汽車線控轉向技術探討

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當前，我國的私家車數量迅速增加，而為了實現對汽車更加良好的控制，線控轉向技術被逐漸應用其中?；诖?，本文首先介紹了汽車線控轉向系統的基本組成及其工作原理，研究了汽車線控轉向系統中的關鍵技術，希望通過文章內容，大家能夠對汽車線控轉向技術有更進一步的認識。目前，汽車轉向系統中普遍采用線控轉向技術，這是一種較為先進的轉向技術。利用該種轉向技術的汽車車輪與轉向盤之間無需進行機械連接，能夠對汽車傳動比進行任意設計，主動控制轉向輪，同時可以根據車輛行駛速度相關參數的改變實施補償，確保理想的轉向特性得以良好實現，而且給底盤的布置提供了便利，符合當前汽車發展的特點，是一種值得大力推廣的技術。

1汽車線控轉向系統的基本組成及其工作原理

1.1汽車線控轉向系統的基本組成

汽車線控轉向有多種實現方式，例如：前后輪的線控轉向以及四輪的線控轉向。其中前輪的線控轉向又被分成多種，比如，汽車運用輪轂對電機形成的牽引力會使繞主銷的轉向力矩得以產生，實現汽車的轉向；或是利用兩個相對獨立的電機對汽車左右兩個輪胎進行驅動，完成阿克曼轉角。當前比較常用的線控轉向系統，采用的是轉向電機對齒輪齒條轉向器驅動的方式，具體結構如圖1所示。圖1汽車線控轉向系統基本結構關于汽車線控轉向系統，主要由控制器、前輪子系統以及轉向盤子系統等幾個部分組成。針對控制器，其包含如下算法：轉向盤前車輪的轉角算法以及正力矩的算法，分別對前輪子系統的協調處理及轉向盤子系統加以控制；針對前輪子系統，其包含轉向電機等系統，具有如下作用：追蹤參考前輪的轉角，給轉向盤子系統反饋相關信息內容，如汽車行駛狀況以及車胎受到外界作用力的實際情況；針對轉向盤子系統，其中包含轉向盤轉角傳感器和路感電機等部件，具有的作用如下：給汽車駕駛人員提供適宜的轉向感覺，同時給前輪轉角提供相關參考信號。

1.2汽車線控轉向系統的工作原理

駕駛人員轉動方向盤的過程中，控制器會依據方向盤轉角傳感器以及車輛行駛速度傳感器發出的信號，通過前車輪轉角的相應算法計算出參考前輪轉角，并給轉向電機傳送相關控制信號，令轉向電機實施PI與PD控制，確保這一參考前輪轉角得以實現。與此同時，控制器會結合轉向盤正力矩算法計算得出轉向盤回正力矩。轉向盤子系統針對電流實施PI控制，確保預期的回正力矩得以實現。另外，為了確保駕駛人員可以獲取更加良好的轉向感覺，可以針對轉向盤的阻尼與回正實施具體控制。

2汽車線控轉向系統中的關鍵技術

2.1傳感器技術

當前，汽車的生產加工中，眾多部件采用了電子控制的方式，這是現代汽車技術發展的重要特征之一。關于汽車電子控制系統，其實際控制效果主要取決于傳感器采集與反饋信息的精準程度，傳感器的科技含量與汽車整體電子控制系統的性能之間存在著密不可分的關系。針對汽車線控轉向系統，其需要運用采集汽車側向加速度的傳感器及測量汽車行駛速度的傳感器等多種傳感器。

2.2總線技術

國際上很多知名的汽車公司都在汽車總線技術的運用和研究方面進行了大力投入，伴隨著汽車總線技術的發展，汽車總線相關標準也變得越來越多，今后將會應用同時兼具高速和實時傳輸特點的總線標準與協議。例如，時間觸發協議、Byteflight以及FlexRay等。關于時間觸發協議，其是一個比較完整的通信協議，在分布式實時控制系統中進行運用，可以對眾多容錯策略進行支持，同時兼具節點的重新整合以及恢復的功能；關于Byteflight，其是由寶馬公司開發的在汽車線控系統中進行應用的網絡通信協議。該網絡通信具有多方面特征，不但可以使部分高優先級消息需要時間觸發的特點得到滿足，確保延遲方面的實際需要；同時可以使部分消息需要中斷進行處理以及事件觸發的需要得到良好滿足。也有部分汽車生產商采用的是FlexRay，該網絡通信系統十分適宜在新一代汽車中進行運用，同時具備確定消息傳送時間以及容錯兩個方面的重要作用，可以使汽車控制系統快速通信方面的實際需求得到良好滿足。戴姆勒-克萊斯勒、飛利浦、寶馬以及摩托羅拉公司共同研發創建了這一標準，博世、大眾汽車、通用汽車三家公司都加入了聯合開發協會，目前已有七個核心組織成員，一同努力研發汽車分布式控制系統內高速總線系統的相關標準。當前，關于FlexRay標準，飛利浦公司已經研發完成其物理層標準，而相關通信協議正處于開發狀態之中。這一標準的不但有力保障了信息傳輸的高度一致以及可靠程度，同時也使信息研發與具體的應用過程更加簡便，大幅縮減了成本投入。就當前的發展狀況而言，因為該標準是以事件及時間觸發作為基礎的協議，所以相對于僅僅采用時間觸發的協議更加具有優勢。將總線技術作為基礎的汽車線控轉向系統改變了以往的機械轉向系統，讓這一電氣系統采用了高速容錯通信總線相連接的方式，確保了系統網絡化、信息化以及自動化的良好實現。

2.3動力電源

在汽車線控轉向系統中，動力電源針對兩個冗余轉向電動機、兩個冗余轉矩反饋電動機以及系統內的電子控制單元供應電能。其中轉向電動機和轉矩反饋電動機分別需要500~800w和50~80w的功率，電源承受巨大負荷，所以確保系統整體工作的穩定性，動力電源的性能發揮著十分重要的作用。伴隨著功率消耗較大零部件的使用以及電子元器件的逐漸增加，汽車承擔的負荷也大大增加。如果繼續保持12伏的供電系統，便要采用提升電流的方式獲取更大的功率，然而電流過大會對系統整體的穩定性造成不良影響，汽車電路上熱能的耗損將會大幅加大。因此，汽車供電系統可以采用提升電壓的方式使汽車電氣系統逐漸增長的實際需求得到良好滿足。此種狀況下，42v汽車供電系統被研發出來。與此同時，42v電源的應用也給汽車線控轉向系統的發展提供了有利條件。電動機的重量變輕了約為20%，線束直徑變小，縮減了設計和運用成本投入，給其安裝提供了便利，減小了負載電流，并大大提升了電子元器件的集成度。這些方面的優勢在汽車線控轉向技術的研發中發揮著重要作用，勢必會促進線控轉向系統電動機及其有關元器件的高速發展。

2.4容錯控制技術

為了使汽車安全性以及可靠性方面的實際需求得到良好滿足，汽車線控轉向系統中務必要應用容錯控制技術。關于容錯控制技術，其實際設計方法分為兩種，分別是解析冗余法與硬件冗余法。關于解析冗余法，其是針對控制器的相關軟件進行設計，提升系統整體的冗余度，確保系統具有更強的容錯能力；關于硬件冗余法，采用的是給容易發生故障問題的部件以及一些較為重要的部件提供備份的方式，增強系統整體容錯方面的能力。針對汽車線控轉向系統，相比較ECU而言，執行機構與傳感器更加容易出現故障問題，部分執行機構與傳感器之間需具有一定冗余，冗余是確保容錯控制得以實現的重要前提，若是某個部件出現故障問題，可以運用冗余關系，使用其它部件加以取代，從而有效消除故障問題。相比較執行機構與傳感器而言，ECU具有更高的可靠性。然而若是ECU發生故障問題，將會產生更加嚴重的后果，由于在執行機構與傳感器發生故障問題時，系統整體依然能夠維持工作；但若是ECU發生故障問題，系統整體便無法實施任何操作。可以在汽車線控轉向系統中運用雙微機結構，這樣兩個微機之間可以相互檢測，確保了系統的穩定運轉。以容錯控制技術為基礎的汽車線控轉向系統，在不對系統整體控制作用造成影響的狀況下，容錯控制技術可以實現轉向系統可靠程度的提升，確保了汽車行駛過程中的安全。安全程度以及可靠程度是限制汽車線控轉向系統發展的重要瓶頸。國內以及歐盟相應標準中都不準許使用全動力轉向機構正是基于這方面的考慮。然而伴隨著科學技術的逐漸發展，汽車線控轉向系統的安全程度以及可靠程度也在日益提升，當前國家針對這方面的限制正在做出修訂，在汽車線控轉向系統的安全程度以及可靠程度可以達到普通動力轉向系統水準時，相信不久之后亦會實現產業化發展。

結束語：

總而言之，相較于以往的汽車轉向系統而言，汽車線控轉向系統大幅提升了汽車駕駛的安全性與可靠性，同時使汽車更加具有舒適性，是今后汽車行業轉向系統必然的發展方向。伴隨著汽車相關電子元器件生產成本的逐漸下降，42v電源技術的普遍運用及其控制算法的逐步發展，未來汽車線控轉向技術及其它線控技術將會全方位取代以往汽車所采用的機械傳動結構。線控技術會利用轉向、制動以及動力等系統，以集成化的方式針對汽車實施優化控制，大大提升汽車整體性能，相信無人駕駛的實現指日可待。

作者：王義全 單位：德州職業技術學院