汽车线控转向系统分析

◆文/江苏 高惠民线控转向系统技术综述与实车应用(一)一、概述汽车线控技术(X-by-wire)起源于飞机的电传操纵系统，飞行员不再通过传统的机械回路或液压回路来控制飞机的飞行姿态，而是通过安装在操纵杆处的传感器检测飞行员施加在其上的力和位移，并将其转换为电信号，在电控单元中将信号进行处理，然后传递到执行机构，从而实现对飞机的控制。

随着线控技术的发展，这一技术逐渐应用到汽车。

图1所示为集成线控系统线控转向(Steer by Wire,简称 SBW)系统、线控制动(Brake by Wire,简称BBW)系统示意图。

汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器转变为电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。

目前，汽车的线控技术主要有线控转向(Steer by Wire,简称 SBW)系统、线控制动(Brake by Wire,简称BBW)系统、线控驱动(Drive by Wire,简称DBW)系统、线控悬架(Suspension by Wire)系统、线控换挡(Shift by Wire)系统。

通过分布在汽车各处的传感器实时获取驾驶员的操作意图和汽车行驶过程中的各种参数信息，传递给电控单元，电控单元将这些信息进行分析和处理，得到合适的控制参数传递给各个执行机构，进行对汽车的控制，极大的提高车辆的动力性、制动性、操纵稳定性和平顺性。

其中，SBW作为线控底盘系统的关键组成部分，一直是国内外汽车厂商及学术界研究的热点。

根据我国《智能网联汽车技术路线图》规划，将在2025年实现智能线控底盘系统产业化推广应用。

SBW就是通过线控化、智能化实现个性驾驶、辅助驾驶、自动驾驶等目标，是智能网联汽车落地的关键技术。

二、SBW系统的结构及工作原理汽车转向系统大致经历了机械转向系统、液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，HPS)、电控液压助力转向系统 (Electro Hydraulic Power Steering，EH PS)、电动助力转向系统 (El ectr ic Power Steering，EPS)的一个发展过程。

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。

此处回正电机沿用了北斗星电动助力转向系统中的助力电机——直流有刷电机（12v，170w，30A，1050r/min），并配有蜗轮蜗杆减速器（减速比16.5：1）。

线控四轮转向系统的结构和原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述线控四轮转向系统是一种先进的汽车转向技术，通过控制车辆的四个轮子分别转向，实现更加灵活和稳定的转向效果。

与传统的前后轮联动转向系统相比，线控四轮转向系统可以提升车辆的操控性和行驶稳定性，同时也能够实现更小的转弯半径和更高的转向效率。

该系统通过电子控制单元（ECU）来实现对车辆转向的精准控制，根据车辆速度、转向角度、操控输入等参数，动态调整四个轮子的转向角度，从而使车辆实现更加灵敏和平稳的转向操作。

此外，线控四轮转向系统还可以根据不同的行驶状态和路况，自动调整转向参数，提升车辆的驾驶安全性和舒适性。

在未来的汽车发展中，线控四轮转向系统将成为越来越重要的技术，为驾驶员提供更加便捷和安全的驾驶体验，同时也有助于提升汽车的燃油经济性和环保性能。

通过深入了解线控四轮转向系统的结构和原理，我们可以更好地理解其优势和应用前景，为未来的汽车发展指明方向。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的整体结构和各个章节的内容安排。

本文主要分为引言、正文和结论三个部分。

在引言部分，我们将概述线控四轮转向系统的基本概念和重要性，介绍文章的结构和目的，旨在引导读者对本文进行初步了解和认识。

在正文部分，我们将详细介绍线控四轮转向系统的概述、结构和原理，包括系统的组成部分、工作原理和技术特点，以及系统在汽车行驶中的作用和应用场景。

在结论部分，我们将对本文进行总结，概括线控四轮转向系统的关键信息和特点，展望其未来的发展方向和应用前景，为读者提供对该系统的深入理解和思考。

通过以上内容安排，本文将全面介绍线控四轮转向系统的结构和原理，帮助读者深入了解和掌握该技术的核心知识和应用价值。

1.3 目的目的部分：本文旨在深入探讨线控四轮转向系统的结构和原理，旨在帮助读者更好地理解这一先进的汽车转向技术。

通过对线控四轮转向系统的概述、结构和原理进行分析和解释，读者将能够全面了解该系统的工作原理和优势，从而对其应用前景有更清晰的认识。

◆文/江苏 高惠民线控转向系统技术综述与实车应用(二)(接2022年第6期)六、SBW系统的路感反馈控制汽车转向系统主要有两大功能：一是操纵转向，驾驶员通过操纵转向盘来控制转向轮绕主销转动；二是反馈路感，将整车及轮胎的运动状态、受力情况通过转向盘反馈给驾驶员，即路感。

前者驾驶员是输入，实现转向系统的角位移功能；后者是将路感反馈给驾驶员，实现力传递功能。

二者结合，构成了汽车转向过程中的“人一车—路”的闭环控制。

1.转向盘力矩分析 驾驶员在操纵车辆过程中，转向盘操纵转矩与转向盘转角、车速以及路面附着情况等密切相关。

为了让驾驶者能够清晰地触摸到这些信息，所设计的SBW转向盘上力矩模型(图9)，充分考虑转向盘力矩影响因素，如反馈力矩、摩擦力矩、阻尼控制力矩、限位控制力矩以及主动回正力矩，这些可以看作转向盘上的反作用力。

所建立模型是这些力矩的总和。

(1)反馈力矩根据车辆行驶状态反馈给驾驶员的力矩，其大致反映了车辆的行驶状态和路面状况。

在相关标准和文献的研究中，大量的研究结果表明车速、转向盘转角、侧向加速度与转向盘转矩之间存在密切联系。

①汽车低速行驶时，其侧向加速度的变化较小，驾驶员不易感知到此车身信息的变化，但是对转向盘转角变化却非常敏感，因而在设计路感时，转向盘转角和车速信息要占比较大的权重。

②汽车高速行驶时，由于受到车辆操纵稳定性的制约，转向盘在较小的范围内转动，此时转角的变化对侧向加速度的影响很大，驾驶员对侧向加速度变化反而很敏感，因而在设计路感时，要重点考虑侧向加速度和车速对转向盘力矩的影响。

③汽车在高、低速之间行驶时，此时的车速越大，则转向盘力矩越大。

驾驶员对侧向加速度和转向盘转角都较为敏感，因而在设计路感时，不仅要考虑转向盘转角的影响，也要将侧向加速度和车速对转向盘力矩的影响考虑进去。

(2)摩擦力矩在机械结构中，摩擦力矩是一直存在不可忽略的。

而SBW系统因断开了转向管柱与转向器间的连接，所以驾驶员能够直接感受到的摩擦力矩只来源于转向盘总成。

线控转向系统功能安全设计技术一、引言线控转向系统是现代汽车中的重要组成部分，它通过电子信号控制转向器和转向泵，实现车辆的转向。

为了保证车辆的驾驶安全，线控转向系统需要进行功能安全设计。

本文将从以下几个方面介绍线控转向系统的功能安全设计技术。

二、功能安全概述1. 功能安全定义功能安全是指在特定的操作模式下，设备或系统能够在不出现危险失效的情况下执行其预期的安全功能。

2. 功能安全标准ISO 26262是汽车电子领域最为重要的功能安全标准。

该标准规定了汽车电子系统在各个开发阶段需要遵循的流程和方法，以确保其满足相应的安全性能要求。

三、线控转向系统功能安全设计技术1. 安全目标制定在线控转向系统设计过程中，需要根据ISO 26262标准制定相应的安全目标。

这些目标应该明确描述了所需实现的特定汽车操作模式下必须满足的限制条件和要求。

2. 危险分析与风险评估危险分析与风险评估是线控转向系统功能安全设计的重要环节。

通过对系统进行危险分析和风险评估，可以识别潜在的危险和安全问题，并制定相应的预防措施。

3. 安全性需求制定根据安全目标和危险分析结果，需要制定相应的安全性需求。

这些需求应该明确描述了系统需要满足的安全性能要求和限制条件。

4. 系统设计与验证在线控转向系统设计过程中，需要采用相应的技术手段来实现安全性能要求。

例如，采用双重或三重电路设计来保证转向信号的可靠性；采用故障检测和容错机制来保证系统在出现故障时能够及时发现并进行处理。

5. 系统测试与验证在线控转向系统开发完成后，需要进行相应的测试与验证。

这些测试应该覆盖所有可能出现的操作模式和故障情况，并确保系统能够满足安全性能要求。

6. 故障管理与诊断在线控转向系统运行过程中，可能会出现各种故障情况。

为了保证车辆驾驶安全，需要采用相应的故障管理与诊断技术，及时发现并处理故障。

四、结论线控转向系统是现代汽车中的重要组成部分，需要进行功能安全设计。

通过制定安全目标、进行危险分析与风险评估、制定安全性需求、系统设计与验证、系统测试与验证以及故障管理与诊断等技术手段，可以确保线控转向系统满足相应的安全性能要求，保证车辆驾驶安全。