线控转向系统就是把依靠转向管柱连接转向机构来实现转向的传统方式,转换成为通过传感器检测转向盘角度信号,并通过电脑控制伺服电机来实现驱动转向的转向系统。驾驶员对转向盘的操作仅仅只是在驱动一个转角传感器,并由转向盘电机提供转动阻尼和回馈,转向盘与前轴转向机构之间没有任何刚性连接如图2-62所示。
线控转向系统取消了转向盘与转向执行机构之间的机械部分,采用电控技术来完成驾驶员转向指令的传递和路感反馈。由于其不受机械连接的约束,理论上可以自由设计传动比,使角传递特性和力传递特性随着转向盘转角和车速的变化而变化,保证转向灵敏度与车速成线性关系,降低了驾驶员掌握汽车转向特性的难度,能够很大程度上避免因不同车速下汽车转向特性的变化,而导致的驾驶员操作不当的问题。线控转向系统根据当前检测到的汽车状态参数,可以主动对前轮转角进行补偿和调整,实现主动转向控制,提高汽车的操纵稳定性。同时,线控转向系统由路感电机模拟产生路感,可以过滤掉干扰信号,优化驾驶员的驾驶体验。此外,由于线控转向系统中机械结构的减少,转向系统强度降低,使其在碰撞中容易发生变形,减少了转向盘和转向管柱在碰撞事故中对驾驶员的伤害提高了汽车的被动安全性能。线控转向系统作为实现自动驾驶的关键技术之一,很容易与其他主动安全技术如防抱死制动系统(ABS)、车身电子稳定系统(ESP等相结合,有利于底盘一体化的设计。
汽车线控转向系统结构如图2-63所示,主要由转向盘模块、转向控制模块和转向执行模块组成。
(1)转向盘模块 转向盘模块包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置。转向盘模块的主要作用是接收驾驶员输入的转向盘转角或者力矩信号,并通过传感器将信号转为电信号传递给转向控制模块,由转向控制模块根据控制策略产生相应的信号传递给转向执行模块;同时转矩反馈电机根据转向控制模块发出的控制信号,产生相应的回正力矩,给驾驶员提供不同工况下的路感信息。
(2)转向控制模块 转向控制模块包括车速传感器和电子控制单元,也可以増加横摆角速度传感器、加速度传感器。转向控制模块是线控转向系统的控制中心和决策中心,是线控转向系统最为核心的部分。它通过采集传感器信号,对驾
驶员意图和当前汽车状态进行判断,根据提前设定好的控制策略做出合理决策。
转向控制模块一方面控制转向执行模块,保证汽车能够准确实现驾驶员输入的转向指令,并保证汽车的稳定性:另一方面控制转矩反馈电机,保证其能够给驾驶员提供舒适良好的路感。
(3)转向执行模块转向执行模块包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等,其功能主要是接收转向控制模块发出的转向指令,并由转向电动机产生合适的转矩和转角,控制车轮转向;同时前轮角位移传感器实时监测前轮转角及其变化,并接收路面信息,将其转换为电信号反馈给转向控制模块,作为路感模拟的输入信号。
除此之外,故障容错系统是线控转向系统不可或缺的重要部分,它时刻监测着线控转向系统各个部分的反馈状态和工作情况,针对不同的故障形式采取不同的处理措施,在部分硬件或软件出现故障时,保证汽车仍具有基本的转向能力。
线控转向系统采用严密的故障检测和处理逻辑,以最大限度地提高汽车安全性能。
图2-64所示为一汽车线控转向系统的实物。
相比于传统转向系统,线控转向系统具有以下特点:
①线控转向系统采用电子控制单元实现对汽车转向的控制,理论上可以自由设计转向系统的角传递特性和力传递特性,具有传统转向系统不可比拟的性能特点。
②提高汽车操纵稳定性。线控转向系统不受传统转向系统设计方式的限制,可以设计出符合人们期望的理想传动比。理想传动比可以随着汽车运动状态的变化而变化,根据车速和转向盘转角等参数,通过控制策略给出当下最合适的传动比,从根本上解决了存在已久的“轻”与“灵”的矛盾,减轻了驾驶员的操作负担冋时,线控转向系统还可以实时监控前轮转角和汽车响应情况,并根据控制策略主动做出补偿操作,提高了汽车操纵稳定性。
③优化驾驶路感。传统转向系统通过机械连接将车辆运动状态和路面信息反馈给驾驶员,不能主动过滤掉路面干扰因素。线控转向系统可以筛选掉路面颠簸等不利的干扰因素,提取出最能够反映汽车实际行驶状态和路面信息的因素,作为路感模拟的依据,并考虑到驾驶员的习惯,由主控制器控制路感电机产生良好的路感,提高驾驶员的驾驶体验。
④节省空间,提高被动安全性。由于原本转向系统中的转向轴和转向管等机械部分被取消掉,增加了驾驶员的活动空间,并方便了车内布置的设计。同时机械部件的减少,降低了转向系统强度,使其在碰撞中更易变形,在汽车发生事故时,减少了转向系统对驾驶员的伤害。
⑤提高转向效率,降低能源消耗。线控转向系统不依赖于机械传递,其总线信号的传递速度,缩短了转向响应时间,转向效率提高。同时机械传动减少,传动效率提高,整车质量减轻,降低了燃油消耗,更加节能环保。
⑥无人驾驶汽车使用线控转向系统,是通过中央计算机收集数据并传输至转向系统,再由转向系统将数据转化为机械转向功能,实现转向日产汽车公司发布的英菲尼迪Q50是全球范围内第一款批量生产的线控转向系统汽车,促进了线控转向技术在实车应用上的发展。英菲尼迪的线控转向系统如图2-65所示。从转向盘到转向齿条采用直接数字信号输入,整个系统中没有转向万向节等可能造成“转向延迟”的机械部件,通过三组ECU的信号处理,对驾
驶员的驾驶意图快速做出判断,实现更灵活的转向,驾驶的感受更加直接,转向盘也不会接收到来自地面对前轮的冲击。
