電動汽車線控轉向系統操縱穩定性研究

田軍南　黃日帆　王垚　張維華

摘 要：隨著電動汽車的快速發展，線控轉向系統作為電動汽車的重要組成部分，對于提升駕駛穩定性和操控性具有重要意義。本文通過對電動汽車線控轉向系統操縱穩定性研究分析，總結了相關研究的現狀和發展趨勢。首先，介紹了電動汽車線控轉向系統的基本原理和結構，然后重點討論了影響操縱穩定性的關鍵因素，包括車輛動力學特性、控制算法和傳感器技術等。接著，對不同電動汽車線控轉向系統操縱穩定性研究方法和實驗手段進行了比較和分析，包括仿真模擬、試驗臺架和實車試驗等。最后，對未來電動汽車線控轉向系統操縱穩定性研究的方向進行了展望。

關鍵詞：電動汽車 線控轉向系統 操縱穩定性

1 引言

隨著環境保護意識的增強和能源危機的不斷加劇，電動汽車為一種清潔高效的交通工具逐漸得到廣泛關注。與傳統燃油車相比，純電動汽車具有零排放、低噪音和高能效等優勢。然而，在高速行駛和急轉彎等情況下電動汽車在操控性和駕駛穩定性方面仍然存在一定挑戰。現階段傳統機械轉向系統在電動汽車中存在傳動鏈路的復雜性、能量損失以及對空間的占用等一系列問題。為了克服這些問題與挑戰，線控轉向系統逐漸成為電動汽車中的一種新型轉向解決方案[1-2]。

本文在總結大量相關文獻的基礎上，著重從影響電動汽車線控轉向系統操縱穩定性的關鍵因素、電動汽車線控轉向系統操縱穩定性不同的研究方法與實驗手段兩個方面介紹電動汽車線控轉向系統操縱穩定性的現階段相關研究，并對未來研究方向進行展望，以促進電動汽車駕駛穩定性和操控性的提升。

2 電動汽車線控轉向系統基本原理和結構

2.1 電動汽車線控轉向系統的概述與基本原理

電動汽車線控轉向系統是一種基于電信號和電動機控制的轉向解決方案，旨在提高電動汽車的操控性和駕駛穩定性。相比傳統的機械轉向系統，線控轉向系統具有更高的精確性和靈活性。它通過電子控制單元（ECU）和電動機控制轉向機構，實現對前輪轉向角度的精確控制。

電動汽車線控轉向系統的基本原理是通過電動機的轉動來實現前輪的轉向。當駕駛員轉動方向盤時，傳感器將轉向角度的信號傳遞給電子控制單元。電子控制單元根據接收到的信號，計算出電動機需要轉動的角度和速度，并通過電機控制單元控制電動機的運動。電動機的轉動通過傳動裝置傳遞到前輪，從而實現車輛的轉向。

2.2 電動汽車線控轉向系統的結構和組成部分

電動汽車線控轉向系統由多個組成部分構成，包括電子控制單元（ECU）、電動機、轉向機構和傳感器等。

電子控制單元（ECU）是線控轉向系統的核心部件，負責接收和處理來自傳感器的信號，并控制電動機的運動。ECU通過算法和控制策略實現對轉向系統的精確控制，以滿足駕駛員的操控需求。電動機是線控轉向系統中的執行器，負責轉動前輪。根據不同的轉向需求，電動機通過電機控制單元的控制，以特定的角度和速度進行轉動。轉向機構將電動機的轉動傳遞到前輪，實現車輛的轉向。轉向機構通常由齒輪、傳動桿和連桿等組成，確保電動機的轉動能夠準確傳遞到前輪，從而實現精確的轉向控制。傳感器是線控轉向系統中的重要組成部分，用于感知駕駛員的轉向操作和車輛的轉向角度。常用的傳感器包括轉向角度傳感器和轉向力傳感器。轉向角度傳感器用于測量方向盤的轉動角度，而轉向力傳感器用于測量駕駛員施加在方向盤上的力。

3 影響操縱穩定性的關鍵因素

3.1 車輛動力學特性的影響

車輛動力學特性是影響電動汽車線控轉向系統操縱穩定性的重要因素之一[3-4]。車輛動力學特性包括車輛的質量分布、懸掛系統、輪胎特性等。這些特性直接影響著車輛的穩定性和操控性。

車輛的質量分布對操縱穩定性具有重要影響。在電動汽車中，電池組通常位于車輛的底部，這會導致車輛的重心較低，從而提高車輛的穩定性。前后軸的負載平衡也是關鍵因素，過大的前軸負載可能導致轉向過輕，而過大的后軸負載可能導致轉向過重，都會影響操縱穩定性。此外，懸掛系統對于車輛的操縱性和穩定性也扮演著至關重要的角色。懸掛系統的剛度和減震器的效果直接影響著車輛在行駛過程中的穩定性和操控性。合理的懸掛系統可以提供良好的懸掛剛度和減震效果，減少車身的側傾和縱向搖動，提高操縱穩定性。輪胎特性也是影響操縱穩定性的關鍵因素之一。輪胎的抓地力和操控性能直接影響著車輛的轉向響應和穩定性。合適的輪胎規格和胎壓可以提供良好的抓地力，而合理的輪胎硬度和花紋設計可以提供良好的操控性能。

3.2 控制算法的影響

控制算法是電動汽車線控轉向系統中的核心部分，對操縱穩定性具有重要影響。控制算法通過精確計算和判斷，實現對電動機的精確控制，從而實現車輛的轉向。

轉向控制算法需要根據駕駛員的轉向操作和車輛的狀態，計算出電動機需要轉動的角度和速度。這需要考慮到車輛的動力學特性、路面情況和駕駛員的意圖等因素，以實現準確的轉向控制。控制算法需要實時監測和調整轉向控制參數，以適應不同的駕駛情況和路面條件。例如，在高速行駛時，控制算法可以采用更精細的控制策略，以提供更高的操控性和穩定性；而在低速行駛或急轉彎時，控制算法可以調整轉向角度和速度，以提供更靈活的轉向響應。控制算法還需要考慮到安全性和穩定性之間的平衡。在一些特殊情況下，例如緊急避讓或失控時，控制算法需要及時作出響應，以保證車輛的穩定性和駕駛員的安全。

3.3 傳感器技術的影響

傳感器技術是電動汽車線控轉向系統中的關鍵技術之一，對操縱穩定性具有重要影響。傳感器技術可以提供準確的車輛狀態信息和駕駛員操控信息，以實現精確的轉向控制。

轉向角度傳感器用于測量方向盤的轉動角度，可以提供精確的駕駛員操控信息。通過實時監測方向盤的轉動角度，轉向角度傳感器可以將轉向操控信息傳遞給控制算法，從而實現準確的轉向控制。此外，轉向力傳感器也是影響操縱穩定性的重要傳感器之一。轉向力傳感器可以測量駕駛員施加在方向盤上的力，從而提供駕駛員的意圖和操控需求。控制算法可以根據轉向力傳感器的信號，調整轉向控制參數，以滿足駕駛員的操控需求[5]。

4 電動汽車線控轉向系統操縱穩定性主要研究方法和實驗手段

4.1 仿真模擬

仿真模擬是電動汽車線控轉向系統研究中常用的一種方法。通過建立電動汽車的數學模型和控制算法，可以在計算機上進行大量的仿真實驗。仿真模擬可以模擬不同駕駛情況下的轉向控制效果，評估操縱穩定性，并優化控制算法。與此同時，仿真模擬還可以快速驗證新的轉向系統設計和控制策略的可行性，減少實際試驗的成本和時間。

在進行仿真模擬時，需要根據電動汽車的物理特性和轉向系統的結構建立相應的數學模型。模型可以包括車輛動力學模型、電動機模型、轉向機構模型等。然后，根據控制算法和駕駛場景，通過計算機程序模擬轉向系統的運行，得到轉向角度、轉向力和車輛的響應等結果。

4.2 試驗臺架

試驗臺架是電動汽車線控轉向系統研究中常用的實驗手段之一。試驗臺架可以通過搭建具有真實車輛零部件的實驗平臺，對轉向系統進行真實環境下的測試和評估。

在試驗臺架上，可以安裝真實的電動機、轉向機構和傳感器等部件，以模擬真實的轉向操控和車輛響應。通過控制電動機的轉動和記錄傳感器的數據，可以評估轉向系統在不同駕駛情況下的操縱穩定性和操控性能。通過試驗臺架的實驗，可以獲得更接近實際駕駛情況的數據，提供更準確的轉向系統性能評估。然而，試驗臺架的建設和維護成本較高，且受到實際環境的限制，不能完全模擬所有駕駛場景。

4.3 實車試驗

實車試驗是電動汽車線控轉向系統研究中最直接和真實的實驗手段。通過在實際道路上進行實車試驗，可以全面評估轉向系統的操縱穩定性和操控性能。

在實車試驗中，研究人員可以安裝測試設備，如轉向角度傳感器、轉向力傳感器、數據記錄儀等，來監測和記錄轉向系統的性能。通過在不同路況和駕駛情況下的試驗，可以獲得真實的轉向系統響應和駕駛員的操控感受。實車試驗可以提供最真實的轉向系統性能評估，但同時也存在一些局限性。例如：實車試驗需要耗費大量的時間和資源，并受到交通和環境條件的限制；實車試驗還涉及到安全問題，需要采取相應的措施來確保試驗的安全性。

5 未來研究方向展望

電動汽車線控轉向系統操縱穩定性的研究在不斷發展，但仍存在一些挑戰和機遇。在未來的研究中，可以從以下幾個方面著手開展研究。

（1）提高轉向系統的精確性和響應性

未來的研究可以致力于進一步提高電動汽車線控轉向系統的精確性和響應性。通過優化控制算法和提高傳感器的精度，可以實現更準確的轉向控制。同時，結合深度學習和人工智能等技術，開發出更智能和自適應的轉向系統，以滿足不同駕駛情況和駕駛員的需求。

（2）研究復雜駕駛場景下的操縱穩定性

復雜駕駛場景下的操縱穩定性是電動汽車線控轉向系統研究的重要方向之一。未來的研究可以關注電動汽車在高速行駛、急轉彎、濕滑路面等復雜情況下的轉向性能。通過深入研究和優化轉向系統設計和控制策略，提高電動汽車在這些場景下的操控性和穩定性，進一步提升駕駛員的安全性和駕駛體驗。

（3）強化轉向系統與其他車輛系統的協同性

未來研究的重要方向之一是探索電動汽車的線控轉向系統與其他車輛系統的協同性，以進一步提升電動汽車的操控性、安全性和駕駛體驗。通過與車輛動力系統、制動系統和懸掛系統等其他系統的協同工作，可以實現更高效和智能的整車控制。未來的研究注重不同系統之間的信息共享和協同控制方法，以提高整車的性能和駕駛體驗。

（4）提高轉向系統的安全性和可靠性

轉向系統的安全性和可靠性是電動汽車線控轉向系統研究的重要關注點。未來的研究可以致力于解決轉向系統在不同工況和惡劣環境下的安全性和可靠性問題。通過優化系統設計、改進傳感器技術和控制策略，可以提高轉向系統的安全性和可靠性，確保駕駛員的行車安全。

（5）推動標準化和法規制定

電動汽車線控轉向系統的標準化和法規制定是未來研究的重要方向之一。建立統一的評價指標和測試標準，可以促進不同研究之間的比較和交流。制定相應的法規和標準，可以確保轉向系統在實際應用中的安全性和合規性，推動電動汽車線控轉向系統的廣泛應用。

6 結論

電動汽車線控轉向系統操縱穩定性的研究是電動汽車行業中的重要課題，電動汽車線控轉向系統的研究是一個充滿挑戰和機遇的領域。通過持續的研究和創新，可以進一步提升電動汽車線控轉向系統的性能和功能，推動電動汽車行業的發展和進步。

基金項目：

2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目：電動車線控轉向路感控制系統及其穩定性研究（項目編號：2021KY0851）項目資助、2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目：基于多層次視覺神經機制的輪廓檢測研究（項目編號：2023KY0883）項目資助、廣西科技師范學院2023年度校級本科教學改革工程項目：基于SPOC平臺下的 BOPPPS 教學模式在地方應用型本科高校電氣信息類專業教學中的應用研究--以《自動控制理論》課程為例（項目編號：2023GKSYGB17）項目資助。

參考文獻：

[1]陳坤. 線控四輪轉向汽車操縱穩定性控制研究[D].重慶理工大學，2022.

[2]鐘曉斌，張志文，張光琛等.線控轉向系統方案設計[J].機械設計與制造工程，2021，50（07）：70-75.

[3]許男，李小雨.復合工況下四輪驅動電動汽車操縱穩定性控制[J].機械工程學報，2021，57（08）：205-220.

[4]陳智，劉成曄，趙景波等.四輪獨立驅動電動汽車操縱穩定性研究綜述[J].常州工學院學報，2023，36（02）：23-27.

[5]王云龍，王澤政，王永富等.帶有干擾觀測器的線控轉向系統復合自適應神經網絡控制[J].控制理論與應用，2021，38（04）：433-443.