汽車線控轉向系統及關鍵技術研究

王忠棟

摘要：本文在對汽車線控轉向系統的結構及原理進行介紹的基礎上，從汽車轉向系統的上層控制方法及下層控制萬法兩個方面闡述了線控轉向系統的控制內容，并對線控轉向系統的關鍵技術進行了研究。

關鍵詞：汽車;線控轉向系統;關鍵技術

1 引言

隨著科學技術的快速發展，各類事物不斷推陳出新。在汽車行業，傳統的轉向系統為機械式控制，汽車駕駛員通過對駕駛環境的判斷來進行手動機械操作，進而實現汽車的轉向，共性能好壞，直接影響了汽車在轉向過程中的安全系數。而在擁有成熟電子信息技術與控制理論的今天，汽車轉向系統已完成了幾代技術革新，已從早期的機械式轉向系統走向線控轉向系統，期間還發展過液壓助力、電控液壓助力及電動助力轉向系統幾大系統?？傮w來說，使汽車的安全性、經濟性及環保性不斷地得到提高，而隨著人們對汽車的安全可靠性及環境友好性的追求越來越高，改善汽車的駕駛特性已刻不容緩，因此，汽車線控轉向系統技術開始成為全世界范圍內的研究熱點。

2 線控轉向系統結構與原理

汽車線控轉向系統的結構示意圖如圖1所示，其主要組成部分包括方向盤總成、轉向橋機構總成、基本控制器、故障處理系統及各種傳感器等。其具體組成部分及作用為：

（1）方向盤總成部分：方向盤總成由方向盤組件、電機及各種方向盤傳感器（如轉角傳感器、力矩傳感器等）組成。其主要作用為根據汽車方向盤轉角變化來實現對汽車基本控制器的控制，基本控制器把轉換的數字信號反饋至控制方向盤的電機上，進而給駕駛員提供相應的環境信息。

（2）轉向橋機構總成部分：轉向橋機構總成具體由前輪轉向組件、方向盤轉向電機及其控制器與前輪轉角傳感器等組成。其主要作用是為了實現駕駛人員對車輛的轉向操控意圖?；究刂破魍ㄟ^反饋得到前輪轉角信號，通過分析處理，對車輛的運動狀況進行判斷，進而針對轉向電機應轉的前輪轉角大小發布命令。另外，基本控制器能夠對轉向操作的合理性進行識別判斷，對駕駛員實施的誤操作能夠做出屏蔽處理，在一定程度上保障了車輛駕駛人員的安全性，實現汽車的平穩自動轉向。

（3）故障處理系統是線控轉向系統的重要組成部分，其能夠通過對行駛車輛的監測做出相應的處理，進而保障了車輛的安全駕駛，見圖1。

汽車線控轉向技術之所以能提高汽車的駕駛安全可靠性，與其具有的故障檢測手段息息相關。圖2為汽車線控轉向系統的工作原理圖。對其工作原理具體可以進行以下描述：當方向盤上的轉角發生變化時，轉角傳感器將其收集到的轉角信息轉換為數字信號傳送到控制器上，通過控制系統上計算機處理后，反饋至控制車輪轉向的電機上，從而實現車輛的轉向。

3 線控轉向控制的內容

線控轉向控制的研究包括上層控制方法和下層控制方法兩個方面的內容，其中上層控制方法主要包括四個方面的研究內容，分別為轉向傳動比的計算方法的研究，四輪轉向控制的研究，車輛穩定性的控制方法以及汽車路徑跟蹤控制等，下層控制方法主要包括轉向電機的控制研究。具體內容為：

（1）轉向傳動比的計算方法：為使駕駛人員在操作汽車轉向時盡可能地減少體力消耗及精神消耗，在汽車行駛過程中，要求其轉向傳動比隨著車輛的速度大小及其方向盤的轉角變化。在低速行駛過程中，轉向傳動比會隨著車速的增大而增大，而當車速較高時，其轉向傳動比的增大幅度會逐漸減小，這樣能夠減小轉向傳動比帶來的影響，緩解不斷加減速給駕駛人員帶來的駕駛疲勞。另外，為了達到最佳的駕駛舒適度，常常根據車速對汽車的轉向傳動比進行系統優化。常采用的方法有遺傳算法，仿真和駕駛模擬器試驗驗證法，基于MATLAB模糊控制工具箱設計轉向傳動比算法及利用ADAMS軟件進行雙移線等工況仿真等。

（2）四輪線控轉向控制：為了達到提高汽車側向性能的目的，常采用四輪轉向控制的方法，通過建立車輛傳動齒輪的線控轉向系統模型，在改變車速的情況下結合動力學知識，并通過引入動態調整邊界層厚度的變結構控制器，對不同轉向操縱下的汽車轉向控制進行模擬，結果表明：在一定的操縱范圍內，最優控制下，四輪轉向控制能夠提高汽車的側向性能。

（3）車輛穩定性控制：為了提高車輛轉向的穩定性，優化汽車穩定性控制效果，需對駕駛過程中的橫擺力進行控制，以提高其響應速度，降低擺動幅度。為了解決輸入約束與線控轉向系統非線性的問題，采用非線性模型預測控制，對非線性集合隸屬度進行辨識，通過仿真操作，證明了集合隸屬度預測控制方法能夠實現車輛側向穩定性的提高。通過對安裝雙搖臂型線控轉向系統的豐田COMS車輛進行試驗，高精度估計路面狀態，有效驗證了采用側向力傳感器和道路回正力矩估計器能夠提高識別路面狀態的精度，提高控制器對方向盤反饋的速度，優化操作性能，從而確保汽車的轉向穩定性。

（4）車輛路徑跟蹤控制：車輛的路徑跟蹤控制研究采用Lyapunov法，通過建立的車輛模型，設計形成連續時變的非線性跟蹤控制器，通過仿真分析，結果顯示汽車的仿真路徑與實際路徑相比幾乎0誤差，表明模擬工況能夠很好地對車輛路徑進行跟蹤。

（5）轉向電機的控制：汽車轉向控制的實現離不開轉向電機，它是轉向控制系統最重要的研究內容，汽車轉向控制的效果深受轉向電機的影響。對轉向電機的控制，常采用高性能的永磁轉向電機進行轉向控制，在采用直流電機控制時，設計為PID參數控制，并通過試驗驗證了采用PID控制轉向電動機的可靠性，其具有更快的響應速度，改善了汽車的轉向控制性能。

4 線控轉向系統的關鍵技術

目前，線控轉向系統的關鍵技術在傳感器、動力電源、總線的設計上，另外還包括可靠性技術，具體為：

（1）傳感器技術：在線控轉向系統中綜合應用各種傳感器技術，能夠提高汽車轉向控制系統的靈敏度及精準度，隨著電子控制技術的高速發展，傳感器的質量越來越高，傳感器的信息采集能力提高了汽車轉向控制系統的響應速度。目前運用到汽車轉向系統中的傳感器包含的種類較多，例如速度、角速度傳感器，轉矩傳感器，側向加速度傳感器等等。

（2）動力電源技術：汽車線控轉向系統中的控制單元與反饋電機的工作都需要電源支持，因此，動力電源的重要性不言而喻，其性能的好壞直接影響著整個線控轉向系統運行的穩定性。為了應對汽車電子控制系統中元器件日益增多造成的耗能增大的情形，研究容量大、性能好的動力電源至關重要，以往采用的12V動力電源已無法滿足現代化汽車的電力供應，因此，設計出了42V的動力電源技術，該技術的應用又進一步推動了汽車線控轉向系統的發展。

（3）總線技術：總線技術影響著線控轉向系統各子系統集成布局方式，汽車的總線標準有很多，目前常用的總線技術有TTP、Byteflight與Flex Ray三種。未來隨著科學技術的不斷發展，將會產生更加高速、實時傳輸的總線技術，實現汽車線控轉向系統的智能化水平的進一步提高。

（4）可靠性技術：為了發展線控轉向系統，需要不斷地提高其可靠性，為了防止電控系統發生故障，現在在設計線控轉向系統時往往設計成有多個車載電源、轉向傳感器，以提高其可靠性。

5 結論

隨著電子信息控制技術的不斷發展，在車輛上運用的線控轉向系統會越來越成熟，技術會越來越先進，在提高汽車操控穩定性的同時，能夠給駕駛人員提供更佳的駕駛體驗。

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