汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與應用

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與應用

轉(zhuǎn)向性能是車輛的重要性能之一，直接影響著車輛的操縱穩(wěn)定性和主動性。對保證車輛的安全行駛、減少交通事故、保護駕駛員的人身安全以及改善駕駛員的工作條件起著重要作用。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的迅速發(fā)展,汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從純機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HPS)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EHPS)、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS),發(fā)展到利用現(xiàn)代電子和控制技術(shù)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(SBW)。SBW(Steering-By-Wire)系統(tǒng)是繼EPS后發(fā)展起來的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng),它完全擺脫了傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計理念,取消了方向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接,由電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制汽車的轉(zhuǎn)向,減少了路面的沖擊,降低了噪聲,消除了碰撞時方向柱對駕駛員的傷害,增大了駕駛員腿部活動空間,提高了駕駛舒適度,是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大革新。轉(zhuǎn)向盤和車輪轉(zhuǎn)向SBW的工作原理是,當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)向傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器,將測量到的駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號送給主控制器,主控制器對信號進行分析處理后將控制信號傳遞給轉(zhuǎn)向電動機,轉(zhuǎn)向電動機輸出轉(zhuǎn)向所需的扭矩帶動車輪轉(zhuǎn)向,從而實現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。SBW系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤模塊、前輪轉(zhuǎn)向模塊和主控制器以及故障診斷與容錯控制模塊、電源等組成,其結(jié)構(gòu)如附圖所示。轉(zhuǎn)向盤模塊包括:方向盤、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器、路感電動機。轉(zhuǎn)向盤模塊通過測量方向盤轉(zhuǎn)角,將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器,主控制器對采集的信號進行分析處理,判別汽車的運動狀態(tài),向前輪轉(zhuǎn)向模塊發(fā)送指令,通過轉(zhuǎn)向電動機控制器控制轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同時,主控制器向路感電動機發(fā)送轉(zhuǎn)矩信號,產(chǎn)生轉(zhuǎn)向盤回正力矩,以提供給駕駛員相應的路感。前輪轉(zhuǎn)向模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向電動機、轉(zhuǎn)向電動機控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。前輪轉(zhuǎn)向模塊的功能是接受主控制器的命令,控制轉(zhuǎn)向電動機實現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角,完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,并將測得的前輪轉(zhuǎn)角信號反饋給主控制器。主控制器模塊對采集的信號分析處理,判別汽車的運動狀態(tài),向路感電動機和前輪轉(zhuǎn)向電動機發(fā)送命令,控制兩個電動機協(xié)調(diào)工作,以實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向和駕駛員路感的模擬。主控制器還可以對駕駛員的操作指令進行識別,判定在當前狀態(tài)下駕駛員的轉(zhuǎn)向操作是否合理。當系統(tǒng)檢測到駕駛員的轉(zhuǎn)向操作不合理,系統(tǒng)指令出現(xiàn)錯誤或汽車處于非穩(wěn)定狀態(tài)時,主控制器能及時屏蔽錯誤指令,并以合理的方式自動駕駛車輛,使汽車盡快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。另外,當線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,主控制器能及時、準確采取措施進行補救,使駕駛員有效控制車輛。故障診斷與容錯控制模塊是在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有故障時,為了確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本轉(zhuǎn)向功能而設(shè)計的備用模塊,它包括一系列的監(jiān)控和實施算法,針對不同的故障形式和故障等級做出相應的處理,以求最大限度地保持汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全性能,保證汽車的正常行駛。路感模擬控制策略的優(yōu)點(1)改善了操縱穩(wěn)定性改善了傳統(tǒng)汽車所不能解決的汽車轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向響應時間的矛盾,使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向盤同步工作,控制更加靈敏;具有變傳動比特點的SBW系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向角傳動比固定所帶來的轉(zhuǎn)向特性隨汽車行駛姿態(tài)的不同而變化的缺點。(2)提高了舒適性由于取消了傳統(tǒng)的機械連接,地面的不平和轉(zhuǎn)向輪的不平衡等擾動不會傳遞到方向盤上,從而減輕了駕駛員的疲勞。而轉(zhuǎn)向柱的取消使得駕駛員腿部活動的空間增加,駕駛和出入更方便自由。(3)改善了路感由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間無機械連接,反饋給駕駛員的路感是通過主控制器控制轉(zhuǎn)向盤總成中的路感電動機模擬生成。因此,設(shè)計路感模擬控制策略,時可以從汽車各種信號中提取最能夠反映真實路感的汽車行駛狀態(tài)和路面附著條件等作為路感模擬控制變量,從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。(4)節(jié)能環(huán)保取消了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機械和液壓裝置,僅用電動機進行驅(qū)動,從而避免了液壓油泄漏、液壓油管和油封等廢棄物對環(huán)境的污染。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)僅在需要轉(zhuǎn)向時電動機才有功率輸出,省去了傳遞效率極低的皮帶傳動,提高了傳動效率、燃油經(jīng)濟性和環(huán)保性。線控制與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1.傳感器性能的影響傳感器是組成線控系統(tǒng)的基本單元,線控系統(tǒng)控制效果緊緊依賴于傳感器的信息采集和反饋精度,因而傳感器性能直接影響整個線控系統(tǒng)的性能。研制可靠性高、成本低、高精度、集成化的傳感器成為線控系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。2.冗余控制法線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展過程中最大的困擾是安全性和可靠性問題,為解決這一問題就必須采用容錯控制技術(shù)。容錯控制技術(shù)方法包括硬件冗余方法和解析冗余方法兩種。硬件冗余方法是通過對系統(tǒng)重要部件及易發(fā)生故障部件進行備份,以提高系統(tǒng)的容錯性能。冗余是容錯控制的基礎(chǔ),一旦某個部件出現(xiàn)問題,則可以利用冗余關(guān)系,用其他部件代替故障部件,以消除故障。解析冗余方法主要是通過設(shè)計控制器的軟件來提高整個系統(tǒng)的冗余度,進而改善整個系統(tǒng)的容錯性能。3.分布式實時通信協(xié)議目前存在著多種汽車總線標準,一些高速實時傳輸特性的總線標準和協(xié)議將得到應用。這一類總線標準主要有時間觸發(fā)協(xié)議(TTP)、Byteflight和FlexRay。TTP是一個應用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整通信協(xié)議,能夠支持多種容錯策略,具有節(jié)點恢復和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽車線控系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信,其特點是既能滿足某些高優(yōu)先級消息需要時間觸發(fā),以保證確定延遲的要求,又能滿足某些消息需要事件觸發(fā),需要中斷處理的要求;FlexRay是一種高速度、雙信道、時間觸發(fā)容錯協(xié)議。FlexRay通過在確定的時間槽中傳遞信息,以及在兩個通道上的故障容錯和冗余信息的傳送,滿足了故障容錯與時間確定性的需求。4.提高電壓以滿足汽車電氣系統(tǒng)負荷日益增長的需要要保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,電源的性能至關(guān)重要。隨著電子元件及其高功耗零部件的不斷增加,使得汽車的電負荷成倍增加。比如SBW系統(tǒng)中動力電源承擔著電子控制單元、四個電動機的供電(冗余路感電動機和冗余轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機),路感電動機功率大約50~80W,轉(zhuǎn)向執(zhí)行電動機功率大約500~800W,電源負荷相當重,若繼續(xù)維持12V供電系統(tǒng),就必須通過提高電流來獲得更多的功率,而高電流會大大增加汽車電路上的熱能消耗,給整個系統(tǒng)帶來安全隱患,所以汽車供電系統(tǒng)必須提高電壓以滿足現(xiàn)代汽車電氣系統(tǒng)負荷日益增長的需要。42V電源的采用為線控技術(shù)的發(fā)展提供了條件。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的試驗研究汽車線控轉(zhuǎn)向概念的提出最早可以追溯到20世紀50年代。60年代末,德國的Kasselmann等設(shè)計了電子主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng),這便是早期的SBW系統(tǒng)。1990年德國奔馳公司率先開始了前輪SBW系統(tǒng)的研究,并將它應用于概念車F400Carving上。隨后世界各大汽車廠商和研發(fā)機構(gòu)包括美國的TRW、德爾福、戴姆勒-克萊斯勒、寶馬、ZF,以及日本的光洋KOYO、本田汽車公司等都對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做了深入研究。1998年,ZF公司在開發(fā)出電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之后,又積極開發(fā)研究了自己的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),目前已經(jīng)研發(fā)出整套的SBW系統(tǒng)。2001年,意大利的Berstone汽車設(shè)計及開發(fā)公司在第71屆日內(nèi)瓦國際汽車展覽會上展示了新型概念車“FILO”,其整體驅(qū)動均采用了線控的思想,轉(zhuǎn)向、加速、制動、換擋、離合都是由線控系統(tǒng)控制完成。2002年,通用公司在巴黎車展上展示了世界上第一輛可駕駛的燃料電池線控HYWire概念車。它取消了儀表盤、轉(zhuǎn)向盤以及制動踏板,而以“X-Drive”設(shè)備代替。擺動設(shè)備上的手柄即可實現(xiàn)加減速,按下制動促動器即可制動。2003年,日本豐田公司在紐約國際車展上推出了采用線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的LexusHPX概念車,該車儀表盤集成了各種控制功能,實現(xiàn)了車輛的自動控制。此外如雪鐵龍、本田等公司,也都開發(fā)了匹配有SBW系統(tǒng)的概念車。國內(nèi)SBW系統(tǒng)的研究起步較晚,對線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究還僅限于高校的研究,主要集中于理論建模與分析以及試驗平臺的開發(fā)設(shè)計。(1)2004年同濟大學在工博會上展出的“春暉三號”電動車采用了線控轉(zhuǎn)向技術(shù),其轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向盤間實現(xiàn)了無機械連接。(2)北京工業(yè)大學的朱亮等基于AT91RM9200芯片與F1exRay總線技術(shù)設(shè)計了SBW系統(tǒng)ECU,為SBW系統(tǒng)的控制策略研究提供了硬件環(huán)境。(3)吉林大學的劉冰研究了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件試驗臺的整體方案、結(jié)構(gòu)組成及工作原理,并對線控轉(zhuǎn)向加載試驗臺及路感模擬與回正試驗臺進行了軟、硬件研究。(4)山東交通學院的邱緒云等通過分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力學特性,建立了SBW系統(tǒng)動力學模型,并對路感模擬控制策略進行了研究,為SBW系統(tǒng)的實際研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。與國外相比,除了在低速特種車上已有應用外,國內(nèi)整車廠還沒有生產(chǎn)出匹配有SBW系統(tǒng)的樣車。目前,國內(nèi)一些自主品牌汽車廠家如華晨、長安和奇瑞等已經(jīng)開展了對SBW系統(tǒng)的前期研究,預計近幾年將推出匹配有SBW系統(tǒng)的概念樣車。集成控制測試線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)代表了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向,具有廣闊的發(fā)展前景。但仍有許多問題亟待解決,如系統(tǒng)的安全性、可靠性、控制策略的可行性、動力電源的高效性以及傳感器的