项目四任务1：线控转向系统结构和工作原理-学生手册

任务4.1线控转向系统结构和工作原理-学生手册【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。到20世纪90年代，各大汽车厂家大多在概念车上使用线控转向系统，比如奔驰的F400Carving和宝马的BMWZ22概念车等。直到2013年，第一款应用线控转向技术的量产车型英菲尼迪Q50出现。2022年丰田bZ4X纯电动车型搭载OneMotionGrip线控转向系统，并完全取消了转向盘和转向轴之间的机械连接。随着线控转向系统的市场需求呈现出持续增长的趋势，线控转向技术也在不断的发展着。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？当取消转向盘和转向轴之间的机械连接后，转向盘是怎样控制车轮转向的呢？SHAPE提示：此次任务我们需要了解线控转向系统的组成与结构、线控转向系统功能、分类提示：此次任务我们需要了解线控转向系统的组成与结构、线控转向系统功能、分类、特点与工作原理。

【学习目标】素质目标了解线控转向系统的发展历程，培养爱国主义情怀;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。知识目标能讲解线控转向系统的组成和结构[K43]；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]。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]。【知识准备】一、汽车转向系统概述1.汽车转向系统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，如REF_Ref165216225\h图4-1-1所示。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。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC1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。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。驾驶员操纵转向盘，通过转向器和拉杆，将转向意图传递到转向车轮，从而实现转向运动。动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系。在正常情况下，汽车转向所需能量，只有小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的。但在动力转向装置失效时，一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而形成的。2.汽车转向系统的发展历程转向系统的经历由纯机械人力控制到液压助力，乃至电控全电驱动的转变。现代汽车转向系统的发展大致可分为五个阶段，即传统纯机械转向、机械液压助力转向系统、电子液压助力转向系统、电动助力转向和线控转向，如REF_Ref165305597\h图4-1-2所示。目前商用车以HPS为主流，乘用车以EPS为主流，线控转向是未来发展的方向。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC2汽车转向系统的发展历程二、线控转向系统的分类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。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，如REF_Ref165279134\h图4-1-3所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC3EPS结构原理驾驶员转动转向盘时，扭杆发生变形，转矩传感器将转向输入轴和输出轴之间的相对转角转化成电压信号传递给EPS控制单元，EPS控制单元首先根据当前的转向盘转矩和车速等信号计算助力电机目标电流的大小，然后结合检测到的实际电机电流通过电流控制算法计算得到所需的控制电压然后通过逆变器作用到助力电机上，助力电机产生的力矩通过蜗轮蜗杆减速器作用到转向输出轴上，实现助力转向的功能。（2）EPS的分类根据辅助电机的不同，一共有三种形式的EPS，分别是转向柱辅助型（C-EPS），齿轮辅助型（P-EPS）和齿条辅助型（R-EPS），如REF_Ref165279143\h图4-1-4所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC4EPS的分类不同类型EPS的结构和特点见REF_Ref165305315\h表4-1-1。表4-1-SEQ表4-1-\*ARABIC1不同类型EPS的结构和特点类型结构特点优点缺点适用车型转向柱辅助型（C-EPS）助力电机安装于转向管柱上，电机助力转矩作用于转向管柱上结构紧凑，布置在驾驶舱内，工作环境较好，不占用发动机舱的空间，成本较低。可提供的助力大小受到限制，易引起驾驶舱内产生噪声，不利于转向轴的吸能结构设计。适用于中小型乘用车。齿轮辅助型（P-EPS）助力电机和减速机构布置在转向齿轮上，驱动电机的输出力矩通过减速机构传递到转向齿轮上。可以提供较大的转向助力，助力效果较为迅速准确，有利于降低驾驶舱噪声水平。电机和传感器等部件安装在发动机舱，器件的耐热与防水等环境要求高，成本较高。适用于需求助力较大的中型乘用车。齿条辅助型（R-EPS）助力电机和减速机构布置在转向齿条上，电机助力扭矩作用于转向齿条上。可以提供更大的转向助力，助力效果较为迅速准确，有利于降低驾驶舱噪声水平。电机和传感器等部件安装在发动机舱，器件的耐热与防水等环境要求高，成本较高适用于需求助力较大的大中型乘用车。（3）EPS的特点1）转换效率高。转换效率高达90%，而液压的转换效率只有60%。2）转向回正性好。EPS结构简单，内部阻力小，回正性好，在转向时可以得到最佳的转向回正特性，改善汽车的操纵稳定性。3）能耗少。对于液压转向系统而言，发动机运转时，液压助力泵就始终工作，增加发动机负荷，使汽车油耗增加4%左右，而EPS只有在要转向时，转向电机才工作，从而减少发动机负荷，节约燃油。4）增加汽车行驶安全性。汽车在行驶中，EPS会依据汽车的速度来增加或减轻助力的程度，例如在低速运转和原地打方向时，增加助力程度，利于转向，在汽车高速行驶时，就会减少助力，防止转向过度造成交通事故。5）保护环境。EPS没有液压油和油管，不存在漏油现象，另外没有液压助力泵运转的声音，减少噪音污染，利于环保。6）需要长期保留机械装置。保证冗余度，避免电子设备失效造成不良后果。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。线控转向系统结构简图如REF_Ref165279205\h图4-1-5所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC5线控转向结构简图与传统转向系统相比，线控转向系统最显著的特征是取消了从转向盘到与转向轮（转向执行器)间的机械连接，使用机电执行器代替了传统的机械控制机构，线控转向系统的组成如REF_Ref165279174\h图4-1-6所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC6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转向盘模块、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，如REF_Ref165279248\h图4-1-7所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC7SBW的结构（1）转向盘模块转向盘模块包括转向盘、转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器、路感电机等，如REF_Ref165304208\h图4-1-9示。将驾驶员的转向意图（通过测量转向盘转角）转换成数字信号，然后传递给主控制器，同时接受主控制器送来的力矩信号从而产生转向盘回正力矩提供给驾驶员相应的路感信息。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC8转向盘模块转向盘，用于接收驾驶员的转向操纵；转向盘转矩传感器和转角传感器，分别用于采集驾驶员通过转向盘输入的转矩、转角和转速；路感电机及其减速器，为驾驶员提供路感信息，输出转向盘的回正力矩。（2）转向执行模块转向执行模块包括直线位移传感器、转角传感器、转向执行电机、电机控制器、齿轮齿条转向器等，如REF_Ref165304218\h图4-1-10所示。快速响应主控制器传来的转角信号，完成车辆的转向。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC9转向执行模块直线位移传感器，采集转向执行器直线位移信号，将其转换为前轮转角信号；转角传感器，采集转向车轮的转角信息；转向电机及其减速机构，用于克服转向阻力，带动转向系统转过相应的角度；齿轮齿条转向器，接受并放大转向执行电机输出转矩，驱动转向车轮转向。（3）主控制器ECU主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向路感电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。（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。线控转向系统与整车其他电器设备共用一个蓄电池电源，目前整车电源主流为12V电源，48V电源将是未来发展趋势。（5）自动防故障系统自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一，汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高汽车安全性能。2.线控转向系统的工作原理线控转向系统具有两种模式，即人工驾驶模式和自动驾驶模式。（1）人工驾驶模式在人工驾驶模式下，线控转向系统具有线控转向执行和路感反馈两个功能。转向执行工作原理如REF_Ref165279267\h图4-1-11所示。当转向盘转动时，转矩传感器和转角传感器将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号输入到ECU，ECU对转向盘的转角和扭矩信号进行处理，控制转向执行电机的旋转方向、转矩大小和旋转角度，通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员所期望的轨迹行驶。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC10人工驾驶模式转向执行工作原理图路感反馈工作原理如REF_Ref165304417\h图4-1-12所示。同时汽车行驶的转速、转角等信息通过位移传感器转换成电信号反馈给ECU，进而驱动路感电机，反馈给驾驶员一定的转向盘力矩，来模拟路感，给驾驶员提供更为真实的“路感”。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC11人工驾驶模式路感反馈工作原理图（2）自动驾驶模式自动驾驶模式工作原理如REF_Ref165304448\h图4-1-13所示。驾驶员转动转向盘的人工驾驶操作，将变为计算平台向VCU发送转向意图的自动驾驶操作，即计算平台根据接收的环境感知传感器的信号、预置的行驶轨迹等，判断汽车的行驶方向，通过CAN总线发送给VCU，VCU经计算再通过CAN总线发送给线控转向系统ECU，进而控制汽车进行转向。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC12自动驾驶模式工作原理图四、线控转向系统的关键技术1.算法控制技术由于线控转向系统的灵活性，衍生出很多控制算法，可以总结为基于经验设计的控制算法和基于动力学模型计算的控制算法。（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，汽车应具有不沉重而适度的转向盘力与不过于大的转向盘转角，还应具有良好的回正性能；高速、低侧向加速度工况下，汽车应具有良好的横摆角速度频率特性、直线行驶能力、回正性能和较大的转向灵敏度，且转向盘力不宜过小而应维持在一定数值，以给驾驶者稳定的路感。2）设计流程基于经验设计的控制算法主要依赖于专家经验和试验数据，其设计过程通常包括以下几个步骤。①参数调节：通过实验和试验，调节控制算法中的参数，使其能够适应不同的驾驶情况和路面条件。PID控制器的流程图如REF_Ref165304677\h图4-1-13所示，是一种常见的基于经验设计的控制算法，它通过调节比例、积分和微分参数来实现转向控制。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC13PID控制器流程图②规则制定：根据驾驶员的操控习惯和实际驾驶需求，制定相应的控制规则。这些规则可以是基于专家经验的启发式规则，也可以是根据实际数据统计得出的规律。3）设计特点：①简单易实现：这类算法通常具有较为简单的结构和参数调节方法，易于实现和部署。②适应性强：经过充分的参数调节和规则制定，这类算法可以在不同的驾驶情况下表现出良好的性能。（2）基于动力学模型计算的控制算法1）设计思路基于动力学模型计算的控制算法旨在提高车辆的稳定性。因此，也将这种方法归结为车辆稳定性控制算法。车辆坐标系与车辆的主要运动形式如REF_Ref165304787\h图4-1-14所示，其基本思路是根据当前车辆状态、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。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC14车辆坐标系与车辆的主要运动形式2）设计流程基于动力学模型计算的控制算法通过数学建模和仿真计算，考虑车辆动态特性和外部环境因素，以求得最优的转向控制策略。这类算法通常包括以下几个关键步骤。①建模与仿真：通过建立车辆动力学模型，考虑车辆的惯性、转向系统的动力学特性等因素，进行仿真计算，得出最优的转向控制策略。②优化算法：利用优化算法，如模型预测控制、遗传算法等，对转向控制策略进行优化，以最大化满足驾驶需求和安全约束条件。3）设计特点：①精确性高：这类算法能够更准确地考虑车辆的动态特性和外部环境因素，实现精确的转向控制。②复杂度高：由于需要进行复杂的数学建模和仿真计算，这类算法通常具有较高的计算复杂度和实现难度。2.转向执行控制技术线控转向执行控制根据当前路況、车辆驾驶状态及性能要求，提出控制目标（如路径、期望的车辆运动响应驾乘舒适性等）和约束条件，并对难以直接测量的状态或参数进行状态观测和参数辨识，综合控制目标和约束条件等信息计算出期望的车轮转角指令，由转向电机执行。根据模块的功能，可以将线控转向控制执行分为2个层次：上层策略根据当前车辆的状态和驾驶员的输入，在尽量满足控制目标和约束条件的情况下，计算出期望的前轮转角，主要有变角传动比控制和车辆稳定性控制2种方法；而下层策略则是由转向控制器控制转向电机执行该指令，快速、准确地达到该目标转角。线控转向执行控制主要算法和特点见REF_Ref165304706\h表4-1-1：表4-1-SEQ表4-1-\*ARABIC2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（1）变角传动比控制在汽车的线控转向系统当中，由于取消了转向盘到转向器之间的机械连接，转而使用线束来代替，从而使得车辆拥有通过控制器自行设定角传动比（转向盘转角与前轮转角比值）的能力。在传统应用了机械式转向系统的车辆中，在驾驶时能够感知到在低速情况下通常驾驶起来比较笨重而在高速情况下驾驶起来又感觉过于灵敏的问题。通常这种现象是由于角传动比固定的设定所引起的，那么在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”，如REF_Ref165305767\h图4-1-15所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC15模糊控制传动比随速特性因为最终要控制的对象是前轮转角，具体实际的前轮转角会不会在上述角传动比作用下转动相对应的前轮转角是由控制器来控制的，且需要有一个反馈信号来形成闭环控制。而在这个领域之中的“主动转向控制策略”便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如REF_Ref165304865\h图4-1-16所示。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC16主动转向控制策略流程框图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。路感反馈控制简单流程如REF_Ref165304927\h图4-1-17所示，在传统机械转向系统中，驾驶员可以通过转向盘感受到车辆行驶中的路面情况和转向状态，而在线控转向系统中，由于取消了转向盘与转向车轮之间的机械连接，此前传统汽车中的路感传递路径则没有存在，轮胎上的路感则没有路径传递到驾驶员手上，则需要通过其他方式来模拟路感，以确保驾驶员对车辆行驶状态的感知。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC17路感反馈控制路感反馈力矩主要就是针对的两个量：回正力矩和摩擦力矩。目前常用的获取路感反馈力矩的方法是基于动力学模型的方法。（1）基于动力学模型的方法基于动力学模型的路感反馈控制思路如REF_Ref165304950\h图4-1-18所示，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。图4-1-SEQ图4-1-\*ARABIC18基于动力学模型的路感反馈控制图创建线控转向系统动力学模型：线控转向系统动力学模型可以分为转向盘转角、路感电机转角、转向电机转角和左、右前轮绕主销转动五个自由度。将模型分为六部分，即转向盘组件、路感模拟组件、转向执行组件、齿轮齿条组件和左、右转向前轮组件六部分。其中，左、右转向前轮组件和前轮绕主销回正力矩模型与传统转向系统相同。回正力矩计算：转向器齿条受力包含回正力矩和摩擦力矩，回正力矩包括由轮胎侧向力与轮胎拖距共同造成的回正力矩和主销内倾内移造成的回正力矩，齿条力的获取可以通过加装传感器测量，但这会增加系统的成本，而且也不易安装。此外，传感器的测量信号也很难直接应用到控制策略中，因为测量信号中夹杂着噪声需要处理，这也增加了工作量和控制策略的复杂程度。可以采用卡尔曼滤波技术等实现对转向器齿条力的估计。（2）参数拟合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，如转向盘转角、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，该方法可容易地实现汽车低速转向轻便性和高速转向路感清晰，但是在汽车全工况下得到的路感与传统转向系统路感往往存在一定的差异，增加了驾驶员对SBW系统的适应负担。4.故障诊断与容错冗余控制技术故障诊断与容错冗余控制技术是保障线控转向系统安全可靠运行的重要保障，它能够及时识别并处理系统故障，确保车辆在出现异常情况下仍能够安全驾驶。（1）故障诊断技术利用先进的故障检测算法，对转向系统的各个部件进行实时监测和故障诊断，及时发现并排除故障。在冗余功能启动之前需要对整个系统进行故障诊断，通过对系统的实时监测了解系统概况；另外对电机、传感器和通信总线故障的检测与诊断则是其中的重点所在。（2）容错冗余控制技术设计有效的容错冗余控制策略，如备用转向系统、自动切换功能等，确保在主要转向系统发生故障时，能够及时切换到备用系统，保障车辆的行驶安全。因为线控转向系统中机械传动部分由电子和线束来取代，则必须要采用容错冗余技术。1）容错冗余控制实现方式容错冗余控制主要实现方式有：一是在功能上实现冗余，即开发软件层面的容错算法；二是在数量上冗余，即在硬件层面上建设备份。使得在某一些元器件出现问题的时候又能够实现对这个问题的容错处理，使得其不至于产生问题，而这一点主要就是依靠功能上或数量上，硬件层面的备份与软件层面的