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[科普]线控转向系统Steer By Wire

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发布:wwj557 来源:
PostTime:28-3-2024 10:17
很多朋友好奇什么是线控转向系统,它到底是什么黑科技,它又是否可以放心可靠使用。今天就跟着小星一起来探究一下线控转向系统的技术细节吧。什么是线控转向系统线控转向系统的英文全称是Steer By Wire。它的出现突 ...

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很多朋友好奇什么是线控转向系统,它到底是什么黑科技,它又是否可以放心可靠使用。今天就跟着小星一起来探究一下线控转向系统的技术细节吧。

什么是线控转向系统

线控转向系统的英文全称是Steer By Wire。

它的出现突破了方向盘必须通过转向柱与转向轴硬连接的限制。它具有如下特点:

方向盘和转向轴之间不存在机械连接

转向操纵需求以纯电子方式传输至转向轴

转向齿比和转向回馈力可通过电控灵活调节



↑英菲尼迪Q50线控转向示意图

线控转向的初次尝试

线控转向系统在正常工作时断开了方向盘和转向系统之间的机械连接,而完全靠电子信号传输给转向控制器然后操控转向执行器实现。全球首款搭载量产线控转向系统的车型是英菲尼迪的Q50。整个系统充分考虑了安全性。当转向系统工作在电子线控模式的时候,整个系统借鉴了飞机电传飞操系统的多余度安全理念。通过3个转向控制器相互冗余地控制转向系统。相互之间进行校验,保证控制信号始终和驾驶者的转向意图相关。一旦出现严重故障,系统还能够通过转向柱离合器将方向盘和转向轴恢复硬连接。

走向成熟的线控转向技术



↑丰田bZ4X纯电动车型搭载线控转向

但英菲尼迪Q50线控转向系统并没有全面市场化,现存保有量非常有限。其中主要原因是前面提到的转向特性智能调节和自动车道保持等功能在某种程度上仍可以使用传统的电子助力转向系统实现。那么线控转向系统的真正意义是将来系统成熟以后可以完全断开机械连接,从而为将来的自动驾驶汽车服务。而最近上市的丰田bZ4X纯电动车型搭载线控转向则可以说意义重大。因为它首次在量产车型中完全取消了方向盘和转向轴之间的机械连接,同时它也会随着丰田的纯电动整车平台迅速在集团内的多款车型上大面积推广应用。



↑丰田线控转向技术专利图

线控转向系统安全与交互逻辑设计。

以丰田线控转向技术专利来看,它的线控转向系统包括方向盘位置的转向扭矩执行器和转向轴位置的转向控制执行器组成。一方面方向盘扭矩和方向盘角度信号作为转向控制的核心输入量,与可变转向齿比功能结合计算出目标前轮角度控制变量,送入转向控制执行器当中的角度反馈控制器基于前轮角度和电机电流进行精准控制。另一方面前轮角度和电机电流又作为路面信息送回方向盘执行器产生转向反馈力。



↑丰田线控转向系统框图

为了全面摆脱前面提到的方向盘与转向轴的机械连接,去满足自动驾驶的安全要求,必须要在技术上的全面革新。通过丰田的相关专利以及丰田集团内转向系统JTEKT公司的宣传资料可以看到,丰田转向系统在左侧传统电动助力转向系统和右侧线控转向系统中都采用了全新的安全设计。在系统中加入了备用供电模块,基于锂电池和电容在传统发电机和12V电源的基础上提高系统供电的稳定性和多样性。



↑丰田转向系统安全设计

相应的从丰田转向系统框图细节可以看到,此次采用的故障可操作级别转向系统从电源、通信总线、扭矩传感器、电机角度传感器、微处理器、功率驱动和电机线圈各个方面都做到了冗余和差异化。在非常紧凑的设计下,保证了转向系统的高安全性。在一套系统故障失去功能的情况下,另一套系统可有效接管并执行必要的转向操作。这恰恰是为了自动驾驶成为现实提供了必要条件,又为基于车型平台大量应用打下了基础。



↑丰田故障可操作级别转向系统框图

兼顾运动和日常的操控性

线控转向系统面临的挑战除了安全性还有交互体验设计。在方向盘体积大幅减小的情况下,必须要做到比较合适的转向齿比避免某些特斯拉车型面临的大幅度转向手接手操作困难的窘境。丰田选择采用按照车速的灵活转向齿比算法。在低车速时,转向齿比控制在5:1的低齿比下,转向角度不超过150度,可以达到F1赛车的转向手感并且大幅度转向不需要手接手操作。而高车速时,为了保证更好的直线稳定性采用了渐进齿比,中心区高齿比边缘区低齿比。



↑特斯拉车型大幅度转向手接手操作

路感反馈拟真性

通过产生回馈力让驾驶者能够像传统转向系统一样通过方向盘感知路面是线性转向系统不得不面对的挑战和关键指标。丰田线控转向系统通过转向电机的电流将路面信息,经过算法转化成回馈力扭矩,让驾驶者能够路感更加清晰。同时为了自动驾驶功能,特别设计了人工驾驶和自动驾驶交接时的平滑过渡。让驾驶者能够通过方向盘给出的反馈感知到成功接管了车辆的控制权。



↑丰田线控转向系统交互设计

线性转向系统的未来趋势

随着线控转向系统的技术成熟,它的真正意义是为将来的自动驾驶汽车服务。自动驾驶时车内的乘员可以交给自动驾驶而后躺下休息,也可以在必要的时候接管驾驶直接根据路感操控车辆的动态。方向盘位置可以灵活移动,无疑车内空间的利用将更加高效。线控转向系统无疑将在自动驾驶当中扮演着重要的角色。



↑线控转向系统的自动驾驶应用

综上所述,随着技术不断成熟线控转向系统带来了故障可操作级别的高安全性、紧凑的冗余设计和灵活的转向回馈力交互体验,它为自动驾驶功能实现提供了前提条件,也正在依托车型平台在大量车型上推广。让我们拭目以待它的市场表现吧。

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