隨著人們對駕駛舒適性和安全性需求的不斷提升，線控轉向（SbW）系統在汽車行業中的重要性日益凸顯。線控轉向系統摒棄了傳統的機械轉向柱連接方式，不僅降低了能耗，還提升了轉向性能。本文深入探討了線控轉向系統中反饋電機的設計要求與功能安全需求。在該系統里，反饋電機負責產生反扭矩，以此改善駕駛員的轉向手感，這就對電機的精確控制提出了要求。無刷直流（BLDC）電機憑借其高可靠性和高效率的優勢，被著重強調為該系統的首選電機類型。本研究明確了無刷直流電機選型與設計的具體參數，并篩選出了適用的電機型號。ISO 26262 功能安全標準對于保障此類系統的安全運行至關重要。依照該標準，電機的失效率必須與相應的風險等級相匹配。此外，這些電機還應配備能夠檢測并隔離故障的安全機制。總之，在線控轉向系統電機設計過程中遵循 ISO 26262 標準，對于保障車輛安全與性能具有關鍵意義。本文回顧了旨在為現代汽車應用研發安全、高效且可靠電機的相關研究，并提出了相應建議。
1. 引言
近年來，在汽車領域對更高駕駛舒適性和安全性需求的推動下，技術的飛速發展使得車輛中的復雜系統不斷增多。“X 線控”（Xby - Wire）系統便是這一變革的典型代表，這類系統采用電子單元取代了傳統的機械或液壓傳動裝置。在眾多 “X 線控” 系統中，線控轉向（SbW）、線控制動（Brake - by - Wire）、線控油門（Throttle - by - Wire，又稱線控驅動）以及線控換擋（Shift - by - Wire）是目前應用最為廣泛的幾種。其中，線控轉向（SbW）系統被視為汽車行業 “X 線控” 技術中的一項突破性創新。該系統由電子控制單元、轉向助力電機和傳感器構成，取代了傳統的機械轉向柱。線控轉向系統的優勢眾多，包括降低能耗、提升轉向性能以及改善道路操控性。從駕駛體驗和人體工程學的角度來看，相較于傳統轉向系統，線控轉向系統具有減輕重量、減少振動以及增強轉向功能等諸多優點。
線控轉向系統面臨的主要挑戰之一，是為駕駛員營造出適宜的轉向手感。已有大量研究提出了多種優化駕駛體驗的方法，例如制定轉向手感表征的客觀標準以及構建滯后轉向手感模型等。要實現理想的轉向反饋，需要解決一個關鍵的控制問題，該問題涉及轉向反饋模塊中的反饋電機、轉向柱、方向盤以及角度和扭矩傳感器。線控轉向系統在實現轉向系統特定功能的同時，取消了方向盤與車輪之間的機械連接。這類系統借助傳感器將方向盤的旋轉運動轉化為電子信號，隨后通過電驅動系統執行相應指令，而電驅動系統與車輪之間既可以直接連接，也可以通過機械部件間接連接。
通過另一套電驅動系統，能夠將代表轉向力的反饋扭矩施加到方向盤上。在車輛中采用線控轉向系統，在主動和被動行車安全、駕駛人體工程學以及環境保護等方面都具有顯著優勢。主動安全的實現，得益于電子轉向指令能夠根據駕駛操作、環境條件和車輛狀態進行靈活調整；被動安全的提升，則是因為取消了轉向柱這一在碰撞事故中可能對人員造成危害的部件；而在駕駛人體工程學方面，線控轉向系統增加了駕駛員區域的空間，同時也為方向盤的設計提供了更大的靈活性。
從結構上看，線控轉向系統可采用雙電機或三電機配置。除了在方向盤處配備電機外，為實現冗余設計并提高駕駛安全性，兩個前輪也可分別配備獨立的電機。如圖 1 所示的三電機系統，主要由方向盤模塊、轉向執行模塊、控制器模塊、容錯模塊和電源模塊組成。其中，方向盤模塊的核心部件包括方向盤、轉向軸、角度傳感器和路感電機（即駕駛員反饋電機）；轉向執行模塊則由轉向電機、齒輪齒條機構和前輪角度傳感器構成；控制器模塊是線控轉向系統的核心，它負責對來自各個傳感器的車輛動態信號進行分析和處理，評估實時駕駛狀況，并確保各個執行器正常工作。
圖1:SBW系統示例的結構
方向盤控制器會實時檢測方向盤的位置，并通過控制器局域網（CAN）接口每 250 毫秒將位置信息傳輸給車輪控制器。轉向模塊則通過 CAN 接口接收車輪的實際位置和扭矩信息，進而將方向盤調整到與車輪實際位置相對應的位置。車輪側的部件包含車輪、齒輪齒條機構、車輪執行器、小齒輪角度傳感器和車輪控制器。車輪控制器利用通過 CAN 接口接收到的方向盤位置和車輛速度信息，控制車輪電機旋轉到與方向盤輸入指令相對應的所需位置。
2. 反饋電機及設計參數
本文聚焦于線控轉向（SbW）系統中反饋電機的選型、設計與功能安全評估。該反饋電機的核心作用是產生反扭矩，從而改善駕駛員的轉向手感。在該系統里，方向盤還需向駕駛員提供反饋。線控轉向控制模塊必須確定合適的反饋信息，并通過駕駛員反饋電機（路感電機）將相應的驅動力施加到方向盤上。具體實例如下：
1. 路面狀況及不平整度會引發振動，這些振動應能傳遞到方向盤。
2. 轉向系統出現機械失效時，會導致轉向手感發生變化。
3. 當前輪達到最大轉向角度時，方向盤應能停止轉動。
轉向電機的位置反饋會向線控轉向控制模塊傳遞道路不平度的相關信息。線控轉向控制模塊的算法會結合這些信息以及來自其他車輛動態傳感器的數據，確定要提供給駕駛員的反饋。
反饋電機無需具備與轉向執行器同等的功率。實際上，為了方便駕駛員手動轉動方向盤，反饋電機的功率應小得多。研究表明，采用 12 伏電壓、電流消耗低于 1.5 安培的電機便足以滿足需求。盡管傳統直流電機效率較高，且適用于伺服電機場景，但其主要缺點在于換向器和電刷易磨損，需要定期維護。隨著能夠替代換向器和電刷功能的固態開關的出現，免維護電機應運而生，這類電機如今被稱為無刷直流（BLDC）電機。無刷直流電機非常適用于對可靠性、效率和單位重量扭矩有較高要求的應用場景，因此成為線控轉向系統中的首選電機類型。
無刷直流電機的設計和制造旨在實現更高的效率和更靈活的運行。從結構上看，它由轉子和定子兩部分組成。轉子采用磁性材料或永磁體制成，為旋轉運動提供了基礎；定子則由一系列繞組或線圈構成，通過產生磁場來驅動轉子旋轉。該電機無需借助傳感器，而是通過反饋回路來檢測轉子的位置。圖 2 展示了無刷直流電機的結構及連接示意圖。
圖2：無刷直流電機圖
在線控轉向（SbW）系統中，電機的選型主要取決于系統性能、可靠性和成本這三個關鍵因素。下表 1 對無刷直流（BLDC）電機、有刷直流電機和步進電機的關鍵特性進行了對比。通過對比可以清晰地看出，無刷直流電機為何能成為線控轉向系統的首選。其高效率、低維護需求、長使用壽命以及出色的控制精度，使其相較于有刷直流電機和步進電機具有顯著優勢。尤其在對可靠性和性能要求極高的汽車行業，無刷直流電機的優勢更為突出。
表1：電機特性對比表
從成本角度分析，線控轉向應用中電機的性價比取決于多個因素，具體如下：
1. 初始成本：包括采購價格和制造成本。
2. 維護成本：維修或更換的頻率及相關費用。
3. 能源效率：能耗情況，這會對長期運行成本產生影響。
4. 耐用性和使用壽命：使用壽命長短關系到總擁有成本。
5. 性能效率：影響駕駛安全性和系統可靠性。
下表 2 基于上述因素對三種電機的性價比進行了對比。
表 2: 性價比對比表
無刷直流電機不存在隨時間磨損的電刷，這極大地降低了維護和更換成本。與有刷直流電機相比，無刷直流電機的能耗更低。其堅固的設計確保了較長的使用壽命，從而降低了長期成本。同時，它還能實現精確的速度和位置控制。綜上，盡管無刷直流電機初始成本較高，但由于其維護成本低、能源效率高、使用壽命長且性能優良，成為汽車行業線控轉向系統中性價比最高的選擇。有刷直流電機雖然初始成本較低，但其頻繁的維護需求和較低的效率使其在線控轉向系統中的適用性較差。步進電機盡管機械結構簡單且可靠性較高，卻不具備線控轉向應用所需的速度和扭矩特性。因此，盡管無刷直流電機初期投入較高，但從車輛的整個使用壽命來看，憑借其高效率、高可靠性和低維護成本，無疑是性價比最高的選擇。
為項目挑選合適的電機，必須充分考慮具體的需求和使用條件。適用于線控轉向系統的無刷直流電機種類繁多，因此需要采用系統的方法來篩選出最合適的電機。在普里蒂?S?曼瓦爾等人發表的《不同應用場景下無刷直流電機的選型與設計》（“Selection and Design of BLDC Motor for Different Applications”）研究中，對這一篩選過程進行了如下闡述。
要實現可靠且高效的電機選型，明確電機的工作條件至關重要。除了確定電機的輸出功率（以千瓦為單位）和轉速外，還必須掌握以下信息：
1. 電機在運行、啟動以及承受不同負載時的軸端扭矩。
2. 加速扭矩和制動扭矩。
3. 開關頻率。
4. 電機在不同負載下的效率。
5. 其他運行要求。
在評估某一電機是否適用于特定驅動裝置時，一個關鍵標準是判斷電機的轉速 - 扭矩特性是否符合驅動裝置設定的要求。電機在啟動、制動或轉速變化過程中的表現，取決于電機和驅動裝置之間轉速的變化關系。因此，對轉速 - 扭矩特性進行分析，對于選擇合適的電機以及實現經濟高效的驅動性能至關重要。
依據上述標準，適用于線控轉向系統的無刷直流反饋電機應滿足以下參數要求：
1. 扭矩通常在 1 - 5 牛?米之間，以確保獲得適宜的轉向響應和轉向手感。
2. 需與高分辨率扭矩傳感器兼容，以實現精確控制。
3. 轉速范圍為 0 - 5000 轉 / 分鐘（RPM），確保低速時的靈敏度和高速時的穩定性。
4. 扭矩響應時間應小于 5 毫秒，以便能快速向駕駛員提供反饋。
5. 在負載突然變化的情況下，扭矩脈動應較小（小于 1%）。
6. 額定電壓為 12 伏，能夠適配車輛的電氣系統。
7. 電流范圍通常在 2 - 10 安培之間。
8. 物理結構方面，需采用緊湊型設計（電機直徑小于 100 毫米，長度小于 150 毫米），且重量較輕（小于 2 千克），以便于安裝并維持轉向柱的重量平衡。
9. 軸徑（如 10 - 12 毫米）和連接法蘭應符合國際標準化組織（ISO）的相關標準。
10. 需支持精確的反饋算法，以模擬真實的轉向手感。
11. 必須滿足汽車安全完整性等級（ASIL）的需求。
根據上述規格需求，以下電機可作為合適的備選型號：馬克森 EC - i 40 高扭矩系列電機、科爾摩根 CT 系列無刷直流電機（CT03 或 CT04 型號）、尼得科 UQK 系列電機、聯合運動 HeiMotion 緊湊型 HMC 系列電機以及福爾哈貝 BP4 系列電機。此外，也可利用 ANSYS Motor - CAD、ANSYS Maxwell、Altair FluxMotor、JMAG Designer 或 COMSOL Multiphysics 等軟件，根據上述指定參數自主設計電機，并對電機的電磁、熱學及其他方面性能進行優化和分析。
3. 功能安全對反饋電機設計的影響
為確保汽車的可持續性、駕駛員舒適性和安全性，汽車電子設備已逐漸超越單純的計算功能，承擔起更多的控制功能。混合動力電動汽車（HEV）和 “X 線控” 系統代表了下一代汽車技術，有望在不久的將來成為主流。隨著電子控制系統逐步接管車輛的控制功能，功能安全問題變得愈發關鍵，這就要求在系統開發過程中嚴格遵循安全要求。此外，對于安全關鍵型系統，在其整個生命周期內都必須將安全問題置于首要位置。為推動這類以安全為核心的系統開發，國際標準化組織制定了 ISO 26262 功能安全標準。
ISO 26262 標準主要針對與安全相關的電氣 / 電子（E/E）系統故障行為可能引發的潛在危害，包括這些系統之間的相互作用所帶來的風險。該標準不僅提供了指導方針，還在概念階段為特定領域安全關鍵型產品的開發提出了最低需求 。ISO 26262 標準共包含 12 個部分，如圖 3 所示，它從多個方面對有線控轉向（SbW）系統電機的設計產生了重大影響。尤其是在明確電機的安全和功能需求方面，該標準發揮著至關重要的作用。
圖3：ISO 26262的V循環
4. 反饋電機的功能安全流程
為線控轉向（SbW）系統設計的反饋電機，其功能安全流程首先要識別危害事件并進行分類，明確安全目標，同時確定汽車安全完整性等級（ASIL）。為實現這些安全目標并規避不合理風險，需采用 ISO 26262 標準推薦的危害分析與風險評估（HARA）方法。該方法會詳細分析反饋電機可能出現的失效，以及反饋電機故障行為可能引發危害事件的運行條件或運行模式。對于已識別危害事件的風險評估，需基于嚴重度（S）、暴露概率（E）和可控性（C）這三個維度展開。根據這些因素，可確定從 ASIL A 到 ASIL D（風險等級逐級升高）的相應風險等級。針對每個與特定風險等級相關的危害事件，都必須明確安全目標。
結合實際場景來看，假設反饋電機發生電氣短路，導致其部分或完全喪失功能。在雨天濕滑的高速公路上，高速行駛的車輛若因反饋電機短路而失去功能，將構成危害場景。此時，需根據該事件的可控性、發生概率以及可能對相關人員造成傷害的嚴重程度來確定風險等級，這類場景的風險等級通常被劃分為 ASIL D。在此場景下，核心安全目標是確保反饋電機不喪失功能。
在明確安全目標后，需制定包含安全機制、失效安全機制和安全狀態的功能要求與技術要求。同時，應建立預警與降級策略，以便在出現失效時及時告知駕駛員，并盡可能降低危害狀況的影響。安全機制需對傳感器和執行器的信號及狀態進行監控。例如，通過監控電路元件的信號，可預防電氣短路的發生，或減輕短路可能引發的危害場景。在安全層面，通過降低電機性能來維持有限的運行能力，屬于一種降級模式；而通過儀表盤指示燈向駕駛員提示失效，則是預警與降級策略的一部分。
完成需求定義后，需借助失效模式與影響分析（FMEA）、故障樹分析（FTA）以及失效模式、影響與診斷分析（FMEDA）等安全分析方法，對設計進行驗證。為滿足 ISO 26262 標準的安全目標，硬件失效率需低于特定閾值。失效發生率（FIT 率）指的是執行器在特定時間內（通常為 10?小時）的失效次數，該指標需符合 ASIL 風險等級的需求。
從安全角度出發，所設計或選用的電機應滿足以下要求：
1. 運行時的失效率需極低或可忽略不計，且需與規定的 ASIL 風險等級相適配。
2. 具備能夠檢測轉向電機故障的安全機制。
3. 設計與安裝需確保電機能與傳感器完美配合，同時維持特定的位置屬性。
4. 明確安全狀態，以便檢測并隔離線控轉向系統執行器組中的初始電子失效，并及時告知駕駛員。
5. 在規定頻率下，驗證線控轉向系統機械部件的結構完整性。
6. 設計需避免轉向響應出現延遲或失效的情況。
7. 防止在額定電壓范圍內出現突然的電壓下降或浪涌。
8. 設計需避免因過流或電流不足導致電機性能下降及過熱問題。
為確保反饋電機實現預期功能，還可采取額外措施。冗余設計便是其中之一，即通過在現有系統中增加備用裝置來保障功能的正常實現。若采用冗余設計，系統需具備在主反饋電機發生失效時，能迅速切換至備用電機的能力，從而降低危害場景發生的可能性。但即便采用了冗余設計，也不能忽視兩臺電機同時發生失效的情況。
5. 結論
本文深入探討了線控轉向（SbW）系統中反饋電機的設計要求與功能安全需求。通過遵循 ISO 26262 標準，解決了電機的技術要求及潛在失效應對方案，從而保障電機的安全高效運行。本文重點研究了線控轉向系統中駕駛員反饋電機的選型、設計及功能安全適配性。反饋電機通過產生反扭矩來改善駕駛員的轉向手感，且需與高分辨率扭矩傳感器兼容以實現精確控制。
經研究發現，無刷直流（BLDC）電機是為方向盤提供反饋扭矩的最佳選擇。文中探討了此類電機的選型標準，重點強調了可靠性、效率及扭矩重量比等參數。無刷直流電機所具備的高可靠性、高效率及高單位重量扭矩等優勢，使其成為線控轉向系統的首選電機類型。在電機設計方面，需實現低扭矩脈動，并支持精確的反饋算法。此外，依據 ISO 26262 標準設計線控轉向系統中的電機，對于保障車輛安全與性能至關重要。該標準明確了電機的安全與功能需求，包括基于 ASIL 風險等級的失效率（FIT 率）及安全機制等內容。按照這些標準研發的電機，能夠為駕駛員提供更安全、更舒適的駕駛體驗。
綜上所述，依據 ISO 26262 標準設計線控轉向系統中的電機，對于保障車輛安全與性能具有重要意義。
