项目四任务2：线控转向系统通信原理-学生手册

任务4.2线控转向系统通信原理-学生手册【任务导入】随着智能驾驶技术的快速发展，消费者对汽车安全性能和驾驶体验要求的不断提升。通过精确的电子控制，线控转向系统能够提供更加灵活和舒适的驾驶体验，包括可变的转向比例和力反馈，实现了对车辆转向的精准控制，极大地提升了驾驶的安全性和舒适性。汽车线控转向系统的市场应用正在逐步扩大。目前，该系统已经在部分高端车型上得到了广泛应用，并逐渐向中低端市场渗透。未来，随着技术的不断进步和成本的降低，汽车线控转向系统的渗透率有望进一步提高，成为汽车行业的标配技术之一。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，那么你知道线控转向系统各部件之间是如何进行通信的呢？SHAPE提示：此次任务我们需要了解线控转向系统电路提示：此次任务我们需要了解线控转向系统电路拓扑分析、线控转向部件与底盘域控制器通信原理和底盘域控制器与上位机通信原理。

【学习目标】素质目标结合线控转向系统的研发和制造需要高度的技术专长和精确的工艺控制，培养学生追求高超的技艺和精湛的技能的工匠精神；结合线控转向系统的电路拓扑分析，激发学生的创新思维，不断探索新技术的应用可能性；培养学生的辩证思维，培养学生以辩证的角度看待线控转向技术。知识目标能完成线控转向系统电路拓扑分析[K47]；能讲述线控转向部件与底盘域控制器通信原理[K48]；能讲述底盘域控制器与上位机通信原理[K49]。能力目标能分析线控转向系统的电路拓扑图[A44]；能掌握线控转向部件与底盘域控制器的通信原理[A45]；能掌握底盘域控制器与上位机通信原理[A46]。【知识准备】一、线控转向系统的通信部件根据线控转向系统的工作原理可得，线控转向系统的工作过程中，信息的传递主要依赖电信号和数据总线的传输。通过主控制器对信号进行处理和指令生成，以及执行电机对转向机的操作，实现车辆的转向。1.EPS电机转向驱动电机是线控转向系统中的一个关键组件，它负责将电信号转换为机械运动，以控制车轮的转向。转向系统电机应该具备快速响应能力快、转动惯量小、有宽广的调速范围、控制特性好、低速运行平稳、力矩波动小等性能。在EPS系统中使用的电机分为有刷电机和无刷电机。有刷电机结构图如REF_Ref167803156\h图4-2-1所示。有刷电机在电刷和整流子转动的同时切换电流，所以接通电源就能转动，成本较低，转向操作灵敏度差。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC1有刷电机结构图无刷电机结构图如REF_Ref167803165\h图4-2-2所示。无刷电机本身不带有整流作用，所以需要内置转角传感器，通过电路切换对应转角信号的电流，结构复杂且成本高。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC2无刷电机结构图综上所述，有刷电机成本较低，但随着输出功率的增加，电机的惯性力矩也会增加，可能会影响转向操作的灵敏度。而无刷电机虽然结构复杂且成本较高，但由于其绕组布置于定子侧，即使输出功率增加，也能较好地控制惯性力矩，从而保持转向操作的灵敏度。2.扭矩传感器扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器和转矩转速传感器等。在线控转向系统中，扭矩传感器是检测驾驶者转向操作扭矩的传感器，是检测EPS所需基本信息的重要装置，其构造如REF_Ref167803177\h图4-2-3所示，由设置于转向轴上的扭力杆和检测扭力杆扭转角度的传感器构成。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC3扭矩传感器的内部构造（1）扭矩传感器的分类扭矩传感器在EPS中重要的部件，通常采用能够确保可靠性的非接触式类型的扭矩传感器，以下是三种非接触式扭矩传感器。1）磁感应式磁感应式扭矩传感器是指安装于扭力杆上下位置的扭矩传感器，它根据检测线圈和补偿线圈的凹凸相对位置随着扭力杆的扭转而变化，并通过外侧设置的检测线圈获取相应磁路变化。结构图如REF_Ref167803191\h图4-2-4所示，目前最为常用的就是磁感应式扭矩传感器。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC4磁感应式扭矩传感器2）霍尔集成电路式霍尔集成电路式扭矩传感器一般安装在扭力杆上，其结构如REF_Ref167803220\h图4-2-5所示。利用霍尔效应原理，根据安装于扭力杆上下位置的检测线圈和补偿线圈的凹凸相对位置随着扭力杆的扭转而变化的特点，并通过外侧设置的检测线圈获取相应磁路变化。霍尔集成电路具有温度特性，输出可能受温度变化的影响，导致温度漂移。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC5霍尔集成电路式扭矩传感器3）双旋转变压器式双旋转变压器式是在扭力杆的上下位置装有转角传感器（旋转变压器），通过直接检测各转角值，依据其差量计算扭转量，并换算获得扭矩，其结构如REF_Ref167803261\h图4-2-6所示。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC6双旋转变压器式扭矩传感器直接使用转角传感器，不仅能检测扭矩，还能检测转向操作角度。另外，如果扭矩传感器要使用旋转变压器，则需在ECU侧设置电路。（2）扭矩传感器的作用扭矩检测：扭矩传感器能够检测驾驶员在转向时施加在方向盘上的扭矩，这是EPS系统提供辅助力矩的基础。控制辅助力矩：根据扭矩传感器检测到的扭矩大小，EPS系统的电子控制单元（ECU）可以计算出所需的辅助力矩，并控制电机提供相应的助力，以减轻驾驶员的转向努力。提高驾驶舒适性：通过精确控制辅助力矩，扭矩传感器帮助EPS系统提供平滑和自然的转向感觉，提高驾驶舒适性。安全性：在紧急情况下，如转向系统故障，扭矩传感器可以检测到异常扭矩，并通过ECU发出警告或采取安全措施，以保障驾驶安全。3.EPS-ECUEPS-ECU结构如REF_Ref167803458\h图4-2-7所示。由用于控制的微控制器、用于监测的集成电路（有时为微控制器）、电机的驱动电路（驱动电路和转换电路）、通断电机路径及电源路径的继电器、接收外部信号的接口电路等构成。电机驱动电路的作用是对功率元件MOSFET实施通断的PWM（脉冲宽度调制）控制。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC7EPS-ECU的电路示例（无刷）EPS-ECU的印制电路板如REF_Ref167803542\h图4-2-8所示，由排除电源线路中干扰所需的线圈、吸收电流变动所需的电解电容器、通断电源所需的电源继电器等构成。由于要求印制电路板的体积不能太大，有些类型的印制电路板搭载半导体继电器。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC8EPS-ECU的印制电路板4.EPS的助力控制原理EPS的助力控制如REF_Ref167803550\h图4-2-9所示，可分为助力基本控制、助力辅助控制、电机电流控制、失效保护处理。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC9EPS的助力控制流程图（1）助力基本控制为了补偿系统对扭矩传感器信号的响应延迟量，系统会实施相位补偿。然后根据相位补偿后的值，确定助力量。这些控制与车辆特性紧密相关，大多以图谱形式设定。此外，也可以通过车速调节助力量，施加车速感应特性。之后，加上辅助控制量，将最终助力指令值交给电流控制部分。助力基本控制主要作用是在低速时行驶，控制单元对电机进行常规控制；通过计算得出助力电机电流，以获得合适的助力转矩，使转向操纵轻便灵敏。（2）助力辅助控制方向盘不仅受驾驶者的转向操作支配，当路面对轮胎施加扭矩时，也会出现方向盘转动的状况。汽车的定位参数会有一定的被动回正作用，但是这种回正力矩不足以使EPS系统的方向盘回到中间位置，因此需要EPS系统通过主动回正控制，使方向盘自动回正。除了常规的助力基本控制，还应实施助力辅助控制，即回正控制。ECU通过方向盘转矩、转角及车速等输入信号，判断驾驶员的驾驶意图，若判断出方向盘处于自动回正过程，则控制助力电机提供相应助力，使方向盘平稳、快速回到中间位置。回正控制主要作用是排除电机的惯性力矩影响时，为了平稳助力进行“惯性补偿”；转向后由于回正转矩使方向盘回位时，进行对应的回位修正；松手后回位时等，为了充分使方向盘稳定进行“阻尼修正”；由于电机或机构部分的摩擦引起的助力延迟，进行对应的摩擦修正。修正量与助力图相同，是依据车辆特性改变的值，都应在匹配后确定。（3）电机电流控制为了使电机实时跟踪上述电机电流指令值，就需要控制电机的电流。通常是在检测出电机电流之后，修正指令值对应的差量，即反馈控制。并且，按求取助力指令值的一半周期，设定电机电路控制周期。基本上，针对指令值和电流检测值的差量，可实施PI（比例积分）控制，转换为电压指令值，并将此电压指令转换为PWM的占空比，通过此占空比通断MOSFET，控制电机，其电流控制过程如REF_Ref167803763\h图4-2-10所示。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC10PWM控制（有刷电机）此外，使用无刷电机时，电机电流控制通常为获取电机转角信号的矢量控制，此时矢量的d轴、q轴同样要进行反馈PI控制。除了反馈控制，有的电机电流控制也采用观察器控制、模型匹配控制。（4）失效保护控制EPS为了提供约10倍于驾驶者转向操作力的助力，需要在助力出现异常时迅速进行检测，并采取准确的应对措施。二、线控转向系统的通信原理1.线控转向器EPS线束端接线定义线控转向部件中与转向信息传递收集相关的分别是角度传感器、扭矩传感器和转向控制器。角度传感器及扭矩传感器针脚定义见REF_Ref167803791\h表4-2-1，转向控制器信号连接器定义见REF_Ref167803798\h表4-2-2。表4-2-SEQ表4-2-\*ARABIC1角度传感器及扭矩传感器针脚定义角度传感器及扭矩传感器连接插头针脚针脚定义针脚针脚定义1传感器电源1(VCC1)2传感器接地1(GND1)3副角度信号(PWM-S)4主角度信号(PWM-P)5传感器电源2(VCC2)6传感器接地2(GND2)7扭矩信号1(PWM-T1)8扭矩信号2(PWM-T2)表4-2-SEQ表4-2-\*ARABIC2转向控制器信号连接器定义转向控制器信号连接插头针脚针脚定义针脚针脚定义1CAN-H2预留3预留4预留5预留6CAN-L7点火信号12V+8预留9预留10预留11预留12预留2.线控转向系统的通信网络底层CAN网络与USERCAN网络设计如REF_Ref167883700\h图4-2-11所示，通过VCU将车辆底层部件与控制层CAN网络隔离。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC11底层CAN网络与USERCAN网络设计（1）CAN0：CAN0节点设置成为USERCAN，对外输出可定制的CAN协议报文，不必在众多底层线控部件中寻找可用报文，可集成在同一个CAN通信协议当中。在CAN0节点接入遥控器节点，实现与USERCAN的电脑端口并行的车辆控制端口，同时设置遥控器优先级高于电脑端，实现对车辆优先遥控接管。（2）CAN1：CAN1节点可将车辆底层设置成为私有CAN，保护车身网络数据。其中转向、制动、电机驱动、BMS的CAN原始报文不对用户开放。（3）CAN2：CAN2节点为电池管理系统，为区分不同底层CAN的通信波特率可设置多路底层CAN网络节点。其中CAN1为500K帧频率，CAN2为250K帧频率。3.线控转向部件与底盘域控制器的通信原理线控转向部件与底盘域控制器通信采用CAN1接口。但为了保护系统数据传输的安全性，线控转向部件与底盘域控制器通信的数据协议不对外开放。汽车线控转向系统的工作原理是通过传感器检测驾驶员的转向数据，然后通过数据总线（CAN总线）将信号传递给车上的ECU，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。（1）转向系统相关传感器角度传感器检测方向盘的转动角度、转向方向和方向盘角速度；扭矩传感器检测驾驶员施加在转向盘上的输入扭矩；车速传感器检测车辆当前的行驶速度等。（2）数据总线线控转向部件与底盘域控制器通信采用CAN总线，但因为线控转向部件与底盘域控制器通信的数据协议不对外开放，这里不对线控转向部件的CAN协议进行分析。4.底盘域控制器与上位机通信原理底盘域控制器与上位机通信采用CAN0接口，将线控转向、线控驱动和线控制动等系统集成在同一个CAN通信协议当中。在自动驾驶模式下，上位机根据控制报文协议对车辆底盘进行控制并读取来自车辆底盘反馈的数据。具体内容会在通信协议任务进行分析。三、线控转向系统的电路拓扑分析1.线控转向系统电路图线控转向系统电路图如REF_Ref167803964\h图4-2-12所示。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC12线控系统电路图2.线控底盘域控制器（VCU）针脚解析线控底盘域控制器分为两个公头，电路图中A端为白色公头，B端为黑色公头，其结构图如REF_Ref167804006\h图4-2-13所示，实物如REF_Ref167804014\h图4-2-14所示。图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC13线控底盘域控制器插头结构图图4-2-SEQ图4-2-\*ARABIC14公头实物图线控底盘域控制器资源表见REF_Ref167804059\h表4-2-3。表4-2-SEQ表4-2-\*ARABIC3线控底盘域控制器资源表域控制器接口资源表-白色公头12345678GND输入GND输出CAN0_LCAN0_H9101112131415168-30V电源输入CAN1_LCAN1_H17181920212223245V3A电源输出CAN2_LCAN2_H域控制器接口资源表-黑色公头12345678刹车灯触发左转向灯触发右转向灯触发压力传感器ADC输入910111213141516声光控制GND输入1718192021222324倒车灯触发紧急制动触发反馈声光控制电源输入3.EPS线控转向系统电路拓扑分析（1）电源系统电路分析电源包括48V高压锂电池和12V低压铅酸电池。48V高压锂电池除了给驱动电机控制器供电外，还可以通过DC/DC转换器给12V低压电池充电，并给整车其他用电设备供电。电量显示器可显示48V高压锂