汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)探討

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當(dāng)前，我國的私家車數(shù)量迅速增加，而為了實現(xiàn)對汽車更加良好的控制，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)被逐漸應(yīng)用其中。基于此，本文首先介紹了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成及其工作原理，研究了汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，希望通過文章內(nèi)容，大家能夠?qū)ζ嚲€控轉(zhuǎn)向技術(shù)有更進一步的認(rèn)識。目前，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中普遍采用線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，這是一種較為先進的轉(zhuǎn)向技術(shù)。利用該種轉(zhuǎn)向技術(shù)的汽車車輪與轉(zhuǎn)向盤之間無需進行機械連接，能夠?qū)ζ噦鲃颖冗M行任意設(shè)計，主動控制轉(zhuǎn)向輪，同時可以根據(jù)車輛行駛速度相關(guān)參數(shù)的改變實施補償，確保理想的轉(zhuǎn)向特性得以良好實現(xiàn)，而且給底盤的布置提供了便利，符合當(dāng)前汽車發(fā)展的特點，是一種值得大力推廣的技術(shù)。

1汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成及其工作原理

1.1汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本組成

汽車線控轉(zhuǎn)向有多種實現(xiàn)方式，例如：前后輪的線控轉(zhuǎn)向以及四輪的線控轉(zhuǎn)向。其中前輪的線控轉(zhuǎn)向又被分成多種，比如，汽車運用輪轂對電機形成的牽引力會使繞主銷的轉(zhuǎn)向力矩得以產(chǎn)生，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向；或是利用兩個相對獨立的電機對汽車左右兩個輪胎進行驅(qū)動，完成阿克曼轉(zhuǎn)角。當(dāng)前比較常用的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，采用的是轉(zhuǎn)向電機對齒輪齒條轉(zhuǎn)向器驅(qū)動的方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)關(guān)于汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要由控制器、前輪子系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)等幾個部分組成。針對控制器，其包含如下算法：轉(zhuǎn)向盤前車輪的轉(zhuǎn)角算法以及正力矩的算法，分別對前輪子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理及轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)加以控制；針對前輪子系統(tǒng)，其包含轉(zhuǎn)向電機等系統(tǒng)，具有如下作用：追蹤參考前輪的轉(zhuǎn)角，給轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)反饋相關(guān)信息內(nèi)容，如汽車行駛狀況以及車胎受到外界作用力的實際情況；針對轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)，其中包含轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器和路感電機等部件，具有的作用如下：給汽車駕駛?cè)藛T提供適宜的轉(zhuǎn)向感覺，同時給前輪轉(zhuǎn)角提供相關(guān)參考信號。

1.2汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

駕駛?cè)藛T轉(zhuǎn)動方向盤的過程中，控制器會依據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器以及車輛行駛速度傳感器發(fā)出的信號，通過前車輪轉(zhuǎn)角的相應(yīng)算法計算出參考前輪轉(zhuǎn)角，并給轉(zhuǎn)向電機傳送相關(guān)控制信號，令轉(zhuǎn)向電機實施PI與PD控制，確保這一參考前輪轉(zhuǎn)角得以實現(xiàn)。與此同時，控制器會結(jié)合轉(zhuǎn)向盤正力矩算法計算得出轉(zhuǎn)向盤回正力矩。轉(zhuǎn)向盤子系統(tǒng)針對電流實施PI控制，確保預(yù)期的回正力矩得以實現(xiàn)。另外，為了確保駕駛?cè)藛T可以獲取更加良好的轉(zhuǎn)向感覺，可以針對轉(zhuǎn)向盤的阻尼與回正實施具體控制。

2汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1傳感器技術(shù)

當(dāng)前，汽車的生產(chǎn)加工中，眾多部件采用了電子控制的方式，這是現(xiàn)代汽車技術(shù)發(fā)展的重要特征之一。關(guān)于汽車電子控制系統(tǒng)，其實際控制效果主要取決于傳感器采集與反饋信息的精準(zhǔn)程度，傳感器的科技含量與汽車整體電子控制系統(tǒng)的性能之間存在著密不可分的關(guān)系。針對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其需要運用采集汽車側(cè)向加速度的傳感器及測量汽車行駛速度的傳感器等多種傳感器。

2.2總線技術(shù)

國際上很多知名的汽車公司都在汽車總線技術(shù)的運用和研究方面進行了大力投入，伴隨著汽車總線技術(shù)的發(fā)展，汽車總線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也變得越來越多，今后將會應(yīng)用同時兼具高速和實時傳輸特點的總線標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。例如，時間觸發(fā)協(xié)議、Byteflight以及FlexRay等。關(guān)于時間觸發(fā)協(xié)議，其是一個比較完整的通信協(xié)議，在分布式實時控制系統(tǒng)中進行運用，可以對眾多容錯策略進行支持，同時兼具節(jié)點的重新整合以及恢復(fù)的功能；關(guān)于Byteflight，其是由寶馬公司開發(fā)的在汽車線控系統(tǒng)中進行應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)通信具有多方面特征，不但可以使部分高優(yōu)先級消息需要時間觸發(fā)的特點得到滿足，確保延遲方面的實際需要；同時可以使部分消息需要中斷進行處理以及事件觸發(fā)的需要得到良好滿足。也有部分汽車生產(chǎn)商采用的是FlexRay，該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)十分適宜在新一代汽車中進行運用，同時具備確定消息傳送時間以及容錯兩個方面的重要作用，可以使汽車控制系統(tǒng)快速通信方面的實際需求得到良好滿足。戴姆勒-克萊斯勒、飛利浦、寶馬以及摩托羅拉公司共同研發(fā)創(chuàng)建了這一標(biāo)準(zhǔn)，博世、大眾汽車、通用汽車三家公司都加入了聯(lián)合開發(fā)協(xié)會，目前已有七個核心組織成員，一同努力研發(fā)汽車分布式控制系統(tǒng)內(nèi)高速總線系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前，關(guān)于FlexRay標(biāo)準(zhǔn)，飛利浦公司已經(jīng)研發(fā)完成其物理層標(biāo)準(zhǔn)，而相關(guān)通信協(xié)議正處于開發(fā)狀態(tài)之中。這一標(biāo)準(zhǔn)的不但有力保障了信息傳輸?shù)母叨纫恢乱约翱煽砍潭?，同時也使信息研發(fā)與具體的應(yīng)用過程更加簡便，大幅縮減了成本投入。就當(dāng)前的發(fā)展?fàn)顩r而言，因為該標(biāo)準(zhǔn)是以事件及時間觸發(fā)作為基礎(chǔ)的協(xié)議，所以相對于僅僅采用時間觸發(fā)的協(xié)議更加具有優(yōu)勢。將總線技術(shù)作為基礎(chǔ)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變了以往的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，讓這一電氣系統(tǒng)采用了高速容錯通信總線相連接的方式，確保了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化以及自動化的良好實現(xiàn)。

2.3動力電源

在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，動力電源針對兩個冗余轉(zhuǎn)向電動機、兩個冗余轉(zhuǎn)矩反饋電動機以及系統(tǒng)內(nèi)的電子控制單元供應(yīng)電能。其中轉(zhuǎn)向電動機和轉(zhuǎn)矩反饋電動機分別需要500~800w和50~80w的功率，電源承受巨大負(fù)荷，所以確保系統(tǒng)整體工作的穩(wěn)定性，動力電源的性能發(fā)揮著十分重要的作用。伴隨著功率消耗較大零部件的使用以及電子元器件的逐漸增加，汽車承擔(dān)的負(fù)荷也大大增加。如果繼續(xù)保持12伏的供電系統(tǒng)，便要采用提升電流的方式獲取更大的功率，然而電流過大會對系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性造成不良影響，汽車電路上熱能的耗損將會大幅加大。因此，汽車供電系統(tǒng)可以采用提升電壓的方式使汽車電氣系統(tǒng)逐漸增長的實際需求得到良好滿足。此種狀況下，42v汽車供電系統(tǒng)被研發(fā)出來。與此同時，42v電源的應(yīng)用也給汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利條件。電動機的重量變輕了約為20%，線束直徑變小，縮減了設(shè)計和運用成本投入，給其安裝提供了便利，減小了負(fù)載電流，并大大提升了電子元器件的集成度。這些方面的優(yōu)勢在汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的研發(fā)中發(fā)揮著重要作用，勢必會促進線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動機及其有關(guān)元器件的高速發(fā)展。

2.4容錯控制技術(shù)

為了使汽車安全性以及可靠性方面的實際需求得到良好滿足，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中務(wù)必要應(yīng)用容錯控制技術(shù)。關(guān)于容錯控制技術(shù)，其實際設(shè)計方法分為兩種，分別是解析冗余法與硬件冗余法。關(guān)于解析冗余法，其是針對控制器的相關(guān)軟件進行設(shè)計，提升系統(tǒng)整體的冗余度，確保系統(tǒng)具有更強的容錯能力；關(guān)于硬件冗余法，采用的是給容易發(fā)生故障問題的部件以及一些較為重要的部件提供備份的方式，增強系統(tǒng)整體容錯方面的能力。針對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，相比較ECU而言，執(zhí)行機構(gòu)與傳感器更加容易出現(xiàn)故障問題，部分執(zhí)行機構(gòu)與傳感器之間需具有一定冗余，冗余是確保容錯控制得以實現(xiàn)的重要前提，若是某個部件出現(xiàn)故障問題，可以運用冗余關(guān)系，使用其它部件加以取代，從而有效消除故障問題。相比較執(zhí)行機構(gòu)與傳感器而言，ECU具有更高的可靠性。然而若是ECU發(fā)生故障問題，將會產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果，由于在執(zhí)行機構(gòu)與傳感器發(fā)生故障問題時，系統(tǒng)整體依然能夠維持工作；但若是ECU發(fā)生故障問題，系統(tǒng)整體便無法實施任何操作。可以在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中運用雙微機結(jié)構(gòu)，這樣兩個微機之間可以相互檢測，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。以容錯控制技術(shù)為基礎(chǔ)的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在不對系統(tǒng)整體控制作用造成影響的狀況下，容錯控制技術(shù)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可靠程度的提升，確保了汽車行駛過程中的安全。安全程度以及可靠程度是限制汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的重要瓶頸。國內(nèi)以及歐盟相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中都不準(zhǔn)許使用全動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)正是基于這方面的考慮。然而伴隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸發(fā)展，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全程度以及可靠程度也在日益提升，當(dāng)前國家針對這方面的限制正在做出修訂，在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全程度以及可靠程度可以達到普通動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)水準(zhǔn)時，相信不久之后亦會實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

結(jié)束語：

總而言之，相較于以往的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大幅提升了汽車駕駛的安全性與可靠性，同時使汽車更加具有舒適性，是今后汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必然的發(fā)展方向。伴隨著汽車相關(guān)電子元器件生產(chǎn)成本的逐漸下降，42v電源技術(shù)的普遍運用及其控制算法的逐步發(fā)展，未來汽車線控轉(zhuǎn)向技術(shù)及其它線控技術(shù)將會全方位取代以往汽車所采用的機械傳動結(jié)構(gòu)。線控技術(shù)會利用轉(zhuǎn)向、制動以及動力等系統(tǒng)，以集成化的方式針對汽車實施優(yōu)化控制，大大提升汽車整體性能，相信無人駕駛的實現(xiàn)指日可待。

作者：王義全 單位：德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院