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2022 Shanghai International Automotive Chassis & Brake System Exhibition

2022年6月29日-7月1日    上海新国际博览中心  

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关于汽车线控转向技术研究

当前,我国的私家车数量迅速增加,而为了实现对汽车更加良好的控制,线控转向技术被逐渐应用其中。基于此,本文首先先容了汽车线控转向系统的基本组成及其工作原理,研究了汽车线控转向系统中的关键技术,希翼通过文章内容,大家能够对汽车线控转向技术有更进一步的认识。目前,汽车转向系统中普遍采用线控转向技术,这是一种较为先进的转向技术。


利用该种转向技术的汽车车轮与转向盘之间无需进行机械连接,能够对汽车传动比进行任意设计,主动控制转向轮,同时可以根据车辆行驶速度相关参数的改变实施补偿,确保理想的转向特性得以良好实现,而且给底盘的布置提供了便利,符合当前汽车发展的特点,是一种值得大力推广的技术。

汽车线控转向系统的基本组成及其工作原理


1.1 汽车线控转向系统的基本组成


汽车线控转向有多种实现方式,例如:前后轮的线控转向以及四轮的线控转向。其中前轮的线控转向又被分成多种,比如,汽车运用轮毂对电机形成的牵引力会使绕主销的转向力矩得以产生,实现汽车的转向;或是利用两个相对独立的电机对汽车左右两个轮胎进行驱动,完成阿克曼转角。当前比较常用的线控转向系统,采用的是转向电机对齿轮齿条 转向器驱动的方式,具体结构如图1所示。


关于汽车线控转向系统,主要由控制器、前轮子系统以及转向盘子系统等几个部分组成。针对控制器,其包含如下算法:转向盘前车轮的转角算法以及正力矩的算法,分别对前轮子系统的协调处理及转向盘子系统加以控制;针对前轮子系统,其包含转向电机等系统,具有如下作用:追踪参考前轮的转角,给转向盘子系统反馈相关信息内容,如汽车行驶状况以及车胎受到外界作用力的实际情况;针对转向盘子系统,其中包含转向盘转角传感器和路感电机等部件,具有的作用如下:给汽车驾驶人员提供适宜的转向感觉,同时给前轮转角提供相关参考信号。


1.2 汽车线控转向系统的工作原理


驾驶人员转动方向盘的过程中,控制器会依据方向盘转角传感器以及车辆行驶速度传感器发出的信号,通过前车轮转角的相应算法计算出参考前轮转角,并给转向电机传送相关控制信号,令转向电机实施PI与PD控制,确保这一参考前轮转角得以实现。与此同时,控制器会结合转向盘正力矩算法计算得出转向盘回正力矩。转向盘子系统针对电流实施PI控制,确保预期的回正力矩得以实现。另外,为了确保驾驶人员可以获取更加良好的转向感觉,可以针对转向盘的阻尼与回正实施具体控制。


汽车线控转向系统中的关键技术


2.1 传感器技术


当前,汽车的生产加工中,众多部件采用了电子控制的方式,这是现代汽车技术发展的重要特征之一。关于汽车电 子控制系统,其实际控制效果主要取决于传感器采集与反馈信息的精准程度,传感器的科技含量与汽车整体电子控制系 统的性能之间存在着密不可分的关系。针对汽车线控转向系统,其需要运用采集汽车侧向加速度的传感器及测量汽车行驶速度的传感器等多种传感器。


2.2 总线技术


国际上很多知名的汽车企业都在汽车总线技术的运用 和研究方面进行了大力投入,伴随着汽车总线技术的发展, 汽车总线相关标准也变得越来越多,今后将会应用同时兼具高速和实时传输特点的总线标准与协议。


例如,时间触发协议、Byteflight以及FlexRay等。关于时间触发协议,其是一个比较完整的通信协议,在分布式实时控制系统中进行运用,可以对众多容错策略进行支撑,同时兼具节点的重新整合以及恢复的功能;关于Byteflight,其是由宝马企业开发的在汽车线控系统中进行应用的网络通信协议。该网络通信具有多方面特征,不但可以使部分高优先级消息需要时间触发的特点得到满足,确保延迟方面的实际需要;同时可以使部分消息需要中 断进行处理以及事件触发的需要得到良好满足。


也有部分汽车生产商采用的是FlexRay,该网络通信系统十分适宜在新一代汽车中进行运用,同时具备确定消息传送时间以及容错两个方面的重 要作用,可以使汽车控制系统快速通信方面的实际需求得到良好满足。戴姆勒-克莱斯勒、飞利浦、宝马以及摩托罗拉企业共同研发创建了这一标准,博世、大众汽车、通用汽车三家企业都加入了联合开发协会,目前已有七个核心组织成员,一同努力研发汽车分布式控制系统内高速总线系统的相关标准。当前,关于 FlexRay标准,飞利浦企业已经研发完成其物理层标准,而相关通信协议正处于开发状态之中。


这一标准的发布不但有力保障了信息传输的高度一致以及可靠程度,同时也使信息研发与具体的应用过程更加简便,大幅缩减了成本投入。就当前的发展状况而言,因为该标准是以事件及时间触发作为基础的协议,所以相对于仅仅采用时间触发的协议更加具有优势。将总线技术作为基础的汽车线控转向系统改变了以往的机械转向系统,让这一电气系统采用了高速容错通信总线相连接的方式,确保了系统网络化、信息化以及自动化的良好实现。


2.3 动力电源 


在汽车线控转向系统中,动力电源针对两个冗余转向电动机、两个冗余转矩反馈电动机以及系统内的电子控制单元供应电能。其中转向电动机和转矩反馈电动机分别需要500~800w和50~80w的功率,电源承受巨大负荷,所以确保系统整体工作的稳定性,动力电源的性能发挥着十分重要的作用。伴随着功率消耗较大零部件的使用以及电子元器件的逐渐增加,汽车承担的负荷也大大增加。如果继续保持12伏的供电系统,便要采用提升电流的方式获取更大的功率,然而电流过大会对系统整体的稳定性造成不良影响,汽车电路上热能的耗损将会大幅加大。


因此,汽车供电系统 可以采用提升电压的方式使汽车电气系统逐渐增长的实际需求得到良好满足。此种状况下,42v汽车供电系统被研发出来。与此同时,42v电源的应用也给汽车线控转向系统的发展提供了有利条件。电动机的重量变轻了约为20%,线束直径变小,缩减了设计和运用成本投入,给其安装提供了便利,减小了负载电流,并大大提升了电子元器件的集成度。这些方面的优势在汽车线控转向技术的研发中发挥着重要作用,势必会促进线控转向系统电动机及其有关元器件的高速发展。


2.4 容错控制技术


为了使汽车安全性以及可靠性方面的实际需求得到良好满足,汽车线控转向系统中务必要应用容错控制技术。关于容错控制技术,其实际设计方法分为两种,分别是解析冗余法与硬件冗余法。关于解析冗余法,其是针对控制器的相关App进行设计,提升系统整体的冗余度,确保系统具有更强的容错能力;关于硬件冗余法,采用的是给容易发生故障问题的部件以及一些较为重要的部件提供备份的方式,增强系统整体容错方面的能力。


针对汽车线控转向系统,相比较ECU而言,实行机构与传感器更加容易出现故障问题,部分实行机构与传感器之间需具有一定冗余,冗余是确保容错控制得以实现的重要前提,若是某个部件出现故障问题,可以运用冗余关系,使用其它部件加以取代,从而有效消除故障问题。相比较实行机构与传感器而言,ECU具有更高的可靠性。然而若是ECU发生故障问题,将会产生更加严重的后果,由于在实行机构与传感器发生故障问题时,系统整体依然能够维持工作;但若是ECU 发生故障问题,系统整体便无法实施任何操作。


可以在汽车线控转向系统中运用双微机结构,这样两个微机之间可以相互检测,确保了系统的稳定运转。以容错控制技术为基础的汽车线控转向系统,在不对系统整体控制作用造成影响的状况下,容错控制技术可以实现转向系统可靠程度的提升,确保了汽车行驶过程中的安全。安全程度以及可靠程度是限制汽车线控转向系统发展的重要瓶颈。国内以及欧盟相应标准中都不准许使用全动力转向机构正是基于这方面的考虑。然而伴随着科学技术的逐渐发展,汽车线控转向系统的安全程度以及可靠程度也在日益提升,当前国家针对这方面的限制正在做出修订,在汽车线控转向系统的安全程度以及可靠程度可以达到普通动力转向系统水准时,相信不久之后亦会实现产业化发展。 


结束语:总而言之,相较于以往的汽车转向系统 而言,汽车线控转向系统大幅提升了汽车驾驶的安全性与可靠性,同时使汽车更加具有舒适性,是今后汽车行业转向系统必然的发展方向。伴随着汽车相关电子元器件生产成本的逐渐下降,42v电源技术的普遍运用及其控制算法的逐步发展,未来汽车线控转向 技术及其它线控技术将会全方位取代以往汽车所采用的机械传动结构。线控技术会利用转向、制动以及动力等系统,以集成化的方式针对汽车实施优化控制,大大提升汽车整体性能,相信无人驾驶的实现指日可待。


文章来源:德州职业技术学院 王义全

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