线控转向系统故障诊断与维修——以某型智能驾驶功能验证车为例

汤彬，金峰

（江苏省交通技师学院，江苏 镇江 212028）

0 引 言

随着“电动化、网联化、智能化、共享化”这些汽车行业普遍公认的“新四化”浪潮掀起，车辆智能化程度不断增高，线控底盘已成为必不可少的组成部分，作为线控底盘关键组成部分的线控转向系统，受到国内外厂商、科研机构和专家学者的重点关注。但对于智能化车辆不可或缺的线控底盘技术，长期被发达国家垄断，一直是自主品牌和国内企业难以突破的技术屏障。随着自主品牌、造车新势力和国内配套企业等各方进行的持续研究，2022年以来该技术取得了长足的进步。本文介绍的某型智能驾驶功能验证车的线控转向系统即为国内企业自主研发和生产。

1 线控转向系统概述

线控转向系统基于线控技术，将驾驶员或者控制人员输入的操纵信号转变成电信号，直接由电线传递电信号的指令，可以将传统的机械连接装置省去，具有非常灵敏的响应特性，同时兼具高度灵活的控制方式。为转向过程中转角和转矩控制带来了极大的方便，可以实现车辆行驶的高稳定性和舒适性，与汽车“新四化”中的电动化和智能化发展高度契合。使辅助驾驶甚至是自动驾驶成为可能，极大地促进了车辆电动化、智能化发展。

1.1 线控转向系统的结构组成

线控转向系统可分为前轮线控转向系统和四轮线控转向系统，本文介绍的智能驾驶功能验证车的线控转向系统为前轮线控转向系统。该线控转向系统主要由底盘ECU、转向控制器、转向接收器、转矩传感器、转向角度传感器、转向电机、转向器、转向机构和转向轮等组成，具体结构如图1所示。

图1 线控转向系统组成

线控转向系统各组成部分的作用为：

①转向机构：驱动转向轮，实现车辆转向的工作装置。由转向器、转向横拉杆、梯形臂和转向节等组成。

②转向控制器：根据底盘ECU传递来的转向角和转矩指令，经计算处理后发出相应的指令，控制转向电机工作。

③底盘控制单元（Electronic Control Unit, ECU）：依据转向接收器、车速传感器、扭矩传感器以及转向角度传感器等的信号，进行分析计算，得出所需的转向角度和转向力矩，将相关指令通过CAN线传递给转向控制器。

④转向接收器：在手动模式下，接收来自控制人员操纵遥控器发出的转向需求信号，通过CAN线传递给底盘ECU。

⑤转向电机：转向电机根据转向控制器的命令控制转角及转矩，驱动转向器带动转向机构和转向轮偏转，从而实现转向。

⑥转向角度传感器：监测实际转向角度，并将监测到的转角转变为电信号，传递给转向控制器，以精确控制转向角度。

⑦转矩传感器：监测实际转向力矩，并将监测到的转矩转变为电信号，传递给转向控制器，以精确控制转向力矩。同时监测不同路面情况下由转向轮传递回来的力矩，并将此信号传递给转向控制器，由此判断是否需要控制转向电机增加转向力矩。

1.2 线控转向系统的工作原理

线控底盘主要控制车辆的横向与纵向运动，而横向运动的控制，具体通过线控转向系统来实现，以下为具体控制的工作原理：

为了使该型功能验证车适应不同的道路条件，运行环境及不同车速等情况，该型功能验证车有两种转向控制模式，即手动控制和自动控制。手动控制为采用遥控器控制，控制人员操纵遥控器转向手柄来控制车辆转向；自动模式则为在适和的条件下，车辆控制器根据激光雷达、毫米波雷达、摄像头等环境感知设备传达的信号，自动控制车辆转向，从而实现避障和自动超车等功能，整个工作过程不需要人为干预。

1.2.1 手动控制模式

在此模式下，转向接收器接收来自遥控器的转向信号并传递给底盘ECU，底盘ECU根据接收到的信号以及车速等信号计算出所需的转向角和转矩，通过CAN总线将信号传递给转向控制器。转向控制器按照要求的转矩和转向角信号发出指令，控制转向电机转动。同时通过转矩传感器和转向角度传感器监测实际转矩和转向角，并反馈给转向控制器，如达不到预期值，则转向控制器控制转向电机进行适当调整，从而实现精确控制。

1.2.2 自动控制模式

在此模式下，智能驾驶控制器根据环境感知传感器传递的信号，判断周围环境、车速和实际工况，计算出转向信号并通过CAN总线传递给底盘ECU。底盘ECU接到信号后计算出所需的转向角和转矩，再通过CAN总线将信号传递给转向控制器。线控转向控制器通过CAN总线接收来自底盘ECU传递的转角和转矩等信号，按照要求的转矩和转向角信号发出指令，控制转向电机转动。同时通过转矩传感器和转向角度传感器监测实际转矩和转向角，并反馈给转向控制器，如达不到预期值，则转向控制器控制转向电机进行适当调整，从而实现精确控制。

1.3 线控转向系统的特点

线控转向系统不受机械系统的结构限制，与传统转向系统相比，具有以下特点：

（1）操纵性能好，由于不受机械连接的限制，使车辆在低速时转向更加轻便灵敏，高速行驶时转向更加平稳，驾驶员更易操作，同时迎合自动驾驶的要求。

（2）采用总线传递信号，使信息实时共享更加方便，更利于底盘系统的集成，从而提高车辆底盘的整体性能。

（3）在乘用车上使用线控转向技术，由于不需要转向柱等转向传动机构，方向盘布置可以更加灵活，能为驾驶室提供更多可用空间，同时路面反馈到转向系统的力不会传递到方向盘，从而提高驾乘的舒适性和安全性。

2 线控转向系统常见故障

2.1 转向控制器指示灯不亮

在该型功能验证车中，当线控转向控制器的供电、搭铁线路、信号传递线路以及转向控制器模块本身无故障时，控制模块的电源指示灯会亮绿灯，否则将不亮或者亮红灯。

转向控制器不亮灯为常见故障，故障原因相对较为简单，可能的原因是主保险丝断路、主继电器损坏或者不工作、48 V+或者48 V-线路断路或接触不良、线控转向控制器本身损坏等，各电器部件具体位置及工作原理图见图2。

图2 线控转向系统电路原理图

2.2 线控转向系统不工作

该故障是指在车辆正常上电后，线控转向控制器电源指示灯亮起，但通过遥控器操作车辆转向时，转向系统无响应。此故障亦为常见故障，但故障的原因和排除过程相对电源指示灯不亮的故障要复杂得多。

通过该型车辆的组成原理（图1）及电路原理图（图2）可以看出，该车辆在手动控制模式下控制其转向的实现条件为：第一，遥控器及接收器工作正常，且连接到ECU的CAN通信线正常；第二，ECU工作正常，且连接到线控转向控制器的CAN通信线正常；第三，线控转向控制器本身无故障并工作正常，且连接到转向电机的信号线正常；第四，转向电机工作正常。

因此，线控转向系统在手动控制模式下不工作或工作不正常时，应从以上几个工作条件出发进行排查，确定故障部位。

在手动控制模式下线控转向控制系统工作正常，而自动控制模式下工作不正常则要从智能驾驶控制器本体、工作条件和底盘ECU的CAN通信总线等方面着手排查。

3 故障实例

3.1 故障案例一

（1）故障现象。一辆智能驾驶功能验证车，闲置一段时间后再次使用时，能够正常上电，但车辆无法完成自检，操纵转向按钮时，转向系统无响应。

（2）故障排查。根据故障现象，结合线控转向系统电路原理图（图2），首先查看线控转向控制器工作情况，经检查转向控制器电源指示灯亮绿灯，控制器供电正常。

在手动模式下，选用遥控器操作，驱动和制动正常但是转向无响应，因此可以排除遥控器、接收器和底盘ECU以及他们之间的CAN数据总线的故障。

将CAN分析仪连接到底盘CAN线上，发送转向控制指令，如图3所示，线控转向系统无响应，故障可能在底盘ECU至转向控制的CAN通信线上。拔下转向、驱动、制动控制器插头，测量转向控制器插头输入信号CAN-H与CAN-L之间电阻为120 Ω。拔下底盘ECU插头，插上转向控制器插头，测量49号脚和68号脚之间电阻为120 Ω，CAN通信线正常。故障可能的原因在转向控制器至转向电机之间。

图3 CAN分析仪发送转向指令

拔下转向控制器插头，测量输出信号和输出电两个接脚之间的电阻，发现电阻不断变动。仔细观察，输出信号针脚上有白色粉末，用砂纸处理后插回所有插头。通电后，再次测试，车辆自检，成功实现转向，故障解决。

（3）故障分析。该案例中，遥控器发出转向信号后，通过转向接收器接收信号并传递给ECU，ECU计算出所需的转角和转矩后，通过CAN通信线将控制信号传递到线控转向控制器，转向控制器再通过信号线发送信号至转向电机，控制转向电机工作。本案例中线控转向控制器至转向电机之间的通信线接头处有氧化物，形成虚接，导致无法将转向控制信号可靠的传递给转向电机，故而造成在手动模式和CAN分析仪控制时出现不能转向的现象。

3.2 故障案例2

（1）故障现象。某型智能驾驶功能验证车，在正常使用后，再次使用时，车辆上电正常，车辆无法完成自检，通电后转向轮立即往一边偏转，并停在偏转极限位置，采用遥控操作控制的方式，转向系统无响应。

（2）故障排查。反复上次几次进行试验，车辆都是上电后转向轮向右偏，之后就保持在右边。

再次采用手动模式控制车辆，转向操作时无响应，驱动和制动正常，此时初步排除遥控器和接收器故障。接着检查转向控制，发现转向控制器电源指示灯常绿，供电正常。

断电后，使用万用表测量底盘CAN线CAN-H与CAN-L之间的电阻，为60 Ω，如图4所示。电阻值正常，分别测量CAN-H、CAN-L对地及对电源的电阻，均为∞，不存在断路的情况，CAN线正常。

图4 底盘CAN线测量阻值

根据转向的条件，转向控制器通过输出信号和输出电两个接脚将信号传递给转向电机，从而控制转向电机工作。通过测量输出信号与输出电之间的电阻，阻值为2.6 kΩ，阻值正常，不存在断路故障，再测量输出信号、输出电对地及对电源的电阻，均为∞，也不存在短路故障。

故障查到这，线路故障都已排除，只有可能是控制模块存在故障。判断是否是控制模块故障，最简单有效的方法时采用替换法。先将最为容易拆卸的转向控制器模块拆下并用新的模块替换后试车，故障依然存在。再用同样方法，更换底盘ECU后，故障依然存在。最后，更换遥控器接收模块，通电试车，车辆可以正常自检，自检结束后转向轮自动回正，此时用遥控器操作，转向正常，故障解决。

（3）故障分析。在该故障案例中，应检查最易出现故障的供电，再检查线路故障，在判断供电和线路正常的前提下最后再检查控制模块是否损坏。本案例中，故障恰好发生在最不易产生故障的遥控器信号接收模块，接收模块损坏后接收不到遥控器信号，故操作遥控器转向时无法实现转向。

3.3 故障案例3

（1）故障现象。一辆智能驾驶功能验证车，车辆上电后，车辆无法完成自检，采用遥控操作控制的方式，转向系统无响应。

（2）故障排查。反复上电试验，采用遥控器控制方式和CAN分析驱动控制方式转向系统均无响应。通过CAN分析仪读取转向数据组0x00C1，可看出转向没有任何动作，如图5所示。进一步检查，发现采用这两种控制方式控制驱动系统亦无响应。拆开该功能车底盘，检查转向控制器电源，发现转向控制器电源指示灯不亮。

图5 转向控制器CAN通信数据

测量转向控制器供电电压为0 V，本故障应跟转向控制器供电有关。根据电路原理（图2），查找该功能验证车的转向控制器供电电路，发现转向控制器和驱动电机控制器的供电均由主继电器供电。拔出主继电器，测量主继电器电压输入端电压为12 V，正常。进一步检测主继电器，主继电器85和86号脚之间电阻68 Ω，阻值正常，85和86号脚之间通12 V电后测试30和87号脚之间电阻为0 Ω，继电器正常。

继电器85号脚连接底盘ECU的61号脚，86号与底盘ECU的65号脚连接，在正常情况下61号脚通过ECU内部搭铁，而经过急停开关的12 V电源一部分到达ECU的65号脚，告知ECU急停开关所处的状态，另一部分到达继电器86号脚。测量86号脚电压为0 V，测量急停开关输出端电压亦为0 V，而急停开关的输入端电压为12 V。用万用表电阻档测急停开关输入和输出端之间的电阻，急停开关在按下和弹出状态时均为∞，此时可以判断是急停开关损坏。更换急停开关后，故障解决。

（3）故障分析。在该故障案例中，急停开关损坏，导致主继电器控制86号脚不能正常供电，主继电器无法工作，因此造成主继电器无法给转向控制器和驱动电机控制器供电，故采用遥控器控制方式和CAN分析仪驱动控制方式转向系统与驱动电机均无响应。

4 结 论

线控转向系统在智能驾驶车辆中的作用至关重要，能大幅提高汽车驾驶的安全性、可靠性和舒适性，必定成为未来汽车发展的重要技术。线控转向系统出现故障将严重影响智能驾驶车辆的性能和安全。理解线控转向系统的组成结构和控制原理，了解线控转向系统的关键技术，才能更好地掌握线控转向系统常见故障诊断和排除方法，这样才能有效保障智能驾驶车辆的行驶性能和安全性。