项目四任务1：线控转向系统结构和工作原理-教学课件

主讲老师：汪俊东线控转向系统结构和工作原理项目四：线控转向技术任务4.1《智能汽车线控底盘装调与测试》目录任务导入AssignmentINTRO学习目标LearningobjectivesCONTENTS0102知识准备Backgroundknowledge03课堂小测Classroomquiz课堂总结Backgroundknowledge0405PART01任务导入AssignmentINTRO任务导入线控转向的概念起源于20世纪50年代，美国天合（TRW）公司最早提出用控制信号代替转向盘和转向轮之间的机械连接。假设你是某家线控底盘解决方案供应商的测试工程师，需要到现场完成低速无人物流车的线控转向系统的调试工作，在此之前你需要先了解熟悉哪些内容呢？当取消方向盘和转向轴之间的机械连接后，方向盘是怎样控制车轮转向的呢？PART02学习目标Learningobjectives学习目标素质目标鼓励学生发挥创新思维，探索现有线控转向技术的类型；激发学生的爱国情感和为国家科技进步贡献力量的责任感。能力目标能讲解线控转向的定义[A41]；能区分电动助力转向系统和线控转向系统的异同[A42]；能说出线控转向系统的关键技术[A43]。知识目标能讲解线控转向系统的功能[K44]；能区分线控转向系统的分类和特点[K45]；能讲解线控转向系统的工作原理和主要技术[K46]。PART03知识准备Backgroundknowledge一、汽车转向系统概述用来改变或保持汽车行驶方向的一系列装置称为转向系统。汽车转向系统的主要作用是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统1.汽车转向系统一、汽车转向系统概述1.汽车转向系统根据转向能源的不同，汽车传统转向系统分为机械转向系统和动力转向系统。动力转向系统机械式转向系统一、汽车转向系统概述2.汽车转向系统的发展历程机械液压助力转向系统（HPS）电动助力转向系统（EPS）电子液压助力转向系统（EHPS）线控转向系统（SBW）商用车以HPS为主流乘用车以EPS为主流未来发展方向传统纯机械转向系统思政专栏丰田雷克萨斯HPX概念车（2003年）：丰田在纽约车展上推出了采用线控转向技术的雷克萨斯概念车HPX，这是线控转向技术在汽车领域的早期探索之一。丰田FT-EVⅡ概念车（2010年）：丰田公司继续推进线控转向技术，推出了FT-EVⅡ概念车，进一步展示了线控转向技术的未来潜力。英菲尼迪Q50（2014年）：英菲尼迪品牌推出了Q50车型，该车型首次在量产车辆中引入了线控转向系统，这一创新标志着线控转向技术开始进入商业化应用阶段。线控转向技术的先锋：从概念到量产的飞跃英菲尼迪Q50思政专栏丰田bZ4X纯电动车型（2020年代初）：丰田推出了bZ4X纯电动车型，该车型采用了线控转向系统，并且完全取消了方向盘和转向轴之间的机械连接，展示了线控转向技术的最新进展。特斯拉CyberTruck：特斯拉的CyberTruck采用了纯线控转向技术，完全取消了方向盘与车轮之间的机械联动，成为历史上第一台纯线控转向的量产车，这一创新进一步推动了线控转向技术的发展。线控转向技术的先锋：从概念到量产的飞跃Telsa—CyberTruck二、线控转向系统的分类电动助力转向系统（EPS）线控转向系统主要分为电动助力转向系统和线控转向系统两种类型。线控转向系统（SBW）VS二、线控转向系统的分类1.电动助力转向系统（1）电动助力转向系统的结构电动助力转向系统（ElectricPowerSteering，EPS）是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。EPS主要由转矩转角传感器、车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元（ECU）等组成。EPS结构原理图二、线控转向系统的分类1.电动助力转向系统EPS结构原理图方向盘转动传感器：转矩信号电机电压/电流转矩转矩ECU电机离合器、减速器横向拉杆车轮（1）电动助力转向系统的结构二、线控转向系统的分类1.电动助力转向系统（2）电动助力转向系统的分类

转向柱辅助型（C-EPS），齿轮辅助型（P-EPS）和齿条辅助型（R-EPS）。EPS的分类二、线控转向系统的分类1.电动助力转向系统（2）EPS的分类转向柱辅助型（C-EPS），齿轮辅助型（P-EPS）和齿条辅助型（R-EPS）。EPS的分类二、线控转向系统的分类1.电动助力转向系统（2）EPS的分类转向柱辅助型（C-EPS），齿轮辅助型（P-EPS）和齿条辅助型（R-EPS）。EPS的分类二、线控转向系统的分类1.电动助力转向系统（3）EPS的特点1）转换效率高2）转向回正性好3）能耗少4）增加汽车行驶安全性5）保护环境6）需要长期保留机械装置二、线控转向系统的分类2.线控转向系统线控转向（Steering-By-WireSystem，SBW）即使用电子线路和通讯传输等线控技术，接收自动驾驶控制器或驾驶员控制指令改变或保持车辆行驶方向的系统。线控转向能够把依靠转向管柱连接转向机构来实现转向的传统方式，改变为由电控系统直接进行转向控制,完全由电信号实现转向的信息传递和控制。线控转向结构简图二、线控转向系统的分类2.线控转向系统方向盘传感器ECU电机电压转向执行电机扭矩转向拉杆车轮传感器ECU电机电压路感反馈电机扭矩方向盘汽车转向执行汽车转向反馈线控转向系统的组成三、线控转向系统的结构和工作原理1.线控转向系统的结构线控转向系统的结构主要由方向盘模块、转向执行模块、主控制器ECU、电源系统和自动防故障系统等组成。SBW的结构三、线控转向系统的结构和工作原理1.线控转向系统的结构（1）方向盘模块SBW的结构方向盘模块转向盘组件转角传感器转矩传感器路感电机驾驶员意图ECUECU路感电机三、线控转向系统的结构和工作原理1.线控转向系统的结构（2）转向执行模块SBW的结构转向执行模块ECU转向执行电机+前轮转角信号ECU前轮位移传感器、转向执行电机、电机控制器、前轮转向组件三、线控转向系统的结构和工作原理1.线控转向系统的结构（3）主控器ECU模块SBW的结构主控制器ECU转向执行电机+路感电机控制驾驶员误操作等故障ECU判断三、线控转向系统的结构和工作原理1.线控转向系统的结构（4）电源系统：承担着控制器、两个电机以及其他车用电器的供电任务（5）自动防故障模块SBW的结构处理故障，保证车辆正常行驶三、线控转向系统的结构和工作原理2.线控转向系统的工作原理（1）人工驾驶模式1）转向执行驾驶员转向盘总成转向执行总成控制器路感电机控制器转向电机控制器路感电机电流转向盘力矩转向盘角速度转向盘转角控制电压方向盘前轮转角三、线控转向系统的结构和工作原理2.线控转向系统的工作原理（1）人工驾驶模式2）路感反馈驾驶员转向盘总成转向执行总成控制器路感电机控制器转向电机控制器前轮转角侧向加速度横摆角速度质心侧偏角转向电机电流控制电压三、线控转向系统的结构和工作原理2.线控转向系统的工作原理（2）自动驾驶模式计算平台驾驶员转动转向盘的人工驾驶操作→计算平台向VCU发送转向意图的自动驾驶操作VCUCAN四、线控转向系统的关键技术1.算法控制技术（1）基于经验设计的控制算法1）设计思路基于经验设计的方法主要是根据车辆在不同工况下对操纵稳定性要求的不同来进行设计。在低速工况下高速、低侧向加速度工况下四、线控转向系统的关键技术1.算法控制技术（1）基于经验设计的控制算法2）设计流程参数调节制定规则PID控制器根据驾驶员的操控习惯和实际驾驶需求。基于专家经验的启发式规则；根据实际数据统计得出的规律。四、线控转向系统的关键技术1.算法控制技术（2）基于动力学模型计算的控制算法1）设计思路根据当前车辆状态、外界环境和驾驶员输入提出控制目标，然后根据控制目标计算参考前轮转角，控制前轮转角改变轮胎侧向力，对横摆力矩进行补偿。车辆坐标系与车辆的主要运动形式四、线控转向系统的关键技术1.算法控制技术（1）基于经验设计的控制算法2）设计流程建模与仿真优化算法车辆线性二自由度动力学模型模型预测控制、遗传算法等四、线控转向系统的关键技术2.转向执行控制技术线控转向执行控制框图：转向执行控制策略流程框图四、线控转向系统的关键技术2.转向执行控制技术根据模块的功能，可以将线控转向控制执行分为2个层次。上层策略下层策略变角传动比控制车辆稳定性控制转向电机控制四、线控转向系统的关键技术2.转向执行控制技术控制内容控制算法特点上层：变传动比控制随车速变化横摆角速度增益不变侧向加速度和横摆角速度增益不变遗传算法模糊控制提高汽车低速转向灵敏性和高速转向的稳定性上层：车辆稳定性控制分数阶PID、模糊PIDLQR、LQG最优控制算法前馈控制、反馈控制、前馈-反馈控制自适应神经网络滑模控制模型预测控制四轮转向和集成控制基于车辆动力学模型，根据车辆运动控制目标，利用控制算法计算参考前轮转角

线控转向执行控制主要算法和特点：四、线控转向系统的关键技术2.转向执行控制技术线控转向执行控制主要算法和特点：控制内容控制算法特点下层：转向电机控制PID控制前馈控制模糊PID无电流传感器控制双向控制使转向电机准确快速跟踪目标前轮转角四、线控转向系统的关键技术2.转向执行控制技术（1）变角传动比控制线控转向系统可以设定角传动比现状之下，便可以根据具体的工况和个人的驾驶系统建立特定的“变角传动比曲线图”。模糊控制传动比随速特性四、线控转向系统的关键技术2.转向执行控制技术（1）变角传动比控制主动转向控制策略是将实际前轮转角和理论前轮转角不断缩小的一个工具。主动转向控制策略流程框图四、线控转向系统的关键技术3.路感反馈技术路感反馈控制技术是指通过模拟车辆行驶中的转向阻力矩，将路感信息反馈给驾驶员，以提高驾驶的安全性和舒适性。路感反馈控制四、线控转向系统的关键技术3.路感反馈技术（1）基于动力学模型的方法依据车辆动态响应、驾驶员转向盘输入等状态，利用车辆动力学模型估算轮胎回正力矩和需要补偿的反馈力矩，进而计算期望的反馈力矩指令。基于动力学模型的路感反馈控制图四、线控转向系统的关键技术3.路感反馈技术（2）拟合参数法参数拟合法即在汽车各个状态和参数变量中，选取与路感信息相关的变量，如方向盘转角、转角速度、车速和侧向加速度等车辆状态参数，通过加权函数拟合的方法得到路感局部加权函数拟合图四、线控转向系统的关键技术4.故障诊断与容错冗余控制技术故障诊断技术容错冗余控制技术实时监测故障诊断备用转向系统自动切换功能四、线控转向系统的关键技术4.故障诊断与容错冗余控制技术（1）容错冗余控制原理系统收集来自执行器、被控对象和传感器传来的故障信息，进行故障检测，然后把检测结果传输到容错控制器，由容错控制器对控制系统进行修正。容错冗余控制原理四、线控转向系统的关键技术4.故障诊断与容错冗余控制技术（2）容错冗余控制分类被动容错冗余主动容错冗余不改变控制器和系统结构条件下，从鲁棒控制思想出发设计控制系统，使系统对故障不敏感。在故障发生后根据故障情况对控制器的参数重新调整，甚至改变结构。五、线控转向系统的特点（1）提高汽车安全性能（2）改善驾驶特性和增强操纵性（3）改善驾驶员的路感（4）增强汽车舒适性（5）体现个性化的设置PART04课堂小测Classroomquiz一、判断题1.线控转向系统中电动助力转向EPS系统需要根据车速，转向盘转矩给定合适的助力。（

）2.线控转向系统的电动助力转向系统是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。（

）3.在建立车辆动力学模型，只需要考虑转向系统的动力学特性因素。（

）4.