线控转向系统技术综述与实车应用(二)

◆文/江苏 高惠民

(接2022年第6期)

六、SBW系统的路感反馈控制

汽车转向系统主要有两大功能：一是操纵转向，驾驶员通过操纵转向盘来控制转向轮绕主销转动；二是反馈路感，将整车及轮胎的运动状态、受力情况通过转向盘反馈给驾驶员，即路感。前者驾驶员是输入，实现转向系统的角位移功能；后者是将路感反馈给驾驶员，实现力传递功能。二者结合，构成了汽车转向过程中的“人一车—路”的闭环控制。

1.转向盘力矩分析

驾驶员在操纵车辆过程中，转向盘操纵转矩与转向盘转角、车速以及路面附着情况等密切相关。为了让驾驶者能够清晰地触摸到这些信息，所设计的SBW转向盘上力矩模型(图9)，充分考虑转向盘力矩影响因素，如反馈力矩、摩擦力矩、阻尼控制力矩、限位控制力矩以及主动回正力矩，这些可以看作转向盘上的反作用力。所建立模型是这些力矩的总和。

图9 SBW系统转向盘反作用力矩模型

(1)反馈力矩

根据车辆行驶状态反馈给驾驶员的力矩，其大致反映了车辆的行驶状态和路面状况。在相关标准和文献的研究中，大量的研究结果表明车速、转向盘转角、侧向加速度与转向盘转矩之间存在密切联系。

①汽车低速行驶时，其侧向加速度的变化较小，驾驶员不易感知到此车身信息的变化，但是对转向盘转角变化却非常敏感，因而在设计路感时，转向盘转角和车速信息要占比较大的权重。

②汽车高速行驶时，由于受到车辆操纵稳定性的制约，转向盘在较小的范围内转动，此时转角的变化对侧向加速度的影响很大，驾驶员对侧向加速度变化反而很敏感，因而在设计路感时，要重点考虑侧向加速度和车速对转向盘力矩的影响。

③汽车在高、低速之间行驶时，此时的车速越大，则转向盘力矩越大。驾驶员对侧向加速度和转向盘转角都较为敏感，因而在设计路感时，不仅要考虑转向盘转角的影响，也要将侧向加速度和车速对转向盘力矩的影响考虑进去。

(2)摩擦力矩

在机械结构中，摩擦力矩是一直存在不可忽略的。而SBW系统因断开了转向管柱与转向器间的连接，所以驾驶员能够直接感受到的摩擦力矩只来源于转向盘总成。考虑到转向管柱的制造及装配引起的摩擦力矩的不确定性，摩擦力矩较小近似常数，设计为随车速变化的函数，满足驾驶员在不同车速下对路感的需求。

(3)阻尼控制力矩

汽车在高速行驶时，驾驶员较小的转向盘误操作都将导致失稳现象的发生，为缓解此种情况，在建立转向盘力矩模型中添加阻尼控制力矩。适当的阻尼力矩控制可减少驾驶员撒手回正后引起的转向盘超调和抖动现象。其大小可以认为与转向盘角速度成比例关系，随着角速度与车速的增大而增大。

(4)限位控制力矩

限位控制是指驾驶员在转动转向盘到转角极限时，给予驾驶员限位提示。在传统转向系统中，因转向管柱与转向器之间存在机械连接，驾驶员可以准确的感知到转向盘允许转过的最大角度。而在SBW系统中，限位装置需要重新设计，让驾驶员在装有SBW系统的汽车上能有传统汽车同样的限位感触，提高驾驶的安全性和稳定性。SBW汽车目前有两种方式进行限位：一是机械限位，即在转动的最大位置处加装机械结构进行限位；二是软件限位，通过编写限位控制程序以达到限位的目的，一旦驾驶员转动转向盘超过设定范围后，控制器立即驱动路感电机施加与驾驶员相反方向的力矩阻止驾驶员的过操作行为。与机械限位相比较，软件限位的方法更能体现出SBW系统角传动比自由设计的优势以及路感设计时的灵活性与多样性。

(5)主动回正力矩

转向系统的回正力矩主要由车轮受到地面的侧向、垂向以及横向三个方向的反作用力和车轮定位参数引起的，它能够准确并敏感地反映出车辆行驶车速、前轮转角以及路面附着系数和道路不平度等信息的变化。考虑到SBW系统中转向盘到转向器之间不存在机械连接，驾驶员撒手后SBW汽车转向盘不会回正。因此，有必要对转向盘进行主动回正控制，即通过路感电机控制转向盘回正。为克服转向盘回正过程中的阻力，采用基于左右车轮转向角度偏差控制的主动回正力矩，将主动回正力矩设计为随转向盘转角和目标回正转角差值的增大而增大的函数，同时，在回正过程中，过快的转向盘回正速度同样会导致转向盘的超调与抖动现象，因此需要将阻尼控制也考虑在内以保证转向盘顺利平稳地回正。

2.线控转向系统的路感控制策略

综上所述，根据转向盘上的力矩分析，目前SBW系统的路感模拟控制方法主要有四种，各种控制策略特点如图10所示。

图10 SBW系统的路感控制策略特点图

第一种为传感器测量方法，由于齿条处力矩包含有轮胎力和回正力矩等信息，所以使用传感器测量齿条力的数据经过滤波处理就可以作为反馈力矩。

第二种测得转向电机电流等效路面负载。SBW系统感受到的来自路面、轮胎的力矩反馈，该反馈主要来自汽车在行驶过程中受到的回正力矩及整个系统的摩擦力矩。其中，回正力矩主要由轮胎与地面间的阻力矩、轮胎和主销定位产生的力矩和转向系统的惯性力矩组成，并且还受轮胎特性、路面附着条件、车速等影响。SBW系统通过转向电机输出的力矩需要克服轮胎受到的地面阻力和转向系统的惯性及摩擦力，转向电机驱动器中的电流可以很好地包含这些状态信息。因此，在转向电机输出力矩反馈中引入电流环设计。通过测量得到汽车转向电机电流进而得到齿条力反馈给路感电机。转向电机电流与车速、转向盘力反馈电机电流的关系(图11)。同时，为了避免阻力变化干扰导致方向盘抖动，在电流反馈的基础上增加阻尼控制，经调节力矩反馈系数实现SBW系统的路感模拟。转向电机电流等效路面负载控制策略框图如图12所示。

图11 转向电机电流与车速、转向盘力反馈电机电流关系

图12 转向电机电流等效路面负载控制策略框图

第三种是根据经验设计路感反馈，也叫参数拟合法，即根据汽车的状态与路感存在一定的关系来设计路感模拟策略，通过传感器测量一些容易测得的参数，如转向盘转角、车速、侧向加速度等，根据测得的数据将路感与数据设计成函数关系式，以达到模拟路感的设计目标，同时满足驾驶员对路感的要求。

第四种是基于车辆动力学模型的方法，依据车辆动态响应、驾驶员转向盘输入等状态，利用车辆动力学模型估算轮胎回正力矩和需要补偿的反馈力矩，进而计算期望的反馈力矩指令。该方法对车辆状态、驾驶风格具有自适应能力，是目前研究的主流，典型的基于动力学模型的路感反馈控制思路如图13所示。按照模块的功能，可以将路感反馈控制策略分为2个层次，上层控制策略计算期望的路感反馈力矩，下层控制策略准确、快速执行该反馈力矩。

图13 基于动力学模型的路感反馈控制原理图

七、线控转向系统容错和故障诊断

源于飞机线控操纵而开发的汽车SBW技术必须要符合汽车安全、节能、环保的要求，这是汽车结构的重要变革。但是正由于线控转向系统在转向盘和转向轮之间不存在机械连接 ，电子设备的鲁棒性比机械、液压部件低，电子部件可能毫无预警信号地发生故障。某个传感器、执行机构或电子控制单元发生故障时，必须快速以容错方式处理，否则将发生不期望的转向乃至事故。因此，亟待提高的容错与故障诊断技术是线控转向技术能够产业化的关键技术之一。

1.线控转向系统的容错技术

容错技术大多采用冗余原则，包括被动冗余方案与主动冗余方案，被动冗余方案中冗余部分作为备份，只有系统出现故障时才工作；主动冗余方案中，冗余部分与系统并行工作。SBW系统的容错方法主要包括硬件冗余容错方法和软件容错方法等。

硬件冗余是在SBW系统基本结构的基础上将一些关键电子部件如传感器、执行机构、通信网络、电源等两倍、甚至三倍冗余，三倍冗余成本较高，大多采用两倍冗余。如2013年日产(Nissan)公司在量产的英菲尼迪Q50车型上首次采用了线控主动转向(Direct Adaptive Steering，DAS)系统，如图14所示。公开的技术资料表明：DAS系统共有三个ECU单元，这三个ECU是彼此互通的，可以对彼此的运行状态进行相互监控；如果其中一个ECU出现运行故障，系统仍可根据其他两个正常ECU的处理结果进行转向准确控制，最后即使所有电子系统发生故障，系统还可以通过离合器控制转向盘和车轮转向系统进行机械连接，实现机械转向系统功能；DAS系统的转向执行电机也采用双电机驱动。

图14 英菲尼迪Q50线控主动转向结构图

2.关键部件的容错方法

仅通过硬件冗余实现容错的线控转向系统缺点是结构复杂，成本较高。为了降低成本，不牺牲容错性能的前提下必须降低冗余部件的总数。利用解析冗余，SBW系统大多采用软件冗余(完整性控制)与硬件冗余相结合的容错控制方法。 图15是日本丰田汽车零部件子公司JTEKT研发的SBW转向子系统两倍硬件冗余容错结构示意图和E/E架构框图。

图15 JTEKT研发的SBW系统硬件冗余结构示意图和E/E架构框图

采用了电气和电子系统(E/E架构)冗余和备用电源(BPS)。如果其中任何一个单元出现故障，则仅正常工作的单元独立运行。如果正常的单元也发生故障，则两个单元均停止运行。主电源发生故障时，则从BPS向E/E系统供电，E/E系统可以持续运行。另外，还设置了一个功能，在SBW系统正常启动前和运行结束后固定转向盘的位置，防止转向盘在系统运行中过度转向。

启动时，打开点火开关后，两个单元同步，转向盘角度和车轮转角进行相位匹配。匹配完成后，系统控制在车辆发动机和BPS启动完成后启动。最后，在关闭点火开关并锁定转向盘后，系统控制结束。

(1)双转向电机冗余同步控制问题

双转向电机冗余是一种较为简单直观且十分可行的容错控制手段，多项研究都采用了备份执行器的方式提高SBW系统的可靠性。然而，无论是在转向器齿条上还是转向管柱上，安装多个执行器的弊端之一就是执行器之间会存在不同步的问题，导致力矩冲击或不平衡，影响转向器寿命。为了解决这电机线控转向系统的同步性问题，采用双电机智能控制方法，转向电机A和转向电机B均采用三闭环控制，其中转角环和电流环采用PID控制，转速环采用第一滑模控制器控制；转向电机A和转向电机B之间采用交叉耦合补偿控制结构，采集转向电机A和转向电机B的实际转速做差经过第二滑模控制器得到的控制信号分别补偿给转向电机A和转向电机B的电流环，从而快速消除两电机之间转速不一致性达到同步控制。控制原理如图16所示。

图16 SBW系统双转向电机转速同步控制原理图

(2)双路感电机反作用力矩问题

路感是指汽车行驶过程中驾驶员通过转向盘反馈得到的转向阻力矩，这个力矩包含了整车及轮胎的运动和受力状态信息，对驾驶员掌握汽车运动状态和行驶环境状况有重要的作用。良好的路感是保证汽车操纵稳定性不可缺少的部分。在SBW系统中反馈给驾驶员的路感是通过ECU控制方向盘总成中的路感电机模拟生成。

但是，路感电机发生了故障的情况下，则驾驶员所感受到的路感作用力矩变小，驾驶员难以正确地控制转向操纵角。例如，存在驾驶员超出本意过度地转向操纵转向盘的可能性。因此，优选防备路感电机的故障，准备路感冗余系统。丰田汽车公开了一种SBW系统。在路感电机发生了故障的情况下，通过路感冗余系统的路感反馈电机电流控制对转向盘施加某种程度的反作用力扭矩。图17是SBW系统操纵路感反作用力控制单元的E/E冗余结构的示意。路感反作用力产生单元包括相互独立的第一单元与第二单元。第一单元与第二单元具有相同的结构，能够根据相同的机理生成路感反作用力扭矩TR。

图17 SBW系统路感反作用力控制单元的E/E冗余结构示意图

第一单元的路感电机转子经由减速器与输出轴相连。输出轴经由齿轮等传动机构与转向盘轴相连。能够将路感反作用力扭矩TR传递给转向盘，该路感电机动作由控制单元控制。控制单元能够根据第一单元的路感电机电流传感器检测识别第一单元的故障(异常)。同样，第二单元是第一单元备份，其结构和工作原理与第一单元相同。

控制装置的反作用力控制特性如图18所示。图中横轴表示转向盘操纵转向角θ，纵轴表示由转向操纵反作用力生成单元产生的反作用力扭矩TR。反作用力特性不固定，能够通过控制单元对路感电机动作控制来调整。考虑第一单元与第二单元的两者正常的情况。控制单元控制第一单元与第二单元中的至少一者的路感电机的动作，产生通常特性的反作用力扭矩(Cn曲线)。通常特性Cn曲线具有随着转向操纵角θ增加而反作用力扭矩TR增加的趋势。这个反作用力扭矩反馈到驾驶员的手感上，因而驾驶员容易正确地控制转向操纵角θ，即能够良好地确保转向盘的操作性。接下来考虑第一单元与第二单元中的一者发生了“单一故障 (single failure)”的情况。在单一故障的情况下，控制单元控制第一单元与第二单元中能正常工作的另一者的路感电机的动作，产生第一特性(C1曲线)的反作用力扭矩TR。与通常特性(Cn曲线)相同，第一特性C1曲线具有随着转向操纵角θ增加而反作用力扭矩TR增加的趋势。由此，在单一故障时，也能够再现适度的增长感，能够良好地确保转向盘的操作性。但是，控制单元使第一特性C1曲线的反作用力扭矩TR的大小从通常特性Cn“积极地”变化。单一故障时的第一特性C1曲线从通常特性Cn曲线发生变化，因而驾驶员容易识别“产生了单一故障”的手感。

图18 路感反馈系统反作用力矩特性曲线图

图19中除了显示出通常特性(Cn曲线)与第一特性(C1曲线)之外，还显示出第二特性(C2曲线)。第二特性是第一单元与第二单元两者发生了故障的“双重故障 (double failure)”的情况下的反作用力扭矩TR的特性。在双重故障时，无法控制路感电机的动作生成反作用力扭矩TR。第二特性(C2曲线)的主成分为减速器等引起的机械摩擦力矩。在第二特性(C2曲线)中，无论转向操纵角θ如何，反作用力矩TR大致一定。 在图中，表示通常特性(Cn曲线)的与表示第二特性(C2曲线)在转向操纵角θ＝规定值θx的点交叉。第一转向操纵角范围R1段是转向操纵角θ为0(空挡)至规定值θx的范围。第二转向操纵角范围R2段是转向操纵角θ大于规定值θx的范围。

图19 路感反馈系统“双重故障”反作用力矩特性曲线图

在第一特性(C1曲线)设定为通常特性(Cn曲线)与第二特性(C2曲线的中间。即在第一转向操纵角范围R1段内，第一特性(C1曲线)的反作用力扭矩TR大于相对于相同的转向操纵角θ的通常特性(Cn曲线)的反作用力扭矩TR，小于相对于相同的转向操纵角θ的第二特性(C2曲线)的反作用力扭矩TR，(C2＞C1＞Cn)。另一方面，在第二转向操纵角范围R2段内，第一特性(C1曲线)的反作用力扭矩TR小于相对于相同的转向操纵角θ的通常特性(Cn曲线)的反作用力扭矩TR，大于相对于相同的转向操纵角θ的第二特性(C2曲线)的反作用力扭矩TR，(C2＜C1＜Cn)。这是因为万一产生了双重故障时，驾驶员更容易感受路感反作用力矩变动而从容应对。

图20是简要地表示所涉及的反作用力控制的流程图。在步骤S100中，控制单元对是否产生了单一故障进行判定。在未产生单一故障的情况下(步骤S100；否)，处理进入步骤S200。另一方面，在产生了单一故障的情况下(步骤S100；是)，处理进入步骤 S300。 在步骤S200中，控制单元进行通常反作用力控制。具体而言，控制单元基于转向操纵角θ、车速V等计算通常特性(Cn曲线)的目标反作用力扭矩。而且，控制单元进行第一与第二单元中的至少一者的路感电机的电流控制，以便获得目标反作用力扭矩(步骤S210)。另一方面，在步骤S300中，控制单元进行单一故障反作用力控制。具体而言，控制单元基于转向操纵角θ、车速V等计算第一特性(C1曲线)的目标反作用力扭矩。而且，控制单元进行第一单元与第二单元中的正常的系统的路感电机的电流控制，以便获得目标反作用力扭矩(步骤S310)。

图20 路感反馈系统反作用力矩控制流程图

八、展望

一汽丰田旗下全新车型bz4x正式在中国上市。这是丰田e-TNGA架构下的首款纯电SUV。在bz4x车型上选装One Motion Grip(单把操纵)模块化驾驶操作系统将线控转向系统与异形转向盘结合，舍弃了转向盘与轮胎之间的机械连接(图21)。bz4x与竞争车型相比，具备了五大竞争优势。

图21 丰田bz4x线控转向异形转向盘示意图

1.转向盘转动角度设定为±150°，无需换手打轮即可完成转向操作，极大减轻了驾驶员在掉头、入库、弯道行驶等时的操作负担。

2.通过独立控制转向盘转向力矩与车轮转角，提升操控感。与选择驾驶模式联动，改变转向装置的特征。

3.阻断轮胎带来的不必要振动，只传达路面状态等必要信息。在经过凹凸不平路面，或车道跟踪辅助功能运行时，控制轮胎的动作，确保车辆的安全性。

4.“One Motion Grip”扩展了腿部空间，提升了驾驶位的自由度及上下车便利性。

5.旋钮式换挡(丰田首次)，操作更为直观简便。

SBW系统通过电控单元控制转向电机进行车辆方向控制的方式，能够完成主动转向及自动转向功能，实现辅助驾驶、平行驾驶甚至自动驾驶，通过调节驾驶员与转向系统控制器之间的控制权重，不仅能根据不同驾驶员的驾驶习惯、驾驶特性以及车辆当前的行驶情况，提供个性化的驾驶辅助，还能够帮助驾驶员逐步适应从辅助驾驶到自动驾驶的过渡，是智能汽车转向系统的最佳选择。

未来性能更优越、优点更多的线控转向开发与使用将成为必然。线控转向更符合未来智能驾驶技术的发展需求，当智能驾驶不需要人参与时，转向盘就成了多余。因此，线性技术在未来也将会有良好的商业化和产业化的市场前景。

(全文完)