汽车线控转向系统的工作原理、特点及技术发展分析

汽车转向系统的基本性能是保证车辆在任何工况下转动转向盘时有较理想的操纵稳定性。随着汽车电子技术的不断发展和汽车系统的集成化，汽车转向系统从传统的液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering System，HPS）、电控液压动力转向系统（Electronic Control Hydraulic Power Steering Systern，ECHPS），发展到现在逐渐推广应用的电动液压动力转向系统（Electro-Hydraulic Power Steering System，EHPS）。近年来，汽车线控转向技术（Steer-ing-By-Wire，SBW）也成为国外的研究热点。SBW是X-By-Wire的一种。X-By-Wire的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。“X”表示任何与安全相关的操作，包括转向、制动，等等。

1 汽车线控转向系统的结构和基本原理

1．1 汽车线控转向系统的结构

汽车线控转向系统由方向盘总成、转向执行总成和主控制器（ECU）三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。

方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现驾驶员的转向意图。

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，向方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时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，线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。

自动防故障系统是线控转向系的重要模块，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，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高汽车安全性能。

电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务，其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500-800W，加上汽车上的其它电子设备，电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。

1．2 汽车线控转向系统的原理简介

汽车转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成，传统汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵转向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电能实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，不但可以自由设计汽车转向的力传递特性，而且可以设计汽车转向的角传递特性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的重大革新。

汽车线控转向系统的工作原理。用传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。

1．3 汽车线控转向系统的特点

（1）提高汽车安全性能。去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害；智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理，并做出相应的调整；当汽车处于极限工况时，能够自动对汽车进行稳定控制。

（2）改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化，低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；高速行驶时，转向比率变大，获得更好的直线行驶条件。

（3）改善驾驶员的路感。由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，驾驶员“路感”通过模拟生成。可以从信号中提出最能够反应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转向盘仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。

（4）增强汽车舒适性。由于消除了机械结构连接，地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上，从而减缓了驾驶员的疲劳；驾驶员的腿部活动空间和汽车底盘的空间明显增大。

2 汽车线控转向系统的主要技术发展

汽车线控转向系统的实现有如下的关键技术需要解决。

2．1 线控转向系统的稳定可靠及安全性问题

目前阻挠线控转向系统普及的一个重要因素是其可靠性问题，现在还无法在可靠性与成本之间取得一个很好的平衡。世界各大研究机构正在就这一问题进行联合攻关，相信这一问题能够得到合理的解决。装载机线控转向系统的实现，必须解决如下问题：

（1）目前，电子部件还没有达到机械部件那样可靠的程度，如何保证在电子部件出现故障后，系统仍能实现其最基本的转向功能，即如何保证电子转向系统的稳定可靠、安全工作是十分重要的，这也是电子转向系统目前最为突出的问题；

（2）由于方向盘与转向轮之间没有直接的机械连接，因此如何提供给驾驶员合适的路感，以使驾驶员能够感受到道路的状况以及转向轮所处的位置，从而据此调节转向力矩是其中的关键技术之一；

（3）为了保证车辆的行驶安全性，即车辆只要是在运行中，都应该保证转向系统能够起作用；

（ 4）如何通过软件来实现方向盘转向圈数、转向敏感度和路感强弱可调节。

线控转向系统的稳定可靠及安全性问题对于传统的机械系统，可以通过精巧设计来实现系统的安全性和可靠性，但线控转向系统由于转向盘和转向车轮之间无机械连接，完全依靠电子和电器元件来工作。目前，电子部件还没有达到机械部件那样可靠的程度，如何保证在电子部件出现故障后，系统仍能实现其最基本的转向功能，即如何保证线控转向系统的稳定可靠、安全工作是十分重要的。这也是线控转向系统最需要解决的关键技术。为解决这个问题，国外一些汽车公司采用了系统冗余和容错技术。

2．2 线控转向系统中模拟“路感”的问题

如何生成让驾驶员能够感知汽车实际行驶状态和路面状况的路感，是实现线控转向系统必须解决的问题之一。这就涉及到模拟路感的电机震动控制技术。

汽车转向系一直存在着轻与灵的矛盾。为此，人们常将转向器设计成变传动比，在转向盘小转角时以灵为主，在转向盘大转角时以轻为主。但是，灵的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能从根本上解决这一矛盾。另外，转向力与路感也是相互制约的，转向力小意味着转向轻便，能减小驾驶员的体力消耗；但转向力过小，就缺乏路感。传统液压动力转向由于不能对助力进行实时调节与控制，所以协调转向力与路感的关系困难，特别是汽车高速行驶时，仍然会提供较大助力，使驾驶员缺乏路感，甚至感觉汽车发飘，从而影响操纵稳定性。由于线控转向系统由电机提供动力源，由于电动机具有弹簧阻尼的效果，能减少不平路面对转向盘的冲击力和车轮不平衡引起的震动，这样同时就减少了驾驶员的“路感”。采用模拟路感的电机震动控制技术可以有效地解决这一问题。

2．3 线控转向系统的动力电源问题

线控转向系统在传统的ECU供电系统条件下无法实施。未来车辆将采用电源技术，到时汽车电子附件的供电问题将会得到圆满解决。

2．4 传感器的精度和成本问题

传感器是线控转向系统中最重要的器件之一。在线控转向系统中需要多个转向传感器参与工作。这些传感器的作用是：实时检测转向盘与转向电动机的转矩或转角的大小和方向，并将此信息转换为电信号传送到电子控制器。电子控制器根据转向传感器的信号及车辆导向单元的信号按照控制模型进行分析运算与判断，然后将该信息送至转向盘电动机与两个转向电动机。

传感器的精度问题决定了整个线控转向系统的性能可靠性。加速开发研究既可靠又低廉的传感器十分重要，价格昂贵也是线控转向系统难于推广的一个原因。

3 应用前景

从我国装载机行业的整体技术发展的水平来看，装载机线控转向技术的大量应用尚有一段距离，但该项技术的采用，必定会带来我国装载机行业技术水平的质的飞跃。

辅助驾驶系统和无人驾驶是现在新兴的热门研究领域，实现车辆智能转向的最佳方案就是采用线控转向系统，因而线控转向系统的研制开发也为自动驾驶车辆的开发提供了良好的科研平台，其自身也具有良好的应用前景。线控转向系统由汽车产业向工程车辆转移，是工程车辆发展的必然趋势，虽然国内外生产厂商刚开始注意这个问题，但我们相信线控转向系统以其特有的优势，必然会在工程车辆中得到广泛的应用。

4 结束语

综上所述，汽车线控转向技术以求获得最佳的汽车转向性能，提高汽车的操纵性、稳定性和安全性，使汽车具有一定的智能化。汽车线控转向技术的发展代表未来汽车转向技术的发展方向，并将在汽车转向领域中占据主导地位。我国的线控转向技术研究还是空白，无法与国外相比。从我国现有条件出发，对该系统进行深入、细致的研究，对于拓展电气传动技术的应用、加快国产汽车的电子化发展以及提供未来智能汽车驾驶技术的支持，都将有深远的意义。

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