汽车转向系统之线控转向

线控转向系统（Steering -by -Wire ）是为高阶智驾而生的，是汽车进入高阶智驾时代后的必要技术手段之一。在搭载线控转向系统的车辆上，按照其转向过程是否有人力介入可将其分为自动驾驶模式以及手动驾驶模式两种。在自动驾驶模式下，驾驶员无需介入车辆运行，车辆的驾驶行为完全由车辆的控制单元完成。而在手动驾驶模式下，车辆的转向行为由驾驶员的转向意图实现。但无论整车处于何种驾驶模式，车辆的转向动力源皆是来自于人力之外的车辆控制系统通过对其相关部件的控制指令而实现的，在此环境中人力与车辆的转向执行机构之间并无直接的物理力矩的传输。

图1 线控转向使方向盘解耦

如图1所示，在线控转向系统的应用中，其与传统转向系统在物理结构上的显著区别是，方向盘与转向机构之间的转向中间轴等机械部件被取消，而代之以由线束、传感器、控制单元组成的主动控制系统。由于机械部件的取消，这使得方向盘与转向机构得以解耦，这相对于传统的转向系统，其在空间上要小了许多，对于整车而言，提高了车内空间的利用率，同时由于机械部件的取消，使得系统总成具有更轻的质量，这在新能源汽车的背景下，对于整车提升续航起到了一定的作用。

在系统控制方面，由于线控转向的控制信号全部来源于电子控制单元，可通过软件的精准控制，让整车获得更加舒适的驾驶体验，而在某些极端情况下，相对于人而言，软件及电信号的控制可通过更快的响应、更短的延迟对车辆做出更加安全、有效的控制，并最大程度的确保车内人员的安全。

若将线控转向系统从功能分工上进行划分，可将其按模块分为：路感反馈总成模块、主控制系统以及转向执行总成模块三部分。

图2 线控转向系统构成

注：这里需对‘路感’两字做个解释说明，顾名思义便是驾驶员通过车辆对所驾驶路面的感受。在传统的转向系统下，当车辆行驶过一段道路时，车辆与路面之间的相互作用力可通过转向系统的机械结构传递给驾驶员，通过这些信息的反馈，驾驶员可清晰地感觉出车辆所经过的路面情况，进而对车辆的驾驶行为做出合适的判断及操作以确保行车的安全。但对于线控转向系统而言，由于方向盘与转向执行装置之间的机械连接取消了，驾驶员无法再通过方向盘的应力来感受路面的情况，因此在手动操控模式下，需要通过各种传感器组成的路感模拟系统为驾驶员逆向提供转向阻力，以此来使得驾驶员获得可靠的路感。

路感反馈总成模块：主要包括方向盘、扭矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电机等。其作用是在手动驾驶模式下，驾驶员可通过对方向盘的操控将转向意图通过信号输出的方式传给控制单元，控制单元则根据车况信息及收到的信号对转矩反馈电机进行控制，并实时输出路感反馈力矩指令，以此向驾驶员施加合适的路感和让方向盘回正的目的，通过此控制流程得以实现对车辆的手动转向控制，其结构示意如下图：

图3 路感反馈总成模块

由于方向盘与转向机构的解耦，在高阶智驾应用的某些环境中，对于路感的需求可被降到最低，在此场景中，出于对空间、成本等方面的考虑，方向盘或将被取消，如特斯拉将应用于出租场景中的无方向盘汽车。

图4 特斯拉无方向盘汽车

主控制系统：主要由各种传感器及控制单元组成。在高阶自动驾驶中，车辆的转向控制功能的实现主要是依赖于控制单元在软件设计中的路感反馈控制策略和线控转向执行策略。其中，路感反馈控制策略如上所述。执行策略是根据车速传感器及整车工况等信息，在车辆有转向需求时向转向执行总成中的转向电机发送相关控制指令，以此来达到对转向角的控制，从而实现如车道保持、自动泊车等自动驾驶相关功能。同时控制单元还根据实时路况、反馈信号等信息对输出的车轮转向角指令做出精准修正，以确保自动驾驶车辆在行驶中具有安全、稳定的控制特性，其示意简图如下

图5 线控转向控制系统示意图

转向执行总成模块：主要由转向电机、转向器和转向拉杆等部件组成。转向电机通过接收控制单元给出的如转向角等指令，从而快速、准确地执行相关动作。同时转向执行总成中的角位移传感器通过实时的数据反馈，让控制单元对驾驶行为做出精准的调整控制，以此实现自动驾驶车辆稳定转向功能，简图示意如下：

图6 线控转向执行总成示意图

不同模块组成了完整的线控转向系统，其原理如下图所示：

图7 SBW原理示意图

与EPS在整车上的应用类似，在SBW的应用中，按照其转向电机的数量、位置等方式的不同，可将其分为单电机前轮转向、双电机前轮转向、双电机独立前轮转向、后轮线控转向和四轮独立转向五类。由于线控转向技术在当前汽车市场中，除了之前英菲尼迪Q50曾搭载过双电机前轮转向方案之外，目前其他主机厂暂无量产车，因此暂不对其分类方式进行特性比较。

总结：在汽车智能化水平尚未提高的当下汽车市场，EPS或冗余EPS可很好地应对各种应用环境。但在乘用车领域EPS渗透率已接近100%的形势下，随着汽车智能化水平的提升，转向技术为适应市场环境，如当初从机械化到电动化的发展历程一样，亦将由电动化向智能化发展。而SBW从0到1的过程将是汽车电动化迈入高阶智能化的具体体现。

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