线控转向系统简介及要求2

线控转向系统（SBW,Steering-by-wire）

一、功能简介

（1）取消了转向盘和转向轮之间的机械连接，减轻了大约5 kg重量；

（2）消除了路面的冲击，具有降低噪声和隔振等优点。

（3）为今后的辅助驾驶系统和无人驾驶汽车的研发提供技术支持。

优点：

①取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。

②提高了整车设计自由度，便于操控系统布置。例如没有了机械连接，可以很容易把左舵驾驶换为右舵驾驶。

③转动效率高，响应时间短。控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。

④改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化，低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；高速行驶时，转向比率变大，能够获得更好的直线行驶条件。

图1 线控转向系统示意图

•转向盘模块的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接受ECU送来的电信号，控制路感模拟电机产生相应的方向盘回正力矩以提供给驾驶员相应的路感信号。

•前轮转向模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。转向执行模块的功能是接受ECU的命令，控制转向执行电机实

现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。

•ECU对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送命令，控制两个电机的工作。

二、基本要求

1、路感模拟电机涉及驱动程序的开发

要求转向操纵轻便。

根据光洋转向试验室的经验数据，对于轻型轿车，在现实中作用于方向盘的回正力矩值一般在2-3Nm左右，其最值也不会超过5Nm；根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的调查，驾驶员在进行紧急避让的时候，方向盘转速最大为1.5r/S （轿车），一般情况下，方向盘平均转速为：500°/s。

此处回正电机沿用了北斗星电动助力转向系统中的助力电机——直流有刷电机（12v，170w，30A，1050r/min），并配有蜗轮蜗杆减速器（减速比16.5：1）。但是尚需开发相应的驱动程序。

该助力电机所能产生的扭矩是T=9550P/n

2、转向执行电机涉及到电机的选型（包括减速机构）以及驱动程序的开发

要求电机尺寸小，质量轻，响应快速。由于经常处于变速运行，对位置控制精度要求很高，并且在运行过程中要有连续堵转（转速为零）而输出转矩的能力，调速范围较宽。

3、转矩传感器信号的采集及处理

该传感器有5个端子，其中1脚未用，2脚为电源+，3脚为电源-（地），4脚为主扭矩信号，5脚为副扭矩信号。无力施加在其上时，电位器电压为2.5v，高于或低于2.5v分别对应正反转。4脚和5脚的电压之和等于电源电压5v。电源电压5v。

4、车速信号的采集及处理

车速信号一般从里程表中取出，幅值12v，方波，频率与车速的关系一般为f=43.6（Hz）/60（km/h）。此处可以用信号发生器来产生。最高车速180km/h。正常高速公路上值允许120 km/h。

5、光电编码器信号的采集及处理

三、相关参数和数据

1、齿轮齿条式机械转向器

线传动比为32.12mm/rad，齿条行程±67.5mm，减速比16：1；小齿轮直径17.65mm，作用在齿条上的最大力12000N。

四、转向执行电机的选型计算

1、转向执行电机的额定力矩T mmax

选型时主要考虑电机本身的额定转矩应大于汽车转向时受到的最大输出力矩。有两种算法：一是根据理论公式计算出原地转向阻力矩；另一种方法是根据经验公式计算。

①理论公式：

T mmax≥T max/g s iηηt

其中，T mmax为转向执行电机额定力矩；T max为作用在减速机构上的最大转向阻力矩（即原地转向阻力矩）；g s为转向执行减速器传动比，此处因为不打算用到减速器，故g s=1；i为转向系角传动比，此处采用了齿轮齿条式机械转向器，i=16；η为转向器传动效率，η=0.9；ηt为传动系效率，ηt=0.9。

此处T max=259.16Nm；

其中，f为轮胎与路面的滑动摩擦因数，f=0.7；G1为转向负荷，G1=6272N；p为轮胎气压，P=200kpa=0.2Mpa。

通过计算可得，转向执行电机额定力矩为

T mmax≥T max/g s iηηt=19.97Nm

②经验公式：

T max=F max r=27.68Nm

其中，F max为前轴荷（640kg）的一半；r为小齿轮半径。小齿轮直径17.65mm。

转向执行电机额定力矩：

T mmax≥T max/g sηηt=34.17Nm

应用经验公式算出的最大转矩要大于根据理论公式计算的结果，为了系统安全性，本文选取经验公式的计算结果作为选定转向执行电机的依据，即：

T mmax≥34.17Nm

2、转向执行电机额定转速ωmmax

对于转向执行电机，尽管线控转向没有了方向盘与转向器的机械连接，该电机的最大转速也应依据方向盘转速而定，即转向执行电机输出转速经减速机构后与方向盘转速一致，并且保证转向轻便性要求。

根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)的调查，驾驶员在进行紧急避让的时候，方向盘转速最大为 1.5r/S （轿车），一般情况下，方向盘平均转速为：500°/s。

ωmmax≥ωswmax g s=90r/min

减速机构最好避免选择蜗轮蜗杆式，因为系统不希望自锁；同时还应考虑其体积的大小。