线控转向系统功能安全设计技术

线控转向功能安全设计摘要在电动化与智能化两大发展趋势之下，我国正处于功能汽车向智能汽车转型的拐点，无数新兴技术得到长足进步，其中线控转向(SBW)系统是发展未来智能汽车的热点.大部分智能驾驶功能都直接和转向技术相关，为提高SBW系统的安全性,可靠性,根据国际标准组织(ISO)的"ISO26262"，分析了线控转向功能安全设计。

技术背景介绍X-By-Wire线控技术背景线控技术（By-Wire），通俗来讲就是由“电线”或者电信号来实现动力学传递控制，而不是通过机械装置的“硬”连接来实现操作。

其核心是智能机电传动装置，从应用于飞机驾驶控制上的Fly-By-Wire发展而来。

该技术利用传感器将驾驶者输入信号传递到中央处理器、通过中央处理器的控制逻辑发送信号给相应的执行机构完成驾驶者的相关操作。

这样可取代传统的机械结构，实现对汽车各种运动的电子线控。

X-By-Wire 包含有Steer-by-wire，Brake-by-Wire, Shift-by-wire, Park-by-wire等，是无人驾驶车辆以及先进驾驶辅助系统的基础。

线控转向系统基本结构线控转向系统主要由综合控制器、路感模拟器及转向执行器组成，如图1所示。

功能安全要求具有一定的继承性和独立性，因此在设计线控转向功能安全目标时的场景分析、危害辨识、汽车安全完整性等级（Automotive Safety Integration Level，ASIL）评估可以参考EPS系统设计经验，每一部分均具有一定的关联性。

线控转向系统中控制器较多，且无法进行取代，同时参考博世的电子电气架构技术战略图（见图2）及整车需求，在当前阶段采用域中心控制器的架构设计。

综合控制器负责线控转向系统综合控制，对路感模拟器及转向执行器分别发出转矩及转角执行的信号请求，同时负责与整车及SBW系统内部的信息传递。

路感模拟器由转角扭矩传感器、路感电机及其控制器组成，其中，转角扭矩传感器负责转角及扭矩的信号获取，路感电机控制器接收综合控制器的扭矩请求，控制路感电机实现路感控制，同时向综合控制器反馈转角及扭矩信息。

线控转向下汽车转向系统技术的研究摘要：随着现代经济水平的不断进步，我国居民整体的物质生活水平得到了大幅度的提升，汽车私有率越来越高，同时人们开始对汽车的整体操作便捷性和驾驶舒适性也提出了更高的标准要求。

传统汽车所采用的机械转向系统具有很高的稳定性和可靠性，但操作往往较为费力，且转向圈数数量较多，操作难度相对较大。

随着现代科技的高速发展，线控转向系统的应用能够根据驾驶员的实际需要进行反馈力度和圈数的调整，从而降低了驾驶员方向盘操作的难度。

本篇文章主要针对线控转向下汽车转向系统技术做出仔细的分析，首先介绍线控转向系统的结构和其特点，简单阐述线控转向系统的工作原理，最后针对线控转向下汽车转向系统关键技术进行简要的展示。

关键词：线控转向；汽车转向系统；工作原理；关键技术线控技术最初是应用在航空领域，但随着对线控技术的不断改进和研发。

国外开始将线控技术应用到汽车制造当中，而汽车系统当中所应用的线控技术主要是指利用电机系统来替代纯机械或液压驱动系统零部件。

通过线控系统技术的应用，加快了车辆电子化的脚步，其主要工作原理是利用控制信号来对汽车方向盘与转向轮进行有效连接的电子化连接方法，打破了以往齿轮啮合的机械连接模式，使整体的转向系统传动更加快捷且灵活，并实现通过软件来进行设置。

一、线控转向下汽车转向系统的结构及原理汽车线控转向系统结构主要为方向盘控制系统、前轮转向系统、控制系统共同组成。

其结构图如图1所示：图1 线控转向系统结构细节图方向盘系统主要包括方向盘角度传感器方向盘正力矩回馈电机方向盘力矩传感器等，主要功能作用为当驾驶员进行方向盘转向时，方向盘会转动一个角度，而此角度会被传感器实时采集并传输到主控制器，由主控制器控制力矩，电动机转动将路感信息及反馈力矩的形式传输回驾驶员。

前轮转向系统则主要包括前轮转角传感器、前轮转向电动机、前轮转向机械系统，主要运行流程为传感器进行前轮转角信号的采集，并实时传输给控制系统，由控制系统通过计算后对前轮角度实施调整，确保能够依据驾驶员意图进行汽车转向控制[1]。

纯电动智能车辆线控转向系统设计与控制方法发布时间：2021-05-18T02:19:25.562Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期作者：张雷[导读] 随着科技的发展和进步，纯电动智能车辆得到了一定程度的发展，尤其是在线控转向系统的设计方面，是未来实现车辆无人化驾驶的关键，所以应当进行充分的研究。

不仅要对功能设计方面进行研究和分析，也要注重控制方法的研究，这样才可以从不同角度分析这一技术的发展，从而更好地促进该项技术的发展和应用。

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥 236001摘要：随着科技的发展和进步，纯电动智能车辆得到了一定程度的发展，尤其是在线控转向系统的设计方面，是未来实现车辆无人化驾驶的关键，所以应当进行充分的研究。

不仅要对功能设计方面进行研究和分析，也要注重控制方法的研究，这样才可以从不同角度分析这一技术的发展，从而更好地促进该项技术的发展和应用。

在纯电动智能车辆的发展过程中，车辆线控转向系统，不仅是未来的发展方向，也是促进无人驾驶发展的基础。

关键词：纯电动；智能车辆；线控转向系统；设计与控制当前人工智能技术发展迅速，在这样的发展形势下，纯电动智能车辆当前已经受到了人们的广泛关注，并且这也是未来汽车发展的重要方向。

在汽车发展过程中，当前已经出现无人智能驾驶车辆，虽然目前还处于初始阶段，但是发展势头却非常强劲。

在纯电动智能车辆中，对于线控底盘技术方面还不是很成熟，虽然有了一定的优势，但是还需要进一步研究。

当前许多的机械系统比较笨重，而且在精确度方面也比较差，这些机械将会被更加精确敏感的电子传感器取代，因此汽车的传统操纵机构和方式，正在发生着根本性改变。

当前的线控系统与传统的电子系统有很大的差别，随着这项技术的发展和应用，使得车辆底盘技术得到了一定程度的发展，所以具有非常良好的发展前景。

1结构和控制设计分析1.1线控转向的结构设计分析对纯电动智能驾驶车辆来讲，一般都是采用并联式结构的，能够实现有人和无人两种模式下，都可以独立运行，所以这项技术有着非常明显的优势，也充分体现了这项技术的先进性。

线控转向系统功能安全设计技术概述随着汽车工业的发展，车载电子系统变得越来越复杂，汽车的安全性成为了一个严峻的挑战。

线控转向系统作为汽车的重要部件之一，在提升车辆操控性和行驶安全性方面发挥着关键作用。

本文将深入探讨线控转向系统的功能安全设计技术。

二级标题1：线控转向系统的原理线控转向系统是通过电子信号控制车辆的转向动作，取代了传统的机械转向系统。

其原理是通过发送信号给转向电机，控制前轮的转向角度。

这种系统可以实现更精确、更灵敏的转向调整，并提供更多的安全功能。

二级标题2：线控转向系统的功能安全需求线控转向系统的功能安全设计技术必须满足一系列需求，以确保系统的可靠性和安全性。

以下是一些典型的功能安全需求：三级标题1：安全性目标•转向动作必须与驾驶员的意图一致，不会发生误操作或误解读。

•系统必须能够识别和纠正转向过程中的异常情况，如转向过度或转向失控。

•系统的响应速度必须达到一定的要求，以确保在紧急情况下能够及时响应。

三级标题2：故障和故障响应•系统必须能够检测和诊断任何故障，并采取相应的措施进行故障处理。

•在发生故障时，系统必须能够实现安全切换到备用模式，以确保车辆的基本操控功能仍可用。

•系统的备用模式必须经过充分测试和验证，具备相同的安全性能。

三级标题3：安全分析和验证•在设计过程中，必须进行详尽的安全分析，包括潜在的风险评估和安全性能要求分析。

•系统的安全性能必须通过严格的验证和测试来进行确认，包括功能测试、可靠性测试和温度、湿度等环境测试。

三级标题4：信息安全性•系统必须具备一定的信息安全性，以防止黑客攻击和未经授权的访问。

•通信和数据传输过程中的信息必须进行加密和认证，确保数据的完整性和机密性。

二级标题3：线控转向系统的功能安全设计技术为了满足上述的功能安全需求，线控转向系统的设计涉及到多个方面的技术。

三级标题1：双重通信和冗余设计为了提高系统的可靠性和容错能力，在线控转向系统中使用双重通信和冗余设计可以有效地降低单点故障的风险。

一、前言汽车转向性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。

如何合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是设计人员的重要研究课题。

在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操纵性设计显得尤为重要。

线控转向系统（Steering – By - WireSystem，简称SBW）的发展，正是迎合这种客观需求。

它是继EPS后发展起来的新一代转向系统，具有比EPS操纵稳定性更好的特点，而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接，彻底摆脱传统转向系统所固有的限制，在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。

一、线控转向系统的发展概况德国奔驰公司在1990年开始了前轮线控转向的研究，并将它开发的线控转向系统应用于概念车F400Carving上。

日本Koyo也开发了线控转向系统，但为了保证系统的安全，仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分，即通过离合器连接，当线控转向失效时通过离合器结合回复到机械转向。

宝马汽车公司的概念车BMWZ22，应用了SteerByWire技术，转向盘的转动范围减小到160°，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大降低。

意大利Bertone设计开发的概念车―FILO‖，雪铁龙越野车―C-Crosser‖，Daimlerchrysler概念车―R129‖，都采用了线控转向系统。

2003年日本本田公司在纽约国际车展上推出了LexusHPX概念车，该车也采用了线控转向系统，在仪表盘上集成了各种控制功能，实现车辆的自动控制。

估计几年后，机械系统将由电缆与电子信号取代。

二、线控转向系统的结构及工作原理（一）线控转向系统的结构汽车线控转向系统主要由转向盘模块、前轮转向模块、主控制器（ECU）以及自动防故障系统组成，其结构如图1所示。

汽车线控转向系统分析汽车线控转向系统的主要组成部分包括电子控制单元（ECU）、电动转向助力装置（EPAS）、转向传感器、角度传感器和驱动电机等。

ECU是系统的中央控制单元，它接收来自转向传感器和角度传感器的信号，并根据车辆条件和驾驶员的意图来控制电动转向助力装置和驱动电机的工作。

EPAS是系统的核心装置，它通过控制驱动电机的转向力矩来实现车辆的转向操作。

汽车线控转向系统相比传统的机械转向系统具有多种优势。

首先，它可以根据驾驶员的意图自动调整转向力矩，使转向操作更加轻松、流畅且精确，减少驾驶的疲劳感。

其次，它可以通过调整转向力矩的大小和方向来提高车辆的稳定性和操控性能，增加驾驶的安全性。

此外，它还可以根据行驶速度和路面状况等因素主动调整转向力矩，以提供最佳的驾驶体验。

汽车线控转向系统的关键技术包括转向算法和电动转向助力装置设计。

转向算法根据转向传感器和角度传感器的数据以及驾驶员的意图，计算出合适的转向力矩，并将其发送给EPAS。

电动转向助力装置设计需要考虑转向力矩的输出范围和响应速度，以及与车辆其他系统的协同工作等问题。

汽车线控转向系统在汽车工程领域具有广泛的应用前景。

随着自动驾驶技术的不断发展，线控转向系统可以与其他相关系统集成，实现自动驾驶和智能驾驶功能。

同时，它还可以与电子稳定系统等安全辅助系统结合，提供更高的安全性能。

此外，随着电动汽车的推广，线控转向系统可以与电动驱动系统相结合，进一步提高能源利用效率和车辆的性能。

总之，汽车线控转向系统是现代汽车的重要组成部分，它通过利用电子和传感器技术来实现车辆的转向操作。

它具有精度高、操控性强和安全性能好等优势，并且在自动驾驶和智能驾驶等领域具有广泛的应用前景。

随着科技的不断发展，汽车线控转向系统将继续迎来新的突破和创新。

可编辑修改精选全文完整版线控转向系统（SBW,Steering-by-wire）一、功能简介（1）取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，减轻了大约5 kg重量；（2）消除了路面的冲击，具有降低噪声和隔振等优点。

（3）为今后的辅助驾驶系统和无人驾驶汽车的研发提供技术支持。

优点：①取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。

②提高了整车设计自由度，便于操控系统布置。

例如没有了机械连接，可以很容易把左舵驾驶换为右舵驾驶。

③转动效率高，响应时间短。

控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。

④改善驾驶特性，增强操纵性。

基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化，低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；高速行驶时，转向比率变大，能够获得更好的直线行驶条件。

图1 线控转向系统示意图•转向盘模块的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接受ECU送来的电信号，控制路感模拟电机产生相应的方向盘回正力矩以提供给驾驶员相应的路感信号。

•前轮转向模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。

转向执行模块的功能是接受ECU的命令，控制转向执行电机实现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。

•ECU对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送命令，控制两个电机的工作。

二、基本要求1、路感模拟电机涉及驱动程序的开发要求转向操纵轻便。

根据光洋转向试验室的经验数据，对于轻型轿车，在现实中作用于方向盘的回正力矩值一般在2-3Nm左右，其最值也不会超过5Nm；根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的调查，驾驶员在进行紧急避让的时候，方向盘转速最大为1.5r/S （轿车），一般情况下，方向盘平均转速为：500°/s。

现有的线控转向相关技术一、线控转向技术的背景讲到线控转向啊，可能你一听就觉得“这是什么高科技的玩意儿？”其实它并不复杂，简单来说，就是用电信号来代替传统的机械转向系统。

这就像是你平时用的遥控器，按个按钮，电视就能换台。

线控转向的原理差不多，也是通过电信号指挥车轮转动，省去了那些繁杂的机械零件。

以前我们开车，方向盘是直接和车轮通过一堆齿轮、轴、连接杆什么的联动的，但现在，技术一进步，这些“老式”结构就被逐渐淘汰了。

通过电控系统，车子的转向变得更加精准、灵活了。

你想象一下，坐在车里，方向盘一转，电信号飞快传递，车轮就按照你的意图“乖乖”转向，不再受机械的制约。

是不是特别酷？二、线控转向技术的优势线控转向最牛的一点，就是它让驾驶变得超级轻松。

你有没有想过，老式车子那沉甸甸的方向盘，有时候开久了手都酸了，尤其是低速行驶或者停车时，真的是越转越累。

但线控转向完全解决了这个问题。

因为它采用了电子驱动，方向盘变得特别轻，几乎不用怎么费劲就能转动。

就算你是女生，或者手臂比较瘦弱，也完全不怕累。

说不定，你还能顺便试试“单手转向”的技巧，呵呵。

线控转向的精确度高得吓人。

以前机械系统的方向盘，不管你怎么转，车轮的响应都有个微小的滞后，或者角度上不完全精准，但线控转向就能做到一比一的精准同步，车子会完全按照你指令的意图来行驶，基本没有什么误差。

你不必担心方向盘的转动不够灵敏，也不用担心掉头时那种左右摆动的手忙脚乱，车子听话得很呢。

线控转向对车内空间的利用也有极大好处。

传统转向系统里那些钢铁般的机械结构，占用了不少空间。

而有了线控转向，你就能省下很多本来用来放机械装置的空间，车厢设计更加灵活，可以更好地进行内部布局。

车主想要一个更大储物空间，或者想增加车内的座椅数目？没有问题，线控转向能让空间利用最大化，简直是车企的一大福音。

三、线控转向的技术挑战与未来发展话说回来，技术虽好，但这玩意儿也不是说说就能实现的。

线控转向的可靠性可不是小事，它得保证在各种复杂环境下都能正常工作。