英創(chuàng)匯智線控轉(zhuǎn)向解決方案讓汽車更加智能、更加安全

引言：

汽車行業(yè)在“新四化”目標(biāo)的牽引下快速發(fā)展，汽車電動化與智能化取得了顯著的成果。汽車智能化的發(fā)展對汽車底盤提出了新的需求，傳統(tǒng)汽車底盤在響應(yīng)速度、執(zhí)行精度、安全性等方面不再能滿足智能汽車的要求，汽車底盤由傳統(tǒng)底盤向線控底盤過渡。其中，線控轉(zhuǎn)向（Steering-by-Wire，SBW）是線控底盤中控制橫向運(yùn)動的核心部件，是實(shí)現(xiàn)高階自動駕駛的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。國務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》中將純電動汽車底盤一體化、線控執(zhí)行系統(tǒng)等列為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)工程。國標(biāo)《GB17675-2021 汽車轉(zhuǎn)向系基本要求》中刪除了不得裝用全動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求(1999年的3.3)，法規(guī)層面已允許轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方向盤與轉(zhuǎn)向器之間的物理解耦。國家戰(zhàn)略的推動以及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的落地對于線控轉(zhuǎn)向（SBW）產(chǎn)品的大批量產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有直接的促進(jìn)作用。本文將從轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展路徑、技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)等方面對英創(chuàng)匯智的線控轉(zhuǎn)向（SBW）解決方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

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轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展路徑

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的關(guān)鍵部件之一，對于汽車的操穩(wěn)性、安全性、舒適性起到至關(guān)重要的作用。隨著汽車工業(yè)電動化的深入，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了從機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（MS）、機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)（HPS）到電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）再到線控轉(zhuǎn)向（SBW）的發(fā)展歷程。

圖1-1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展路徑

圖片來源：天風(fēng)證券研究報告《智能電動汽車賽道深度二：線控轉(zhuǎn)向，高階智能駕駛核心部件》

相比機(jī)械和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的結(jié)構(gòu)更加簡單、助力控制響應(yīng)更快，同時能耗也更低，而且不需要保養(yǎng)和維護(hù)，是目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。線控轉(zhuǎn)向（SBW）相比EPS最大區(qū)別在于方向盤和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間無機(jī)械連接，因此在成本控制、設(shè)計靈活性、功能豐富性、空間布置等方面具有明顯優(yōu)勢。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為底盤核心零部件，具有很高的技術(shù)壁壘。我國汽車工業(yè)起步相對較晚，因此當(dāng)前德國、美國、日本、韓國的供應(yīng)商巨頭仍然占據(jù)著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大部分市場，尤其是高端EPS和線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)，國內(nèi)仍然處于追趕的狀態(tài)。但是隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的日漸成熟，一些企業(yè)也開始逐步掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)，未來有望快速提升所占的市場份額。

2?

英創(chuàng)匯智線控轉(zhuǎn)向技術(shù)方案（T-SBW）

2.1 線控轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)方案

如圖2-1所示為英創(chuàng)匯智的線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)方案示意圖，主要由方向盤執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）組成。線控轉(zhuǎn)向（SBW）相比EPS系統(tǒng)最大的卻別就是沒有中間軸，即方向盤執(zhí)行器與前輪執(zhí)行器在機(jī)械上是完全解耦的，因此具備更加靈活可調(diào)的轉(zhuǎn)向比和更加舒適的路面反饋，同時也為自動駕駛場景下的方向盤靜默、方向盤折疊提供了可能性。

圖2-1 線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)電氣架構(gòu)示意圖

?方向盤執(zhí)行器（Handwheel Actuator, HWA）：主要由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、減速器、TAS傳感器、冗余電控單元組成，主要功能是獲取駕駛員的意圖，并將駕駛員期望的方向盤轉(zhuǎn)角信號給到前輪執(zhí)行器（RWA），同時根據(jù)前輪執(zhí)行器反饋的齒條力模擬車輛行駛的路面反饋力，為駕駛員提供路感反饋信息。

?前輪執(zhí)行器（Road Wheel Actuator, RWA）：前輪執(zhí)行器有機(jī)械轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)角傳感器、冗余電控單元等組成，主要功能是接收方向盤執(zhí)行器（HWA）發(fā)送的期望轉(zhuǎn)角指令，并通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)齒條的橫向移動，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

?冗余電控單元（Fail-Operational Powerpack）：方向盤執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）均需要電控單元作為執(zhí)行器，分別實(shí)現(xiàn)路感反饋控制和前輪轉(zhuǎn)向的功能。而采用冗余的電控單元主要是為了支持高階自動駕駛工況，即在自動駕駛場景下，如果線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)的方向盤執(zhí)行器（HWA）或前輪執(zhí)行器（RWA）出現(xiàn)了任何一種單點(diǎn)失效，該部件要具備失效可運(yùn)行的功能（Fail-Operational）來保證路感不丟失或者前輪不失去轉(zhuǎn)向能力。英創(chuàng)匯智線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)的方向盤執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）電控單元均采用了全冗余電控方案驅(qū)動六相永磁同步電機(jī)的方案，單點(diǎn)失效后系統(tǒng)仍然具備路感反饋以及執(zhí)行轉(zhuǎn)向控制的能力。

?轉(zhuǎn)角傳感器（AngleSensor）：前輪執(zhí)行器（RWA）需要精準(zhǔn)地跟蹤期望轉(zhuǎn)角，因此需要轉(zhuǎn)角傳感器測量實(shí)際的小齒輪輸入轉(zhuǎn)角。

2.2 線控轉(zhuǎn)向的電氣架構(gòu)

圖2-2 線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)電氣架構(gòu)示意圖

如圖2-2所示為英創(chuàng)匯智線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)的電氣架構(gòu)示意圖，其中車輛具備冗余的電源、公共CAN通信網(wǎng)絡(luò)，方向盤執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）均采用全冗余的電控單元，分別接入不同的電源和CAN通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的兩個系統(tǒng)外部的電氣隔離。全冗余電控單元兩個ECU之間也通過CAN通信來實(shí)現(xiàn)信號交互，從而可以進(jìn)行信號交互、協(xié)同控制。方向盤執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）之間通過私CAN進(jìn)行通信，傳遞期望轉(zhuǎn)角信號、齒條力信號等。方向盤執(zhí)行器（HWA）的每個ECU需要采集雙路轉(zhuǎn)矩信號與單路的絕對轉(zhuǎn)角信號（支持功能安全ASIL D等級），因此對應(yīng)“4+2”的TAS傳感器；前輪執(zhí)行器（RWA）每個ECU需要采集單路的絕對轉(zhuǎn)角信號（支持功能安全ASIL D等級），因此對應(yīng)2路轉(zhuǎn)角信號的角度傳感器。

2.3線控轉(zhuǎn)向的算法架構(gòu)

如圖2-3所示為英創(chuàng)匯智線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)算法架構(gòu)示意圖。根據(jù)方向盤執(zhí)行器（HWA）的功能可知主要實(shí)現(xiàn)的算法包含參考手力計算、力矩疊加控制、手力跟蹤控制、轉(zhuǎn)角疊加控制、變傳動比控制、轉(zhuǎn)角指令計算等。可以看出，線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)中，方向盤執(zhí)行器（HWA）實(shí)現(xiàn)駕駛員的手感控制依靠力矩閉環(huán)的算法，這是與傳統(tǒng)EPS的開環(huán)力矩算法完全不同的。前輪執(zhí)行器（RWA）的主要算法包含轉(zhuǎn)角跟蹤控制以及齒條力估計算法。轉(zhuǎn)角跟蹤控制通過轉(zhuǎn)角傳感器測量小齒輪轉(zhuǎn)角作為反饋信號，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角的閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)向控制。齒條力估計算法對轉(zhuǎn)向器的齒條力進(jìn)行觀測，并作為路感反饋信號發(fā)送給方向盤執(zhí)行器（HWA），實(shí)現(xiàn)路感反饋模擬計算。

圖2-3 線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)算法架構(gòu)示意圖

3?

英創(chuàng)匯智T-SBW關(guān)鍵技術(shù)

3.1 齒條力觀測

如圖3-1所示為線控轉(zhuǎn)向前輪執(zhí)行器（RWA）的齒條力估計算法架構(gòu)，其中分別采用了基于車輛模型的齒條力估算方法（Vehicle Estimator）和基于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的估算方法（Steering Estimator）。

圖3-1 齒條力估計算法示意圖

圖片來源：Kim, C., Son, D., Sabato, Z., and Lee,B.,"ImprovementofSteeringPerformanceUsingSteeringRackForceControl,"SAETechnicalPaper2019-01-1234,2019,https://doi.org/10.427/2019-01-1234.

Vehicle Estimator使用了車輛的二自由度模型，根據(jù)車輛的橫向加速度、橫擺角速度、方向盤轉(zhuǎn)速對齒條力進(jìn)行估算；Steering Estimator使用了簡化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過小齒輪角速度、助力電機(jī)轉(zhuǎn)速、助力電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等對齒條力進(jìn)行估算。在車輛速度較低時，基于車輛的二自由度模型估算誤差較大，Steering Estimator的性能優(yōu)于Vehicle Estimator；車速較高時，基于車輛的二自由度模型估算齒條力能達(dá)到較高的精度，此時Vehicle Estimator的性能優(yōu)于Steering Estimator。因此，實(shí)際應(yīng)用根據(jù)車速信號對兩種算法的估算結(jié)果進(jìn)行調(diào)和（Driving State Weighting），從而得出在全工況都較優(yōu)的估算結(jié)果。

3.2 力矩閉環(huán)算法

如圖3-2所示為方向盤執(zhí)行器的力矩閉環(huán)算法。首先根據(jù)齒條力估算的結(jié)果進(jìn)行路感反饋控制，首先對齒條力進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，濾除高頻的振動信號，然后基于路感反饋的MAP確定初始目標(biāo)手力。這部分相比傳統(tǒng)EPS開環(huán)控制的Boost Curve實(shí)現(xiàn)了直接設(shè)定目標(biāo)手力，對于手感風(fēng)格的調(diào)試更加方便。為了進(jìn)一步優(yōu)化駕駛手感，增加主動回正、阻尼控制的手力分量計算。主動回正功能模擬傳統(tǒng)EPS的回正效果，提升駕駛體驗。阻尼控制增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止方向盤在回正過程中出現(xiàn)“搖頭”現(xiàn)象。力矩閉環(huán)算法已經(jīng)將系統(tǒng)的摩擦力完全補(bǔ)償?shù)?，因此無需對系統(tǒng)的摩擦力進(jìn)行額外的補(bǔ)償，但是適當(dāng)?shù)亍爸貥?gòu)”系統(tǒng)的摩擦力，可以讓手感更加真實(shí)、體驗更好，另外也可以防止過度轉(zhuǎn)向。手力跟蹤控制模塊要求能夠?qū)⒖际至M(jìn)行精確的跟蹤控制，并且具有較快的響應(yīng)速度和較強(qiáng)的魯棒性。此外，參考手力閉環(huán)跟蹤控制算法要具有較好的穩(wěn)定性。

圖3-2 HWA力矩閉環(huán)算法示意圖

3.3 線控轉(zhuǎn)向高級功能

?駕駛手感定制：

線控轉(zhuǎn)向（SBW）相比傳統(tǒng)的EPS去掉了中間軸機(jī)械連接，而且采用力矩閉環(huán)算法對參考手力進(jìn)行跟蹤，因此可以靈活地設(shè)計駕駛手感的風(fēng)格。相比傳統(tǒng)的EPS通常僅有舒適、標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)動幾種風(fēng)格，線控轉(zhuǎn)向（SBW）具備更多的可性能，甚至可以根據(jù)駕駛員的喜好進(jìn)行定制化調(diào)整。

?可折疊方向盤：

傳統(tǒng)的EPS方向盤可調(diào)的范圍非常有限，因此及時在自動駕駛（如APA/TJP/HWP等）的工況下，方向盤也會一直隨轉(zhuǎn)。線控轉(zhuǎn)向（SBW）取消機(jī)械連接之后，駕駛員可以選擇在自動駕駛的場景下把方向盤折疊起來，釋放更多的駕駛艙空間用于休息、娛樂或者工作。

?可變轉(zhuǎn)向速比：

可變轉(zhuǎn)向速比功能可以兼顧低車速工況下的靈活性以及高車速工況下的穩(wěn)定性，或者可以調(diào)節(jié)方向盤在On-Center、Off-Center區(qū)間的轉(zhuǎn)向靈敏度。傳統(tǒng)的EPS由于存在剛性的機(jī)械連接，因此要實(shí)現(xiàn)可變轉(zhuǎn)向速比需要改變機(jī)械結(jié)構(gòu)，如齒輪齒條傳動結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向管柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜且成本較高。而對于線控轉(zhuǎn)向（SBW），可變轉(zhuǎn)向速比通過軟件算法就可以實(shí)現(xiàn)，具有極大的靈活性，可以在安全范圍內(nèi)進(jìn)行靈活的定義，針對不同的場景可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的駕駛體驗，如賽車模式、舒適模式、運(yùn)動模式等。

?自動緊急轉(zhuǎn)向：

自動緊急轉(zhuǎn)向（Automatic Emergency Steering, AES）是一個在開闊道路下能夠有效避免車輛碰撞的功能，傳統(tǒng)的EPS在實(shí)現(xiàn)AES功能時，方向盤要在很短時間內(nèi)快速轉(zhuǎn)過一個角度，而此時通常駕駛員的手還在接觸方向盤，因此很容易出現(xiàn)AES功能與駕駛員控制的沖突，甚至引起駕駛員的恐慌。但是對于線控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)來說，自動緊急轉(zhuǎn)向功能激活時，可以在不控制方向盤的情況下在很短的時間內(nèi)完成緊急避撞的任務(wù)，更加安全。

?路面干擾抑制：

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）移除機(jī)械連接的同時也切斷了噪音從輪胎傳遞到駕駛員的路徑，因此可以更好地實(shí)現(xiàn)對路面無效干擾信號的抑制，降低機(jī)械噪音，讓駕駛艙更加安靜，有效提升駕駛體驗。

?信息娛樂功能：

隨著汽車座艙的智能化程度越來越高，駕駛艙已經(jīng)成為很多消費(fèi)者的第二休息空間，具備越來越多的信息娛樂功能。而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）在移除機(jī)械連接之后，方向盤可以單獨(dú)作為一個執(zhí)行器工作，因此可以用來與智能座艙聯(lián)動，作為游戲方向盤來使用，并支持力反饋、振動提醒等功能。

4?

小結(jié)

線控轉(zhuǎn)向（SBW）技術(shù)相比傳統(tǒng)的EPS具有更高的技術(shù)壁壘，開發(fā)難度更大、開發(fā)成本更高，但是線控轉(zhuǎn)向（SBW）技術(shù)能夠支持L4級以上的自動駕駛功能，并且能夠為汽車帶來很多新的功能，顯著提升駕駛體驗，因此是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

隨著線控技術(shù)的不斷發(fā)展，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）技術(shù)也越來越成熟。主流的轉(zhuǎn)向供應(yīng)商博世、采埃孚、耐世特、萬都等都已經(jīng)完成了SBW產(chǎn)品的開發(fā)，并預(yù)計在2025年之前完成量產(chǎn)。國內(nèi)零部件企業(yè)相比國際主流的供應(yīng)商起步較晚，但是在國家戰(zhàn)略的推動下，也在快速地追趕。英創(chuàng)匯智T-SBW解決方案讓汽車更加智能、更加安全、更加具有駕駛樂趣，能夠幫助客戶打造更受消費(fèi)者喜愛的產(chǎn)品。

審核編輯：彭菁