线控转向系统在汽车上的应用

线控转向系统在汽车上的应用

该线程控制技术在航空领域首次成功应用。目前，国外许多汽车厂家使用该线程控制技术开发了概念车辆，如alphi、koya、trw和蚂蚁。线控技术用于汽车业，是指用电机系统取代纯机械的、液压的或气动的部件，是当前发展趋势的象征。线控技术加入未来一代汽车，将使汽车风格发生很大的变化并加速车辆电子学的应用。一辆汽车所需的传统汽车部件，如液压制动力放大器或转向直拉杆等，在汽车发展过程中会愈来愈多地被新的至少是电动机械部件和电子零部件所代替。这些变化也将使这些系统中的各个电子部件变得作用更大。线控系统的研发重点在传动系、转向、制动和行驶机构方面，本文将重点阐述线控转向系统的发展。1汽车转向系统的工作原理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（Steering-By-WireSystem简称SBW）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示意图如图1、图2所示。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（电子控制器），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。又因为转向系统完全在转向控制系统的控制下运动，所以几乎可以在任意位置实现任意转向传动比，ECU综合这些和其他信号作出判断后，再控制前轴的转向角度。紧急情况下，为避免驾驶员的错误判断，这个系统还会忽略驾驶员的转向输入，平稳地将车保持在最安全的状态。它适用于轿车和大型汽车。当人们使用线控转向时，在转向盘和被驾驶着的车轮之间再也不需要任何的机械连接了，系统中转向力由电子或电控液压式的激励器提供。目前存在两种形式，见表1。2线控制与转向系统的关键技术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线控转向系统稳定性的关键技术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转向盘大转角的情况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新一代汽车供电标准线控转向系统在传统的12V供电系统条件下无法实施。新一代汽车供电电压标准在1998年共同达成了36/42V新标准的协议。未来车辆将采用42V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转向装置的控制律设计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。2.5线控转向系统与汽车各子系统的匹配控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速准确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的转向。另外，线控转向系统要和整车性能相匹配。汽车本身是由各子系统组成的既相互联系又相互制约的有机整体，当汽车某个子系统改变时，整车性能也产生了相应的变化。因此必须对线控转向系统与汽车上的其它子系统进行匹配，使得整车性能达到最优。比如采用线控驱动、线控制动以及汽车上的CAN总线技术。3线性控制倾斜系统的性能特性3.1转向参数补偿在前轮转向控制方面可以实现传动比的任意设置，并对随车速变化的参数进行补偿，使汽车转向特性不随车速变化。从而将传统人-车闭环系统中驾驶员负担的部分工作由控制器完成，减轻驾驶员负担，提高了汽车系统对驾驶员转向输入的响应和人-车闭环系统的主动安全性。3.2汽车主动安全设备线控转向系统可以通过前轮转向的控制，实现DYC(DirectYawMomentControl，直接横摆力矩控制）控制系统的功能，达到更为理想的效果，且可以与其它主动安全设备，如ABS（汽车防抱死制动系统）、汽车动力学控制、防碰撞、单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航以及自动驾驶等功能相结合，从而实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性。3.3回正稳定性控制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。在回正力矩控制方面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”。3.4线控转向系统的优势a．线控转向系统不再需要油液作为动力源，是用电驱动，仅仅在需要转向时电机才有功率输出，同时省去了传递效率极低的皮带传动，减少了燃油消耗，节省了能源，减少废气排放。线控转向系统中取消了液压助力，从而避免了液压油泄漏、液压油管、油封等废弃物对环境造成的污染。因而是一种节能环保的系统。b．线控转向系统去掉了机械硬件，这不仅使发动机的安装空间增大，也使安装简便，节省劳动力，更增加了可靠性。转向系统的布置可以灵活变通即可左置亦可右置。c．线控转向系统采用软件控制，硬件具有很大的通用性，软件也仅仅通过修改部分参数就可以应用于其它车型，为新车型的开发节省了大量的时间。d．采用线控转向系统后发动机不必再驱动油泵随之同步运转，使汽车的加速性能得到提高，这对于一贯以加速性能作为吸引消费者的重要武器的汽车生产厂家来说也有着一定的吸引力。采用了取消转向盘的线控转向系统后，驾驶室有更大的空间用于布置被动安全部件，减少了危险发生时对乘员的伤害。3.5线控制和转向系统的不足由于汽车内部没有机械回馈，所以不能给予驾驶员确实的驾驶状况，若驾驶员一时无法适应这种突然的变化，也会给驾驶汽车带来潜在危险。4汽车动力学特性线控转向系统是现代汽车转向系统的前沿和热点技术，汽车市场的竞争日益激烈，汽车生产企业要适应这种变化，除了不断提高汽车品质外，还应该加强汽车产品和技术的自主开发。汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势，近年来随着电子技术和控制理论的飞速发展，主动悬架、ABS、ASR（驱动防滑系统）以及DYC等底盘控制技术已经在汽车上得到应用。这些技术的采用使汽车的动力学特性，特别是在非线性、极限工况下的动力学特性得到改善，汽车的安全性和舒适性方面取得了良好效果。4WS（四轮转向）和ARC等系统在汽车上的应用，提高了汽车响应特性，改善了线性区汽车动力学特性。EHPS（电子控制式液压助力转向系统）和EPS（电动助力转向系统）等助力系统在汽车上的采用，改善了汽车转向的力控制特性，降低了驾驶员的转向负担。然而汽车转向系统始终处于机械传动阶段，由于转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化，驾驶员必须提前对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。如果转向盘与转向轮通过控制信号连接，即采用线控转向系统，转向盘转角和汽车前轮转角之间关系（汽车转向的角传递特性）的设计就可以得到改善，从而降低驾驶员的操纵负担，改善人-车闭环系统特性。4.1重要4.1.1转向系统信号汽车逐步智能化是现代汽车发展的目标，线控转向系统的转向控制单元可以接受汽车上其他传感器的信号，这样它就可以知道整个汽车的运动状态。当出现紧急或意外情况的时候，线控转向系统就能够在驾驶员做出反应之前开始采取相应的动作以避免意外事故的发生；当汽车以巡航速度在公路上行驶时，配合其他导航系统和识别系统，可以实现自动驾驶。4.1.2全电动化的发展线控转向系统成为汽车智能化和保护环境，以及全面实现汽车各个系统的全电动化（即所谓的X-By-Wire，其中X代表转向、制动等）的必经步骤，线控转向系统的研制开发也为自动驾驶汽车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，可用于未来的智能交通系统中。4.2线控转向系统的应用前景德国奔驰公司早在1990年就开始了前轮线控转向系统的研究，并将开发的线控转向系统应用于概念车F400Caring上。宝马汽车公司的概念车BMWZ22，应用了Steer-by-wire和Brake-by-wire技术，转向盘的转动范围减少到了160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。美国通用汽车公司在2002年巴黎车展上亮相的HY概念车成为世界上第一辆可以实际驾驶的燃料电池线控车。目前线控转向系统由于自身成本等因素的制约，很难在价格低廉的家用轿车上得到普及。但是在追求性能极限的高级轿车、高级跑车上应用是完全可能和必要的，它能够减轻驾驶员的负担，提高主动安全性能，有着很大的应用前景。辅助驾驶系统和无人驾驶汽车是现在新兴的热门研究领域，实现汽车智能化的最佳方案就是采用线控转向系统。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）等四大EV汽车，这给线控转向系统带来了更加广阔的应用前景。总之，线控转向系统在保持了传统的EPAS节能、环保等优点的基础上