浅析线控转向SBW的诞生背景

什么是线控转向系统？上世纪70年代美国宇航局便已在宇宙飞船上采用电控系统，宇宙飞船上这套名为Flying by Wire线控转向系统。其实不必要把DAS线控转向搞得很炫乎，如果把它理解为“电传动”，就好理解了。

线控转向（steer-by-wire）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，改变为由电控系统直接进行转向控制, 完全由电信号实现转向的信息传递和控制。最显著的特征是去掉了传统转向系统中从方向盘到与转向轮（转向执行器)间的机械连接，采用机电执行器代替了传统的机械控制机构，取而代之由路感反馈总成、转向执行总成、控制器以及相关传感器组成。驾驶员对方向盘的操作仅是驱动一个转角传感器，它获得方向盘旋转角度数据，并转换为方向盘角度信号，车速传感器得到车速、加速度等汽车行驶工况信息，这两传感器记录驾驶员的转向意图和车辆的行驶状况，通过数据线将信号传递给控制器ECU，ECU获取驾驶员意图，通过然后ECU将其折算为具体的驱动力数据，并通过ECU控制伺服电机,用电机推动转向机转动车轮,来实现驱动转向。并由方向盘电机提供转动阻尼和回馈作出路面信息反馈。

汽车转向系统是汽车上的重要构件，转向是汽车主要操控性能之一，直接影响汽车的操纵稳定性，其性能的好坏直接决定了汽车操控性能的优劣。如何合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，是设计的重要课题。

在过去的五十年中，汽车转向系统随着新技术的出现不断推陈出新，从最初的纯机械转向系统，历经通用汽车公司首推的机械式液压助力转向(Hydraulic Power Steering，HPS)、丰田汽车公司首推的电液助力转向(Electro Hydraulic Power Steering，EHPS)，到现在已被广泛应用的Koyo 首推的新一代电动助力转向(Electric Power Steering，EPS)，转向系统朝着操作更加灵敏、结构更加可靠和功率消耗更低的方向不断发展。

在未来十年内将见证汽车转向系统的显著变化，这些变化将使汽车更省油、更舒适。当前，燃油发动机仍然占据主导地位，但在2030-2040年期间，新能源汽车（包括纯电动、混动和氢能）将反超燃油车型，2040-2050年期间将完全成为新能源车型的天下。在新能源汽车和自动驾驶汽车日益普及下，转向系统将迎来新的革命，传统的机械连接将越来越少，传统发动机的消失，传动、转向、制动的动力源与执行方式发生了根本性的转变，电动控制执行系统则是成为了基本配置。无论是新能源汽车，还是自动驾驶汽车，对于转向系统的控制要求将更精确、可靠性更高，要求转向系统能够不依赖人力，根据算法独立运转，同时要求响应时间更短，转向更加精准。原先的转向系统满足不了这些要求,而EPS受限于安装空间、力传递特性、角传递特性等诸多因素不能自由设计和实现的不足，一种新型的转向系统——线控转向系统（Steering-By-WireSystem, SBW）应运而生。

与同为线控家族的兄弟线控制动相比，线控转向一直显得关注度不高，和大哥线控制动自带光环（能量回收能够增加续航里程）不一样，它有点像家里内向的孩子，被人提起时总是一笔带过。由于SBW只是在过去几年才进入市场，迄今为止市场渗透率还十分有限、极低，配备该技术的车型非常稀少，要在商业上应用还需要很长时间，线控转向尚处于发展早期阶段。

在未来自动驾驶车辆上，L3级以上自动驾驶汽车将实现部分或全程脱离驾驶员的操控，线控转向技术将成为未来的发展趋势。越来越多的机械件将被电机和线控技术取代，转向柱、刹车踏板和加速踏板等部件都不会再被保留；线控驾驶系统完全取消方向盘和转向系统之间的机械连接，也没有直接的液力连接，取而代之的是纯电子控制系统，它们之间是通过线控连接。从本质上说，这种方向盘的工作原理与在家用计算机上打游戏的方向盘相同，它包含若干个传感器，可使汽车感知驾驶员如何操纵车轮。这些传感器的感知结果将用来控制转向系统。控制系统收集来自感知层的大量传感器的信息，将其处理分析，感知周围环境，规划驾驶线路，最终通过线控执行系统操纵车辆。另外它还配有一些电动机，用于向驾驶员反馈汽车当前的行为。由于不再使用转向轴，因此为发动机室腾出了空间,减少汽车内部的振动。没有机械的转向管柱，也提高了车辆的碰撞安全性。

在线控驾驶系统中，可以在不改动任何汽车机械组件的情况下调整对车辆的操纵，它只需使用某种新的计算机软件即可完成转向调整。在未来的线控驾驶汽车中，很可能只需按几个按钮，即可根据车主的喜好来配置控制装置，就像调整汽车座位一样。在这种系统中，也许还可以为家庭中的每个驾驶员存储不同的控制首选设置。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。

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，不久将来线控转向技术会被逐渐应用其中。基于此，本文首先介绍了汽车线控转向系统的基本组成、工作原理、分类以及与EPS的差别；详细阐述了系统架构的设计、硬件方案及原理设计、控制策略状态机设计以及台架和实车的测试；聚焦核心控制策略，对路感反馈控制中上层反馈力矩估计和下层执行器控制，以及转向执行控制中上层变传动比控制、车辆稳定性控制和下层转向执行器控制的思路、方法、关键技术进行了综述以及面临的挑战；梳理了线控转向技术的发展概况，阐述了汽车线控转向系统对自动驾驶发展的重要意义，并提出线控转向系统控制技术的发展趋势。

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