汽车线控转向标准系统原理与未来消费前景

汽车线控转向系统原理与未来消费前景

观研天下

出版时间：2014年

导读：汽车线控转向系统原理与未来消费前景。线控转向系统是指通过通讯网络连接各部件的控制系统，它替代了传统的机械或液压连接，取消了转向盘和转向轮的机械连接，占据空间小，并可减少汽车发生碰撞时对驾驶员的伤害，线控转向系统提高了汽车的转动效率，缩短了系统响应的时间，从而进一步改善了驾驶特性，控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。

参考《中国汽车零部件市场需求调研与投资战略分析报告（2013-2017）》

线控转向系统是指通过通讯网络连接各部件的控制系统，它替代了传统的机械或液压连接，取消了转向盘和转向轮的机械连接，占据空间小，并可减少汽车发生碰撞时对驾驶员的伤害，线控转向系统提高了汽车的转动效率，缩短了系统响应的时间，从而进一步改善了驾驶特性，控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。交通工具如汽车、轮船、飞机都可以采用线控转向系统，从而增强了车辆的安全性和操纵稳定性。

1 线控转向系统的基本结构与工作原理

1．1 线控转向系统的基本结构

汽车线控转向系统是一种全新概念的转向系统，如图1 所示，它由方向盘模块、主控制器、车轮转向模块三个主要模块以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。

1) 方向盘总成由方向盘、方向盘转角传感器、方向盘回正力矩电机和力矩传感器等部件构成。方向盘总成首先是将驾驶人员的转向意图经过转换，变成数字信号，然后把数字信号传送给主控制器ECU，用于控制汽车前轮完成转向

运动，同时将汽车的行驶状态转换成方向盘的回正力矩信息，便于给驾驶员提供相应的路感信号.

2) 主控制器在汽车线控转向系统中，主要是采集信号，然后对信号进行处理、分析，同时向控制器、前轮转向电机以及方向盘力矩电机发送控制信号，由这些信号判断汽车的运动行驶状态，在此过程中对驾驶人员的操作实施监控，最终达到汽车智能化控制的目的。

3) 车轮转向模块由转向电机、控制器、转向器、前轮转角传感器、前轮转向组件等构成。它主要是实现驾驶员的转向意图，根据主控制器ECU 的命令，来控制转向电机，从而实现所要求的汽车前轮转角，同时要保证在不同的车速下汽车转向响应特性的基本一致性和准确性

1．2 线控转向系统的工作原理

工作过程: 来自转向盘传感器和各种车辆当前状态的信息送给电子控制

子系统后，利用计算机对这些信息进行控制运算，然后对车辆转向子系统发出指令，使车辆转向。同时车轮转向子系统中的转向阻力传感器给出的信息也经电子控制子系统，传给转向盘子系统中模拟路感的部件。工作原理如图

2 线控转向的关键技术

2．1 传感器技术

现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。汽车电子控制系统控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈的精度，传感器科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。汽车SBW 系统需要的相关传感器有: 角位移传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等。

2．2 动力电源

动力电源承担着SBW 系统中电子控制单元、2个转矩反馈电动机( 功率大约为50～80 W) 、4 个电动机的供电( 2 个冗余转矩反馈电动机和 2 个冗余转向电动机，2 个转向电动机功率大约为500～800W) ，电源负荷相当重，因此要保证整个系统的稳定工作，动力电源的性能至关重要。随着电子元件及其高功耗零部件的不断增加，使得汽车负荷成倍增加。若继续维持12 V 供电系统，就必须通过提高电流来获得更多的功率，但是过高的电流将给整个系统带来安全隐患，汽车电路上的热能消耗大大增加，所以汽车供电系统必须提高电压以满足现代汽车电气系统负荷日益增长的需要。于是，42 V 供电系统应运而生。42 V 电源的采用也为发展SBW 系统创造了条件: 电动机的质量减轻了20%; 减小了线束直径，降低了设计与使用成本，方便安装; 降低了负载电流; 提高了电子元件的集成度等。这些优点对其开发具有决定性的影响，必将大大推动SBW 系统的电动机以及相关部件的发展。

2．3 总线技术

汽车各电子系统的ECU 如何进行信息通信及各系统如何进行集成，在很大程度上依赖于总线技术。目前存在着多种汽车总线标准，未来会使用具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议。这一类总线标准主要有时间触发协议( TTP) 、Byteflight和FlexＲay。TTP 是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议，能够支持多种容错策略，具有节点恢复和再整合功能; BMW 公司的Byteflight 可用于汽车线控系统的网络通信，其特点是既能满足某些高优先级消息需要时间触发，以保证确定延迟的要求，又能满足某些消息需要事件触发，需要中断处理的要求; FlexＲay 是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信系统，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。基于总线技术的SBW 系统将传统的机械转向系统变成通过高速容错通信总线相连的电气系统，实现系统的智能化、自动化、网络化与信息化。

2．4 容错技术

线控转向系统除了能向车辆使用者提供良好的性能之外，还必须证明它的安全可靠性。线控转向系统中方向盘与转向轮之间的机械连接不再存在，完全依靠电子和电气元件工作，需要采用容错措施。容错技术的实现主要依靠冗余，即所设计的系统在功能上或者数量上有一定的冗余，当某个零部件出现故障时，其冗余部分就承担起相应的功能。

2．5 可靠性技术

线控转向系统发展过程中最大的困扰是可靠性的问题。由于线控转向系统中转向盘和转向车轮之间没有直接的机械连接，当电控系统出现故障时，车辆将无法保证转向功能，处于失控状态。随着技术的发展，电控系统的可靠性不断得到提高，在系统设计中大量引入了“冗余设计”的理念，比如: 传感器的冗余、电机的冗余、车载电源系统的冗余等，使线控转向系统的可靠性得到了明显提高。

为保证线控转向系统有充足的电能供应，而且为防止电源故障，必须使用更加安全的42 V 电源系统。在转向盘下方安置 2 个转向传感器，保证可以辨识出驾驶员的操纵意图。转向盘电机的供电采用了两路冗余设计; 为保证转向盘电机损坏时也可以施加回正力矩，在转向盘下方安装

1 个扭转弹簧或者安装第二个转向盘电机。为保证车辆前轮具有转向能力，使用了两路转向电机，相应地配备了

2 个转向传感器。在ECU 的设计和控制软件的设计上也都采用了冗余设计的思想。由于采用了上述种种措施，大大提高了线控转向系统的可靠性。为SBW 系统在汽车上的应用提供了保障

3 线控转向系统的前景展望在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，汽车线控转向系统以减轻驾驶人员脑力和体力劳动，提高整车的主动安全性作为出发点，以求获得最佳的汽车转向性能，使汽车具有一定的智能化，下面将从以下几方面说明其发展前景:

1) 从现代汽车工业的发展趋势来看，未来汽车的主体是低排放汽车

( LEV) 、混合动力汽车( HEV) 、电动汽车( EV) 、燃料电池汽车( FCEV) 四大EV 汽车，辅助驾驶系统和无人驾驶汽车是新兴的热门研究领域，实现汽车智能转向的最佳方案就是采用线控转向系统。

2) 从汽车生产成本来说，随着电子元件和芯片成本降低，可靠性和处理能力大大提高，这就为未来更多的消费者提供了低成本的便利.

3) 从现实情况看，预计42 V 电源将会得到迅速发展，各种车用传感器的精度将会大幅度提高。及模拟路感的电机振动技术变得更加成熟和完善，成本将会大幅度降低，这些为汽车线控转向系统在汽车上的应用创造了条件，为发展以及提供未来智能汽车驾驶技术的支持，都将具有深远的意义。