电动汽车线控转向系统操纵稳定性研究

田军南　黄日帆　王垚　张维华

摘 要：随着电动汽车的快速发展，线控转向系统作为电动汽车的重要组成部分，对于提升驾驶稳定性和操控性具有重要意义。本文通过对电动汽车线控转向系统操纵稳定性研究分析，总结了相关研究的现状和发展趋势。首先，介绍了电动汽车线控转向系统的基本原理和结构，然后重点讨论了影响操纵稳定性的关键因素，包括车辆动力学特性、控制算法和传感器技术等。接着，对不同电动汽车线控转向系统操纵稳定性研究方法和实验手段进行了比较和分析，包括仿真模拟、试验台架和实车试验等。最后，对未来电动汽车线控转向系统操纵稳定性研究的方向进行了展望。

关键词：电动汽车 线控转向系统 操纵稳定性

1 引言

随着环境保护意识的增强和能源危机的不断加剧，电动汽车为一种清洁高效的交通工具逐渐得到广泛关注。与传统燃油车相比，纯电动汽车具有零排放、低噪音和高能效等优势。然而，在高速行驶和急转弯等情况下电动汽车在操控性和驾驶稳定性方面仍然存在一定挑战。现阶段传统机械转向系统在电动汽车中存在传动链路的复杂性、能量损失以及对空间的占用等一系列问题。为了克服这些问题与挑战，线控转向系统逐渐成为电动汽车中的一种新型转向解决方案[1-2]。

本文在总结大量相关文献的基础上，着重从影响电动汽车线控转向系统操纵稳定性的关键因素、电动汽车线控转向系统操纵稳定性不同的研究方法与实验手段两个方面介绍电动汽车线控转向系统操纵稳定性的现阶段相关研究，并对未来研究方向进行展望，以促进电动汽车驾驶稳定性和操控性的提升。

2 电动汽车线控转向系统基本原理和结构

2.1 电动汽车线控转向系统的概述与基本原理

电动汽车线控转向系统是一种基于电信号和电动机控制的转向解决方案，旨在提高电动汽车的操控性和驾驶稳定性。相比传统的机械转向系统，线控转向系统具有更高的精确性和灵活性。它通过电子控制单元（ECU）和电动机控制转向机构，实现对前轮转向角度的精确控制。

电动汽车线控转向系统的基本原理是通过电动机的转动来实现前轮的转向。当驾驶员转动方向盘时，传感器将转向角度的信号传递给电子控制单元。电子控制单元根据接收到的信号，计算出电动机需要转动的角度和速度，并通过电机控制单元控制电动机的运动。电动机的转动通过传动装置传递到前轮，从而实现车辆的转向。

2.2 电动汽车线控转向系统的结构和组成部分

电动汽车线控转向系统由多个组成部分构成，包括电子控制单元（ECU）、电动机、转向机构和传感器等。

电子控制单元（ECU）是线控转向系统的核心部件，负责接收和处理来自传感器的信号，并控制电动机的运动。ECU通过算法和控制策略实现对转向系统的精确控制，以满足驾驶员的操控需求。电动机是线控转向系统中的执行器，负责转动前轮。根据不同的转向需求，电动机通过电机控制单元的控制，以特定的角度和速度进行转动。转向机构将电动机的转动传递到前轮，实现车辆的转向。转向机构通常由齿轮、传动杆和连杆等组成，确保电动机的转动能够准确传递到前轮，从而实现精确的转向控制。传感器是线控转向系统中的重要组成部分，用于感知驾驶员的转向操作和车辆的转向角度。常用的传感器包括转向角度传感器和转向力传感器。转向角度传感器用于测量方向盘的转动角度，而轉向力传感器用于测量驾驶员施加在方向盘上的力。

3 影响操纵稳定性的关键因素

3.1 车辆动力学特性的影响

车辆动力学特性是影响电动汽车线控转向系统操纵稳定性的重要因素之一[3-4]。车辆动力学特性包括车辆的质量分布、悬挂系统、轮胎特性等。这些特性直接影响着车辆的稳定性和操控性。

车辆的质量分布对操纵稳定性具有重要影响。在电动汽车中，电池组通常位于车辆的底部，这会导致车辆的重心较低，从而提高车辆的稳定性。前后轴的负载平衡也是关键因素，过大的前轴负载可能导致转向过轻，而过大的后轴负载可能导致转向过重，都会影响操纵稳定性。此外，悬挂系统对于车辆的操纵性和稳定性也扮演着至关重要的角色。悬挂系统的刚度和减震器的效果直接影响着车辆在行驶过程中的稳定性和操控性。合理的悬挂系统可以提供良好的悬挂刚度和减震效果，减少车身的侧倾和纵向摇动，提高操纵稳定性。轮胎特性也是影响操纵稳定性的关键因素之一。轮胎的抓地力和操控性能直接影响着车辆的转向响应和稳定性。合适的轮胎规格和胎压可以提供良好的抓地力，而合理的轮胎硬度和花纹设计可以提供良好的操控性能。

3.2 控制算法的影响

控制算法是电动汽车线控转向系统中的核心部分，对操纵稳定性具有重要影响。控制算法通过精确计算和判断，实现对电动机的精确控制，从而实现车辆的转向。

转向控制算法需要根据驾驶员的转向操作和车辆的状态，计算出电动机需要转动的角度和速度。这需要考虑到车辆的动力学特性、路面情况和驾驶员的意图等因素，以实现准确的转向控制。控制算法需要实时监测和调整转向控制参数，以适应不同的驾驶情况和路面条件。例如，在高速行驶时，控制算法可以采用更精细的控制策略，以提供更高的操控性和稳定性；而在低速行驶或急转弯时，控制算法可以调整转向角度和速度，以提供更灵活的转向响应。控制算法还需要考虑到安全性和稳定性之间的平衡。在一些特殊情况下，例如紧急避让或失控时，控制算法需要及时作出响应，以保证车辆的稳定性和驾驶员的安全。

3.3 传感器技术的影响

传感器技术是电动汽车线控转向系统中的关键技术之一，对操纵稳定性具有重要影响。传感器技术可以提供准确的车辆状态信息和驾驶员操控信息，以实现精确的转向控制。

转向角度传感器用于测量方向盘的转动角度，可以提供精确的驾驶员操控信息。通过实时监测方向盘的转动角度，转向角度传感器可以将转向操控信息传递给控制算法，从而实现准确的转向控制。此外，转向力传感器也是影响操纵稳定性的重要传感器之一。转向力传感器可以测量驾驶员施加在方向盘上的力，从而提供驾驶员的意图和操控需求。控制算法可以根据转向力传感器的信号，调整转向控制参数，以满足驾驶员的操控需求[5]。

4 电动汽车线控转向系统操纵稳定性主要研究方法和实验手段

4.1 仿真模拟

仿真模拟是电动汽车线控转向系统研究中常用的一种方法。通过建立电动汽车的数学模型和控制算法，可以在计算机上进行大量的仿真实验。仿真模拟可以模拟不同驾驶情况下的转向控制效果，评估操纵稳定性，并优化控制算法。与此同时，仿真模拟还可以快速验证新的转向系统设计和控制策略的可行性，减少实际试验的成本和时间。

在进行仿真模拟时，需要根据电动汽车的物理特性和转向系统的结构建立相应的数学模型。模型可以包括车辆动力学模型、电动机模型、转向机构模型等。然后，根据控制算法和驾驶场景，通过计算机程序模拟转向系统的运行，得到转向角度、转向力和车辆的响应等结果。

4.2 试验台架

试验台架是电动汽车线控转向系统研究中常用的实验手段之一。试验台架可以通过搭建具有真实车辆零部件的实验平台，对转向系统进行真实环境下的测试和评估。

在试验台架上，可以安装真实的电动机、转向机构和传感器等部件，以模拟真实的转向操控和车辆响应。通过控制电动机的转动和记录传感器的数据，可以评估转向系统在不同驾驶情况下的操纵稳定性和操控性能。通过试验台架的实验，可以获得更接近实际驾驶情况的数据，提供更准确的转向系统性能评估。然而，试验台架的建设和维护成本较高，且受到实际环境的限制，不能完全模拟所有驾驶场景。

4.3 实车试验

实车试验是电动汽车线控转向系统研究中最直接和真实的实验手段。通过在实际道路上进行实车试验，可以全面评估转向系统的操纵稳定性和操控性能。

在实车试验中，研究人员可以安装测试设备，如转向角度传感器、转向力传感器、数据记录仪等，来监测和记录转向系统的性能。通过在不同路况和驾驶情况下的试验，可以获得真实的转向系统响应和驾驶员的操控感受。实车试验可以提供最真实的转向系统性能评估，但同时也存在一些局限性。例如：实车试验需要耗费大量的时间和资源，并受到交通和环境条件的限制；实车试验还涉及到安全问题，需要采取相应的措施来确保试验的安全性。

5 未来研究方向展望

电动汽车线控转向系统操纵稳定性的研究在不断发展，但仍存在一些挑战和机遇。在未来的研究中，可以从以下几个方面着手开展研究。

（1）提高转向系统的精确性和响应性

未来的研究可以致力于进一步提高电动汽车线控转向系统的精确性和响应性。通过优化控制算法和提高传感器的精度，可以实现更准确的转向控制。同时，结合深度学习和人工智能等技术，开发出更智能和自适应的转向系统，以满足不同驾驶情况和驾驶员的需求。

（2）研究复杂驾驶场景下的操纵稳定性

复杂驾驶场景下的操纵稳定性是电动汽车线控转向系统研究的重要方向之一。未来的研究可以关注电动汽车在高速行驶、急转弯、湿滑路面等复杂情况下的转向性能。通过深入研究和优化转向系统设计和控制策略，提高电动汽车在这些场景下的操控性和稳定性，进一步提升驾驶员的安全性和驾驶体验。

（3）强化转向系统与其他车辆系统的协同性

未来研究的重要方向之一是探索电动汽车的线控转向系統与其他车辆系统的协同性，以进一步提升电动汽车的操控性、安全性和驾驶体验。通过与车辆动力系统、制动系统和悬挂系统等其他系统的协同工作，可以实现更高效和智能的整车控制。未来的研究注重不同系统之间的信息共享和协同控制方法，以提高整车的性能和驾驶体验。

（4）提高转向系统的安全性和可靠性

转向系统的安全性和可靠性是电动汽车线控转向系统研究的重要关注点。未来的研究可以致力于解决转向系统在不同工况和恶劣环境下的安全性和可靠性问题。通过优化系统设计、改进传感器技术和控制策略，可以提高转向系统的安全性和可靠性，确保驾驶员的行车安全。

（5）推动标准化和法规制定

电动汽车线控转向系统的标准化和法规制定是未来研究的重要方向之一。建立统一的评价指标和测试标准，可以促进不同研究之间的比较和交流。制定相应的法规和标准，可以确保转向系统在实际应用中的安全性和合规性，推动电动汽车线控转向系统的广泛应用。

6 结论

电动汽车线控转向系统操纵稳定性的研究是电动汽车行业中的重要课题，电动汽车线控转向系统的研究是一个充满挑战和机遇的领域。通过持续的研究和创新，可以进一步提升电动汽车线控转向系统的性能和功能，推动电动汽车行业的发展和进步。

基金项目：

2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：电动车线控转向路感控制系统及其稳定性研究（项目编号：2021KY0851）项目资助、2023年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：基于多层次视觉神经机制的轮廓检测研究（项目编号：2023KY0883）项目资助、广西科技师范学院2023年度校级本科教学改革工程项目：基于SPOC平台下的 BOPPPS 教学模式在地方应用型本科高校电气信息类专业教学中的应用研究--以《自动控制理论》课程为例（项目编号：2023GKSYGB17）项目资助。

参考文献：

[1]陈坤. 线控四轮转向汽车操纵稳定性控制研究[D].重庆理工大学，2022.

[2]钟晓斌，张志文，张光琛等.线控转向系统方案设计[J].机械设计与制造工程，2021，50（07）：70-75.

[3]许男，李小雨.复合工况下四轮驱动电动汽车操纵稳定性控制[J].机械工程学报，2021，57（08）：205-220.

[4]陈智，刘成晔，赵景波等.四轮独立驱动电动汽车操纵稳定性研究综述[J].常州工学院学报，2023，36（02）：23-27.

[5]王云龙，王泽政，王永富等.带有干扰观测器的线控转向系统复合自适应神经网络控制[J].控制理论与应用，2021，38（04）：433-443.