汽车线传转向系统的转向盘操纵识别与双向同步控制

李尚司 蔡智凯 陈曦 连小珉

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室）

汽车线传转向系统的转向盘操纵识别与双向同步控制

李尚司 蔡智凯 陈曦 连小珉

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室）

为了实现汽车线传转向系统对传统机械转向系统基本转向回正功能的模拟再生，首先根据转向盘转矩变化率对转向盘操纵模式进行识别，完成线传转向系统中电控方向机的主从工作模式转换判断。运用PID的转角闭环控制，实现线传转向系统的双向同步控制，包括电控方向机主动模式中转向机小齿轮的转角跟随及电控方向机从动模式中转向盘的转角跟随。通过台架试验验证了转矩变化率识别法和双向同步控制的可行性。

1 前言

汽车线传转向系统取消了转向盘与转向器之间的直接机械连接，主要由电控方向机与电控转向机进行控制，电控方向机与电控转向机之间的角度信息与力矩信息交互通过线传递进行。相比于现阶段应用在量产车上的传统机械转向系统，汽车线传转向系统具有提高汽车操纵稳定性、提高被动安全性及改善驾驶环境等一系列优势。

目前有关线传转向系统回正控制的研究[1～4]集中在主动控制转向盘回正及车轮转角随动跟踪控制方面。这些控制方法能够保证回正没有振荡，但未考虑汽车在车轮回正力矩下的回正特性，会降低汽车的操纵性能。为此，本文在现有控制方法基础上设计了一种汽车线传转向系统的双向同步控制策略，通过对电控方向机和电控转向机在不同模式下的主动-从动切换协调控制，考虑汽车自由回正特性，提高汽车的操纵性能。首先根据转向盘部分的转矩变化率[5]，对不同的转向盘操纵模式进行识别；然后对不同转向盘操纵模式下电控方向机与电控转向机的主从控制关系进行分类考虑，以PID（比例积分微分）控制进行从动机的跟踪随动控制；最后通过试验台架进行试验，验证汽车线传转向系统转向盘操纵识别与双向同步控制的可行性与合理性。

2 汽车线传转向系统的双向同步控制

2.1 汽车线传转向系统的结构及工作原理

汽车线传转向系统主要由电控方向机、电控转向机与传输总线组成，其系统结构如图1所示。取消了转向盘与转向机之间的机械连接后，电控方向机与电控转向机之间的传动信息交互通过传输总线来完成。

电控方向机子系统由转向盘、传感器组和回正电机及方向机控制器组成。电控转向机子系统由转向器、传感器组和转向电机及转向机控制器组成。两个子系统相应的控制器通过融合传输总线传递过来的信息及自身系统传感器获取的信息，计算相应的控制目标值，并对相应的电机进行控制。

2.2 汽车线传转向系统的双向同步控制

汽车线传转向系统由于取消了转向盘与转向机之间的机械连接，从机械结构上对转向盘与转向机进行解耦，使得两者之间的控制变得更加灵活，同时也使得纯机械转向系统中自然形成的转向盘-转向机双向主从转换的转向特性，在线传转向系统中需要通过对回正电机和转向电机的控制来完成。

对线传转向系统的双向主从工作模式进行分类如下：

a.转向机跟踪随动模式。当转向盘上的操舵力矩趋向于克服回正电机再生的回正力矩时，电控方向机作为主动机。此时电控转向机进入跟踪随动模式，成为从动机，跟随转向盘转角的变化进行协同跟踪。

b.转向机受控回正模式。当转向盘上的操舵力矩趋向屈服于回正电机再生的回正力矩时，电控方向机作为主动机，处于驾驶员受控的回正模式。此时电控转向机作为从动机，进入随动的受控回正模式，跟随转向盘回正的转角变化进行转向机的回正控制。

c.转向机自由回正模式。当驾驶员完全松手让转向盘成为自由转动状态时，此时操舵力矩为零，为了能够反映原来纯机械转向系统的自由回正特性，电控方向机成为从动机。而电控转向机成为主动机，并且撤消施加于转向电机上的驱动电流，让转向机在地面-车轮的回正力矩作用下进入自由回正模式。电控方向机跟随转向机的自由回正转角变化，对转向盘进行跟随控制。

因此，汽车线传转向系统的双向主从工作模式M可以分成两种模式进行考虑，表示为：

式中，MA表示电控方向机为主动机的模式，转向机跟踪随动与转向机受控回正归类到此种模式；MP表示电控方向机为从动机的模式，转向机自由回正属于此种模式。

对线传转向系统的双向主从工作模式进行分类确定之后，针对不同的工作模式进行相应从动机的跟随控制。本文采用工程应用上较为成熟的PID控制法，完成从动机中对目标转角的跟随控制。

在方向机为主动机的模式中，转向机作为从动机，通过转向控制器对转向电机进行目标转角的PID闭环控制。具体的控制结构框图如图2所示。转向机控制器通过传输总线获取转向盘的实时转角，按照传动比计算得到转向机的目标转角值；通过转角传感器获取转向机实际的实时角度，因为线传转向系统电控转向机控制的是转向器小齿轮转角，因此转角传感器获取的是转向机小齿轮实际转角，将其作为反馈控制信息，设计PID控制器，根据转向机目标转角与实际反馈转角之间的偏差，计算输出给转向电机的驱动电压，完成转向机的小偏差角跟踪随动控制。

在方向机为从动机的模式中，通过方向机控制器控制回正电机进行对转向机转角的跟踪随动。在方向机跟随协同控制中与转向机部分一样，使用PID控制器。具体的控制结构框图如图3所示。方向机控制器将传输总线传递过来的转向机小齿轮实时转角作为转向盘的目标转角。由于在电控方向机中回正电机与转向盘中间未增加变速机构，转角比例为1，因此这也是回正

电机的目标转角。转角传感器测量回正电机的实时实际转角，作为PID闭环控制的反馈信息，方向机控制器中的PID控制运算单元根据回正电机目标转角与实际转角之间的偏差，计算输出给回正电机的驱动电压，从而完成对方向机的协同跟随控制。

3 转向盘操纵的不同模式识别

3.1 转向盘操纵模式的分类说明

由于转向盘的操纵模式与转向电机的工作模式有着一一对应的关系，根据2.2节中对转向机工作模式的分类，相应地将转向盘操纵模式B做如下分类：

式中，BP为转向盘受控转向模式，对应转向机跟踪随动模式；BN为转向盘受控回正模式，对应转向机受控回正模式；BZ为转向盘跟随回正模式，对应转向机自由回正模式。

根据式（1）中电控方向机主从模式与转向机工作模式的关系，得到转向盘操纵模式与电控方向机主从模式的关系如下：

3.2 转向盘不同操纵模式下的转矩变化率分析

为了实现汽车线传转向系统双机双向在不同模式下的同步控制，需要对转向盘的不同操纵模式进行识别。在试验台架上进行2.2节中所描述的3种不同模式下转向盘操纵试验，记录转矩传感器输出值的变化情况。转向机跟踪随动时转向盘转矩的变化曲线如图4所示。图5为转向机受控回正时转向盘转矩的变化曲线。图6为转向机自由回正时转向盘转矩的变化曲线。

通过对比图4～图6中的转向盘转矩变化曲线可知，转向盘不同操纵模式下的转矩变化率不同：转向机跟踪随动时转向盘转矩在增加，变化率为正；转向机受控回正时转向盘转矩在缓慢降低，变化率为负，较小；转向机自由回正时转向盘转矩快速降低，变化率为负，较大。因此，根据转向盘转矩变化率的不同，能够完成对不同操纵模式的识别。

3.3 转向盘不同操纵模式的识别

分析图4～图6中转向盘转矩变化与时间幅值的特点，设计固定长度时间窗Δt，检测采样时间窗起始时刻的转向盘转矩TS及终点时刻的转向盘转矩Te，定义固定长度时间窗Δt内的转向盘转矩变化率δT为：

设定转向盘转矩变化率阈值为Tm，通过比较实时转矩变化率δT与设定阈值Tm的大小，对转向盘操纵模式进行识别，具体如下：

根据式（3）和式（5），得到电控方向机主、从工作模式与转向盘转矩变化率的关系如下：

因此，通过对转向盘操纵模式的识别，能够完成对电控方向机主、从工作模式的判断，从而进一步完成线传转向系统的同步控制。

4 试验验证

在试验台架上，对转向盘操纵模式识别以及汽车线传转向系统双向同步控制进行试验验证，通过弹簧模拟地面-车轮间的回正力矩。

4.1 转向盘操纵模式识别的验证

按照3.1节中说明的3种转向盘操纵模式，在试验台架上进行相应的转向盘操纵试验，得到的数据结果如图7所示。

图7中，用主从标志位表示电控方向机的主从模式，0表示电控方向机为主动机，1表示电控方向机为从动机；左侧图表示转向盘操纵模式从受控转向到受控回正的过程，在此过程，主从标志位的数值一直为0，电控方向机一直处于主动机模式；右侧图表示转向盘操纵模式从受控转向到跟随回正的过程，在转向盘转换到跟随回正的同时，主从标志位的数值从0跳变为1，表示电控方向机转换为从动机模式。由此，验证了转向盘操纵模式识别方法的有效性，同时验证了对电控方向机主从模式的判断。

4.2 汽车线传转向系统双向同步控制的验证

在完成对电控方向机主从模式判断后，进行线传转向系统的双向同步控制试验，得到的数据结果如图8和图9所示。

图8表示转向盘操纵模式从受控转向到受控回正的过程，电控方向机一直处于主动机的工作模式，转向机转角跟踪转向盘的转角进行随动。由图8所示的跟随结果可知，转向机转角在跟随过程中超调较小，响应较快，在最终跟踪角度上的偏差较小，满足转向控制要求。

图9表示转向盘操纵模式从受控转向到跟随回正的过程，电控方向机经历从主动机到从动机的模式转换。由图9所示的结果可见，在电控方向机转换到从动机模式的过程中有较短时间的抖动，同时转向机自由回正。转向盘跟踪转向机的转角进行随动回正，在跟随过程中没有发生超调，响应较快，跟随效果较好，最后的回正残余角较小。

因此，图8和图9的试验结果验证了从电控方向机到电控转向机的同步控制以及从电控转向机到电控方向机的同步控制，即验证了汽车线传转向系统的双向同步控制。

5 结束语

针对汽车线传转向系统中的双向传动问题，本文通过研究得出以下两点结论：

a.转向盘操纵模式的转矩变化率识别法能够解决汽车线传转向系统中对转向盘不同操纵模式的识别问题，为汽车线传转向系统电控方向机的主从工作模式转换提供判断基础。

b.通过PID闭环控制策略汽车线传转向系统双向同步控制能够解决电控方向机在主动模式和从动模式下的转角跟踪随动问题，实现线传转向系统对传统机械转向系统转向回正功能的再生。

1 郑宏宇，宗长富，田承伟，等.基于理想转向传动比的汽车线控转向控制算法.吉林大学学报（工学版）,2007（06）: 1229～1235.

2 Yao Y.Vehicle steer-by-wire system control.SAE Techni⁃cal Paper,2006.

3 罗石,商高高,苏清祖.线控转向系统转向盘力回馈控制模型的研究.汽车工程,2006,28（10）:914～917.

4 Nguyen B H,Ryu J H.Direct current measurement based steer-by-wire systems for realistic driving feeling//Industri⁃al Electronics,2009.ISIE 2009.IEEE International Sympo⁃ sium on.IEEE,2009:1023～1028.

5 景立群，季学武.电动助力转向系统的主动回正控制.汽车技术,2008（09）:9～12.

（责任编辑 帘 青）

修改稿收到日期为2015年8月1日。

Recognition of Steering Wheel Manipulating and Bilateral Synchronous Control in the Steering By Wire Control System for Vehicles

Li Shangsi,Cai Zhikai,Chen Xi,Lian Xiaomin
（State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation,Tsinghua University）

In order to simulate regeneration of basic steering and return-to-center functions of traditional mechanic steering system in steering by wire control system for vehicles,we firstly apply steering torque gradient to recognize steering wheel manipulating mode,and accomplish the judgment of when to switch the operating mode between driving mode and driven mode of electronic steering wheel machine.PID closed loop control of steering angle is designed to realize the bilateral synchronous control of steering by wire control system,which includes angle tracking of steering gear pinion in electronic steering machine driving mode and angle tracking of steering wheel in electronic steering machine driven mode.Test results in the bench test verify the feasibility of recognizing method with steering torque gradient and bilateral synchronous control.

Steering by wire control system，Recognition of steering wheel manipulating，Bilateral synchronous control，PID

线传转向系统 转向盘操纵识别 双向同步控制 PID

U463.4

A

1000-3703（2015）12-0017-04