汽车线控转向系统节能设计研究综述

曹杰，王保华，陈小兵

（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

前言

汽车线控转向系统是以电子软联接取代传统的机械连接的装置。方向盘路感以及转向轮转动的驱动电机，是汽车上重要的能量消耗装置之一，线控转向系统的结构参数和力学特性以及系统能量消耗控制直接影响到汽车的转向操纵动力学特性及燃油经济性能，采纳节能设计思维研究线控转向装置的传动比设置还有动力学问题、路感模拟策略以及路感电机控制策略节能设计、转向电机动态控制及节能策略设计等问题是一个新的研究方向，因此，线控转向系统节能设计理论及方法必须深入研究。

1 国内外研究现状及发展动态分析

1.1 国内外研究现状及发展动态分析

随着半导体技术的迅速发展，汽车线控转向技术逐渐成为可能。奔驰公司在研究了后桥线控转向以及多桥汽车的第三桥线控转向系统之后，于1990年开始了对前轮转向线控系统进行了深入的研究，并且，把它开发的线控转向系统安装在其概念车F400 Carving上。

本田汽车公司和东京大学在汽车线控转向系统方面，做了一些理论研究和模拟器实验。他们以人-车闭环系统特性为研究对象，理想化的系统传动比，让车辆的稳态增益不再跟随车速变动，如此就线控转向系统的特点可以充分被利用，最大限度的降低驾驶员的负担，以驾驶员角控制特性和力控制特性对汽车主动安全性的影响最为重点研究对象。

在欧洲，Fiat、Daimler-Chrysler、Ford Europe和 Volvo等汽车公司、Bosch等零部件厂商和Vienna、Chalmers等大学联合开展“X-by-wire”计划，对线控转向系统的落实、安全性以及可靠性方面进行了研究。Daimler-Chrysler已经研发了名为“R129”的电驱动概念车。它取消了加速踏板、方向盘及制动踏板，彻底采用操纵杆控制汽车，实现了Drive-bywire技术。宝马汽车公司在其BMW Z22概念车上也应用了线控转向控制系统及线控驱动技术,使转向盘转动角度范围缩减到160度，这让驾驶员在紧急转向时轻松了很多。

国内在线控转向方面的研究才刚起步，吉林大学、清华大学、同济大学、北京理工大学等高校对线控技术进行了一些相关研究。随着 SBW 研究关注度的提高，国内科研机构也纷纷开始重视，将人力和物力投入其中进行研究。同济大学汽车学院研制出国内首辆装备电子转向系统的概念车——“春辉三号”，该车是国内首辆使用电子转向技术的电动车。吉林大学宗魏宏、长富等人研究了对电控转向系统的关键技术，并提出了主要问题以及其解决方法,为其他该方面的研究者提供了一个理论基础。在控制策略方面，武汉理工大学刘永学等提出了相关的算法研究。

1.2 项目研究的科学意义

要使线控转向技术真正实用化，必须对线控转向系统动力学特性和驾驶员“路感”、转向系统控制策略、电机的动态控制算法和系统节能策略等核心理论及技术进行深入研究，并对汽车稳定性能进行分析和评价。本项目的研究将为SBW系统开发提供理论依据，开发具有自主知识产权的国产实用的 SBW 系统，从而，有利于提高我国汽车技术水平和掌握汽车核心技术。可以肯定线控转向系统对现代汽车的性能产生了正向的影响，甚至可能带来一场汽车控制思想的革命。

该项目研究具有以下科学意义：

（1）基于节能设计的线控转向系统，有效降低系统能耗，提高汽车系统可靠性和经济性。从系统结构动力学和控制两个方面，以转向系统能量消耗最低和系统稳定性为综合目标，研究基于节能设计理论和方法设计转向装置结构参数和控制策略，实现同等驾驶工况下采用节能设计的转向系统能耗更低，提高转向系统及整车的能量使用效率。

（2）驾驶员路感的节能设计，优化驾驶员的路感，降低路感电机能耗，同时为驾驶员提供个性化的、更符合习惯的“路感”。在线控转向系统中，驾驶员“路感”是由路感电机的模拟来生成的。由输入信号之中取得最能够代表汽车实际行驶状态以及路面状况的信息，路感电机控制以这些信息作为输入变量，从而使转向盘为驾驶员提供更符合习惯的“路感”，并降低转向系路感电机的能量消耗。

（3）理想可变转向传动比的节能设计，提高转向结构传动效率和汽车的操纵稳定性。采用节能设计思想，设计高效的理想变传动比，通过前轮转向控制可以实现传动比的任意设置，依照驾驶员习惯及车速，汽车依据行驶工况由控制算法来控制传动比实时设置；同时对前轮转角参数进行补偿，让汽车转向特性保持不变，进而将传统“人-车闭环”系统中驾驶员所承担的部分工作由ECU控制器来完成，这可大大减轻驾驶员的负担，提高了车辆系统对驾驶员转向输入系统的响应及“人车闭环”系统的主动安全性。

（4）系统采用电子控制，推动汽车的智能化发展，提高汽车安全可靠性。线控系统采用电子控制来实现智能灵活的转向控制。并且具有很强的兼容性，修改软件部分参数就能够用于其它型号的车，对于新车型的开发，能够结束大量的成本和时间；采用线控转向系统的汽车内部空间宽敞，相较于传统机械部件在车辆上的安排和移动自由没有限制，减少了事故发生时对司机的伤害。

2 线控转向节能设计几个关键问题

2.1 转向驱动机构动力学及控制策略节能设计问题

在 SBW 系统中，电子控制装置替代原来的机械连接，这种显著的改进可将转向装置设计为变传动比，变传动比能很好地克服固定传动比的缺点，Fuhrer和Harter等人通过实时修正转向灵敏度优化汽车转向性能和操纵性能。

对 SBW 的研究在日本和西方国家发展很快。在判定稳态转向的情况下，基于对驾驶员行为的研究，Tajima等首先建立了关于转向性能的控制逻辑，然而没有考虑瞬态运动控制。Segawa等人研究了SBW汽车稳定性控制问题。近年来，Chai等对SBW汽车控制策略的研究转向方向盘力矩的设计。与日本的研究者相比，西方国家倾向于实际 SBW 样机的开发，很少注意转向控制策略的研究。对 SBW 系统转向传动比的设计要么根据Tajima的原理要么根据经验设计成汽车速度的函数，Kaufmann等根据Tajima等人的理论，提出了一系列 SBW 汽车的操纵动力学控制逻辑，包括稳态转向操纵和瞬态操纵转向响应特性。

基于理想传动比的控制算法能有效地提高 SBW 汽车的稳态转向性能。为改善瞬态操纵性能，降低驾驶员工作负荷、提高路径保持能力、提高转向响应特性，提出了汽车偏航速控制和汽车集成控制两种控制策略，并通过试验模拟器进行了验证。在通过弯道时，Takimoto等认为精确的前馈转向控制更容易实现，可以弱化反馈调节。在转向位置控制性能和危险避让操纵性方面，除了减轻驾驶员工作负荷和提高汽车操纵性能外，这种稳态响应特性也能提高汽车的驾驶性能（例如避免转向性能突变）。目前，在线控转向机构设计及控制策略采用节能设计思路和方法研究的还非常少，处于初期阶段。

为响应国家政策，推动武术“走出去”，2016年7月22日，国家体育总局武术运动管理中心印发了《中国武术发展五年规划(2016-2020年)》，规划中指出：加强武术的国际交流与合作,加大对国外武术教练员、裁判员和运动员的培训，增加武术师资外派数量，扩大武术器材援助和输出，增派武术交流访问团，定期举办各类武术展示交流活动，逐步加大武术援外力度，重点与国际武术联合会成员国建立长期合作关系[4]。

2.2 线控转向理想可变传动比及控制策略的节能设计问题

线控转向系统取消了转向盘和转向轮的机械连接，可以根据需要设计角传动比——可变传动比，可以根据车辆的车速变化而变化，实现理想的转向特性。这样的汽车具有较好的操纵性能，能够减轻驾驶员驾驶时的精神负担和体力负荷。因此，林逸等围绕横摆角速度增益为定值，对线控转向系统理想的可变传动比进行了研究，提出了线控转向理想转向传动比控制规律设计的不同方案，并设计了转向盘力反馈控制策略、横摆角速度反馈控制律、遗传算法优化转向增益的线控转向控制策略、系统的全状态反馈控制策略和等分数阶鲁棒控制策略等，分析了线控转向变传动比控制对车辆操纵稳定性的影响。欧阳海等提出了前馈补偿控制算法和横摆角速度反馈控制算法两种线控转向车辆前轮转角控制算法，并证明了前馈补偿控制算法和横摆角速度反馈控制算法能够提高车辆响应速度。目前在该系统中对可变传动比设计及控制的研究比较多，但基于节能设计的研究还未见报道。

2.3 转向驱动电机动态跟踪控制及策略的节能设计问题

刘玉清等人研究表明，电流PID闭环控制能够实现对目标电流的准确跟踪控制，也就实现了对转向电机为车辆转向提供的转向力矩的跟踪控制。C-J Kim等人提出道路信息反馈策略来控制电机，提高驾驾驶员的转向路感和电机的稳定性，这种转向盘系统的控制策略使用了电机的扭矩 MAP和驾驶员和道路的传输信息。在过度转向条件下，KATSUHIRO SAKAI等人提出了基于驱动力特性图的SBW驱动电机的主动转向扭矩控制策略，实现 SBW 装置的变传动比特性，提高光滑路面从汽车急转到恢复稳定的能力。近年来，研究者已从汽车主动安全方面关注汽车转向系传动比的主动控制和转向力矩的主动控制。例如，在紧急情况下（道路附着系数变化、对开路面或侧向风干扰等），变传动比控制可减小过转向的速比，转向例句控制可根据汽车偏航率或驱动力图有效改善汽车的稳定性。另外，它也能很好地改善驾驶员的转向响应时间，可以将紧急情况下驾驶员的反应准备时间由通常的0.2秒提高到0.6秒，这种控制能补偿驾驶员的反应时间，同时提高汽车主动安全性。采用节能设计的驱动电机动态跟踪控制可以获得更好的动态的响应和更低的能量消耗。

2.4 线控转向车辆动力学及控制问题

由于汽车轮胎的侧向力具有饱和特性，转弯工况汽车的操纵性能和稳定性将会受到损害。与传统控制相比线控技术在底盘集成控制上具有不可比拟的优势，特别是在极限工况下，利用线控技术实现转向及制动，对于提高汽车的操纵性和驾驶舒适性具有较大的优势。

英国LEEDS大学的Selby等提出采用DYC和AFS综合控制方法，其方法是根据所建立的车辆动力学模型，然后设计出DYC和AFS的控制策略。根据侧向加速度的不同，来判断DYC和AFS哪个系统起主要功能，研究表明集成控制比单独控制更具有优势，其缺点是附着条件变化及驾驶员制动的作用没有考虑进来。对于此影响，美国加利福尼亚大学的Zeyada等通过对AFS与DBC的分别实验，找到了2种方法的优缺点，对于极限工况的各种情况，提出了一种模糊控制算法，该算法基于控制横摆角速度来实现，AFS和 DBC的集成有显著效果。上述研究中，虽然考虑了路面附着系数的影响，但驾驶员制动的影响没有被考虑，日本东京农业技术大学的Mothoki Shino等也提出AFS和DYC的系统控制方法，其核心是最优控制理论，对汽车前轮转角和四轮制动力进行控制，依据模型匹配控制，对于轮胎的非线性特性与汽车的整车匹配给出了良好解决的解决方法，使汽车的主动安全性和操纵稳定性在极限工况下大大提高，遗憾的是，该方案同样没考虑路面附着条件变化及驾驶员制动的影响。

Taehyun等人考虑汽车横摆力矩和侧倾干扰力矩，研究车辆在极限运动的工况下，依靠两前轮的线控转向要比调节单个车轮的制动和驱动更加具有稳定性，即线控转向与线控制动的集成控制的效率更高。

3 技术关键与应用前景

实现汽车线控转向节能设计理论和方法研究需要解决以下关键技术：

如何产生驾驶员能够感知到汽车的实际驾驶状况和道路状况，是实现解决线控转向的技术关键所在。基于节能设计的路感模拟控制策略及路感电机控制算法，在保证方向盘路感性能要求的条件下，实现路感模拟系统更低的能量消耗。

（2）转向机构及控制策略节能设计方法研究

电驱动转向系统的研究，其核心技术为控制策略的设计。线控转向系统控制策略重点研究理想可变传动比和控制策略的节能设计、驱动电机力矩动态波动的节能控制策略和算法，更好的道路感知策略和控制道路干扰和传感器噪声控制策略等方面进一步优化和提高转向系统的动态性能和稳定性。在期望横摆角速度增益和侧向加速度增益不变的情况下研究传动比的设置，通过综合控制可以解决上述问题。

（3）转向控制与转向动态稳定性研究

转向动态稳定性包括转向电机动态稳定性和汽车转向稳定性两个方面。基于结构的节能设计，研究出理想的转向器变传动比，这样在转向盘小转角时转向系统需要灵敏为主要目标，反之在转向盘大转角时以“轻”为主要目标。线控转向系统的电动机具有弹簧阻尼的效果, 可以减少路面的不平整对转向盘的冲击力以及车轮不平衡引起的震动，这样的效果就减少了驾驶员的“路感”。使用模拟路感的节能控制策略以及模拟路感的电机震动控制技术，能够有效地解决电机动态稳定性这一问题。理想状态下，转向传动比随方向盘转角及车速变化而变化，采用理想转向传动比的线控转向系统，其转向传动比要比采用固定传动比的线控转向系统的要小，这样能够减少前轮转角稳定性控制下

方向盘的转角输入，同时减轻驾驶员的体力负荷；当车辆进行并线、变道操作时，使用转向理想传动比的方式会使转向更好的灵敏性，其能够更加及时地感知到转向响应，有效的避免转向延误造成的换道过急，提高汽车转向的稳定性。

（4）节能设计理论和方法研究及系统能耗分析

线控转向节能设计研究当前还主要集中在节能控制理论和方法研究，节能控制策略设计，提高系统稳定性和可靠性方面。SBW系统电功率消耗大，结合SBW系统能量消耗特点，设计合理的节能策略是一个关键的技术问题。目前，这方面的研究还很少，因此，在此方面开展探索性研究对实现整车节能降耗是非常必要和必须的。

4 结束语

汽车线控转向系统符合环保、节能和安全的汽车技术发展方向，是系统科学、控制理论与机械、力学、电子与能源等学科领域的交叉研究，是国民经济支柱产业——汽车产业中关键技术问题的基础性研究，是机械结构和系统动力学与汽车智能化线控类技术的一个分支，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 陈煜.理想转向传动比和四轮转向的汽车电子转向系统研究,吉林大学,硕士学位论文,2004.7.

[2] 林逸,于蕾艳,施国标.线控转向系统的角传动比研究[J].农业机械学报,2007,(08).

[3] 于蕾艳,林逸,施国标.遗传算法优化线控转向系统角传动比的研究[J].计算机仿真, 2008,(08).

[4] 施国标,于蕾艳,林逸.线控转向系统的全状态反馈控制策略[J].农业机械学报, 2008,(02).

[5] 欧阳海,张杜鹊,高岗.线控转向车辆前轮转角控制算法研究[J].轻型汽车技术, 2009,(09).