- 汽車線控制動系統(tǒng)簡介
- 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡介
- 線控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
- 車用傳感器技術(shù)
- 汽車電子系統(tǒng)總線技術(shù)
- 動力電源技術(shù)
- 容錯控制技術(shù)
隨著汽車電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的逐步成熟和汽車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車線控技術(shù)也逐步得到青睞和深入研究，它和42V電壓系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)左右著汽車未來的發(fā)展趨勢。
汽車線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動作經(jīng)過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)的一種系統(tǒng)。目前的線控技術(shù)包括線控?fù)Q檔系統(tǒng)、線控制動系統(tǒng)、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)及線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在高級轎車、跑車及概念車上有廣泛的應(yīng)用，它為自動駕駛提供了良好的平臺;線控制動系統(tǒng)在工業(yè)車輛上應(yīng)用較多，將來隨著線控技術(shù)的成熟和成本的降低及追求自動駕駛的影響，線控技術(shù)將會越來越多地應(yīng)用于普通車輛。本文主要介紹汽車線控制動系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
線控制動系統(tǒng)
線控制動系統(tǒng)（BBW，Brake2By2Wire），目前分為兩類，一種為電液制動系統(tǒng)（EHB，Electro2Hy2draulicBrake），另一種為電子機(jī)械制動系統(tǒng)（EMB，Electro2MechanicalBrake）。EHB是電子與液壓系統(tǒng)相結(jié)合所形成的多用途、多形式的制動系統(tǒng)，它由電子系統(tǒng)提供柔性控制，液壓系統(tǒng)提供動力;而EMB則將傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的液壓油或空氣等傳力介質(zhì)完全由電制動取代，是未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。
1電液制動系統(tǒng)
在中小型車輛的傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中，駕駛員通過制動主缸在輪缸建立制動壓力，而EHB則是通過蓄能器提供制動壓力。蓄能器壓力由柱塞泵產(chǎn)生，可提供多次連續(xù)的制動壓力。EHB由傳感器、ECU及執(zhí)行器（液壓控制單元）等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
制動踏板與制動器間無直接動力傳遞。制動時，制動力由ECU和執(zhí)行器控制，踏板行程傳感器將信號傳給ECU，ECU匯集輪速傳感器、轉(zhuǎn)向傳感器等各路信號，根據(jù)車輛行駛狀態(tài)計算出每個車輪的最大制動力，并發(fā)出指令給執(zhí)行器的蓄能器來執(zhí)行各車輪的制動。高壓蓄能器能快速而精確地提供輪缸所需的制動壓力。同時，控制系統(tǒng)也可接受其他電子輔助系統(tǒng)（例如ABS、BAS、EBD、ESP等）的傳感器信號，從而保證最佳的減速度和行駛穩(wěn)定性。
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與EMB相比，EHB具有如下優(yōu)點(diǎn):（1）不需要車輪制動器附近的額外空間，也不會額外增加重量。（2）為降低能耗，經(jīng)過良好設(shè)計的14V電源能充分滿足要求。（3）在緊急情況下，制動主缸的壓力還可直接施加給兩個前輪，因而不需備用系統(tǒng)。因此，就目前而言EHB是實(shí)現(xiàn)BBW的第一步，對于重型車輛或工業(yè)車輛，只有液壓系統(tǒng)可以產(chǎn)生較大的制動力矩，以滿足大噸位車輛的制動要求。（4）能夠改善系統(tǒng)的性能和操作人員的舒適性。制動閥可安裝在遠(yuǎn)離駕駛室更接近于制動器的位置，以減少管路消耗。無需采用更多的液壓閥及管路就能使遠(yuǎn)程操作更容易。
2電子機(jī)械制動系統(tǒng)
EMB主要用于小型車輛中，主要包含電制動器、ECU、輪速傳感器、動力電源等。它與EHB最大區(qū)別是制動力為電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩，而不是由柱塞泵產(chǎn)生的高壓油，且有獨(dú)立的電源來供電，其各部分的功能如表1。
與其它傳統(tǒng)制動控制系統(tǒng)相比，EMB具有如下優(yōu)點(diǎn):（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去大量管路系統(tǒng)及部件;（2）制動響應(yīng)時間短，提高了制動性能;（3）系統(tǒng)制造、裝配、測試簡單快捷，采用模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡單;（4）采用電線連接，系統(tǒng)耐久性能良好;（5）易于改進(jìn)，略加變化即可增設(shè)各種電控制功能。但是與EHB相比，它仍有以下幾個問題需要解決:（1）驅(qū)動電源問題。目前車輛的12V電源系統(tǒng)無法提供如此大的能量，需采用高質(zhì)量的42V電源。（2）控制系統(tǒng)失效問題。由于不存在獨(dú)立的主動備用制動系統(tǒng)，為了確保安全，需要一個備用系統(tǒng)，因而也增加了成本。（3）抗干擾問題。車輛在運(yùn)行過程中會有各種干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響是急需解決的問題。
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW，Steering2By2Wire）去掉了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，減輕了大約5kg重量，消除了路面的沖擊，具有降低噪聲和隔振等優(yōu)點(diǎn)。目前國外著名汽車公司和汽車零部件廠家競相研究具有智能化的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如美國Delphi公司、TRW公司、日木三菱公司、Koyo公司、德國Bosch公司、ZF公司、BMW公司等都相繼在研制各自的SBW系統(tǒng)，國內(nèi)也開始涉足這一相關(guān)研究領(lǐng)域。
SBW系統(tǒng)由方向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和ECU3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
方向盤模塊包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機(jī)。方向盤模塊的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過測量方向盤轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳遞給主控制器;同時接受ECU送來的力矩信號，產(chǎn)生方向盤回正力矩以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信號。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括前輪轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器和前輪轉(zhuǎn)向組件等。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的功能是接受ECU的命令，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)實(shí)現(xiàn)要求的前輪轉(zhuǎn)角，完成駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。ECU對采集的信號進(jìn)行分析處理，判別汽車的運(yùn)動狀態(tài)，向方向盤回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個電機(jī)的工作。自動防故障系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向系的重要模塊，它包括一系列監(jiān)控和實(shí)施算法，針對不同的故障形式和等級作出相應(yīng)處理，以求最大限度地保持汽車的正常行駛。汽車的安全性是必須首先考慮的因素，是一切研究的基礎(chǔ)，因而故障的自動檢測和自動處理是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的組成系統(tǒng)之一。
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SBW的工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器將測量到的駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號輸入到ECU，ECU依據(jù)車速傳感器和安裝在轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)上的位移傳感器的信號來控制轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)轉(zhuǎn)向力模擬，生成反饋轉(zhuǎn)矩，控制轉(zhuǎn)向電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)矩大小和旋轉(zhuǎn)角度，通過機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向位置，使汽車沿著駕駛員期望的軌跡行駛。
線控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
由于線控系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的氣動、液壓及機(jī)械連接，取而代之的是傳感器、ECU、電磁的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因而傳感器的精度，ECU硬件的可靠性、抗干擾性，控制算法的可靠性、容錯性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速性、可靠性及不同系統(tǒng)ECU之間通信的實(shí)時性，總線的容錯性和仲裁能力及動力電源等都制約著線控技術(shù)的廣泛應(yīng)用。制約線控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾方面。
（1）傳感器技術(shù)。傳感器是組成線控系統(tǒng)的基本且重要單元，無論是EHB、EMB，還是SBW等都是由許多傳感器構(gòu)成，例如SBW系統(tǒng)由角位移傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等組成，它們構(gòu)成了SBW的主要部分。而汽車電子控制系統(tǒng)的控制效果卻緊緊依賴于傳感器的信息采集和反饋精度，因而傳感器的科技含量直接影響整個汽車電子控制系統(tǒng)的性能。如何制造出體積小、成本底、可靠性高而且測量精度高的傳感器就成為線控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
（2）總線技術(shù)。汽車各電子系統(tǒng)的ECU如何進(jìn)行信息通訊及各系統(tǒng)如何進(jìn)行集成，在很大程度上依賴于總線技術(shù)。目前存在著多種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，未來會使用具有高速實(shí)時傳輸特性的一些總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這一類總線標(biāo)準(zhǔn)主要有時間觸發(fā)協(xié)議（TTP）、Byteflight和FlexRay。TTP是一個應(yīng)用于分布式實(shí)時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議，能夠支持多種容錯策略，具有節(jié)點(diǎn)恢復(fù)和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽車線控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，其特點(diǎn)是既能滿足某些高優(yōu)先級消息需要時間觸發(fā)，以保證確定延遲的要求，又能滿足某些消息需要事件觸發(fā)，需要中斷處理的要求;FlexRay是一種特別適合下一代汽車應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，具有容錯功能和確定的消息傳輸時間，能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求。
（3）動力電源技術(shù)。在EHB系統(tǒng)中，由于制動力矩由液壓提供，所以良好設(shè)計的14V電壓可以滿足要求;而在EMB系統(tǒng)中，由于制動力矩直接由電機(jī)提供，使得所需電源功率增大，而提高電壓是增大功率的好方法，所以傳統(tǒng)的14V系統(tǒng)不再能很好地滿足要求;在SBW系統(tǒng)中，ECU、2個冗余轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)和2個冗余轉(zhuǎn)向電動機(jī)，其總功率大約在550～880W，所需電源能量相當(dāng)大。如何提供足夠的電能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行成為解決問題的關(guān)鍵，42V電壓系統(tǒng)的研究和電動汽車的深入研究為此技術(shù)的解決提供了平臺，為線控技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
（4）容錯控制技術(shù)。為了滿足汽車可靠性與安全性要求，線控系統(tǒng)必須采用容錯控制技術(shù)，容錯控制設(shè)計方法有硬件冗余方法和解析冗余方法2種。硬件冗余方法主要是通過對重要部件及易發(fā)生故障部件提供備份，以提高系統(tǒng)的容錯性能;解析冗余方法主要是通過設(shè)計控制器的軟件來提高整個系統(tǒng)的冗余度，從而改善系統(tǒng)的容錯性能。在SBW系統(tǒng)中，相對于ECU來說，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)更易發(fā)生故障，一些傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間存在著冗余，冗余是實(shí)現(xiàn)容錯控制的基礎(chǔ)，一旦某部件發(fā)生故障，利用冗余關(guān)系可用其他部件代替故障部件，以消除故障。相對傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說，ECU的可靠性較高，但一旦ECU出現(xiàn)故障時，后果更為嚴(yán)重，系統(tǒng)不能進(jìn)行任何操作?；谌蒎e控制技術(shù)的SBW系統(tǒng)，在不影響系統(tǒng)控制功能的情況下，容錯控制技術(shù)提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，保證了車輛的正常行駛及安全性。而可靠性和安全性是制約SBW系統(tǒng)應(yīng)用的主要瓶頸之一。當(dāng)SBW系統(tǒng)的可靠性和安全性能夠達(dá)到普通動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)水平時，其產(chǎn)業(yè)化也就指日可待了。
線控技術(shù)的發(fā)展
在輪式工業(yè)車輛上，線控制動系統(tǒng)特別是EHB，得到較為廣泛應(yīng)用。工業(yè)車輛上采用線控制動系統(tǒng)解決了氣壓或氣頂液式制動系統(tǒng)制動滯后時間長、需另外增設(shè)氣動系統(tǒng)、體積大、重量及結(jié)構(gòu)龐大、易造成排氣污染等幾大缺點(diǎn)，從而保證車輛行駛的安全性。并且系統(tǒng)能提供柔性控制，形成多種形式多種用途的制動系統(tǒng)如遠(yuǎn)程線控制動、防抱死以及牽引控制等，這些能夠改進(jìn)工業(yè)車輛控制的系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。
混合線控制動系統(tǒng)是一種新型的制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)由德爾福公司推出，主要用于乘用車、SUV和輕型汽車。這種系統(tǒng)將成為采用電子控制的電制動線控技術(shù)的重要基礎(chǔ)，它用后輪電動制動鉗來代替?zhèn)鹘y(tǒng)后輪液壓制動鉗，并與電動駐車制動集成，而傳統(tǒng)的液壓制動鉗/真空助力器仍應(yīng)用于前輪制動，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
這種混合型制動系統(tǒng)能使車載的防抱制動系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)更好發(fā)揮功能，提供更好的制動操縱感覺和更好的響應(yīng)。而且該系統(tǒng)將為諸如電駐車制動、上坡行駛防滑、車輛起步助力、車輛下坡行駛提供新功能。這種新技術(shù)將簡化車輛的構(gòu)件組成，并提供更大的內(nèi)部空間布置的自由度。該系統(tǒng)的后輪電制動鉗與一臺直流電機(jī)和機(jī)械變速傳動裝置組成一體，外形尺寸只稍微大于傳統(tǒng)液壓制動鉗。用嵌入式微處理器控制“智能型”后輪電制動鉗，為后輪制動提供快速而平順的操作和“容錯控制”性能。
由于線控系統(tǒng)的可靠性、容錯技術(shù)、生產(chǎn)成本、傳感器精度、蓄電池電壓和功率等因素的影響，線控系統(tǒng)目前還只能在小范圍內(nèi)應(yīng)用。但隨著電子產(chǎn)品成本的降低，底盤控制技術(shù)的逐步完善，汽車開發(fā)的節(jié)能、環(huán)保和安全要求的日益強(qiáng)烈和混合動力電動汽車、燃料電池電動汽車、純電動汽車等新型汽車的廣泛深入研究，線控技術(shù)在普通車輛上的應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)。
