽車上。

在線控轉向系統中，車輛的轉向不是由駕駛員操縱方向盤進行控制，而是由主控制器控制電機來實現車輛轉向動作。我們利用線控轉向系統中轉向角傳動比可以自由設計的特點，設計一種讓駕駛員更容易操作的車輛轉向特性，降低駕駛員的工作負擔，提高舒適性，這具有重要的實踐研究意義[8]。

就電動車輛來說，在液壓轉向系統的基礎上加入線控技術，將電子與液壓結合起來，設計一種電動車輛的線控轉向系統。這樣既能擁有液壓轉向的優點，又能在電子元件的控制下，實現轉向操作靈活性，使車輛的轉向系統結構簡單、準確可靠、轉向靈活，提高車輛轉向特性，降低駕駛負擔，改善車輛操縱性。這也是電動車輛線控轉向系統有待研究的課題。

參考文獻：

[1]于蕾艷，林逸，李玉芳.汽車線控轉向系統綜述[J].農業裝備與車輛工程，2006，1.

[2]楊勝兵.線控轉向系統控制策略研究[D].武漢理工大學，2008.

[3]歐陽海.線控轉向系統控制算法研究[D].武漢理工大學，2010.

[4]左波.汽車線控轉向系統概述[J].技術論壇，2009，26（5）：18-20.

[5]羅石，商高高，蘇清祖.線控轉向系統轉向盤力回饋控制模型的研究[J].汽車工程，2006（10）.

[6]李濤濤.線控轉向系統操縱性改善策略與轉向盤回正力矩研究[D].長春：吉林大學，2007.

[7]黃良斌.一種電液比例閥的模糊PID控制技術研究[D].大連理工大學，2008.

[8]劉永.汽車線控轉向系統的研究[D].武漢：武漢理工大學，2005.