汽车线控技术的应用及发展趋势

作者：武汉理工大学 程飞 过学迅

欢迎访问e展厅 展厅 2 汽车电子展厅 车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ... 随着汽车电子技术、自动控制技术的逐步成熟和汽车网络通信技术的广泛应用，汽车线控技术也逐步得到青睐和深入研究，它和42V电压系统和网络技术左右着汽车未来的发展趋势。 汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器变成电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。目前的线控技术包括线控换档系统、线控制动系统、线控悬架系统、线控增压系统、线控油门系统及线控转向系统。其中线控转向系统在高级轿车、跑车及概念车上有广泛的应用，它为自动驾驶提供了良好的平台;线控制动系统在工业车辆上应用较多，将来随着线控技术的成熟和成本的降低及追求自动驾驶的影响，线控技术将会越来越多地应用于普通车辆。本文主要介绍汽车线控制动系统和线控转向系统。 1 线控制动系统 线控制动系统（BBW，Brake 2 By 2 Wire），目前分为两类，一种为电液制动系统（EHB，Electro2Hy2draulic Brake），另一种为电子机械制动系统（EMB，Electro2Mechanical B rake）。EHB是电子与液压系统相结合所形成的多用途、多形式的制动系统，它由电子系统提供柔性控制，液压系统提供动力;而EMB则将传统制动系统中的液压油或空气等传力介质完全由电制动取代，是未来制动控制系统的发展方向。 1.1电液制动系统 在中小型车辆的传统制动系统中，驾驶员通过制动主缸在轮缸建立制动压力，而EHB则是通过蓄能器提供制动压力。蓄能器压力由柱塞泵产生，可提供多次连续的制动压力。EHB由传感器、ECU及执行器（液压控制单元）等构成，其结构如图1所示。 制动踏板与制动器间无直接动力传递。制动时，制动力由ECU和执行器控制，踏板行程传感器将信号传给ECU，ECU汇集轮速传感器、转向传感器等各路信号，根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力，并发出指令给执行器的蓄能器来执行各车轮的制动。高压蓄能器能快速而精确地提供轮缸所需的制动压力。同时，控制系统也可接受其他电子辅助系统（例如ABS、BAS、EBD、ESP等）的传感器信号，从而保证最佳的减速度和行驶稳定性。 与EMB相比，EHB具有如下优点:（1）不需要车轮制动器附近的额外空间，也不会额外增加重量。（2）为降低能耗，经过良好设计的14V电源能充分满足要求。（3）在紧急情况下，制动主缸的压力还可直接施加给两个前轮，因而不需备用系统。因此，就目前而言EHB是实现BBW的第一步，对于重型车辆或工业车辆，只有液压系统可以产生较大的制动力矩，以满足大吨位车辆的制动要求。（4）能够改善系统的性能和操作人员的舒适性。制动阀可安装在远离驾驶室更接近于制动器的位置，以减少管路消耗。无需采用更多的液压阀及管路就能使远程操作更容易。 1.2电子机械制动系统 EMB主要用于小型车辆中，主要包含电制动器、ECU、轮速传感器、动力电源等。它与EHB最大区别是制动力为电机提供的转矩，而不是由柱塞泵产生的高压油，且有独立的电源来供电，其各部分的功能如表1。 与其它传统制动控制系统相比，EMB具有如下优点:（1）系统结构简单，省去大量管路系统及部件;（2）制动响应时间短，提高了制动性能;（3）系统制造、装配、测试简单快捷，采用模块化结构，维护简单;（4）采用电线连接，系统耐久性能良好;（5）易于改进，略加变化即可增设各种电控制功能。但是与EHB相比，它仍有以下几个问题需要解决:（1）驱动电源问题。目前车辆的12V电源系统无法提供如此大的能量，需采用高质量的42V电源。（2）控制系统失效问题。由于不存在独立的主动备用制动系统，为了确保安全，需要一个备用系统，因而也增加了成本。（3）抗干扰问题。车辆在运行过程中会有各种干扰信号，如何消除这些干扰信号造成的影响是急需解决的问题。 2 线控转向系统 线控转向系统（SBW，Steering2By2W ire）去掉了转向盘和转向轮之间的机械连接，减轻了大约5kg重量，消除了路面的冲击，具有降低噪声和隔振等优点。目前国外著名汽车公司和汽车零部件厂家竞相研究具有智能化的新一代转向系统，如美国Delphi公司、TRW公司、日木三菱公司、Koyo公司、德国Bosch公司、ZF公司、BMW公司等都相继在研制各自的SBW系统，国内也开始涉足这一相关研究领域。 SBW系统由方向盘模块、转向执行模块和ECU3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成，其结构如图2所示。 方向盘模块包括方向盘、方向盘转角、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。方向盘模块的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接受ECU送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩以提供给驾驶员相应的路感信号。转向执行模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。转向执行模块的功能是接受ECU的命令，控制转向电机实现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。ECU对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送命令，控制两个电机的工作。自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它包括一系列监控和实施算法，针对不同的故障形式和等级作出相应处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。 SBW的工作原理是当转向盘转动时，转向传感器和转向角传感器将测量到的驾驶员转矩和转向盘的转角转变成电信号输入到ECU，ECU依据车速传感器和安装在转向传动机构上的位移传感器的信号来控制转矩反馈电动机的旋转方向，并根据转向力模拟，生成反馈转矩，控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度，通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。 3 线控系统的关键技术 由于线控系统取消了传统的气动、液压及机械连接，取而代之的是传感器、ECU、电磁的执行机构，因而传感器的精度，ECU硬件的可靠性、抗干扰性，控制算法的可靠性、容错性，执行机构的快速性、可靠性及不同系统ECU之间通信的实时性，总线的容错性和仲裁能力及动力电源等都制约着线控技术的广泛应用。制约线控技术的关键技术包括以下几方面。 （1）传感器技术。传感器是组成线控系统的基本且重要单元，无论是EHB、EMB，还是SBW等都是由许多传感器构成，例如SBW系统由角位移传感器、转矩传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器等组成，它们构成了SBW的主要部分。而汽车电子控制系统的控制效果却紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度，因而传感器的科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。如何制造出体积小、成本底、可靠性高而且测量精度高的传感器就成为线控系统的关键技术之一。 （2）总线技术。汽车各电子系统的ECU如何进行信息通讯及各系统如何进行集成，在很大程度上依赖于总线技术。目前存在着多种汽车总线标准，未来会使用具有高速实时传输特性的一些总线标准和协议。这一类总线标准主要有时间触发协议（TTP）、Byteflight和FlexRay。TTP是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议，能够支持多种容错策略，具有节点恢复和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽车线控系统的网络通信，其特点是既能满足某些高优先级消息需要时间触发，以保证确定延迟的要求，又能满足某些消息需要事件触发，需要中断处理的要求;FlexRay是一种特别适合下一代汽车应用的网络通信系统，具有容错功能和确定的消息传输时间，能够满足汽车控制系统的高速率通信要求。 （3）动力电源技术。在EHB系统中，由于制动力矩由液压提供，所以良好设计的14V电压可以满足要求;而在EMB系统中，由于制动力矩直接由电机提供，使得所需电源功率增大，而提高电压是增大功率的好方法，所以传统的14V系统不再能很好地满足要求;在SBW系统中，ECU、2个冗余转矩反馈电动机和2个冗余转向电动机，其总功率大约在550～880W，所需电源能量相当大。如何提供足够的电能保证系统的稳定运行成为解决问题的关键，42V电压系统的研究和电动汽车的深入研究为此技术的解决提供了平台，为线控技术的广泛应用打下了基础。 （4）容错控制技术。为了满足汽车可靠性与安全性要求，线控系统必须采用容错控制技术，容错控制设计方法有硬件冗余方法和解析冗余方法2种。硬件冗余方法主要是通过对重要部件及易发生故障部件提供备份，以提高系统的容错性能;解析冗余方法主要是通过设计控制器的软件来提高整个系统的冗余度，从而改善系统的容错性能。在SBW系统中，相对于ECU来说，传感器和执行机构更易发生故障，一些传感器和执行机构间存在着冗余，冗余是实现容错控制的基础，一旦某部件发生故障，利用冗余关系可用其他部件代替故障部件，以消除故障。相对传感器和执行机构来说，ECU的可靠性较高，但一旦ECU出现故障时，后果更为严重，系统不能进行任何操作。基于容错控制技术的SBW系统，在不影响系统控制功能的情况下，容错控制技术提高了转向系统的可靠性，保证了车辆的正常行驶及安全性。而可靠性和安全性是制约SBW系统应用的主要瓶颈之一。当SBW系统的可靠性和安全性能够达到普通动力转向系统水平时，其产业化也就指日可待了。 4 线控技术的发展 在轮式工业车辆上，线控制动系统特别是EHB，得到较为广泛应用。工业车辆上采用线控制动系统解决了气压或气顶液式制动系统制动滞后时间长、需另外增设气动系统、体积大、重量及结构庞大、易造成排气污染等几大缺点，从而保证车辆行驶的安全性。并且系统能提供柔性控制，形成多种形式多种用途的制动系统如远程线控制动、防抱死以及牵引控制等，这些能够改进工业车辆控制的系统得到广泛应用。 混合线控制动系统是一种新型的制动系统，该系统由德尔福公司推出，主要用于乘用车、SUV和轻型汽车。这种系统将成为采用电子控制的电制动线控技术的重要基础，它用后轮电动制动钳来代替传统后轮液压制动钳，并与电动驻车制动集成，而传统的液压制动钳/真空助力器仍应用于前轮制动，其结构如图3所示。 这种混合型制动系统能使车载的防抱制动系统、牵引力控制系统、车辆稳定控制系统更好发挥功能，提供更好的制动操纵感觉和更好的响应。而且该系统将为诸如电驻车制动、上坡行驶防滑、车辆起步助力、车辆下坡行驶提供新功能。这种新技术将简化车辆的构件组成，并提供更大的内部空间布置的自由度。该系统的后轮电制动钳与一台直流电机和机械变速传动装置组成一体，外形尺寸只稍微大于传统液压制动钳。用嵌入式微处理器控制“智能型”后轮电制动钳，为后轮制动提供快速而平顺的操作和“容错控制”性能。 5 结语 由于线控系统的可靠性、容错技术、生产成本、传感器精度、蓄电池电压和功率等因素的影响，线控系统目前还只能在小范围内应用。但随着电子产品成本的降低，底盘控制技术的逐步完善，汽车开发的节能、环保和安全要求的日益强烈和混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车、纯电动汽车等新型汽车的广泛深入研究，线控技术在普通车辆上的应用将成为现实。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/20/2007)