浅谈线控转向技术的发展与应用

摘 要：全面介绍国内外线控转向技术的研究现状，主要组成及工作原理，重点分析线控转向技术开发的关键技术及目前急需解决的问题，掌握线控转向关键技术，为我国汽车的自主研发提供更多的理论基础和技术支持，为线控转向技术在整车上开发和应用提供参考。

关键词：线控转向;研究现状;关键技术

随着现代汽车技术的发展与进步，汽车转向系统也经历着变革，电动助力转向已经取代了液压助力和电控液压助力转向，近些年汽车技术正朝着智能化方向发展，各大汽车企业研究都把线控转向技术列为研究课题。汽车线控转向（Steering-By-Wire，SBW）技术，如图1所示，取消了转向盘和汽车车轮之间的部分机械连接，其角传递和力传递都是通过传感器、控制器和电机实现的，相互之间可以独立进行，摆脱了传统转向系统的各种约束限制，给汽车转向特性带来很大的设计空间。相对于传统转向系统其优点有：

（1）节省空间，减少碰撞伤害;

（2）提高了汽车的操纵性能;

（3）提高了汽车的稳定性能;

（4）优化驾驶员路感;

（5）有利于系统集成控制;

（6）节省了新车开发的时间和成本。

1 线控转向技术的研究

1.1 国外研究现状

20世纪 60年代，天合汽车集团（TRW）联合其他转向系统的开发商首次提出线控转向系统的设想。其后，很多汽车企业和科研机构纷纷投入对线控转向的研究。

近年来，由于线控转向技术的日渐成熟，一些汽车生产商开始将其投入生产。在 2013年1月14日的底特律车展上，日产展示了英菲尼迪 Q50，如图2所示。英菲尼迪 Q50 使用了线控转向技术，用两个电机、三个互相监视的 ECU 来实现转向功能，使转向更为精准并具有更强大的适应性。

1.2 国内研究现状

相比于国外，我国有关线控转向系统的研究起步较晚。目前国内对线控转向系统的研究多数以高校的理论为主，并且已经取得一些进展。

吉林大学的宗长富、郑宏宇、田承伟等提出采用卡尔曼滤波算法对转向器齿条力进行估算，设计了一种基于转向器齿条力的路感模拟策略。同时基于汽车稳态转向增益不变的理想可变转向传动比的控制策略，基于横摆角速度和侧向加速度的综合反馈主动前轮转向控制策略并验证分析了线控转向汽车的操纵性、稳定性和安全性。在相关企业的资助下，研发出了线控转向试验样车。

武汉理工大学的杨胜兵副教授分析了不同汽车状态变量（车速、方向盘转角等）对方向盘力矩特性的影响，设计了各变量与方向盘力矩函数关系。根据变量对路感的影响程度对各函数进行加权处理得到路感函数多变量模糊控制器，并在硬件在环试验台上对控制器性能进行了验证。

同时，国内一些车企（如：长安、奇瑞、长城等）也纷纷开始致力于线控转向系统及其相关领域的研究工作，都投入了大量的人力、物力和财力对 SBW 系统进行研究和开发，预计几年内，配有线控转向系统的自主品牌汽车将会问世。

2 线控转向技术的主要组成及工作原理

线控转向系统主要包括转向盘模块、主动前轮转向模块和主控制器。系统组成结构如图2。

工作原理如图3。

当驾驶员转动转向盘时，主控制器对各传感器实时采集到的信号进行处理分析，根据转向盘转角信号、角速度信号和转矩信号来判断驾驶员的操纵意图，根据前轮转角信号、侧向加速度信号、横摆角速度信号以及质心侧偏角信号来判断汽车实时行驶状态。

主控制器根据驾驶员的操纵意图和汽车实时行驶状态一方面对路感进行规划，并采用电流闭环控制驱动路感电机输出转向盘力矩反馈给驾驶员，从而实现路感模拟;另一方面规划主动转向控制策略，并采用转角环和电流环双闭环控制驱动转向电机，使前轮转角实时跟随转向盘转角，并且当汽车处于非稳态工况下时，采用汽车动态反馈闭环控制，对前轮转角进行补偿，通过改变轮胎的侧向力来产生附加横摆力矩，使汽车回到稳态行驶工况。

3 线控转向关键技术

3.1 路感模拟控制

线控转向系统路感模拟主要研究如何使驾驶员获取良好的转向路感。包括路感再现和路感电机控制算法研究。

（1）要求满足不同行驶工况下提供驾驶员良好的转向路感。分析转向盘力矩与车速、转向盘转角和侧向加速度的关系，建立转向盘力矩模型，从而对路感进行模拟。

（2）针对线控转向系统的特点，对转向盘进行限位处理。提出一种通过软件编程实现限位控制的方法，当转向盘转角超过极限位置时，迅速增大路感电机反馈力矩，阻止驾驶员继续转向。

（3）考虑转向系统干摩擦对转向盘力矩的影响。提出恒定电流的摩擦补偿。

（4）针对汽车高速行驶时要求路感清晰问题。提出基于转向盘转角速度和车速的阻尼控制算法。

（5）撒手情況下，转向盘的回正问题。提出基于转角的回正控制方法，为消除转向盘回到零位时的抖动和超调现象，将上述阻尼控制考虑在内。

3.2 主动前轮转向控制

主要包括：（1）变角传动比设计，（2）主动前轮转向控制策略研究和转向电机控制算法的研究。

变角传动比设计：从提高汽车操纵性方面考虑，如果可以设计一种保证汽车转向增益不变的转向变传动比，将会在很大程度上减轻驾驶员对汽车响应变化做出补偿，也降低了驾驶汽车的难度和负担，使汽车驾驶适合于更多的人群。从这一角度出发，设计保证汽车稳态增益不变的SBW系统理想转向传动比，汽车的稳态横摆角速度增益是一个不随车速变化的定值，因此可以采用基于稳态横摆角速度增益不变来确定变角传动比。

主动前轮转向控制策略：从提高汽车稳定性方面考虑，通过主动控制汽车前轮转角来改变轮胎侧向力，产生补偿横摆力矩保证汽车的稳定性。采用汽车状态反馈控制方法来补偿前轮转角，以改善汽车的行驶稳定性。其中，反馈变量包括横摆角速度和质心侧偏角。

4 线控转向主要解决的问题

（1）断开了方向盘和转向器的机械连接，由于实现了方向盘和车轮之间的解耦控制，理论上可以很方便的进行可变传动比（方向盘转角和车轮转角之间的比值）的主动转向，使得低速泊车时方向盘操作圈数大幅降低，同时高速过弯操控时方向盘更加的精准，大大提高车辆的驾驶乐趣。

（2）在对转向系统和整车参数进行辨识的基础上，通过优化控制算法，自动计算各种极端情况下（包含驾驶员错误操作方向盘）所需最佳车轮所需转角并控制执行电机对车轮进行转向，可以实现车辆甩尾失控之前的车身稳定性控制。

（3）线控转向技术和其他智能转向技术（如自动泊车技术）以及环境感知技术（超声波传感器、雷达、摄像头等视觉元件）相融合，为后续的主动转向和无人驾驶技术打下基础。

（4）在碰撞发生时，由于取消了传统转向系统中转向下轴的机械连接，由前围入侵传递到转向管柱上的碰撞能量几乎为零，提升了整车发生碰撞时对驾驶员的保护性能。

（5）应用线控转向技术以后，由于断开了转向盘和车轮之间的机械连接，路面的激励无法传递到方向盘上，可以彻底解决摆振及打手问题，大幅提高车辆的驾驶舒适性。

5 结束语

对线控转向技术的深入研究一方面可以推动我国汽车产业技术的发展，另一方面可以提升我国自主创新能力，进而提高整个汽车行业的国际竞争水平。应充分利用这一有利时机，掌握线控转向关键技术，为我国汽车的自主研发提供更多的理论基础和技术支持。随着科学技术的飞速发展，线控转向系统最终将会完全取代传统的机械转向系统。

参考文献：

[1]Park S，Hwang S，Oh Y，et al.Development of the Independent-Type Steer by Wire System[J].2007.

[2]王俊，杨胜兵.变传动比在线控转向系统中的应用[J].汽车工程师，2011（08）：49-51，55.

[3]Shi J，Wang G Y，Gang L I，et al.Modeling and Simulation of Steering-by-wire Vehicle Based on CarSim[J].Journal of Liaoning University of Technology，2015.

[4]田杰.汽車线控转向系统动力学分析与控制方法研究[D].江苏大学，2011.

[5]郑宏宇，宗长富，田承伟等.基于理想转向传动比的汽车线控转向控制算法[J].吉林大学学报：工学版，2007，37（06）：1229-1235.

作者简介：丁玲（1982-），女，黑龙江望奎人，硕士，中级工程师，主要从事车辆转向系统的研究。

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