線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障診斷與維修
——以某型智能駕駛功能驗(yàn)證車為例

湯彬，金峰

（江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

0 引 言

隨著“電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化”這些汽車行業(yè)普遍公認(rèn)的“新四化”浪潮掀起，車輛智能化程度不斷增高，線控底盤已成為必不可少的組成部分，作為線控底盤關(guān)鍵組成部分的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，受到國(guó)內(nèi)外廠商、科研機(jī)構(gòu)和專家學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。但對(duì)于智能化車輛不可或缺的線控底盤技術(shù)，長(zhǎng)期被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，一直是自主品牌和國(guó)內(nèi)企業(yè)難以突破的技術(shù)屏障。隨著自主品牌、造車新勢(shì)力和國(guó)內(nèi)配套企業(yè)等各方進(jìn)行的持續(xù)研究，2022年以來(lái)該技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文介紹的某型智能駕駛功能驗(yàn)證車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即為國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)和生產(chǎn)。

1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基于線控技術(shù)，將駕駛員或者控制人員輸入的操縱信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，直接由電線傳遞電信號(hào)的指令，可以將傳統(tǒng)的機(jī)械連接裝置省去，具有非常靈敏的響應(yīng)特性，同時(shí)兼具高度靈活的控制方式。為轉(zhuǎn)向過(guò)程中轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩控制帶來(lái)了極大的方便，可以實(shí)現(xiàn)車輛行駛的高穩(wěn)定性和舒適性，與汽車“新四化”中的電動(dòng)化和智能化發(fā)展高度契合。使輔助駕駛甚至是自動(dòng)駕駛成為可能，極大地促進(jìn)了車輛電動(dòng)化、智能化發(fā)展。

1.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和四輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本文介紹的智能駕駛功能驗(yàn)證車的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為前輪線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由底盤ECU、轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向接收器、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各組成部分的作用為：

①轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的工作裝置。由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向橫拉桿、梯形臂和轉(zhuǎn)向節(jié)等組成。

②轉(zhuǎn)向控制器：根據(jù)底盤ECU傳遞來(lái)的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)矩指令，經(jīng)計(jì)算處理后發(fā)出相應(yīng)的指令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)工作。

③底盤控制單元（Electronic Control Unit, ECU）：依據(jù)轉(zhuǎn)向接收器、車速傳感器、扭矩傳感器以及轉(zhuǎn)向角度傳感器等的信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算，得出所需的轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向力矩，將相關(guān)指令通過(guò)CAN線傳遞給轉(zhuǎn)向控制器。

④轉(zhuǎn)向接收器：在手動(dòng)模式下，接收來(lái)自控制人員操縱遙控器發(fā)出的轉(zhuǎn)向需求信號(hào)，通過(guò)CAN線傳遞給底盤ECU。

⑤轉(zhuǎn)向電機(jī)：轉(zhuǎn)向電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)向控制器的命令控制轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向器帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

⑥轉(zhuǎn)向角度傳感器：監(jiān)測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)向角度，并將監(jiān)測(cè)到的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳遞給轉(zhuǎn)向控制器，以精確控制轉(zhuǎn)向角度。

⑦轉(zhuǎn)矩傳感器：監(jiān)測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)向力矩，并將監(jiān)測(cè)到的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳遞給轉(zhuǎn)向控制器，以精確控制轉(zhuǎn)向力矩。同時(shí)監(jiān)測(cè)不同路面情況下由轉(zhuǎn)向輪傳遞回來(lái)的力矩，并將此信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向控制器，由此判斷是否需要控制轉(zhuǎn)向電機(jī)增加轉(zhuǎn)向力矩。

1.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

線控底盤主要控制車輛的橫向與縱向運(yùn)動(dòng)，而橫向運(yùn)動(dòng)的控制，具體通過(guò)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以下為具體控制的工作原理：

為了使該型功能驗(yàn)證車適應(yīng)不同的道路條件，運(yùn)行環(huán)境及不同車速等情況，該型功能驗(yàn)證車有兩種轉(zhuǎn)向控制模式，即手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制為采用遙控器控制，控制人員操縱遙控器轉(zhuǎn)向手柄來(lái)控制車輛轉(zhuǎn)向；自動(dòng)模式則為在適和的條件下，車輛控制器根據(jù)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等環(huán)境感知設(shè)備傳達(dá)的信號(hào)，自動(dòng)控制車輛轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)避障和自動(dòng)超車等功能，整個(gè)工作過(guò)程不需要人為干預(yù)。

1.2.1 手動(dòng)控制模式

在此模式下，轉(zhuǎn)向接收器接收來(lái)自遙控器的轉(zhuǎn)向信號(hào)并傳遞給底盤ECU，底盤ECU根據(jù)接收到的信號(hào)以及車速等信號(hào)計(jì)算出所需的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)CAN總線將信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向控制器。轉(zhuǎn)向控制器按照要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角信號(hào)發(fā)出指令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向角度傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角，并反饋給轉(zhuǎn)向控制器，如達(dá)不到預(yù)期值，則轉(zhuǎn)向控制器控制轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。

1.2.2 自動(dòng)控制模式

在此模式下，智能駕駛控制器根據(jù)環(huán)境感知傳感器傳遞的信號(hào)，判斷周圍環(huán)境、車速和實(shí)際工況，計(jì)算出轉(zhuǎn)向信號(hào)并通過(guò)CAN總線傳遞給底盤ECU。底盤ECU接到信號(hào)后計(jì)算出所需的轉(zhuǎn)向角和轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)CAN總線將信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向控制器。線控轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)CAN總線接收來(lái)自底盤ECU傳遞的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩等信號(hào)，按照要求的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角信號(hào)發(fā)出指令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器和轉(zhuǎn)向角度傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向角，并反饋給轉(zhuǎn)向控制器，如達(dá)不到預(yù)期值，則轉(zhuǎn)向控制器控制轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。

1.3 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不受機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）操縱性能好，由于不受機(jī)械連接的限制，使車輛在低速時(shí)轉(zhuǎn)向更加輕便靈敏，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)，駕駛員更易操作，同時(shí)迎合自動(dòng)駕駛的要求。

（2）采用總線傳遞信號(hào)，使信息實(shí)時(shí)共享更加方便，更利于底盤系統(tǒng)的集成，從而提高車輛底盤的整體性能。

（3）在乘用車上使用線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，由于不需要轉(zhuǎn)向柱等轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，方向盤布置可以更加靈活，能為駕駛室提供更多可用空間，同時(shí)路面反饋到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力不會(huì)傳遞到方向盤，從而提高駕乘的舒適性和安全性。

2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常見(jiàn)故障

2.1 轉(zhuǎn)向控制器指示燈不亮

在該型功能驗(yàn)證車中，當(dāng)線控轉(zhuǎn)向控制器的供電、搭鐵線路、信號(hào)傳遞線路以及轉(zhuǎn)向控制器模塊本身無(wú)故障時(shí)，控制模塊的電源指示燈會(huì)亮綠燈，否則將不亮或者亮紅燈。

轉(zhuǎn)向控制器不亮燈為常見(jiàn)故障，故障原因相對(duì)較為簡(jiǎn)單，可能的原因是主保險(xiǎn)絲斷路、主繼電器損壞或者不工作、48 V+或者48 V-線路斷路或接觸不良、線控轉(zhuǎn)向控制器本身?yè)p壞等，各電器部件具體位置及工作原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電路原理圖

2.2 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不工作

該故障是指在車輛正常上電后，線控轉(zhuǎn)向控制器電源指示燈亮起，但通過(guò)遙控器操作車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)。此故障亦為常見(jiàn)故障，但故障的原因和排除過(guò)程相對(duì)電源指示燈不亮的故障要復(fù)雜得多。

通過(guò)該型車輛的組成原理（圖1）及電路原理圖（圖2）可以看出，該車輛在手動(dòng)控制模式下控制其轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)條件為：第一，遙控器及接收器工作正常，且連接到ECU的CAN通信線正常；第二，ECU工作正常，且連接到線控轉(zhuǎn)向控制器的CAN通信線正常；第三，線控轉(zhuǎn)向控制器本身無(wú)故障并工作正常，且連接到轉(zhuǎn)向電機(jī)的信號(hào)線正常；第四，轉(zhuǎn)向電機(jī)工作正常。

因此，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在手動(dòng)控制模式下不工作或工作不正常時(shí)，應(yīng)從以上幾個(gè)工作條件出發(fā)進(jìn)行排查，確定故障部位。

在手動(dòng)控制模式下線控轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)工作正常，而自動(dòng)控制模式下工作不正常則要從智能駕駛控制器本體、工作條件和底盤ECU的CAN通信總線等方面著手排查。

3 故障實(shí)例

3.1 故障案例一

（1）故障現(xiàn)象。一輛智能駕駛功能驗(yàn)證車，閑置一段時(shí)間后再次使用時(shí)，能夠正常上電，但車輛無(wú)法完成自檢，操縱轉(zhuǎn)向按鈕時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)。

（2）故障排查。根據(jù)故障現(xiàn)象，結(jié)合線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電路原理圖（圖2），首先查看線控轉(zhuǎn)向控制器工作情況，經(jīng)檢查轉(zhuǎn)向控制器電源指示燈亮綠燈，控制器供電正常。

在手動(dòng)模式下，選用遙控器操作，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)正常但是轉(zhuǎn)向無(wú)響應(yīng)，因此可以排除遙控器、接收器和底盤ECU以及他們之間的CAN數(shù)據(jù)總線的故障。

將CAN分析儀連接到底盤CAN線上，發(fā)送轉(zhuǎn)向控制指令，如圖3所示，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)，故障可能在底盤ECU至轉(zhuǎn)向控制的CAN通信線上。拔下轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)控制器插頭，測(cè)量轉(zhuǎn)向控制器插頭輸入信號(hào)CAN-H與CAN-L之間電阻為120 Ω。拔下底盤ECU插頭，插上轉(zhuǎn)向控制器插頭，測(cè)量49號(hào)腳和68號(hào)腳之間電阻為120 Ω，CAN通信線正常。故障可能的原因在轉(zhuǎn)向控制器至轉(zhuǎn)向電機(jī)之間。

圖3 CAN分析儀發(fā)送轉(zhuǎn)向指令

拔下轉(zhuǎn)向控制器插頭，測(cè)量輸出信號(hào)和輸出電兩個(gè)接腳之間的電阻，發(fā)現(xiàn)電阻不斷變動(dòng)。仔細(xì)觀察，輸出信號(hào)針腳上有白色粉末，用砂紙?zhí)幚砗蟛寤厮胁孱^。通電后，再次測(cè)試，車輛自檢，成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，故障解決。

（3）故障分析。該案例中，遙控器發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)后，通過(guò)轉(zhuǎn)向接收器接收信號(hào)并傳遞給ECU，ECU計(jì)算出所需的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩后，通過(guò)CAN通信線將控制信號(hào)傳遞到線控轉(zhuǎn)向控制器，轉(zhuǎn)向控制器再通過(guò)信號(hào)線發(fā)送信號(hào)至轉(zhuǎn)向電機(jī)，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)工作。本案例中線控轉(zhuǎn)向控制器至轉(zhuǎn)向電機(jī)之間的通信線接頭處有氧化物，形成虛接，導(dǎo)致無(wú)法將轉(zhuǎn)向控制信號(hào)可靠的傳遞給轉(zhuǎn)向電機(jī)，故而造成在手動(dòng)模式和CAN分析儀控制時(shí)出現(xiàn)不能轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象。

3.2 故障案例2

（1）故障現(xiàn)象。某型智能駕駛功能驗(yàn)證車，在正常使用后，再次使用時(shí)，車輛上電正常，車輛無(wú)法完成自檢，通電后轉(zhuǎn)向輪立即往一邊偏轉(zhuǎn)，并停在偏轉(zhuǎn)極限位置，采用遙控操作控制的方式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)。

（2）故障排查。反復(fù)上次幾次進(jìn)行試驗(yàn)，車輛都是上電后轉(zhuǎn)向輪向右偏，之后就保持在右邊。

再次采用手動(dòng)模式控制車輛，轉(zhuǎn)向操作時(shí)無(wú)響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)正常，此時(shí)初步排除遙控器和接收器故障。接著檢查轉(zhuǎn)向控制，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制器電源指示燈常綠，供電正常。

斷電后，使用萬(wàn)用表測(cè)量底盤CAN線CAN-H與CAN-L之間的電阻，為60 Ω，如圖4所示。電阻值正常，分別測(cè)量CAN-H、CAN-L對(duì)地及對(duì)電源的電阻，均為∞，不存在斷路的情況，CAN線正常。

圖4 底盤CAN線測(cè)量阻值

根據(jù)轉(zhuǎn)向的條件，轉(zhuǎn)向控制器通過(guò)輸出信號(hào)和輸出電兩個(gè)接腳將信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)向電機(jī)，從而控制轉(zhuǎn)向電機(jī)工作。通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)與輸出電之間的電阻，阻值為2.6 kΩ，阻值正常，不存在斷路故障，再測(cè)量輸出信號(hào)、輸出電對(duì)地及對(duì)電源的電阻，均為∞，也不存在短路故障。

故障查到這，線路故障都已排除，只有可能是控制模塊存在故障。判斷是否是控制模塊故障，最簡(jiǎn)單有效的方法時(shí)采用替換法。先將最為容易拆卸的轉(zhuǎn)向控制器模塊拆下并用新的模塊替換后試車，故障依然存在。再用同樣方法，更換底盤ECU后，故障依然存在。最后，更換遙控器接收模塊，通電試車，車輛可以正常自檢，自檢結(jié)束后轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，此時(shí)用遙控器操作，轉(zhuǎn)向正常，故障解決。

（3）故障分析。在該故障案例中，應(yīng)檢查最易出現(xiàn)故障的供電，再檢查線路故障，在判斷供電和線路正常的前提下最后再檢查控制模塊是否損壞。本案例中，故障恰好發(fā)生在最不易產(chǎn)生故障的遙控器信號(hào)接收模塊，接收模塊損壞后接收不到遙控器信號(hào)，故操作遙控器轉(zhuǎn)向時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

3.3 故障案例3

（1）故障現(xiàn)象。一輛智能駕駛功能驗(yàn)證車，車輛上電后，車輛無(wú)法完成自檢，采用遙控操作控制的方式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)響應(yīng)。

（2）故障排查。反復(fù)上電試驗(yàn)，采用遙控器控制方式和CAN分析驅(qū)動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均無(wú)響應(yīng)。通過(guò)CAN分析儀讀取轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)組0x00C1，可看出轉(zhuǎn)向沒(méi)有任何動(dòng)作，如圖5所示。進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)采用這兩種控制方式控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)亦無(wú)響應(yīng)。拆開(kāi)該功能車底盤，檢查轉(zhuǎn)向控制器電源，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制器電源指示燈不亮。

圖5 轉(zhuǎn)向控制器CAN通信數(shù)據(jù)

測(cè)量轉(zhuǎn)向控制器供電電壓為0 V，本故障應(yīng)跟轉(zhuǎn)向控制器供電有關(guān)。根據(jù)電路原理（圖2），查找該功能驗(yàn)證車的轉(zhuǎn)向控制器供電電路，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的供電均由主繼電器供電。拔出主繼電器，測(cè)量主繼電器電壓輸入端電壓為12 V，正常。進(jìn)一步檢測(cè)主繼電器，主繼電器85和86號(hào)腳之間電阻68 Ω，阻值正常，85和86號(hào)腳之間通12 V電后測(cè)試30和87號(hào)腳之間電阻為0 Ω，繼電器正常。

繼電器85號(hào)腳連接底盤ECU的61號(hào)腳，86號(hào)與底盤ECU的65號(hào)腳連接，在正常情況下61號(hào)腳通過(guò)ECU內(nèi)部搭鐵，而經(jīng)過(guò)急停開(kāi)關(guān)的12 V電源一部分到達(dá)ECU的65號(hào)腳，告知ECU急停開(kāi)關(guān)所處的狀態(tài)，另一部分到達(dá)繼電器86號(hào)腳。測(cè)量86號(hào)腳電壓為0 V，測(cè)量急停開(kāi)關(guān)輸出端電壓亦為0 V，而急停開(kāi)關(guān)的輸入端電壓為12 V。用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)急停開(kāi)關(guān)輸入和輸出端之間的電阻，急停開(kāi)關(guān)在按下和彈出狀態(tài)時(shí)均為∞，此時(shí)可以判斷是急停開(kāi)關(guān)損壞。更換急停開(kāi)關(guān)后，故障解決。

（3）故障分析。在該故障案例中，急停開(kāi)關(guān)損壞，導(dǎo)致主繼電器控制86號(hào)腳不能正常供電，主繼電器無(wú)法工作，因此造成主繼電器無(wú)法給轉(zhuǎn)向控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器供電，故采用遙控器控制方式和CAN分析儀驅(qū)動(dòng)控制方式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)均無(wú)響應(yīng)。

4 結(jié) 論

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在智能駕駛車輛中的作用至關(guān)重要，能大幅提高汽車駕駛的安全性、可靠性和舒適性，必定成為未來(lái)汽車發(fā)展的重要技術(shù)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)故障將嚴(yán)重影響智能駕駛車輛的性能和安全。理解線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制原理，了解線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，才能更好地掌握線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷和排除方法，這樣才能有效保障智能駕駛車輛的行駛性能和安全性。