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摘要：简要叙述线控转向系统的结构、工作原理，介绍该项技术的优势及产业化所存在的问题，重点论述其发展前景及产业化的趋势。
关键词：线控转向； 结构原理； 技术优势； 产业化趋势；
转向系统作为汽车底盘中一个十分重要的子系统具有举足轻重的作用，是汽车实现转向功能及保持直线行驶的机构。随着汽车技术的发展，转向系统大致经历了一下发展历程：
机械式无助力转向系统→常规液压式助力转向系统（HPS）→电液式助力转向系统（EHPS） →电动式助力转向系统（EPS）→主动转向系统→线控转向系统（SBW）；由于线控转向系统是目前汽车转向系统技术中最为先进的技术之一，具有操纵稳定性更好的特点,而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接,彻底摆脱传统转向系统所固有的限制,在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。因而线控转向技术成为目前国内外各大汽车厂商及汽车科研机构竞相研究的对象。
1、线控转向系统的发展概况
德国奔驰公司在1990年开始了前轮线控转向的研究,并将它开发的线控转向系统应用于概念车F400Carving（1996）上。日本Koyo也开发了线控转向系统,但为了保证系统的安全,仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分,即通过离合器连接,当线控转向失效时通过离合器结合恢复到机械转向。宝马汽车公司的概念车BMWZ22,应用了Steering-By-Wire技术,转向盘的转动范围减小到160°,使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone设计开发的概念车“FILO ”, 雪铁龙越野车“C-Crosser”, Daimlerchrysler 概念车“R129”,都采用了线控转向系统。2003年日本本田公司在纽约国际车展上推出了LexusHPX概念车,该车也采用了线控转向系统,在仪表盘上集成了各种控制功能,实现车辆的自动控制。估计几年后,机械系统将由电缆与电子信号取代[1]。2005年1月戴姆勒•克莱斯勒公司在底特律北美国际车展上展出了一款突出吉普车型恶劣路面行驶性能的概念车"吉普飓风(Jeep Hurricane)"，该车不仅采用了四轮线控转向技术，并且将转向模式发挥到极致，除了常规的前轮转向及后轮随动转向外，还具备了回转式转向（零转弯半径转向）及滑移转向（蟹行转向）。
2、 控转向系统的结构及工作原理
2.1、线控转向系统的结构
汽车线控转向系统由转向操纵模块、转向执行机构和具有容错功能的控制单元( ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成，如下图1所示：
图1汽车线控转向系统结构示意图
转向操纵模块包括方向盘总成、方向盘转角传感器、力矩传感器、力矩反馈电机。转向操纵模块的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过方向盘转角传感器测量方向盘转角)转换成数字信号，并传递给控制单元，同时接受控制单元送来的力矩信号，并由力矩反馈电机产生方向盘回正力矩,以提供给驾驶员相应的路感信息。
转向执行机构由前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受控制单元( ECU)的命令,通过转向电机控制器控制转向车轮转动,实现驾驶员的转向意图。
控制单元( ECU)对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,对方向盘回正力电机和转向电机发送指令,控制两个电机的工作,保证各种工况下都具有理想的车辆响应,以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务,减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别,判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时,线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽,而自动进行稳定控制,使汽车尽快地恢复到稳定状态。
自动防故障系统是线控转向系的重要模块,它包括一系列的监控和实施算法,针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理,以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一,汽车的安全性是必须首先考虑的因素,是一切研究的基础,因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑,以更大地提高汽车安全性能。
电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务,其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500—800W,加上汽车上的其它电子设备,电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。在42V 供电系统中这个问题将得到圆满的解决。
2.2、线控转向系统的工作原理
汽车线控转向系统的工作原理示意图如图2所示。驾驶员转动转向盘时，转向控制系统将转向盘转角传感器、车速传感器测得的信号，通过数据总线将信号传递给车上的控制单元( ECU)，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。又因为转向系统完全在转向控制系统的控制下运动，所以几乎可以在任意位置实现任意转向传动比，控制单元( ECU)综合这些和其他信号作出判断后，再控制前轴的转向角度。
图2汽车线控转向系统的工作原理
汽车线控转向系统还具备防错功能及自动防故障系統。为避免驾驶员的错误判断，这个系统还会忽略驾驶员的转向输入，平稳地将车保持在最安全的状态。当线控转向系统出现故障时，该系统控制单元( ECU)输出故障信息并通过总线将信息传递给驾驶员信息系统，使得驾驶员第一时间作出反应，并同时开启故障离合器使驾驶员能够通过传统机械式转向保持对车辆转向的操控。
3、 线控转向系统的技术优势
3.1、便于操控系统布置。例如取消了传统的转向柱连接，可以很容易把左舵驾驶换为右舵驾驶。
3.2、有利于整车平台化策略实现。例如，各类传感器如方向盘转角传感器、力矩传感器可进行通用化设计，执行电机、力矩反馈电机及控制单元（ECU）等可进行模块化、系列化设计。
3.3、转动效率高，响应时间短。控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。
3.4、改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向传动比（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化。
3.4.1、低速行驶时，转向传动比低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；
3.4.2、高速行驶时，转向传动比变大，能够获得更好的直线行驶条件。
3.5、取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。
3.6、有利于底盘整合，对于实现一体化底盘有较大贡献
目前越来越多的主动安全控制系统投入车辆的应用。如DYC、ESP等是通过对车轮纵向力进行控制，以补偿由车辆横向加速度或横摆角速度变化引起的行驶方向失控和车身姿态不稳，增加车辆道路保持性能并改善操纵稳定性能，采用线控转向系统后有利于整合底盘技术，综合利用主动悬架、ASR、DYC或ESP等系统的传感器，实现数据共享。同时对于控制软件方面，可以综合考虑车辆弯道行驶和车身横向稳定性控制，进一步提高车辆操纵稳定性和安全性。
3.7、降低底盘综合开发成本
3.7.1、采用线控转向系统后，在底盘开发过程中就不必考虑左侧驾驶和右侧驾驶车辆的区别，可降低公司的底盘开发成本。
3.7.2、今后线控转向系统的最终发展趋势同汽车的发展趋势一致，更加的多功能化、智能化。x-by-wire技术将成为其发展趋势，它取消了转向柱、转向油泵、皮带轮和皮带等部件，它的转向执行机构将不再采用传统的转向器，而是由步进电机执行转向任务，给发动机舱节省了空间，方便了底盘总布置的设计。线控转向系统通过修改部分参数就可以应用于其它车型，为新车型的设计开发节省了大量的时间，有利于厂家在竞争日益激烈的汽车业中尽快发布新车型，抢得市场先机。
3.8、节能减排，提高能源效率，有利于环保
3.8.1、线控转向系统仅仅在需要转向时电机才进入工作状态，产生功率输出及能源消耗，同时电路传动相较于传统的机械传动，传递效率更高，因此减少了燃油消耗及废气排放。
3.8.2、线控转向系统中取消了液压助力，从而避免了液压油泄漏、液压油管等橡胶类不可回收的废弃物对环境造成的污染。
4、线控转向系统的关键技术及产业化所存在的问题
4.1、电子电器部件的可靠性
电子部件与机械部件相比，可靠性相对较差，主要体现在以下方面：
4.1.1、电子部件的电磁兼容性问题，随着整车大量电子电器部件的应用，电磁兼容性一直成为困扰汽车行业的问题，例如车内使用手机，车辆的电子部件能否抗干扰程度如何。
4.1.2、采用电子部件均需面临线束及其接插件等部件的可靠性问题以及上述部件出现故障后故障点较难查找等问题，例如线束接头松脱、进水及线束破损断裂等。
4.2、整车行驶安全性的保障问题
如何保证车辆在行驶过程中转向系统的稳定及可靠。常规动力转向系统在车辆行驶过程中是依靠驾驶员手力及电动或液压助力共同实现车辆转向，当助力失效时，驾驶员仍然能够通过机械连接依靠手力继续操纵转向系统实现转向功能。但是线控转向系统取消了驾驶员与转向执行机构之间的机械连接，那么，当线控转向系统的电子电器部件出现故障时如何保证驾驶员继续掌控转向系统则成为目前较为困难的课题。
4.3、系统性能与成本之间的矛盾
汽车电子控制系统控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈的精度,传感器科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。线控转向系统对于传感器的性能要求较为苛刻，目前车辆所用传感器如车速传感器、方向盘转角傳感器、力矩传感器等精度无法满足其要求，那么采用高精度的传感器势必带来车辆成本的较大增加。
5、产业化趋势分析
随着军事技术的民用化、民用尖端技术下探及普及化的大趋势，电子产业技术飞速发展，汽车电子化不断深入，智能驾驶将成为未来汽车工业的研究重点及产业化发展的趋势，目前自动泊车、自适应巡航等智能辅助驾驶系统的量产化已表明未来汽车智能化的趋势。
线控转向技术作为未来智能驾驶汽车中必不可少的技术之一也必将成为各大汽车生产厂商重点研究并进行量产化的对象，尽管目前线控转向技术受电子装置的性能、成本、可靠性等因素制约，但伴随着电子产业技术飞速的发展，相信精确、敏感的线控转向在不久的将来，必将取代笨重、精确度低的机械系统，实现产业化、普及化。
参考文献：
[ 1 ] 李伟光，王元聪. 汽车动力转向系统新技术[C ] / /全国自动化新技术学术交流会会议论文集(一). 南京:全国自动化新技术学术交流会会议，2005.
[ 2 ] 于蕾艳，林逸，施国标. 汽车线控转向技术概述[ J ]. 农业装备与车辆工程, 2007 (5) : 6～9.
[ 3 ] 苗立冬，何仁，等. 汽车电动转向技术发展综述[ J ], 长安大学学报（自然科学版），2004，24（1）：79-84.
[ 4 ] 陈平. 基于线控技术的主动转向与差动制动集成控制研究[D ]. 长春:吉林大学, 2007.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：线控转向； 结构原理； 技术优势； 产业化趋势；
转向系统作为汽车底盘中一个十分重要的子系统具有举足轻重的作用，是汽车实现转向功能及保持直线行驶的机构。随着汽车技术的发展，转向系统大致经历了一下发展历程：
机械式无助力转向系统→常规液压式助力转向系统（HPS）→电液式助力转向系统（EHPS） →电动式助力转向系统（EPS）→主动转向系统→线控转向系统（SBW）；由于线控转向系统是目前汽车转向系统技术中最为先进的技术之一，具有操纵稳定性更好的特点,而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接,彻底摆脱传统转向系统所固有的限制,在给驾驶员带来方便的同时也提高了汽车的安全性。因而线控转向技术成为目前国内外各大汽车厂商及汽车科研机构竞相研究的对象。
1、线控转向系统的发展概况
德国奔驰公司在1990年开始了前轮线控转向的研究,并将它开发的线控转向系统应用于概念车F400Carving（1996）上。日本Koyo也开发了线控转向系统,但为了保证系统的安全,仍然保留了转向盘与转向轮之间的机械部分,即通过离合器连接,当线控转向失效时通过离合器结合恢复到机械转向。宝马汽车公司的概念车BMWZ22,应用了Steering-By-Wire技术,转向盘的转动范围减小到160°,使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大降低。意大利Bertone设计开发的概念车“FILO ”, 雪铁龙越野车“C-Crosser”, Daimlerchrysler 概念车“R129”,都采用了线控转向系统。2003年日本本田公司在纽约国际车展上推出了LexusHPX概念车,该车也采用了线控转向系统,在仪表盘上集成了各种控制功能,实现车辆的自动控制。估计几年后,机械系统将由电缆与电子信号取代[1]。2005年1月戴姆勒•克莱斯勒公司在底特律北美国际车展上展出了一款突出吉普车型恶劣路面行驶性能的概念车"吉普飓风(Jeep Hurricane)"，该车不仅采用了四轮线控转向技术，并且将转向模式发挥到极致，除了常规的前轮转向及后轮随动转向外，还具备了回转式转向（零转弯半径转向）及滑移转向（蟹行转向）。
2、 控转向系统的结构及工作原理
2.1、线控转向系统的结构
汽车线控转向系统由转向操纵模块、转向执行机构和具有容错功能的控制单元( ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成，如下图1所示：
图1汽车线控转向系统结构示意图
转向操纵模块包括方向盘总成、方向盘转角传感器、力矩传感器、力矩反馈电机。转向操纵模块的主要功能是将驾驶员的转向意图(通过方向盘转角传感器测量方向盘转角)转换成数字信号，并传递给控制单元，同时接受控制单元送来的力矩信号，并由力矩反馈电机产生方向盘回正力矩,以提供给驾驶员相应的路感信息。
转向执行机构由前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。转向执行总成的功能是接受控制单元( ECU)的命令,通过转向电机控制器控制转向车轮转动,实现驾驶员的转向意图。
控制单元( ECU)对采集的信号进行分析处理,判别汽车的运动状态,对方向盘回正力电机和转向电机发送指令,控制两个电机的工作,保证各种工况下都具有理想的车辆响应,以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务,减轻驾驶员负担。同时控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别,判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时,线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽,而自动进行稳定控制,使汽车尽快地恢复到稳定状态。
自动防故障系统是线控转向系的重要模块,它包括一系列的监控和实施算法,针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理,以求最大限度地保持汽车的正常行驶。作为应用最广泛的交通工具之一,汽车的安全性是必须首先考虑的因素,是一切研究的基础,因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑,以更大地提高汽车安全性能。
电源系统承担着控制器、两个执行马达以及其它车用电器的供电任务,其中仅前轮转角执行马达的最大功率就有500—800W,加上汽车上的其它电子设备,电源的负担已经相当沉重。所以要保证电网在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。在42V 供电系统中这个问题将得到圆满的解决。
2.2、线控转向系统的工作原理
汽车线控转向系统的工作原理示意图如图2所示。驾驶员转动转向盘时，转向控制系统将转向盘转角传感器、车速传感器测得的信号，通过数据总线将信号传递给车上的控制单元( ECU)，并从转向控制系统获得反馈命令；转向控制系统也从转向操纵机构获得驾驶员的转向指令，并从转向系统获得车轮情况，从而指挥整个转向系统的运动。转向系统控制车轮转到需要的角度，并将车轮的转角和转动转矩反馈到系统的其余部分，比如转向操纵机构，以使驾驶员获得路感，这种路感的大小可以根据不同的情况由转向控制系统控制。又因为转向系统完全在转向控制系统的控制下运动，所以几乎可以在任意位置实现任意转向传动比，控制单元( ECU)综合这些和其他信号作出判断后，再控制前轴的转向角度。
图2汽车线控转向系统的工作原理
汽车线控转向系统还具备防错功能及自动防故障系統。为避免驾驶员的错误判断，这个系统还会忽略驾驶员的转向输入，平稳地将车保持在最安全的状态。当线控转向系统出现故障时，该系统控制单元( ECU)输出故障信息并通过总线将信息传递给驾驶员信息系统，使得驾驶员第一时间作出反应，并同时开启故障离合器使驾驶员能够通过传统机械式转向保持对车辆转向的操控。
3、 线控转向系统的技术优势
3.1、便于操控系统布置。例如取消了传统的转向柱连接，可以很容易把左舵驾驶换为右舵驾驶。
3.2、有利于整车平台化策略实现。例如，各类传感器如方向盘转角传感器、力矩传感器可进行通用化设计，执行电机、力矩反馈电机及控制单元（ECU）等可进行模块化、系列化设计。
3.3、转动效率高，响应时间短。控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。
3.4、改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向传动比（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化。
3.4.1、低速行驶时，转向传动比低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；
3.4.2、高速行驶时，转向传动比变大，能够获得更好的直线行驶条件。
3.5、取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。
3.6、有利于底盘整合，对于实现一体化底盘有较大贡献
目前越来越多的主动安全控制系统投入车辆的应用。如DYC、ESP等是通过对车轮纵向力进行控制，以补偿由车辆横向加速度或横摆角速度变化引起的行驶方向失控和车身姿态不稳，增加车辆道路保持性能并改善操纵稳定性能，采用线控转向系统后有利于整合底盘技术，综合利用主动悬架、ASR、DYC或ESP等系统的传感器，实现数据共享。同时对于控制软件方面，可以综合考虑车辆弯道行驶和车身横向稳定性控制，进一步提高车辆操纵稳定性和安全性。
3.7、降低底盘综合开发成本
3.7.1、采用线控转向系统后，在底盘开发过程中就不必考虑左侧驾驶和右侧驾驶车辆的区别，可降低公司的底盘开发成本。
3.7.2、今后线控转向系统的最终发展趋势同汽车的发展趋势一致，更加的多功能化、智能化。x-by-wire技术将成为其发展趋势，它取消了转向柱、转向油泵、皮带轮和皮带等部件，它的转向执行机构将不再采用传统的转向器，而是由步进电机执行转向任务，给发动机舱节省了空间，方便了底盘总布置的设计。线控转向系统通过修改部分参数就可以应用于其它车型，为新车型的设计开发节省了大量的时间，有利于厂家在竞争日益激烈的汽车业中尽快发布新车型，抢得市场先机。
3.8、节能减排，提高能源效率，有利于环保
3.8.1、线控转向系统仅仅在需要转向时电机才进入工作状态，产生功率输出及能源消耗，同时电路传动相较于传统的机械传动，传递效率更高，因此减少了燃油消耗及废气排放。
3.8.2、线控转向系统中取消了液压助力，从而避免了液压油泄漏、液压油管等橡胶类不可回收的废弃物对环境造成的污染。
4、线控转向系统的关键技术及产业化所存在的问题
4.1、电子电器部件的可靠性
电子部件与机械部件相比，可靠性相对较差，主要体现在以下方面：
4.1.1、电子部件的电磁兼容性问题，随着整车大量电子电器部件的应用，电磁兼容性一直成为困扰汽车行业的问题，例如车内使用手机，车辆的电子部件能否抗干扰程度如何。
4.1.2、采用电子部件均需面临线束及其接插件等部件的可靠性问题以及上述部件出现故障后故障点较难查找等问题，例如线束接头松脱、进水及线束破损断裂等。
4.2、整车行驶安全性的保障问题
如何保证车辆在行驶过程中转向系统的稳定及可靠。常规动力转向系统在车辆行驶过程中是依靠驾驶员手力及电动或液压助力共同实现车辆转向，当助力失效时，驾驶员仍然能够通过机械连接依靠手力继续操纵转向系统实现转向功能。但是线控转向系统取消了驾驶员与转向执行机构之间的机械连接，那么，当线控转向系统的电子电器部件出现故障时如何保证驾驶员继续掌控转向系统则成为目前较为困难的课题。
4.3、系统性能与成本之间的矛盾
汽车电子控制系统控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈的精度,传感器科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。线控转向系统对于传感器的性能要求较为苛刻，目前车辆所用传感器如车速传感器、方向盘转角傳感器、力矩传感器等精度无法满足其要求，那么采用高精度的传感器势必带来车辆成本的较大增加。
5、产业化趋势分析
随着军事技术的民用化、民用尖端技术下探及普及化的大趋势，电子产业技术飞速发展，汽车电子化不断深入，智能驾驶将成为未来汽车工业的研究重点及产业化发展的趋势，目前自动泊车、自适应巡航等智能辅助驾驶系统的量产化已表明未来汽车智能化的趋势。
线控转向技术作为未来智能驾驶汽车中必不可少的技术之一也必将成为各大汽车生产厂商重点研究并进行量产化的对象，尽管目前线控转向技术受电子装置的性能、成本、可靠性等因素制约，但伴随着电子产业技术飞速的发展，相信精确、敏感的线控转向在不久的将来，必将取代笨重、精确度低的机械系统，实现产业化、普及化。
参考文献：
[ 1 ] 李伟光，王元聪. 汽车动力转向系统新技术[C ] / /全国自动化新技术学术交流会会议论文集(一). 南京:全国自动化新技术学术交流会会议，2005.
[ 2 ] 于蕾艳，林逸，施国标. 汽车线控转向技术概述[ J ]. 农业装备与车辆工程, 2007 (5) : 6～9.
[ 3 ] 苗立冬，何仁，等. 汽车电动转向技术发展综述[ J ], 长安大学学报（自然科学版），2004，24（1）：79-84.
[ 4 ] 陈平. 基于线控技术的主动转向与差动制动集成控制研究[D ]. 长春:吉林大学, 2007.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。