汽车前轮线控转向系统研究
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摘 要
从十九世纪末汽车诞生以来，转向系统经历了传统机械转向、液压助力转向
和电动助力转向三个重要的发展阶段。所有这些转向系统都属于机械传动，它们
的转向传动比固定，汽车转向特性随车速变化，因此汽车的操纵稳定性受到限制。
而随着人们对汽车安全性、舒适性、经济性的不断追求，出现新一代的转向系统
是必然趋势。本文所研究的汽车线控转向系统被普遍认为是下一代汽车转向系统。
该系统取消了方向盘和前轮之间的机械连接，转向传动比是通过信号传递的，其
特性设计不受机械系统结构的影响，可以随汽车速度和方向盘转角在大范围内变
化，而且可以自由设置，完全摆脱了传统转向系统的各种限制。既能提高汽车在
行驶过程中的稳定性，又不会破坏汽车的转向轻便性。同时给汽车转向特性的设
计带来无限空间，是汽车转向系统的重大革新，对于促进汽车线控技术的发展具
有重要意义。
由于线控转向系统中取消了方向盘和前轮之间的机械连接，本文将研究的重
点放在方向盘传递给驾驶员的路感和方向盘对前轮的控制上。
通过对汽车转向系统的路感进行分析，并且根据整车二自由度模型，推导出
方向盘回正力矩公式，以此作为线控转向系统的路感。使用永磁直流力矩电机作
为路感模拟器，并采用电流控制策略对路感模拟器进行控制，配合相应的硬件设
备使驾驶员能够感受到良好的路感。
考虑到汽车整车稳定性和操纵稳定性，通过汽车稳态转向理论，在横摆角速
度增益为定值的情况下提出了变传动比的公式。并将汽车的横摆角速度信号参与
到以变传动比为基础的前轮转向控制模型中，以使汽车的稳定性得到进一步的提
高。使用步进电机作为转向执行器，并采用位置控制策略对转向执行器进行控制，
再配合相应的硬件设备使驾驶员能按照驾驶意愿轻松而又安全的操纵汽车的行驶
方向。
本文还利用自行设计的电子转向控制单元和车辆动力学实时仿真软件，在不
同路况和行驶情况的虚拟环境中对所研究的基于线控转向系统的汽车进行了整车
性能仿真测试。结果表明，本文所研究的线控转向系统具有良好的回正性能和转
向特性，既可满足驾驶员对路感的需要，又能在较大程度上保证高速运行汽车的
转向安全性。
关键词：线控转向 路感 变传动比 力矩电机 步进电机
ABSTRACT
From the first automobile invented to present, the automotive steering system has
gone through three important generations, mechanical steering, hydraulic power
steering and electric power steering. Transmission ratio is a constant and the automotive
steering features change with speed. So tradition steering systems limit development of
the automotive operational stability. Along with people to car safety, comfortable,
economy of continuously pursue, studied automotive steer-by-wire system (SBW) that
the mechanical connections between the steering wheel and the front-wheel are
eliminated definitely is commonly considered as the next generation steering system.
The design property of this system is not affected by the construction of mechanical
system. So the transmission ratio of this system can not be set strict and its value can
change with speed and the hand wheel angle in large scope. Automotive SBW is
important significance for the development of x-by-wire.
Because of canceling the mechanical connections, for SBW, the road feeling and
steering control became two important contents that have to be studied.
Analyzing the automotive road feeling, the steering wheel self-aligning torque can
be estimated in terms of the planar bicycle model. We give this information to the driver.
So he gets the road condition. By controlling its current, we use the DC torque motor to
simulate the road feeling.
Considering vehicle stability, the function of changeable transmission ratio is
deduced in terms of the theory of steady steering. The angle control model of
front-wheel is built used the function of changeable transmission ratio. In this model,
yaw velocity gain that is a constant makes the vehicle stability to become better. By
controlling its situation, we use the stepping motor as the front-wheel control actuator.
By using designed ECU for turning and the Tesis DYNAware-veDYNA software,
the automotive model based SBW is tested in the virtual environment.As a result, SBW
in this paper has the good self-aligning performance and steering features. So it meets
the needs of the driver's sense of the way, also meets the automotive safety performance
at a high speed.
Key Word: Steer-by-Wire, Road Feeling, Changeable Transmission
Ratio, Torque Motor, Stepping Motor
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................... 1
§1.1 前言 ....................................................... 1
§1.2 汽车转向系统的发展 ......................................... 2
§1.2.1 汽车转向系统的类型 ..................................... 2
§1.2.2 汽车动力转向系统 ....................................... 2
§1.3 汽车线控转向系统概述 ....................................... 4
§1.3.1 国内外线控转向系统的发展现状 ........................... 4
§1.3.2 汽车线控转向系统的意义 ................................. 6
§1.3.3 汽车线控转向系统的关键技术 ............................. 7
§1.4 本文主要研究的内容 ......................................... 7
§1.5 本章小结 ................................................... 8
第二章 线控转向系统理论基础与结构 .................................. 9
§2.1 汽车轮胎的侧偏特性 ......................................... 9
§2.1.1 汽车轮胎的坐标系与作用于轮胎上的力和力矩 ............... 9
§2.1.2 汽车轮胎的侧偏现象和侧向力-侧偏角曲线 ................. 10
§2.1.3 汽车轮胎回正力矩——绕 Oz 轴的力矩 ..................... 11
§2.2 线性二自由度汽车模型 ...................................... 12
§2.2.1 汽车坐标系 ............................................ 12
§2.2.2 线性二自由度汽车模型的存在条件 ........................ 13
§2.2.3 线性二自由度汽车动力学方程 ............................ 13
§2.3 汽车的操纵稳定性 .......................................... 15
§2.3.1 汽车操纵稳定性的基本内容以及稳态响应分析 .............. 15
§2.3.2 不同行驶工况下对操纵稳定性的要求 ...................... 16
§2.4 汽车车载总线通信 .......................................... 17
§2.4.1 CAN 总线概述 ......................................... 17
§2.4.2 TTCAN 总线概述 ....................................... 20
§2.4.3 FlexRay 总线概述 ....................................... 21
§2.5 汽车线控转向系统的结构与工作原理 .......................... 22
§2.5.1 汽车前轮线控转向系统的结构与功能 .......................22
§2.5.2 汽车前轮线控转向系统工作原理 .......................... 23
§2.6 本章小结 .................................................. 23
第三章 路感模拟与转向控制算法研究 ................................. 24
§3.1 汽车线控转向系统的路感分析 ................................ 24
§3.1.1 汽车路感分类 .......................................... 24
§3.1.2 汽车线控转向系统的路感分析 ............................ 25
§3.2 汽车线控转向系统方向盘回正力矩模型 ........................ 25
§3.2.1 轮胎产生的回正力矩 .................................... 25
§3.2.2 前轮载荷与主销产生的回正力矩 .......................... 27
§3.2.3 汽车方向盘回正力矩 .................................... 28
§3.3 线控转向系统的可变转向传动比 .............................. 31
§3.3.1 传统转向系统的转向特性 ................................ 31
§3.3.2 可变转向传动比概念 .................................... 32
§3.3.3 理想转向传动比的仿真确认 .............................. 33
§3.4 汽车线控转向系统前轮转向模型 .............................. 34
§3.4.1 汽车线控转向系统前轮转向简单模型 ...................... 34
§3.4.2 带有动态校正的汽车线控转向系统前轮转向模型 ............ 35
§3.5 本章小结 .................................................. 36
第四章 线控转向系统电机控制 ....................................... 37
§4.1 路感模拟器——永磁直流电机 ................................ 37
§4.1.1 永磁直流电机原理 ...................................... 37
§4.1.2 汽车线控转向系统对路感模拟器性能要求与电机选择 ........ 38
§4.2 方向盘回正力矩执行电机电流控制 ............................ 39
§4.2.1 PID 控制的基本理论 .................................... 39
§4.2.2 方向盘回正力矩控制系统 ................................ 42
§4.2.3 方向盘回正力矩电机仿真测试 ............................ 43
§4.3 前轮转向执行器——步进电机 ................................ 45
§4.3.1 汽车线控转向系统对转向执行电机性能的要求 .............. 45
§4.3.2 步进电机的特点与工作原理 .............................. 46
§4.4 前轮线控转向执行电机位置控制 .............................. 48
§4.4.1 步进电机控制器设计 .....................................48
§4.4.2 汽车前轮转向控制系统 .................................. 49
§4.4.3 汽车前轮转向控制系统仿真 .............................. 50
§4.5 本章小结 .................................................. 52
第五章 线控转向系统硬件设计 ....................................... 53
§5.1 汽车线控转向系统控制器介绍 ................................ 53
§5.1.1 P89LPC936 微处理器 .................................... 54
§5.1.2 CAN 通信接口电路模块 ................................. 56
§5.2 方向盘回正力矩控制部分硬件结构 ............................ 57
§5.2.1 ISC3806 系列光电编码器与角度采集模块 ...................58
§5.2.2 55LY53 永磁直流力矩电机与电机驱动模块 ................. 60
§5.2.3 电流互感器与电机电枢电流采集模块 ...................... 63
§5.3 前轮转向控制部分硬件结构 .................................. 65
§5.3.1 前轮转向执行机构 ...................................... 66
§5.3.2 42BYG1.8 系列步进电机与驱动控制电路 ................... 67
§5.3.3 滑动式电位器与位移采集电路 ............................ 70
§5.4 本章小结 .................................................. 72
第六章 基于线控转向系统的整车性能测试 ............................. 73
§6.1 Tesis DYNAware 车辆动力学实时仿真软件介绍 ..................73
§6.1.1 TD 软件特点 ........................................... 73
§6.1.2 veDYNA 车辆动力学模型介绍 ............................ 73
§6.2 线控转向系统在 veDYNA 的仿真模型 ......................... 75
§6.3 基于线控转向系统车辆动力学仿真测试 ........................ 76
§6.3.1 方向盘中间位置操纵稳定性仿真测试 ...................... 76
§6.3.2 稳态转向特性仿真测试 .................................. 78
§6.4 基于线控转向系统的车辆转向功能实验测试 .................... 79
§6.5 本章小结 .................................................. 81
第七章 结论与展望 ................................................. 82
§7.1 课题工作总结 .............................................. 82
§7.2 课题研究展望 .............................................. 82
符号表 ............................................................ 84
参考文献 .......................................................... 85
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 88
致 谢 ............................................................ 89
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 前言
汽车在行驶过程中，经常需要改变行驶方向。汽车行驶方向的改变，是通过
一套专设的机构，使汽车转向轮(一般是前轮)相对于汽车纵轴线偏转一定的角度来
实现的。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。其
作用是使汽车在行驶过程中，能按照驾驶员的操作要求而适当的改变行驶方向，
并在受到路面传来的偶尔冲击及汽车意外地偏离行驶方向时，能与行驶系统配合
共同保持汽车操纵稳定性和安全性，它对于确保车辆的安全行驶、减少交通事故、
保护驾驶员的人身安全以及改善驾驶员的工作条件起着重要的作用。对于汽车转
向系统，除了要求其工作安全可靠、操纵轻便、机动性好、高效节能外，还要求
它能够在各种工况(包括直线行驶、正常转向、快速转向、原地转向等)下，根据不
同的行驶速度和路面状况，提供最佳的路感[1, 2]。
传统的汽车转向系统是机械系统，汽车转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通
过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。20 世纪 40 年代起，为减轻驾
驶员体力负担，在机械转向系统的基础上增加了液压助力系统。从节能考虑，电
机驱动的电液助力转向系统取代了传统的发动机驱动的液压助力转向系统。近年
来，随着电子技术的发展，电子部件的应用成为转向系统发展的必然趋势，与液
压助力系统相比，以电机为动力源的电动助力转向系统除节省能源、环保外，还
通过软件修改转向助力特性，满足不同车型、不同工况以及不同驾驶员的需求，
方便快捷。以上以机械系统为基础发展起来的转向系统改变了转向系统的力的传
递特性，有效地降低了驾驶员的体力负担，提高了汽车的行驶稳定性能，但却无
法改变转向系统的角传递特性，即无法控制汽车的转向特性，更无法实现汽车转
向的主动控制。
汽车线控转向系统由于取消了方向盘和前轮之间的机械连接，完全摆脱了传
统转向系统的各种限制，是汽车转向系统的重大革新之一。线控转向系统利用软
件设定方向盘转角和前轮转向角之间的转向传动比，并通过方向盘回正力矩电机
向驾驶员反馈车辆转向信息。它能够实现转向主动控制，提供驾驶员良好的路感，
同时线控转向系统中前轮与方向盘之间没有机械连接，也给汽车空间布置带来很
大的自由[1, 3, 4]。
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作者：赵德峰
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
