汽车线控转向控制技术综述

陈龙浩

摘 要：汽车的操纵性能决定了汽车的舒适性、安全性等关键性能，而转向系统直接决定了汽车的操纵性能。为了改进汽车转向系统的性能，线控转向技术的控制研究显得尤为重要，文章对于线控转向控制的核心进行介绍，将线控转向系统核心的控制分为三部分，路感模拟控制、主动转向控制、故障诊断与容错控制。详细说明了每一部分目前的研究现状，并对于不同的方法进行了比较分析。最后对于线控转向系统的瓶颈和发展的前景作出了分析。

关键词：线控转向系统;控制策略;发展前景

中图分类号：U463.4  文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）19-253-05

Overview of automobile steering by wire control technology

Chen Longhao

（Chongqing vehicle inspection and Research Institute Co.， Ltd.， National Coach Quality Supervision

& Inspection Center， Chongqing 401122）

Abstract： The car's handling performance determines the car's comfort， safety and other key performance， and the steering system directly determines the car's handling performance. In order to improve the performance of automobile steering system， the control research of steer by wire technology is particularly important. This paper introduces the core of steer by wire control. The core control of steer by wire system is divided into three parts： road sense simulation control， active steering control， fault diagnosis and fault-tolerant control. The paper describes the current research status of each part and the different methods. Finally， the bottleneck and development prospect of steer by wire system are analyzed.

Keywords： Steer by wire system; Control strategy; Prospects of development

CLC NO.： U463.4  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-253-05

前言

随着汽车技术的日益革新，在转向方面，各公司与科研机构取得了长足进步。汽车动力转向系统的发展从最初的机械转向和液压助力转向，发展为电动助力转向。但为了进一步地提高各项性能，目前各大机构和企业都着手研究关于线控转向方面的技术。

线控转向系统即用电信号的传递与控制代替传统转向系统中的机械连接结构。同时转向时方向盘上的阻力矩也由电机模拟产生，可以自由地设计转向系统的角传递特性和力传递特性[1]。在改善路感、改善转向特性、提高稳定性和安全性方面有明显优势，并且有利于底盘一体化集成控制。

1 线控转向的控制组成

线控转向的控制设计大体包括以下三部分，由于线控转向和传统机械转向的区别在于转向盘与转向轮之间不再具有机械连接，故对于驾驶员而言，驾驶中的路感便会产生差异。而线控转向的优势在于可以改变转向特性，当汽车低速行驶时减小转向传动比，提高转向灵敏性;高速行驶时增大转向传动比，使转向更加平稳，提高操纵性[2]。故在控制的设计中，主要需要考虑的是路感的模拟控制和主动转向控制，而电控部分并不能做到万无一失，所以需要在設计中考虑到故障容错控制。

以下章节分别综述三部分控制的主要方法，介绍了在发展过程中，出现了各种有效的控制方法，原理和比较各种方法各自的优势和不足。

2 路感模拟控制

2.1 路感的机理

传统转向系统在转向的过程中，通过机械连接转动方向盘，经转向系统的力传递控制使转向车轮实现转动，达到汽车的转向;同时可以实时从路面把驾驶员需要的转向力矩传递给驾驶员，这个转向力矩反映了整车的运动状态及轮胎的受力状态信息，通常将这种信息反馈称之为路感。路感是一种触觉信息，良好的路感能够降低驾驶员的驾驶难度，提高驾驶的安全性，因此也是评价汽车操纵稳定性优劣的主要指标之一。

由于线控转向系统取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过转向角信号和转向电机控制车轮转向，导致路感无法直接反馈给驾驶员，这从驾驶安全性角度考虑是绝对不允许的。针对这个问题，线控转向系统的方向盘总成中包含有路感模拟电机，用来产生作用于方向盘的阻力矩以模拟路感。

一般认为“路感清晰”指的是能够及时地反馈信息，具有好的回正能力，同时在汽车低速行驶时，转向较为灵敏，不需要驾驶员提供过大的转矩就能实现轻松转向，即低速转向轻便;高速时方向盘转动力矩较大，不易受路面状态影响车辆行驶平稳性，即高速行驶沉稳。

2.2 实现路感模拟的结构

根据作用的原理不同，在线控转向系统中实现的执行机构也有差异，执行机构一般为电机、磁流变液、操纵杆、基于液压作用等多种结构形式。

2.3 路感模拟的控制策略

2.3.1 基于汽车运动状态参数的控制策略

通过分析汽车运动过程中状态参数（如车速、方向盘转角、侧向加速度和整车质量等）对路感的影响，将这些参数进行非线性拟合得到计算路感的经验函数。然后根据之前所设定的路感目标进行调节和拟合参数得到现在所需的路感。为了简化控制策略的繁杂性，文献[3]以路感电机的电流值作为目标函数，通过车速、转向盘转角传感器将车速信号和驾驶员输入的转向角信号作为算法的输入变量，基于低速转向轻便和高速轉向沉稳的路感要求，控制汽车在低速行驶时转向轻便，此时路感电机的电流应小一些;高速行驶时，转向沉稳，此时路感电机的电流相应的应大一些。该方法只需要输入两个变量，能够简化控制策略，但是存在当拟合函数不够准确时控制精度不够，所获得的路感较差。中国石油大学的于蕾艳[4]提出了路感的评价指标，并根据车辆动态参数车速和方向盘转角计算轮胎的回正力矩，在研究了不同的传动力对输入阻抗和回正性的影响后，得到了以下结论：减少力传动比时，方向盘转动轻盈省力，使横摆角速度和侧向加速度响应值增大即动态响应性好;相反，增大传动比后，方向盘单位转角所需的力矩增大，车辆动态响应性降低，有利于保持车辆高速行驶稳定性，同时回正性降低。在调整力传动比参数后进行双纽线试验和蛇形实验获得了良好的路感评价性能，并改善了汽车的操纵稳定性。美国德尔福公司的Snaket Amberkar等对路感模拟和转向变传动比控制策略进行了研究设计，实验结果表明设计的控制策略对汽车载荷和轮胎的变化具有良好的鲁棒性[5]。

2.3.2 基于回正力矩的的控制策略

由于回正力矩是驾驶员获得路感的主要来源，故将回正力矩作为参考来模拟反馈给驾驶员的路感。文献[6]研究汽车的回正力矩所产生的机理，把回正力矩当做使整个系统扰动的来源，采用了双向控制扰动观测器来反馈路感，因此在估计回正力矩的过程中，可以不需要传统意义上的力矩传感器，但是这种方法要求控制器精度较高，并且存在估计的信号与真实的回正力矩可能会出现不一致的情况。因此有人直接在转向车轮上安装力矩传感器策略回正力矩，再将测量结果处理后直接通过路感电机反馈到转向盘上，这种办法较为方便。

文献[7]将自适应估计法则与快速非奇异终端滑动模式（FNTSM）控制方案相结合，提出了一种自适应快速非奇异终端滑动模式（AFNTSM）控制器。在建立汽车动力学模型后将自动回正扭矩和地面摩擦力视为外部干扰，通过AFNTSM控制器设计不仅可以有效估计和补偿回正扭矩干扰，并且能够使跟踪误差快速收敛应对外部干扰。试验结果表明与传统的FNTSM控制器和基于传统滑模的自适应滑模控制器相比，AFNTSM控制器具有更高的跟踪精度和更快的收敛速度，具有很大的优越性。然而该控制器的算法复杂，无疑给控制器硬件施加了额外的计算负担。

2.3.3 参考传统转向系统路感的控制策略

利用传统转向机构的路感产生的原理，利用轮胎纵向力、侧向力、车轮定位参数以及转向系统与地面的干摩擦系数建立的动力学模型，据此可以计算出相应的路感。文献[8]建立了转向系统的动力学模型，得到了计算回正力矩的公式，整车模型采用二自由度作为虚拟车轮参考模型估计产生路感。通过这种方法设计出的路感能达到跟传统转向系统近似的效果，可以很快让驾驶员适应手感，但是存在轮胎力和车轮定位参数等不易获得的问题。由轮胎、车辆动力学和道路之间的相互作用所产生的反馈力是至关重要的，然而它的检测与成本、健壮性和故障问题有关。为此文献[9]采用有利的估计算法对轮胎力进行估计，通过将摩擦力建模为随机Gauss—Markov过程，并设计了扩展卡尔曼滤波器估计轮胎受到的阻力矩，通过仿真数据和非线性车辆动力学模型验证了这种方法的有效性。美国天合汽车集团的孙晓东等[20]在对方向盘总成进行动力学建模时为了简化模型，采用了降阶的方法，并应用鲁棒控制算法实现了对路感模拟的闭环控制。通过matlab仿真和实车试验结果表明，文中设计的控制策略可以保证汽车具有良好的路感和操纵稳定性。

3 主动转向控制

线控转向系统能够无束缚地得到驾驶员进行转弯的指令目标输入和汽车的转向轮的变化之间的关系，汽车可以控制转向机构和行驶需要之间的关系，这样能够对车辆的进行调节。在现在国内外的背景下，与线控转向有关的主动转向主要分为三类，即变传动比控制策略、动态稳定性控制策略以及转向电机控制策略。主要有基于驾驶的系统自适应控制、有关横摆角速度和质心侧偏角的不同控制方法以及与车辆行驶轮胎有关的主动转向控制等。关于汽车稳定方面的指标大部分是分析车辆在行驶中的各方面信息，在关于车辆转向方面实行动态的控制。在主动转向控制系统中，可以通过设定线控转向系统的稳态增益控制理想转向传动比来提高汽车的操纵稳定性，还可以利用对线控转向系统进行多种反馈形式来改善其性能。

3.1 变传动比控制策略

汽车转向传动比的控制对于整车有着非常重要的意义。因为在设计的车辆中没有设计操纵盘和车辆的转动轮之间的相互运动机械连接结构，所以线控转向系统的传动比可以进行自由设计，以使其趋于理想化。根据有关汽车传动比的动力知识可知，线控转向系统的传动比的设定应该满足一些条件，即：当汽车在低速运行时，汽车的转向系统传动比应该小一些，这样转动较小的方向盘就能够获得较大的汽车前轮转向角，这样可以很好地调节驾驶员驾驶汽车时的舒适感和汽车的稳定性;而当汽车在高速运行时，汽车的转向系统传动比就应该大一些，这样当在驾驶过程中出现危险状况时，汽车不会因为转动了较小的方向盘转角而产生较大的转动，从而导致车辆失控;当汽车转过较小的弯道时，它的传动比应该能够变得小一些，这样可以让车辆转向迅速;当汽车通过较大的弯道的时候，它的传动比要被调节的大一些，这样可以让车辆转向轻快。合理地分析设计线控转向系统的变传动比的特性，可以实现上述要使传动比更优良的目标。

3.2 动态稳定性控制策略

现在应用于车辆上的线控转向系统的组成主要含有AFS、ARS和4WS三种形式，这三种形式的基本思想均是要利用变化的车辆转向轮的偏角，进而改变汽车车轮轮胎上的轮胎力，这样能够产生一个使汽车恢复之前的稳定性的作用力矩，这样就能够保证汽车在行驶过程中的稳定性，达到动态控制汽车的稳定性的目的。

在车辆稳定性的控制策略中包含分数阶PID和模糊PID的控制算法，PID的方法在其中应用的十分广泛。文献[10]中，作者根据其所设计的一种模型具有两个自由度的特点，并考虑到汽车行驶时的侧翻问题对其转向传动比的控制和侧翻的控制进行了研究，其中应用了模糊的PID控制，将得出的实际值与理论值进行比较，并作为之后的控制器的输入，然后结合设计的规则和模糊自适应PI控制器对汽车的稳定性和侧翻倾向进行了研究，实现了提高车辆的稳定性的目的。

一些根据汽车的控制的优化算法在对车辆的线控转向系统的主动转向中也有着非常广泛的利用。文献[11]中，作者开发了能够对全状态进行观测的控制，还有一种线性二次正定（LQR）的工具，通过这两种开发的控制器建立模型，并且采用灰箱技术对线控转向系统中的模型参数进行识别，采用这种技术可以有效地避免由于执行系统的非线性而对整个系统带来的影响。文献[12]中，作者设计了应用了鲁棒原理的车辆在转向时候的方案，在这个设计方案中，作者考虑了外部环境的干扰和系统的随机性，并且应用了鲁棒性的二次调节器，来对车辆在转向时的稳定性进行研究，提出了一种与这种调节器相关的较好的控制方案，然后利用相应试验的验证，证明该方案的主动前轮鲁棒性的调节机制可以很好的满足目标，对于汽车行驶过程的稳定有着较好的提高。

3.3 转向电机控制策略

通过接收上面两个的控制命令，然后利用电机或者液压系统对线控转向系统进行控制，以保证转向角控制的精确性。与传统的典型PID控制相比，模糊PID控制可以应用于多种环境当中，原因是它对于外界环境的干扰可以不受太大的影响。在转向执行总成中应用的电机一般为永磁同步电机，这种电机能够很好地应用于线控转向系统的应用电机当中，精确地完成对车辆转向角调节，对车辆的转向进行调节。

文献[13]中，作者在对电机进行控制时，参考线控转向系统存在的参数不确定性，依据这一现象设计了一种转向电机的控制器，这种控制器的要求能够自适应前馈扭矩控制，于是采用了齿轮齿条的结构，利用这种方法对系统设计了一种可以进行参数估计的装置，利用这种装置可以对系统的控制电机进行相关研究。

4 故障容错控制

对于线控系统，故障诊断与容错控制十分重要。由于线控系统取消了方向盘和转向轮之间的机械连接，要求要比传统的电控系统可靠性更高[14]。因此对于容错控制的要求也会高于现有的已成规模的相关电控系统的容错控制。软件容错和硬件容错共同组成了容错系统的一般部分，通过设计软件程序来解决故障，叫做软件容错，比硬件容错成本低，容错的能力有一定的局限性。硬件容错技术多数采取冗余原则来容错，其中有被动冗余的方法和主动冗余的方案，被动冗余的控制方案中，冗余的部分只是作为备份，当系统出现故障时，备份部分才开始加入工作。主动冗余控制的方法中，冗余部分与系统并行工作。容错控制的关键部分主要体现在线控系统传感器的容错和电机及控制器容错上，以下从各种研究算法和现状出发，综述相关的研究成果。

4.1 线控系统传感器故障容错控制

线控转向系统引入了电机及其控制器进行车辆驾路感模拟和转向动作执行，因此必然需要比传统转向更多的传感器，用来给系统提供运行信号，为了使控制器对电机施加合理的控制，比传统的控制更加精确，因此传感器容错控制对线控转向系统而言至关重要。

根据线控系统的一些特点，传感器的容错控制现今主要通过解析数学模型的方法来构建。在汽车线控转向的传感器的容错控制中，主要分为传感器故障诊断和故障补偿两大部分。文献[15]提出了一种线控转向的分析冗余的方法，研究是在非线性观测器和长距离预测的基础上开展的。为了对车辆的转向角进行估计，设计出了一种滑膜观测器。充分利用了组合线性车辆模型、线控转向系统和横摆角速度。通过长距离的预测方法，估计的转向角随着电流输入在不同的预测视角下来预测转向角。这种分析的方法可以用来减少多余的车轮角度传感器的数量，同时提高了可靠性。错误诊断、隔离和调节算法采用多数表决方案开发，用于检测故障传感器以保持安全驾驶性。将这种算法和研究建立的线性车辆模型在软件Simulink中进行仿真。设计出三个不同方面的常见故障来检测所提出算法的有效性，结果显示，故障诊断传感器所花的检测时间随着预测角度的增加而减少，说明了相对于单点观测所有故障，所提出的基于FDIA算法的预测分析更具有优势。但该方法只在仿真中证明其有效性，并未在实车中测试，故存在一定的局限性。

4.2 线控系统电机及控制器故障容错控制

在线控转向中，转向的动力来源于电机。主要包括了两方面：用来给驾驶员提供转向时的路感和动力。电机的可靠性是研究者们首先要考虑的因素，电机和控制器的容错就体现的十分重要。然而控制器又是决定了电机能否实现准确运行的核心部分，控制策略的提出，主要依据于整车和转向系统的状态，那样才能实现控制目标，线控转向的控制品质，很大程度上由控制器的稳定性来影响着。实时监测技术和设置冗余硬件是保证控制器稳定运行的两种手段，故而可以实现容错控制，线控转向的运行的品质得到了保证，根据控制器与电机之间的控制关系，可以对电机出现故障时所需要的补偿控制进行相关研究，那样就为能够在最大限度上保证线控转向的可靠性提供了可能。

文献[16]提出了一种用于EPS和线控转向系统的冗余解，两个电机放置在同一个轴上，滚珠丝杠系统将旋转运动转换为转向齿条的直线运动。为了使要求达到最佳状态，得出了IPM电机是一种行之有效的解决方案。分析了最严重的的三相电路短路的情况，在稳态和瞬态条件下，计算最大制动力矩和短路电流，最大制动力矩与有效制动力矩之间的关系和电机参数在电机设计中得到应用。最后，一种减小转矩脉动的技术被提出。利用所提出的冗余结构，不仅可以优化转子叠片，而且可以采用两个電机之间的不同的对准。允许转矩谐波有效的补偿，从而实现转矩尽量平滑。文献[17]的容错控制方法是，附加一个驱动桥电路，分析了适用于汽车线控系统的三种容错永磁无刷直流电机逆变器拓扑结构。

5 总结与展望

本文全面综述了汽车线控转向系统的控制的主要方法，现阶段的理论研究情况和实际应用情况。从驾驶员获得的模拟的路感、主动转向控制和容错控制三个方面出发，详细地综述了汽车线控转向的主要控制方法。线控转向的优越性不言而喻，但由于其本身的出现最初是应用于飞机，但在汽车的设计控制研究中，具有一定的借鉴意义，还有一些问题需要解决，只有这些问题得到解决，线控转向系统才能真正的大面积面向市场。

在汽车行走在复杂路况、复杂交通环境条件下，如何使得线控转向系统的自适应性和抗干扰能力进一步提高。

前面章节对于线控系统的控制研究现状进行了分析，绝大多数停留在实验室阶段，尚且只能在仿真试验中证明其研究成果的有效性，所以还需解决实车装载与实车性能试验验证的问题，为市场推广与应用奠定基础。

转向与汽车的操纵稳定性有着十分密切的关系，由于考虑到了十分复杂的行驶工况，线控转向的研究需要着重地考虑车辆的操稳性能和驾驶员与车辆上的乘员的舒适性，这是评价线控转向系统的主要分析和评价的指标。

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