- 汽車線控制動系統簡介
- 汽車線控轉向系統簡介
- 線控系統的關鍵技術
- 車用傳感器技術
- 汽車電子系統總線技術
- 動力電源技術
- 容錯控制技術
隨著汽車電子技術、自動控制技術的逐步成熟和汽車網絡通信技術的廣泛應用，汽車線控技術也逐步得到青睞和深入研究，它和42V電壓系統和網絡技術左右著汽車未來的發展趨勢。
汽車線控技術就是將駕駛員的操縱動作經過傳感器變成電信號，通過電纜直接傳輸到執行機構的一種系統。目前的線控技術包括線控換檔系統、線控制動系統、線控懸架系統、線控增壓系統、線控油門系統及線控轉向系統。其中線控轉向系統在高級轎車、跑車及概念車上有廣泛的應用，它為自動駕駛提供了良好的平臺;線控制動系統在工業車輛上應用較多，將來隨著線控技術的成熟和成本的降低及追求自動駕駛的影響，線控技術將會越來越多地應用于普通車輛。本文主要介紹汽車線控制動系統和線控轉向系統。
線控制動系統
線控制動系統（BBW，Brake2By2Wire），目前分為兩類，一種為電液制動系統（EHB，Electro2Hy2draulicBrake），另一種為電子機械制動系統（EMB，Electro2MechanicalBrake）。EHB是電子與液壓系統相結合所形成的多用途、多形式的制動系統，它由電子系統提供柔性控制，液壓系統提供動力;而EMB則將傳統制動系統中的液壓油或空氣等傳力介質完全由電制動取代，是未來制動控制系統的發展方向。
1電液制動系統
在中小型車輛的傳統制動系統中，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生，可提供多次連續的制動壓力。EHB由傳感器、ECU及執行器（液壓控制單元）等構成，其結構如圖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、轉向傳感器等各路信號，根據車輛行駛狀態計算出每個車輪的最大制動力，并發出指令給執行器的蓄能器來執行各車輪的制動。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，控制系統也可接受其他電子輔助系統（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定性。
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與EMB相比，EHB具有如下優點:（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，經過良好設計的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。因此，就目前而言EHB是實現BBW的第一步，對于重型車輛或工業車輛，只有液壓系統可以產生較大的制動力矩，以滿足大噸位車輛的制動要求。（4）能夠改善系統的性能和操作人員的舒適性。制動閥可安裝在遠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程操作更容易。
2電子機械制動系統
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最大區別是制動力為電機提供的轉矩，而不是由柱塞泵產生的高壓油，且有獨立的電源來供電，其各部分的功能如表1。
與其它傳統制動控制系統相比，EMB具有如下優點:（1）系統結構簡單，省去大量管路系統及部件;（2）制動響應時間短，提高了制動性能;（3）系統制造、裝配、測試簡單快捷，采用模塊化結構，維護簡單;（4）采用電線連接，系統耐久性能良好;（5）易于改進，略加變化即可增設各種電控制功能。但是與EHB相比，它仍有以下幾個問題需要解決:（1）驅動電源問題。目前車輛的12V電源系統無法提供如此大的能量，需采用高質量的42V電源。（2）控制系統失效問題。由于不存在獨立的主動備用制動系統，為了確保安全，需要一個備用系統，因而也增加了成本。（3）抗干擾問題。車輛在運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。
線控轉向系統
線控轉向系統（SBW，Steering2By2Wire）去掉了轉向盤和轉向輪之間的機械連接，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點。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向系統，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，國內也開始涉足這一相關研究領域。
SBW系統由方向盤模塊、轉向執行模塊和ECU3個主要部分以及自動防故障系統、電源等輔助模塊組成，其結構如圖2所示。
方向盤模塊包括方向盤、方向盤轉角、力矩傳感器、方向盤回正力矩電機。方向盤模塊的主要功能是將駕駛員的轉向意圖（通過測量方向盤轉角）轉換成數字信號并傳遞給主控制器;同時接受ECU送來的力矩信號，產生方向盤回正力矩以提供給駕駛員相應的路感信號。轉向執行模塊包括前輪轉角傳感器、轉向執行電機、轉向電機控制器和前輪轉向組件等。轉向執行模塊的功能是接受ECU的命令，控制轉向電機實現要求的前輪轉角，完成駕駛員的轉向意圖。ECU對采集的信號進行分析處理，判別汽車的運動狀態，向方向盤回正力電機和轉向電機發送命令，控制兩個電機的工作。自動防故障系統是線控轉向系的重要模塊，它包括一系列監控和實施算法，針對不同的故障形式和等級作出相應處理，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，因而故障的自動檢測和自動處理是線控轉向系統最重要的組成系統之一。
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SBW的工作原理是當轉向盤轉動時，轉向傳感器和轉向角傳感器將測量到的駕駛員轉矩和轉向盤的轉角轉變成電信號輸入到ECU，ECU依據車速傳感器和安裝在轉向傳動機構上的位移傳感器的信號來控制轉矩反饋電動機的旋轉方向，并根據轉向力模擬，生成反饋轉矩，控制轉向電動機的旋轉方向、轉矩大小和旋轉角度，通過機械轉向裝置控制轉向輪的轉向位置，使汽車沿著駕駛員期望的軌跡行駛。
線控系統的關鍵技術
由于線控系統取消了傳統的氣動、液壓及機械連接，取而代之的是傳感器、ECU、電磁的執行機構，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，執行機構的快速性、可靠性及不同系統ECU之間通信的實時性，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的廣泛應用。制約線控技術的關鍵技術包括以下幾方面。
（1）傳感器技術。傳感器是組成線控系統的基本且重要單元，無論是EHB、EMB，還是SBW等都是由許多傳感器構成，例如SBW系統由角位移傳感器、轉矩傳感器、車速傳感器、側向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器等組成，它們構成了SBW的主要部分。而汽車電子控制系統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的關鍵技術之一。
（2）總線技術。汽車各電子系統的ECU如何進行信息通訊及各系統如何進行集成，在很大程度上依賴于總線技術。目前存在著多種汽車總線標準，未來會使用具有高速實時傳輸特性的一些總線標準和協議。這一類總線標準主要有時間觸發協議（TTP）、Byteflight和FlexRay。TTP是一個應用于分布式實時控制系統的完整的通信協議，能夠支持多種容錯策略，具有節點恢復和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽車線控系統的網絡通信，其特點是既能滿足某些高優先級消息需要時間觸發，以保證確定延遲的要求，又能滿足某些消息需要事件觸發，需要中斷處理的要求;FlexRay是一種特別適合下一代汽車應用的網絡通信系統，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的高速率通信要求。
（3）動力電源技術。在EHB系統中，由于制動力矩由液壓提供，所以良好設計的14V電壓可以滿足要求;而在EMB系統中，由于制動力矩直接由電機提供，使得所需電源功率增大，而提高電壓是增大功率的好方法，所以傳統的14V系統不再能很好地滿足要求;在SBW系統中，ECU、2個冗余轉矩反饋電動機和2個冗余轉向電動機，其總功率大約在550～880W，所需電源能量相當大。如何提供足夠的電能保證系統的穩定運行成為解決問題的關鍵，42V電壓系統的研究和電動汽車的深入研究為此技術的解決提供了平臺，為線控技術的廣泛應用打下了基礎。
（4）容錯控制技術。為了滿足汽車可靠性與安全性要求，線控系統必須采用容錯控制技術，容錯控制設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生故障部件提供備份，以提高系統的容錯性能;解析冗余方法主要是通過設計控制器的軟件來提高整個系統的冗余度，從而改善系統的容錯性能。在SBW系統中，相對于ECU來說，傳感器和執行機構更易發生故障，一些傳感器和執行機構間存在著冗余，冗余是實現容錯控制的基礎，一旦某部件發生故障，利用冗余關系可用其他部件代替故障部件，以消除故障。相對傳感器和執行機構來說，ECU的可靠性較高，但一旦ECU出現故障時，后果更為嚴重，系統不能進行任何操作。基于容錯控制技術的SBW系統，在不影響系統控制功能的情況下，容錯控制技術提高了轉向系統的可靠性，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系統應用的主要瓶頸之一。當SBW系統的可靠性和安全性能夠達到普通動力轉向系統水平時，其產業化也就指日可待了。
線控技術的發展
在輪式工業車輛上，線控制動系統特別是EHB，得到較為廣泛應用。工業車輛上采用線控制動系統解決了氣壓或氣頂液式制動系統制動滯后時間長、需另外增設氣動系統、體積大、重量及結構龐大、易造成排氣污染等幾大缺點，從而保證車輛行駛的安全性。并且系統能提供柔性控制，形成多種形式多種用途的制動系統如遠程線控制動、防抱死以及牽引控制等，這些能夠改進工業車輛控制的系統得到廣泛應用。
混合線控制動系統是一種新型的制動系統，該系統由德爾福公司推出，主要用于乘用車、SUV和輕型汽車。這種系統將成為采用電子控制的電制動線控技術的重要基礎，它用后輪電動制動鉗來代替傳統后輪液壓制動鉗，并與電動駐車制動集成，而傳統的液壓制動鉗/真空助力器仍應用于前輪制動，其結構如圖3所示。
這種混合型制動系統能使車載的防抱制動系統、牽引力控制系統、車輛穩定控制系統更好發揮功能，提供更好的制動操縱感覺和更好的響應。而且該系統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。這種新技術將簡化車輛的構件組成，并提供更大的內部空間布置的自由度。該系統的后輪電制動鉗與一臺直流電機和機械變速傳動裝置組成一體，外形尺寸只稍微大于傳統液壓制動鉗。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。
由于線控系統的可靠性、容錯技術、生產成本、傳感器精度、蓄電池電壓和功率等因素的影響，線控系統目前還只能在小范圍內應用。但隨著電子產品成本的降低，底盤控制技術的逐步完善，汽車開發的節能、環保和安全要求的日益強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，線控技術在普通車輛上的應用將成為現實。
