线控转向系统的电机设计及功能安全分析

随着人们对驾驶舒适性和安全性需求的不断提升，线控转向（SbW）系统在汽车行业中的重要性日益凸显。线控转向系统摒弃了传统的机械转向柱连接方式，不仅降低了能耗，还提升了转向性能。本文深入探讨了线控转向系统中反馈电机的设计要求与功能安全需求。在该系统里，反馈电机负责产生反扭矩，以此改善驾驶员的转向手感，这就对电机的精确控制提出了要求。无刷直流（BLDC）电机凭借其高可靠性和高效率的优势，被着重强调为该系统的首选电机类型。本研究明确了无刷直流电机选型与设计的具体参数，并筛选出了适用的电机型号。ISO 26262 功能安全标准对于保障此类系统的安全运行至关重要。依照该标准，电机的失效率必须与相应的风险等级相匹配。此外，这些电机还应配备能够检测并隔离故障的安全机制。总之，在线控转向系统电机设计过程中遵循 ISO 26262 标准，对于保障车辆安全与性能具有关键意义。本文回顾了旨在为现代汽车应用研发安全、高效且可靠电机的相关研究，并提出了相应建议。

近年来，在汽车领域对更高驾驶舒适性和安全性需求的推动下，技术的飞速发展使得车辆中的复杂系统不断增多。“X 线控”（Xby - Wire）系统便是这一变革的典型代表，这类系统采用电子单元取代了传统的机械或液压传动装置。在众多 “X 线控” 系统中，线控转向（SbW）、线控制动（Brake - by - Wire）、线控油门（Throttle - by - Wire，又称线控驱动）以及线控换挡（Shift - by - Wire）是目前应用最为广泛的几种。其中，线控转向（SbW）系统被视为汽车行业 “X 线控” 技术中的一项突破性创新。该系统由电子控制单元、转向助力电机和传感器构成，取代了传统的机械转向柱。线控转向系统的优势众多，包括降低能耗、提升转向性能以及改善道路操控性。从驾驶体验和人体工程学的角度来看，相较于传统转向系统，线控转向系统具有减轻重量、减少振动以及增强转向功能等诸多优点。

线控转向系统面临的主要挑战之一，是为驾驶员营造出适宜的转向手感。已有大量研究提出了多种优化驾驶体验的方法，例如制定转向手感表征的客观标准以及构建滞后转向手感模型等。要实现理想的转向反馈，需要解决一个关键的控制问题，该问题涉及转向反馈模块中的反馈电机、转向柱、方向盘以及角度和扭矩传感器。线控转向系统在实现转向系统特定功能的同时，取消了方向盘与车轮之间的机械连接。这类系统借助传感器将方向盘的旋转运动转化为电子信号，随后通过电驱动系统执行相应指令，而电驱动系统与车轮之间既可以直接连接，也可以通过机械部件间接连接。

通过另一套电驱动系统，能够将代表转向力的反馈扭矩施加到方向盘上。在车辆中采用线控转向系统，在主动和被动行车安全、驾驶人体工程学以及环境保护等方面都具有显著优势。主动安全的实现，得益于电子转向指令能够根据驾驶操作、环境条件和车辆状态进行灵活调整；被动安全的提升，则是因为取消了转向柱这一在碰撞事故中可能对人员造成危害的部件；而在驾驶人体工程学方面，线控转向系统增加了驾驶员区域的空间，同时也为方向盘的设计提供了更大的灵活性。

从结构上看，线控转向系统可采用双电机或三电机配置。除了在方向盘处配备电机外，为实现冗余设计并提高驾驶安全性，两个前轮也可分别配备独立的电机。如图 1 所示的三电机系统，主要由方向盘模块、转向执行模块、控制器模块、容错模块和电源模块组成。其中，方向盘模块的核心部件包括方向盘、转向轴、角度传感器和路感电机（即驾驶员反馈电机）；转向执行模块则由转向电机、齿轮齿条机构和前轮角度传感器构成；控制器模块是线控转向系统的核心，它负责对来自各个传感器的车辆动态信号进行分析和处理，评估实时驾驶状况，并确保各个执行器正常工作。

图1:SBW系统示例的结构

方向盘控制器会实时检测方向盘的位置，并通过控制器局域网（CAN）接口每 250 毫秒将位置信息传输给车轮控制器。转向模块则通过 CAN 接口接收车轮的实际位置和扭矩信息，进而将方向盘调整到与车轮实际位置相对应的位置。车轮侧的部件包含车轮、齿轮齿条机构、车轮执行器、小齿轮角度传感器和车轮控制器。车轮控制器利用通过 CAN 接口接收到的方向盘位置和车辆速度信息，控制车轮电机旋转到与方向盘输入指令相对应的所需位置。

本文聚焦于线控转向（SbW）系统中反馈电机的选型、设计与功能安全评估。该反馈电机的核心作用是产生反扭矩，从而改善驾驶员的转向手感。在该系统里，方向盘还需向驾驶员提供反馈。线控转向控制模块必须确定合适的反馈信息，并通过驾驶员反馈电机（路感电机）将相应的驱动力施加到方向盘上。具体实例如下：

1. 路面状况及不平整度会引发振动，这些振动应能传递到方向盘。

2. 转向系统出现机械失效时，会导致转向手感发生变化。

3. 当前轮达到最大转向角度时，方向盘应能停止转动。

转向电机的位置反馈会向线控转向控制模块传递道路不平度的相关信息。线控转向控制模块的算法会结合这些信息以及来自其他车辆动态传感器的数据，确定要提供给驾驶员的反馈。

反馈电机无需具备与转向执行器同等的功率。实际上，为了方便驾驶员手动转动方向盘，反馈电机的功率应小得多。研究表明，采用 12 伏电压、电流消耗低于 1.5 安培的电机便足以满足需求。尽管传统直流电机效率较高，且适用于伺服电机场景，但其主要缺点在于换向器和电刷易磨损，需要定期维护。随着能够替代换向器和电刷功能的固态开关的出现，免维护电机应运而生，这类电机如今被称为无刷直流（BLDC）电机。无刷直流电机非常适用于对可靠性、效率和单位重量扭矩有较高要求的应用场景，因此成为线控转向系统中的首选电机类型。

无刷直流电机的设计和制造旨在实现更高的效率和更灵活的运行。从结构上看，它由转子和定子两部分组成。转子采用磁性材料或永磁体制成，为旋转运动提供了基础；定子则由一系列绕组或线圈构成，通过产生磁场来驱动转子旋转。该电机无需借助传感器，而是通过反馈回路来检测转子的位置。图 2 展示了无刷直流电机的结构及连接示意图。

图2：无刷直流电机图

在线控转向（SbW）系统中，电机的选型主要取决于系统性能、可靠性和成本这三个关键因素。下表 1 对无刷直流（BLDC）电机、有刷直流电机和步进电机的关键特性进行了对比。通过对比可以清晰地看出，无刷直流电机为何能成为线控转向系统的首选。其高效率、低维护需求、长使用寿命以及出色的控制精度，使其相较于有刷直流电机和步进电机具有显著优势。尤其在对可靠性和性能要求极高的汽车行业，无刷直流电机的优势更为突出。

表1：电机特性对比表

从成本角度分析，线控转向应用中电机的性价比取决于多个因素，具体如下：

1. 初始成本：包括采购价格和制造成本。

2. 维护成本：维修或更换的频率及相关费用。

3. 能源效率：能耗情况，这会对长期运行成本产生影响。

4. 耐用性和使用寿命：使用寿命长短关系到总拥有成本。

5. 性能效率：影响驾驶安全性和系统可靠性。

下表 2 基于上述因素对三种电机的性价比进行了对比。

表 2: 性价比对比表

无刷直流电机不存在随时间磨损的电刷，这极大地降低了维护和更换成本。与有刷直流电机相比，无刷直流电机的能耗更低。其坚固的设计确保了较长的使用寿命，从而降低了长期成本。同时，它还能实现精确的速度和位置控制。综上，尽管无刷直流电机初始成本较高，但由于其维护成本低、能源效率高、使用寿命长且性能优良，成为汽车行业线控转向系统中性价比最高的选择。有刷直流电机虽然初始成本较低，但其频繁的维护需求和较低的效率使其在线控转向系统中的适用性较差。步进电机尽管机械结构简单且可靠性较高，却不具备线控转向应用所需的速度和扭矩特性。因此，尽管无刷直流电机初期投入较高，但从车辆的整个使用寿命来看，凭借其高效率、高可靠性和低维护成本，无疑是性价比最高的选择。

为项目挑选合适的电机，必须充分考虑具体的需求和使用条件。适用于线控转向系统的无刷直流电机种类繁多，因此需要采用系统的方法来筛选出最合适的电机。在普里蒂・S・曼瓦尔等人发表的《不同应用场景下无刷直流电机的选型与设计》（“Selection and Design of BLDC Motor for Different Applications”）研究中，对这一筛选过程进行了如下阐述。

要实现可靠且高效的电机选型，明确电机的工作条件至关重要。除了确定电机的输出功率（以千瓦为单位）和转速外，还必须掌握以下信息：

1. 电机在运行、启动以及承受不同负载时的轴端扭矩。

2. 加速扭矩和制动扭矩。

3. 开关频率。

4. 电机在不同负载下的效率。

5. 其他运行要求。

在评估某一电机是否适用于特定驱动装置时，一个关键标准是判断电机的转速 - 扭矩特性是否符合驱动装置设定的要求。电机在启动、制动或转速变化过程中的表现，取决于电机和驱动装置之间转速的变化关系。因此，对转速 - 扭矩特性进行分析，对于选择合适的电机以及实现经济高效的驱动性能至关重要。

依据上述标准，适用于线控转向系统的无刷直流反馈电机应满足以下参数要求：

1. 扭矩通常在 1 - 5 牛・米之间，以确保获得适宜的转向响应和转向手感。

2. 需与高分辨率扭矩传感器兼容，以实现精确控制。

3. 转速范围为 0 - 5000 转 / 分钟（RPM），确保低速时的灵敏度和高速时的稳定性。

4. 扭矩响应时间应小于 5 毫秒，以便能快速向驾驶员提供反馈。

5. 在负载突然变化的情况下，扭矩脉动应较小（小于 1%）。

6. 额定电压为 12 伏，能够适配车辆的电气系统。

7. 电流范围通常在 2 - 10 安培之间。

8. 物理结构方面，需采用紧凑型设计（电机直径小于 100 毫米，长度小于 150 毫米），且重量较轻（小于 2 千克），以便于安装并维持转向柱的重量平衡。

9. 轴径（如 10 - 12 毫米）和连接法兰应符合国际标准化组织（ISO）的相关标准。

10. 需支持精确的反馈算法，以模拟真实的转向手感。

11. 必须满足汽车安全完整性等级（ASIL）的需求。

根据上述规格需求，以下电机可作为合适的备选型号：马克森 EC - i 40 高扭矩系列电机、科尔摩根 CT 系列无刷直流电机（CT03 或 CT04 型号）、尼得科 UQK 系列电机、联合运动 HeiMotion 紧凑型 HMC 系列电机以及福尔哈贝 BP4 系列电机。此外，也可利用 ANSYS Motor - CAD、ANSYS Maxwell、Altair FluxMotor、JMAG Designer 或 COMSOL Multiphysics 等软件，根据上述指定参数自主设计电机，并对电机的电磁、热学及其他方面性能进行优化和分析。

为确保汽车的可持续性、驾驶员舒适性和安全性，汽车电子设备已逐渐超越单纯的计算功能，承担起更多的控制功能。混合动力电动汽车（HEV）和 “X 线控” 系统代表了下一代汽车技术，有望在不久的将来成为主流。随着电子控制系统逐步接管车辆的控制功能，功能安全问题变得愈发关键，这就要求在系统开发过程中严格遵循安全要求。此外，对于安全关键型系统，在其整个生命周期内都必须将安全问题置于首要位置。为推动这类以安全为核心的系统开发，国际标准化组织制定了 ISO 26262 功能安全标准。

ISO 26262 标准主要针对与安全相关的电气 / 电子（E/E）系统故障行为可能引发的潜在危害，包括这些系统之间的相互作用所带来的风险。该标准不仅提供了指导方针，还在概念阶段为特定领域安全关键型产品的开发提出了最低需求 。ISO 26262 标准共包含 12 个部分，如图 3 所示，它从多个方面对有线控转向（SbW）系统电机的设计产生了重大影响。尤其是在明确电机的安全和功能需求方面，该标准发挥着至关重要的作用。

图3：ISO 26262的V循环

为线控转向（SbW）系统设计的反馈电机，其功能安全流程首先要识别危害事件并进行分类，明确安全目标，同时确定汽车安全完整性等级（ASIL）。为实现这些安全目标并规避不合理风险，需采用 ISO 26262 标准推荐的危害分析与风险评估（HARA）方法。该方法会详细分析反馈电机可能出现的失效，以及反馈电机故障行为可能引发危害事件的运行条件或运行模式。对于已识别危害事件的风险评估，需基于严重度（S）、暴露概率（E）和可控性（C）这三个维度展开。根据这些因素，可确定从 ASIL A 到 ASIL D（风险等级逐级升高）的相应风险等级。针对每个与特定风险等级相关的危害事件，都必须明确安全目标。

结合实际场景来看，假设反馈电机发生电气短路，导致其部分或完全丧失功能。在雨天湿滑的高速公路上，高速行驶的车辆若因反馈电机短路而失去功能，将构成危害场景。此时，需根据该事件的可控性、发生概率以及可能对相关人员造成伤害的严重程度来确定风险等级，这类场景的风险等级通常被划分为 ASIL D。在此场景下，核心安全目标是确保反馈电机不丧失功能。

在明确安全目标后，需制定包含安全机制、失效安全机制和安全状态的功能要求与技术要求。同时，应建立预警与降级策略，以便在出现失效时及时告知驾驶员，并尽可能降低危害状况的影响。安全机制需对传感器和执行器的信号及状态进行监控。例如，通过监控电路元件的信号，可预防电气短路的发生，或减轻短路可能引发的危害场景。在安全层面，通过降低电机性能来维持有限的运行能力，属于一种降级模式；而通过仪表盘指示灯向驾驶员提示失效，则是预警与降级策略的一部分。

完成需求定义后，需借助失效模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）以及失效模式、影响与诊断分析（FMEDA）等安全分析方法，对设计进行验证。为满足 ISO 26262 标准的安全目标，硬件失效率需低于特定阈值。失效发生率（FIT 率）指的是执行器在特定时间内（通常为 10⁹小时）的失效次数，该指标需符合 ASIL 风险等级的需求。

从安全角度出发，所设计或选用的电机应满足以下要求：

1. 运行时的失效率需极低或可忽略不计，且需与规定的 ASIL 风险等级相适配。

2. 具备能够检测转向电机故障的安全机制。

3. 设计与安装需确保电机能与传感器完美配合，同时维持特定的位置属性。

4. 明确安全状态，以便检测并隔离线控转向系统执行器组中的初始电子失效，并及时告知驾驶员。

5. 在规定频率下，验证线控转向系统机械部件的结构完整性。

6. 设计需避免转向响应出现延迟或失效的情况。

7. 防止在额定电压范围内出现突然的电压下降或浪涌。

8. 设计需避免因过流或电流不足导致电机性能下降及过热问题。

为确保反馈电机实现预期功能，还可采取额外措施。冗余设计便是其中之一，即通过在现有系统中增加备用装置来保障功能的正常实现。若采用冗余设计，系统需具备在主反馈电机发生失效时，能迅速切换至备用电机的能力，从而降低危害场景发生的可能性。但即便采用了冗余设计，也不能忽视两台电机同时发生失效的情况。

本文深入探讨了线控转向（SbW）系统中反馈电机的设计要求与功能安全需求。通过遵循 ISO 26262 标准，解决了电机的技术要求及潜在失效应对方案，从而保障电机的安全高效运行。本文重点研究了线控转向系统中驾驶员反馈电机的选型、设计及功能安全适配性。反馈电机通过产生反扭矩来改善驾驶员的转向手感，且需与高分辨率扭矩传感器兼容以实现精确控制。

经研究发现，无刷直流（BLDC）电机是为方向盘提供反馈扭矩的最佳选择。文中探讨了此类电机的选型标准，重点强调了可靠性、效率及扭矩重量比等参数。无刷直流电机所具备的高可靠性、高效率及高单位重量扭矩等优势，使其成为线控转向系统的首选电机类型。在电机设计方面，需实现低扭矩脉动，并支持精确的反馈算法。此外，依据 ISO 26262 标准设计线控转向系统中的电机，对于保障车辆安全与性能至关重要。该标准明确了电机的安全与功能需求，包括基于 ASIL 风险等级的失效率（FIT 率）及安全机制等内容。按照这些标准研发的电机，能够为驾驶员提供更安全、更舒适的驾驶体验。

综上所述，依据 ISO 26262 标准设计线控转向系统中的电机，对于保障车辆安全与性能具有重要意义。