汽车线控转向系统控制研究

汽车线控转向系统控制研究

唐学东  王华

安徽江淮汽车集团股份有限公司  安徽合肥  230000

安徽肥西实验高级中学          安徽合肥  230000

摘要：随着汽车技术的不断进步，线控转向系统作为现代汽车的一项关键技术，正在逐渐取代传统的机械转向系统。本文旨在深入研究汽车线控转向系统的控制技术，分析其系统组成、工作原理、控制策略以及未来发展趋势。本文总结了线控转向系统的主要控制方法，并探讨了其在实际应用中的前景。

关键词：线控转向系统；汽车控制；控制策略；未来趋势

引言

汽车线控转向系统，又称线控转向（Steer-by-Wire, SbW），是指通过电子信号传递驾驶员的转向意图，并直接控制车轮转向角的系统。与传统机械转向系统相比，线控转向系统具有结构简单、响应迅速、易于实现主动转向控制等优点，因此成为现代汽车技术发展的重点方向。

1. 线控转向系统概述

1.1系统组成

线控转向与一般EPS系统的最大区别在于线控转向取消了方向盘与车轮之间的机械连接，完全依赖线束及传感器和控制信号实现转向，反应更快，方向盘布局更灵活，减少路面震动。这使得线控转向在自动驾驶方面更具潜力。

首先，转向传感器是线控转向系统的“眼睛”和“耳朵”。这些传感器安装在转向管柱和转向器上，能够精确捕捉驾驶员的转向动作，包括转向角度、速度和方向等关键信息。这些信息是系统作出响应的基础，确保了车辆能够按照驾驶员的意图进行转向。其次，电子控制单元（ECU）是线控转向系统的“大脑”。它接收来自转向传感器的信号，并根据预设的控制算法和车辆状态信息进行处理。ECU能够迅速计算出最佳的转向指令，并通过电信号传递给转向执行机构。转向执行机构则是线控转向系统的“手”和“脚”。它根据ECU的指令驱动车轮进行转向。与传统机械转向系统相比，转向执行机构的响应更加迅速且精准，能够实现更高级的转向控制功能。此外，线控转向系统还包括电源、通信接口和故障诊断与容错控制模块等组件。电源为系统提供稳定的电力支持，确保各组件的正常工作；通信接口则负责与车辆其它系统（如自动驾驶控制系统）进行数据交换和协同工作；故障诊断与容错控制模块则能够在系统出现故障时及时检测并采取相应的容错措施，确保车辆的安全性和可靠性。

1.2工作原理

线控转向系统与一般EPS系统在工作特点上有显著不同。线控转向系统取消机械连接传动，完全通过电子信号传递驾驶员的转向意图，再由电机直接驱动转向机构，因此反应速度更快，且能够实现更复杂的转向逻辑。此外，线控转向系统更易于与自动驾驶技术集成，为未来的智能驾驶提供了更多可能性。

线控转向系统的工作原理基于电子信号传递和控制。当驾驶员转动方向盘时，转向传感器立即捕捉到这一动作，并将转向角度、速度等关键信息转化为电信号。这些信号迅速传递给电子控制单元（ECU）。ECU接收到信号后，根据预设的控制算法和车辆状态信息（如车速、横摆角速度等）进行计算分析，确定最佳的转向指令。随后，ECU将这一指令以电信号的形式发送给转向执行机构。转向执行机构接收到指令后，迅速驱动车轮进行转向，实现驾驶员的转向意图。

此外，线控转向系统还具备故障诊断与容错控制功能。一旦系统出现故障，故障诊断模块会立即检测并采取相应的容错措施，确保车辆的安全性和可靠性。总之，线控转向系统通过电子信号传递和控制，实现了对车辆转向的精确、快速和可靠的控制。

2.线控转向系统控制策略

2.1助力控制

助力控制是线控转向系统中的一个关键控制，旨在根据驾驶员的转向需求和车辆状态提供适当的助力，以减轻驾驶员的操纵负担。在助力控制中，系统通过转向传感器检测驾驶员的转向力矩和车速等参数。当驾驶员施加转向力矩时，系统根据预设的助力曲线或助力算法计算出所需的助力大小和方向。这个助力大小是根据车速、转向角速度等因素进行调整的，以确保在不同驾驶条件下都能提供合适的助力。通过助力控制，线控转向系统能够在低速行驶时提供较大的助力，帮助驾驶员轻松操控车辆；而在高速行驶时，系统则减少助力，以提供更为稳定和灵敏的转向感觉。这种根据驾驶员意图和车辆状态实时调整的助力控制策略，不仅提高了驾驶的舒适性和便利性，还有助于提升车辆的安全性和稳定性。

2.2路感模拟控制策略

线控转向系统的路感模拟控制策略是其关键技术之一。由于线控转向取消了传统的机械连接，驾驶员无法直接感受到车轮与路面之间的相互作用力，因此需要通过电子控制来模拟和提供路感。路感模拟控制策略通常基于传感器获取的车辆状态信息，如车速、车轮转角、转向力矩等，以及路面状况数据，如路面摩擦系数、不平度等。通过算法处理这些数据，系统可以计算出模拟的路感信号，并将其传递给驾驶员。为了提供真实而自然的路感，路感模拟控制策略需要精确模拟不同路面条件下的转向力矩反馈，以及车辆行驶过程中的动态响应。此外，路感模拟还应考虑到驾驶员的偏好和习惯，提供个性化的驾驶体验。因此，路感模拟控制策略的设计需要综合考虑多种因素，以实现既安全又舒适的驾驶体验。

2.3齿条力估算控制策略

线控转向系统的齿条力估算控制策略是其核心控制方法之一。齿条力，即转向器输出的力，直接关联到车轮的转向力矩和车辆的操控稳定性。在线控转向系统中，由于取消了机械连接，齿条力的精确估算和控制变得尤为重要。齿条力估算控制策略通常基于车辆动力学模型、传感器数据和电机控制算法。首先，通过车辆动力学模型预测在不同车速、转向角速度等条件下的理想齿条力。然后，利用安装在转向器上的传感器，如力传感器或位移传感器，实时监测齿条的实际位置和受力情况。结合电机控制算法，系统可以实时调整电机的输出力矩，以匹配或逼近理想的齿条力。这种控制策略不仅提高了车辆的操控性和稳定性，还能在自动驾驶模式下，根据车辆运动规划和路径跟踪的需求，精确控制齿条力，实现平滑、安全的转向操作。因此，齿条力估算控制策略对于线控转向系统的性能和可靠性至关重要。

2.4故障容错控制

故障容错控制是线控转向系统控制中至关重要的一环，旨在确保在系统出现故障时，车辆仍能保持基本的转向功能，从而提高整车的安全性和可靠性。为实现故障容错控制，线控转向系统通常会采用多种传感器和冗余执行机构，以便在某一部件发生故障时，系统能够迅速切换到备用部件，保持转向功能的正常运行。此外，系统还会配备故障诊断与容错控制模块，实时监测各部件的工作状态。一旦检测到故障，该模块会立即启动容错控制，通过调整控制算法和参数，使得系统在故障状态下仍能实现稳定的转向控制。故障容错控制的实现需要综合考虑系统故障的类型、严重程度以及发生概率等因素。通过合理的容错控制算法设计，可以在保证车辆稳定性的同时，最大限度地降低故障对车辆性能的影响。随着线控转向系统技术的不断发展，也将不断完善和优化，为车辆的安全行驶提供更加坚实的保障。

结语

汽车线控转向系统作为现代汽车技术的重要发展方向，其控制技术的研究具有重要意义。本文通过对线控转向系统的组成、工作原理、控制策略以及未来发展趋势的分析，总结了该系统的关键技术和面临的挑战。随着技术的不断进步和市场的不断拓展，相信线控转向系统将在未来的汽车行业中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1]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（6）：1229-1235.

[2]冯晓志，石沛林，曹凡，等.基于CarSim的线控转向汽车理想传动比的设计研究[J].广西大学学报（自然科学版），2018，43（6）：2122-2132.