引言：

汽車(chē)行業(yè)在“新四化”目標(biāo)的牽引下快速發(fā)展，汽車(chē)電動(dòng)化與智能化取得了顯著的成果。汽車(chē)智能化的發(fā)展對(duì)汽車(chē)底盤(pán)提出了新的需求，傳統(tǒng)汽車(chē)底盤(pán)在響應(yīng)速度、執(zhí)行精度、安全性等方面不再能滿(mǎn)足智能汽車(chē)的要求，汽車(chē)底盤(pán)由傳統(tǒng)底盤(pán)向線(xiàn)控底盤(pán)過(guò)渡。其中，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（Steering-by-Wire，SBW）是線(xiàn)控底盤(pán)中控制橫向運(yùn)動(dòng)的核心部件，是實(shí)現(xiàn)高階自動(dòng)駕駛的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》中將純電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)一體化、線(xiàn)控執(zhí)行系統(tǒng)等列為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)工程。國(guó)標(biāo)《GB17675-2021 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系基本要求》中刪除了不得裝用全動(dòng)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(pán)與轉(zhuǎn)向器之間的物理解耦。國(guó)家戰(zhàn)略的推動(dòng)以及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的落地對(duì)于線(xiàn)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(duì)英創(chuàng)匯智的線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）解決方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1?

轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展路徑

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)底盤(pán)的關(guān)鍵部件之一，對(duì)于汽車(chē)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(chē)工業(yè)電動(dòng)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）再到線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）的發(fā)展歷程。

圖1-1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展路徑

圖片來(lái)源：天風(fēng)證券研究報(bào)告《智能電動(dòng)汽車(chē)賽道深度二：線(xiàn)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、助力控制響應(yīng)更快，同時(shí)能耗也更低，而且不需要保養(yǎng)和維護(hù)，是目前汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）相比EPS最大區(qū)別在于方向盤(pán)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間無(wú)機(jī)械連接，因此在成本控制、設(shè)計(jì)靈活性、功能豐富性、空間布置等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為底盤(pán)核心零部件，具有很高的技術(shù)壁壘。我國(guó)汽車(chē)工業(yè)起步相對(duì)較晚，因此當(dāng)前德國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)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(chǎng)，尤其是高端EPS和線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)仍然處于追趕的狀態(tài)。但是隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈的日漸成熟，一些企業(yè)也開(kāi)始逐步掌握轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心技術(shù)，未來(lái)有望快速提升所占的市場(chǎng)份額。

2?

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

2.1 線(xiàn)控轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)方案

如圖2-1所示為英創(chuàng)匯智的線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)方案示意圖，主要由方向盤(pán)執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）組成。線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）相比EPS系統(tǒng)最大的卻別就是沒(méi)有中間軸，即方向盤(pán)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(shí)也為自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下的方向盤(pán)靜默、方向盤(pán)折疊提供了可能性。

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

?方向盤(pán)執(zhí)行器（Handwheel Actuator, HWA）：主要由方向盤(pán)、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(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)給到前輪執(zhí)行器（RWA），同時(shí)根據(jù)前輪執(zhí)行器反饋的齒條力模擬車(chē)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(pán)執(zhí)行器（HWA）發(fā)送的期望轉(zhuǎn)角指令，并通過(guò)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)齒條的橫向移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

?冗余電控單元（Fail-Operational Powerpack）：方向盤(pán)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(dòng)駕駛工況，即在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下，如果線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)的方向盤(pán)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(lái)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(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)的方向盤(pán)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(dòng)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(cè)量實(shí)際的小齒輪輸入轉(zhuǎn)角。

2.2 線(xiàn)控轉(zhuǎn)向的電氣架構(gòu)

圖2-2 線(xiàn)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(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)的電氣架構(gòu)示意圖，其中車(chē)輛具備冗余的電源、公共CAN通信網(wǎng)絡(luò)，方向盤(pán)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(gè)系統(tǒng)外部的電氣隔離。全冗余電控單元兩個(gè)ECU之間也通過(guò)CAN通信來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互，從而可以進(jìn)行信號(hào)交互、協(xié)同控制。方向盤(pán)執(zhí)行器（HWA）和前輪執(zhí)行器（RWA）之間通過(guò)私CAN進(jìn)行通信，傳遞期望轉(zhuǎn)角信號(hào)、齒條力信號(hào)等。方向盤(pán)執(zhí)行器（HWA）的每個(gè)ECU需要采集雙路轉(zhuǎn)矩信號(hào)與單路的絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)（支持功能安全ASIL D等級(jí)），因此對(duì)應(yīng)“4+2”的TAS傳感器；前輪執(zhí)行器（RWA）每個(gè)ECU需要采集單路的絕對(duì)轉(zhuǎn)角信號(hào)（支持功能安全ASIL D等級(jí)），因此對(duì)應(yīng)2路轉(zhuǎn)角信號(hào)的角度傳感器。

2.3線(xiàn)控轉(zhuǎn)向的算法架構(gòu)

如圖2-3所示為英創(chuàng)匯智線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)算法架構(gòu)示意圖。根據(jù)方向盤(pán)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(jì)算、力矩疊加控制、手力跟蹤控制、轉(zhuǎn)角疊加控制、變傳動(dòng)比控制、轉(zhuǎn)角指令計(jì)算等?？梢钥闯?，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)中，方向盤(pán)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(kāi)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(jì)算法。轉(zhuǎn)角跟蹤控制通過(guò)轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量小齒輪轉(zhuǎn)角作為反饋信號(hào)，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(jì)算法對(duì)轉(zhuǎn)向器的齒條力進(jìn)行觀(guān)測(cè)，并作為路感反饋信號(hào)發(fā)送給方向盤(pán)執(zhí)行器（HWA），實(shí)現(xiàn)路感反饋模擬計(jì)算。

圖2-3 線(xiàn)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(guān)測(cè)

如圖3-1所示為線(xiàn)控轉(zhuǎn)向前輪執(zhí)行器（RWA）的齒條力估計(jì)算法架構(gòu)，其中分別采用了基于車(chē)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(jì)算法示意圖

圖片來(lái)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(chē)輛的二自由度模型，根據(jù)車(chē)輛的橫向加速度、橫擺角速度、方向盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)齒條力進(jìn)行估算；Steering Estimator使用了簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)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(duì)齒條力進(jìn)行估算。在車(chē)輛速度較低時(shí)，基于車(chē)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(chē)速較高時(shí)，基于車(chē)輛的二自由度模型估算齒條力能達(dá)到較高的精度，此時(shí)Vehicle Estimator的性能優(yōu)于Steering Estimator。因此，實(shí)際應(yīng)用根據(jù)車(chē)速信號(hào)對(duì)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(pán)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(duì)齒條力進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，濾除高頻的振動(dòng)信號(hào)，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(kāi)環(huán)控制的Boost Curve實(shí)現(xiàn)了直接設(shè)定目標(biāo)手力，對(duì)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(dòng)回正、阻尼控制的手力分量計(jì)算。主動(dòng)回正功能模擬傳統(tǒng)EPS的回正效果，提升駕駛體驗(yàn)。阻尼控制增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止方向盤(pán)在回正過(guò)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(wú)需對(duì)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(yàn)更好，另外也可以防止過(guò)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(xiàn)控轉(zhuǎn)向高級(jí)功能

?駕駛手感定制：

線(xiàn)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(duì)參考手力進(jìn)行跟蹤，因此可以靈活地設(shè)計(jì)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(dòng)幾種風(fēng)格，線(xiàn)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(pán)：

傳統(tǒng)的EPS方向盤(pán)可調(diào)的范圍非常有限，因此及時(shí)在自動(dòng)駕駛（如APA/TJP/HWP等）的工況下，方向盤(pán)也會(huì)一直隨轉(zhuǎn)。線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）取消機(jī)械連接之后，駕駛員可以選擇在自動(dòng)駕駛的場(chǎng)景下把方向盤(pán)折疊起來(lái)，釋放更多的駕駛艙空間用于休息、娛樂(lè)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(chē)速工況下的靈活性以及高車(chē)速工況下的穩(wěn)定性，或者可以調(diào)節(jié)方向盤(pán)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(dòng)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(duì)于線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW），可變轉(zhuǎn)向速比通過(guò)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(duì)不同的場(chǎng)景可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的駕駛體驗(yàn)，如賽車(chē)模式、舒適模式、運(yùn)動(dòng)模式等。

?自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向：

自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向（Automatic Emergency Steering, AES）是一個(gè)在開(kāi)闊道路下能夠有效避免車(chē)輛碰撞的功能，傳統(tǒng)的EPS在實(shí)現(xiàn)AES功能時(shí)，方向盤(pán)要在很短時(shí)間內(nèi)快速轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，而此時(shí)通常駕駛員的手還在接觸方向盤(pán)，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(duì)于線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向功能激活時(shí)，可以在不控制方向盤(pán)的情況下在很短的時(shí)間內(nèi)完成緊急避撞的任務(wù)，更加安全。

?路面干擾抑制：

線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）移除機(jī)械連接的同時(shí)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(duì)路面無(wú)效干擾信號(hào)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(yàn)。

?信息娛樂(lè)功能：

隨著汽車(chē)座艙的智能化程度越來(lái)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(lái)越多的信息娛樂(lè)功能。而線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）在移除機(jī)械連接之后，方向盤(pán)可以單獨(dú)作為一個(gè)執(zhí)行器工作，因此可以用來(lái)與智能座艙聯(lián)動(dòng)，作為游戲方向盤(pán)來(lái)使用，并支持力反饋、振動(dòng)提醒等功能。

4?

小結(jié)

線(xiàn)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(kāi)發(fā)難度更大、開(kāi)發(fā)成本更高，但是線(xiàn)控轉(zhuǎn)向（SBW）技術(shù)能夠支持L4級(jí)以上的自動(dòng)駕駛功能，并且能夠?yàn)槠?chē)帶來(lái)很多新的功能，顯著提升駕駛體驗(yàn)，因此是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

隨著線(xiàn)控技術(shù)的不斷發(fā)展，線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）技術(shù)也越來(lái)越成熟。主流的轉(zhuǎn)向供應(yīng)商博世、采埃孚、耐世特、萬(wàn)都等都已經(jīng)完成了SBW產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，并預(yù)計(jì)在2025年之前完成量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)零部件企業(yè)相比國(guó)際主流的供應(yīng)商起步較晚，但是在國(guó)家戰(zhàn)略的推動(dòng)下，也在快速地追趕。英創(chuàng)匯智T-SBW解決方案讓汽車(chē)更加智能、更加安全、更加具有駕駛樂(lè)趣，能夠幫助客戶(hù)打造更受消費(fèi)者喜愛(ài)的產(chǎn)品。

審核編輯：彭菁