线控转向系统技术综述与实车应用(一)

◆文/江苏 高惠民

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，EHPS)、电动助力转向系统 (Electric Power Steering，EPS)的一个发展过程。目前EPS已经成熟地装配在各类汽车上。但是，由于传统的转向助力系统受限于安装空间、力传递特性、角传递特性等诸多因素不能自由设计和实施，并且为顺应车辆从先进驾驶辅助系统(ADAS)向完全自动驾驶的方向发展，SBW系统的研究应运而生。

狭义上说，SBW系统特指没有机械连接的转向系统，这是从系统的结构上进行的一个区分。但着眼于功能，从广义说，任何能够将驾驶员输入和前轮转角解耦的转向系统都可以看成是SBW系统。SBW主要由3个部分组成，即转向盘模块(人机界面HMI)、转向执行模块、电子控制单元(包含主控制器和故障处理单元)。

如图2所示，是一套带有故障容错的双转向电机的SBW系统。该系统包括1个路感反馈电机(DFM)、2个转向电机(SM)、3个满足ASIL-D(ASIL-D：汽车安全完整性等级)要求的微控制器(两个相互连接的转向控制器SC)和1个路感反馈控制器FC)、两个角度传感器(AS)分别测量方向盘(SW)和转向器输入轴的角度，一个扭矩传感器(TS)测量方向盘的输入扭矩，一个位移传感器(DS)测量齿条的位移，外围设备包括一个车辆主控制器(VCU)、两个电源(PS)和双CAN总线用于冗余目的。

SBW系统工作原理框图如图3所示。当转向盘转动时，转矩传感器和转向角传感器将测量到的驾驶员操纵转向盘的转角和转矩状态转变成电信号发送给路感反馈控制器，然后车辆主控制器通过相应传感器采集到的车速、横摆角速度、车身加速度等信号，并结合相应控制策略做出分析判断，去控制两个转向控制器，促动带电机的转向执行器总成进行合理转向，同时转向控制器将车轮转角信息和轮胎与地面的阻力信息传输给路感反馈控制器，路感反馈控制器再结合车辆主控制器送出相应力矩指令给驾驶员反馈模块中的路感反馈电机，给驾驶员提供相对应的路感感受。故障处理单元集成在主控制器中，是SBW系统的重要部分，它包括一系列的监控和算法程序，可实现对子控制器的监控，一旦发现子控制器有错误信息或状态，故障处理单元会根据故障形式和故障等级做出相应的处理，确保驾驶员及时发现故障，并将车辆行驶到安全地带。

SBW系统控制器结构如图4所示。主要包括电源电路、传感器信号调理电路、电机H桥驱动电路与上位机——车辆主控制器的通信接口电路等。主要功能如下。

1.集转向盘转角转矩传感器、转向器齿条的线位移传感器、转向电机电流传感器等传感器的电压信号，并进行模数(A/D)转换；

2.产生PWM脉宽调制信号，驱动H桥电路实现电机正反转等功能；

3.利用程序下载端口进行程序修改和下载。

三、SBW转向系统功能特点

SBW系统采用线控技术，取消了驾驶员操纵机构与转向执行机构间的机械连接，为转向特性的自由设计带来很大的空间。根据目前国内外大量研究与应用表明，线控转向系统具有诸多传统转向系统无法比拟的优点，主要性能特点如下：

1.改善“路感”。路感是指汽车在行驶过程中，转向盘的反作用力传递给驾驶员的手，这个力可以清晰而又快速地反映车辆及轮胎的运动和受力状况。在系统中，路感是由路感反馈电机模拟生成，不仅可以消除由路面不平度对转向盘的冲击，还可以实现路感的自由设计，满足驾驶员个性化的需求。

2.改善操纵性。SBW系统脱离了机械连接的限制，可自由设计转向角传动比。利用变传动比的设计，可以实现低速行驶时转向灵敏；高速行驶时转向平稳，降低驾驶员的精神负担和体力消耗。利于底盘集成控制。利用车载总线技术，易于实现SBW系统与其它控制系统(如ABS、EPS、DYC等系统)的集成控制，通过各个系统信息共享和综合利用，对汽车的综合性能有极大的提高。

3.提高操纵稳定性和主动安全性。在SBW系统中，控制器根据车辆的状态反馈信息，实时动态控制转向执行电机的转角，从而实现车辆的稳定性控制。

除此之外，由于取消了机械连接，转向盘位置可以自由布置，可以增加驾驶员腿部空间，不仅减少了交通事故对驾驶员的伤害，还提供了舒适性和安全性；同时釆用线控电机驱动，提高了系统的工作效率，绿色环保。

4.便于扩展。对汽车智能化发展而言，SBW可以对人机界面进行自定义，以适应驾驶员期望的转向操纵性，实现定制化的需求。线控转向技术可以更好地服务于高级驾驶辅助系统，如车道保持支持功能，当位于车辆上的雷达传感器或摄像头发现车辆偏离车道时，SBW会根据车道情况自动输入转向信号，帮助车辆回到正确的行驶轨迹上来。自动泊车支持，自动泊车系统通过环境感知传感器检测实际的泊车环境，探测获取有效的泊车车位信息，通过SBW的支持，实现对车辆运动轨迹的精确控制，最终实现自动泊车入位功能。随着自动驾驶技术的发展，SBW与SBB协同工作，是实现车辆轨迹跟踪和紧急避撞的技术关键。

四、SBW系统关键技术

SBW系统包含系统控制理论与机械、力学、电子及电机等学科领域，实现实用化需要解决以下关键技术。

1.传感器技术

SBW系统要做出正确的决策必须要有准确的信息作为保障，汽车的车速、转向盘角、转向盘力矩、前轮转角、纵、横向加速度等信息都是由传感器获得的，传感器的精度和可靠性直接影响整个SBW系统的控制效果。因此精度高、可靠性好、成本低、体积小的传感器对汽车线控系统的发展有着重大意义。随着汽车传感器在汽车电子控制领域的广泛应用，汽车传感器正沿着微型化、多功能化、集成化和智能化的方向发展。

微型传感器的安装可以不受空间大小的制约，能耗更低，受外界环境的干扰也更小。在该领域比较有代表性的技术是Mems技术，利用微电子机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在同一芯片上，具有体积小、价格便宜、可靠性高等特点， 并且可以明显提高系统测试精度。因为Mems微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器。如汽车上应用的横摆角传感器、纵/侧向加速度传感器都是Mems形式的微型传感器。

智能传感器是通过工艺技术手段将传感器与微处理器两者紧密结合，将传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上的新型处理器，它不仅能够实现传统传感器的功能，还能充分利用微处理器的计算和存储能力。不但可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，大大提高了传感器的精度。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务。

2.汽车行驶状态和参数的估计

汽车线控系统的实现需要很多汽车行驶状态和参数的保障，而这些参数一部分是通过传感器测得的，像车速、发动机转速、转向盘的转角等，但是很多参数是传感器无法直接测得的，例如路面的附着系数、制动时轮胎的滑移率、前后轮侧偏角，以及车轮纵/侧/垂向力等。即使传感器可以测得的参数也会受到传感器精度的影响，针对汽车行驶状态和参数，需要通过模型、算法等进行估计和预测。

3.汽车网络技术

随着线控系统数量的增多，各线控系统不可能独立工作，例如转向和制动就需要进行协调控制，实现资源共享减少延迟，以满足不同情况下，对转向能力和制动效能的要求。因此 对通信时间的离散和延时性提出了更高的要求。传统CAN总线基于事件的网络通信协议，当几个信息同时进行发送时，往往会造成网络交通拥挤，虽然可以通过仲裁机制来保证这些信息以既定的优先级收发，但往往会造成某些信息的延迟。在这样的背景下,出现了一些可靠性高、传输速率高、容错性好、通信时间延迟固定且离散度小的车载通信网络标准。目前,这类车载网络协议标准比较典型的有FlexRay。

FlexRay总线是一种既支持时间触发访问方式,又支持事件触发访问方式的协议的高速通信总线,它容错性高、可靠性好,非常适合线控系统应用。FlexRay除了总线标准提供的容错功能外,总线支持多种网络拓扑结构,并且允许单、双总线并存。利用双总线结构的特点,在实现FlexRay总线软硬件功能的基础上,实现了总线应用层的容错控制方法。

基于总线技术的线控转向系统,将传统机械转向系统转变成通过高速容错总线相连的电气系统,实现了系统的信息化、智能化与自动化。

4.电源技术

汽车的电源承担着SBW系统中电机与电子控制单元的供电,除去电子控制单元消耗的功率不算,仅转向执行电机功率就大约有500~800W,再加上路感模拟电机的功率50~80W,电源的负荷非常重。因此,要保证SBW系统的稳定工作,电源的性能至关重要。

目前, SBW系统要求的电源供电电压主要包括12V与42V两种。供电电压12V为的SBW系统,要求系统中的电机为12V电机,这就需要通过提高电流来获得更大的功率,因此,在电机控制上需要做更多的工作。供电电压为42V的系统,为SBW系统的发展创造了新的发展空间,它可以降低电机质量、减小线束直径、降低设计与使用成本。

5.容错控制技术

汽车安全性与可靠性是制约SBW系统发展的主要瓶颈之一。由于SBW系统取消了转向盘和转向轮间的机械连接,一旦电控系统出现故障,车辆将处于失控状态,无法保证转向功能。线控转向系统中传感器、电控单元、执行机构、电源均有可能发生故障。为满足汽车安全性与可靠性的要求，线控转向系统必须采用容错控制技术。传感器的故障可以通过传感器网络进行容错控制,电控单元的故障可以通过多核控制机制实现容错控制,执行机构与电源的故障则需要替代的冗余部件来实现容错控制。

五、SBW系统操纵稳定性控制策略

由于传统机械转向系统(包括助力转向)受机械连接的限制，系统的转向角传动比固定不变(转向盘转角与前轮转角之比)，因此在转向过程中，驾驶员转向操纵的力传递与角传递方式是不可变的。通常在低速行驶时，驾驶员需要反复输入较大方向盘转角，增加了驾驶员的操纵强度；而在高速行驶时，转向又过于灵敏，增加了驾驶员的精神负担

除此之外，由于悬架、轮胎以及转向系统的非线性特性是固有不可改变，导致汽车在行驶过程中的转向响应特性随着路面环境、转向盘转角以及车速的变化而变化。为了保证车辆能按照驾驶员的意图行驶，必须对方向盘转角进行不断地调整，这不仅增加了驾驶员的负担，而且在恶劣环境下(雨雪天气、侧向风干扰)行驶时，存在操纵稳定性差的危险。

SBW系统相比较于传统机械转向系统的主要优势在于能够实现转向系统力传递与位移传递的完全解耦，简而言之就是转向系统的力传递特性和位移传递特性能够分别独立设计。本节针对线控转向系统的位移特性控制技术进行概述与分析。SBW系统的位移特性控制有2种较为典型的方式，如图5所示。第1种方式为变转向角传动比控制法，即先根据驾驶员操纵转向盘的转角输入和系统传动比计算参考前轮转角，然后设计转角跟踪控制器，指令转向电机输出扭矩对参考前轮转角进行跟踪。第2种方式是稳定性(主动转向)控制法，其实施过程可以概括为根据驾驶员的转角/转矩输入指令及汽车当前行驶状态，计算得到理想横摆角速度、质心侧偏角、侧向加速度等控制目标，设计稳定性控制器根据控制目标求解所需的前轮转角，转角跟踪控制器以所需前轮转角为目标，求解所需转向电机电流/电压，输出扭矩带动转向执行机构对转角进行主动跟踪。

1.可变转向角传动比

为了满足驾驶员对转向特性的要求，设置合理的转向角传动比变化规律，来确保稳态横摆角速度增益为定值(稳态横摆角速度增益=稳态横摆角速度/转向轮转角，也叫汽车转向灵敏度)，实现转向盘转角与道路行驶角呈一一对应的线性关系，简化驾驶员的转向操作，在汽车转向时驾驶员可以更准确的进行预瞄判断，更轻松的进行修正调整，获得更好的操纵稳定性。除此之外，不同车速下SBW系统控制的侧重点也有所不同，为了满足不同工况下，对转向系统的不同要求，合理角传动比的设置还应使线控转向系统满足以下要求。低速转向时，控制目标以转向轻便性为主，转向角传动比可以小一些。此处转向轻便性不代表转向盘力小，而是转向盘转角范围小，从而减小原地、低速掉头时的转向盘转角范围，减轻驾驶员的体力负荷。但是考虑到转向时前轮所能到达的的极限位置，应该设置一个最小转向角传动比； 高速转向时，应当适当降低汽车转向灵敏性，所以转向系统角传动比要大些，即大的转向盘转角可以产生小的前轮转角，使汽车转向“迟钝”，这样可以避免驾驶员误操作带来的影响，以满足操作稳定性要求，给驾驶员一定的缓冲和判断的时间，降低驾驶员在高速时的精神压力和操作难度，同时，为了避免转向过于“迟钝”，影响超车等驾驶行为，应该设置一个最大转向角传动比值。如图6是传动比及转向增益随车速的变化曲线。对于一般驾驶员期望的转向增益在0.12~0.37，熟练驾驶员的期望值为0.21~0.42。

为了实现所设计的可变转向角传动比应用到控制器中，需要对上述可变转向角传动比进行车速、转向盘转角的二维插值拟合，形成转向角传动比与车速、转向盘转角的三维图(图7)。在汽车行驶过程中，控制器根据车速和转向盘转角信号，通过查表的方式计算当前的转向角传动比，然后计算前轮的转角，从而实现可变转向角传动比控制。

2.主动转向控制

汽车在行驶过程中，过度转向有导致失去稳定性的危险，因此汽车都应具有中性转向或弱的不足转向特性。尤其在雨雪天气、低附着路面或者大侧向风干扰等不良环境下行驶时，如何确保车辆能够在不偏离期望路径并保持弱的不足转向，对汽车行驶的安全性至关重要。汽车在转向过程中，转向轮转角的变化产生轮胎侧向力的变化，同时改变了车辆的横摆力矩。主动转向系统稳定性控制就是利用这一特性，根据车辆状态的反馈信息，实时地对转向轮的转角进行校正，实现对横摆力矩进行补偿，从而保证车辆的稳定行驶。线控主动转向控制就是根据车辆的转向状态对车轮的转角进行补偿，确保车辆在弱的不足转向特性内行驶，具体有以下两种情况：

①在行驶过程中，由于驾驶员的操作不当、轮胎气压的变化等出现过大的不足转向趋势时，稳定性控制器根据车辆反馈的状态信息，通过转角跟踪控制器，控制转向执行电机产生一个正的前轮转角补偿(与转向盘转向一致)。

②在行驶过程中，发生后轮侧滑趋势过度转向时，稳定性控制器根据车辆反馈的状态信息，通过转角跟踪控制器，控制转向执行电机产生一个负的前轮转角补偿(与转向盘转向相反)。

3.综合反馈控制主动转向策略

汽车的操纵稳定性主要有两个方面：一是行驶方向的稳定性，二是行驶轨迹的跟踪。前者主要是指车辆的转向响应(由转向不足、过度转向及中性转向三种状态)，可以用横摆角速度来描述行驶方向的稳定性；后者主要是指车辆行驶轨迹与目标路径之间的偏差，可以用车辆的质心侧偏角描述车辆行驶路径跟踪的效果。二者都是由地面对轮胎的反作用力决定，因此可以通过车轮转角的补偿来调整地面对轮胎的反作用力(力矩)，实现对横摆角速度和质心侧偏角的控制(如图8所示)。汽车在行驶过程中，在车速低、小转向盘转角时(即质心侧偏角较小时)，单一的横摆角速度反馈控制就可以实现车辆的稳定性控制，但在车速高、大转向盘转角时(质心侧偏角较大时)，只靠横摆角速度就无法实现稳定性控制。因此采用横摆角速度和质心侧偏角综合反馈对车辆的稳定性进行控制，在控制过程中，当车辆处于小质心侧偏角时，主要控制横摆角速度；在大质心侧偏角时，确保应将质心侧偏角控制在一定的范围内，同时对横摆角速度进行校正，保证汽车的稳定性。

(未完待续)