ＲｏａｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ—■——■■——■●—■■一公路运输………………………………………………………………………
ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＳｔｅｅｒ－ｂｙ。ＷｉｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＺＨｏＵＸｉｎ，ＬＩＵＺｈｏｕ－ｈｕｉ（ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅｏｆＶｅｈｉｃｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ，４３００７０）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：强ｅｓｔｅｅｒ－ｂｙ－ｗｉｒｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｒｌａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｔｅｅｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｔｒａｄｉ—ｔｉｏｎａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｉｎｋａｇｅｓｂｅｔｗｅｅｎｓｔｅｅｒ－ｉｎｇｗｈｅｅｌａｎｄｗｈｅｅｌｗｅｒｅｒｅｍｏｖｅｄ．Ｉｔｃｏｕｌｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙｓｅｔｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｉｏ．ｔａｋｅａｎｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｔｏｔｈｅｔｕｒｎ－ｉｎｇｗｈｅｅｌＩｔａｌｓｏｄｏｅｓｓｏｍｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃａｒ，ｗｈｉｃｈｈｅｌｐｓｔＯｇｅｔａｐｅｒｆｅｃｔｓｔｅｅｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈａｎｄｌｉｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓａｎｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｂｏｕｔｂｏｔｈｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄａｂｒｏａｄｓｔａｔｕｓｏｆＳｔｅｅｒ－Ｂｙ－Ｗｉｒｅｓｙｓｔｅｍ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．ｉｔａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｏｓ－ｉｎｇ，ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｅｎｄｅｎｃｙｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＶｅｈｉｃｌｅｆＳｔｅｅｒ－ｂｙ－ｗｉｒｅ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｎｇ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ文章编号：１６７３—４８７４（２００８）０６—００６８一０４汽车线控转向技术研究
周鑫，刘洲辉
（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉４３００７０）摘要：线控转向（Ｓｔｅｅｒ－Ｂｙ－Ｗｉｒｅ）是当前汽车转向装置中运用的一种先进转向技术。线控转向装置取消了方向盘和车轮的机械连接，可以任意设计传动比，对转向轮进行主动控制，并对随车速变化的参数进行补偿，实现理想的转向特性，并且可以便于底盘的布置。文章介绍了目前线控转向技术在国内外的发展状况，同时分析了线控转向装置的结构组成、关键技术以及今后的发展趋势。关键词：汽车；线控转向；结构组成；关键技术中图分类号：Ｕ４６３．４文献标识码：Ａ转向系是汽车的一个重要组成部分，转向系统的性能直接决定了汽车的操纵稳定性，并且与汽车的安全性有着重要的联系。所以转向系的设计一直是各大汽车公司研究的重要方面。汽车转向系统发展经历了４个基本发展阶段：纯机械式转向系统，液压助力转向系统，电动助力转向系统，线控转向系统。而目前更为先进的线控助力转向系统已经开发出来，线控转向装置取消了转向盘和转向轮的机械连接，占据空间小，可减少碰撞时对驾驶员的伤害；路面的不平冲击不会传到驾驶员手上，可根据车况实现最佳路感，实现前轮的主动转向控制，使车辆受到干扰、处于危险或极限工况时代替驾驶员实现主动安全性。目前国外著名的汽车公司和汽车零部件厂家竞相研究具有智能化的新一代转向系统，如美国Ｄｅｌｐｈｉ公司、ＴＲＷ公司，日本三菱公司、Ｋｏｙｏ公司，德国Ｂｏｓｃｈ公司、ＺＦ公司、ＤａｉｍｌｅｒＣｈｒｙｓｌｅｒ公司、ＢＭＷ公司，韩国Ｈｙｕｎｄａｉ公司等都相继在研制各自的ＳＢＷ系统；国内也开始涉足这一相关研究领域［６￣８］，因此研究与开发ＳＢＷ系统完全适应未来汽车技术发展的潮流，具有重要的工程意义和学术意义。１线控转向技术的发展状况１．１线控转向技术的国外发展现状早在２０世纪５０年代，ＴＲＷ等转向系统开发商就做了大胆的假设，将方向盘与转向车轮之间用控制信号代替原有的机械连接。在２００１年的第７１届日内瓦国际汽车展览会上，意大利的Ｂｅｒｔｏｎｅ汽车设计及开发公司展示了新型概念车“ＦＩＬＯ”。“ＦＩＬＯ”采用了“ｄｒｉｖｅ－ｂｙ－ｗｉｒｅ”系统，所有的驾驶动作都通过信号传递。它使用操纵杆进行转向操作，并采用了最新的４２Ｖ供电系统。
６８ 万方数据德国奔驰公司在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ＳＢＷ技术。转向盘的转动范围减少到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，戴克概念车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ＬｅｘｕｓＨＰＸ概念车，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。１．２线控转向技术的国内发展现状目前国内对该技术的研究主要是集中在各高校：同济大学利用Ｄｓｐａｃｅ／Ａｕｔｏｂｏｘ为四轮驱动电动汽车开发了线控转向试验台架，以及四轮驱动、四轮转向电动汽车。武汉理工大学利用电磁施力器进行转向盘力反馈，设计了模糊一ＰＩＤ混合控制器，开发的线控转向系统可以实现转向随动。吉林大学也进行了变传动比、转向盘回正力矩和稳定性算法研究。２线控转向的结构与原理２．１线控助力转向的系统结构如图１所示，线控转向系统的总体结构分为三部分：转向盘总成、控制器和前轮转向总成。其中转向盘系统，包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置；电子控制系统，包括车速传感器，也可以增加横摆角速度传感器、加速度传感器和电子控制单元以提高车辆的操纵稳定性；转向系统，包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等。２．２线控助力转向的工作原理驾驶员转动转向盘时，控制器根据转向盘转角传感器、车速传感器测的信号，由前轮转角算法计算得到参考前轮转角，向转向电机发出控制信号，使转向电机进行位置闭环控制（ＰＤ控制）和电流闭环控制（ＰＩ控制），以实现该参考前轮转角。同时，控制器根据转向盘回正力矩算法得到转向盘回正力矩。转向盘子系统进行电流的ＰＩ控制，实现期望的转向
６９转矩传感器传向角传感器转矩反馈电动机电子控制单元转向电动机转向量周鑫刘洲辉
车速传感嚣
角位移传感器圈１助力转向系统结构图轮胎
盘回正力矩。此外，为了使驾驶员得到更好的转向感觉，可以进行转向盘回正控制和阻尼控制。２．３线控助力转向系统的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。其具有如下性能特点：（１）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。（２）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。（３）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，可以回传到转向轴，而柔性系统不能。（４）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员环境，与转向有关的驾驶行为都可以通过软件来实现。（５）消除了碰撞事故中转向柱引起伤害驾驶员的可能性，不必设置转向防扭机构。（６）增加驾驶员腿部活动空间，出入更方便自
由。
万方数据ＩＲｏａｄＴｒａｎｓｐｏｒｔ—■■■—●—●■●■■一・公路运输……………………………………………………………………．．
３线控助力转向的关键技术３．１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。汽车线控转向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。３．２容错控制技术为了满足汽车的可靠性与安全性的要求，汽车线控转向系统必须采用容错控制技术，容错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法二类。硬件冗余方法主要是通过对重要部件及易发生故障部件提供备份，以提高系统的容错性能；解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。汽车容错控制系统（见图２）由测量模块、故障容错分析模块、执行模块和故障容错与处理模块组成。故障容错分析模块及时发现控制系统的故障，分离出发生故障的部位，判别故障的种类，估计出故障的大小和时间，进行评估与决策。故障容错与处理模块根据故障检测与诊断信息，可知被控对象的结构与参数的变化情况，采取具体的容错控制措施。故障容错分析模块和故障容错与处理模块是汽车容错控制系统的主要组成部分。基于容错控制技术的汽车线控转向系统，在不影响系统的控制功能的情况下，容错控制技术提高了转向系统的可靠性，保证了车辆的正常行驶及安全性。
图２汽车容错控制系统图３．３总线技术线控技术的全面应用将意味着汽车由机械到电
７０子系统的转变。线控技术要求网络的实时性好、可靠性高，而且一些线控部分要求功能实现冗余，以保证在出现一定的故障时仍可实现这个装置的基本功能。这就要求用于线控的网络数据传输速度高，时间特性好和可靠性高。国际上众多知名汽车公司早在２０世纪８０年代就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，随着汽车总线技术的发展，存在着多种汽车总线标准。这一类总线标准主要有ＴＴＰ、Ｂｙｔｅｆｌｉｇｈｔ和ＦｌｅｘＲａｙ。１ｖｒＰ（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，具有节点的恢复和再整合功能；ＢＭＷ公司的Ｂｙｔｅｆｌｉｇｈｔ可用于汽车线控系统的网络通信，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，需要中断处理的要求；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。目前ＦｌｅｘＲａｙ标准的物理层标准已经由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司开发完成，通讯协议正在研发中。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。基于总线技术的汽车线控转向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。３．４电源技术汽车电源承担着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，汽车电源的性能至关重要。实验证明，对于特定的功率，电压值的提高可使系统电流减小。而小的电流可使导线上的损耗减少，从而可使用更细、更小的线束。提高电压值，也可以减少电器装置本身的体积、质量和损耗，也有利于控制装置的小型化，提高集成度。于是，汽车制造商提出，将现有的电压提高３倍，即达到４２Ｖ。４２Ｖ电源的采用为发展汽车线控转向系统创造了条件：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
万方数据