- 汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介
- 汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介
- 線控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
- 車(chē)用傳感器技術(shù)
- 汽車(chē)電子系統(tǒng)總線技術(shù)
- 動(dòng)力電源技術(shù)
- 容錯(cuò)控制技術(shù)
隨著汽車(chē)電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的逐步成熟和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)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(chē)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
汽車(chē)線控技術(shù)就是將駕駛員的操縱動(dòng)作經(jīng)過(guò)傳感器變成電信號(hào)，通過(guò)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(dòng)系統(tǒng)、線控懸架系統(tǒng)、線控增壓系統(tǒng)、線控油門(mén)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(jí)轎車(chē)、跑車(chē)及概念車(chē)上有廣泛的應(yīng)用，它為自動(dòng)駕駛提供了良好的平臺(tái);線控制動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)車(chē)輛上應(yīng)用較多，將來(lái)隨著線控技術(shù)的成熟和成本的降低及追求自動(dòng)駕駛的影響，線控技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于普通車(chē)輛。本文主要介紹汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)和線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
線控制動(dòng)系統(tǒng)
線控制動(dòng)系統(tǒng)（BBW，Brake2By2Wire），目前分為兩類(lèi)，一種為電液制動(dòng)系統(tǒng)（EHB，Electro2Hy2draulicBrake），另一種為電子機(jī)械制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，它由電子系統(tǒng)提供柔性控制，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力;而EMB則將傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的液壓油或空氣等傳力介質(zhì)完全由電制動(dòng)取代，是未來(lái)制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。
1電液制動(dòng)系統(tǒng)
在中小型車(chē)輛的傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中，駕駛員通過(guò)制動(dòng)主缸在輪缸建立制動(dòng)壓力，而EHB則是通過(guò)蓄能器提供制動(dòng)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(dòng)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(dòng)踏板與制動(dòng)器間無(wú)直接動(dòng)力傳遞。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力由ECU和執(zhí)行器控制，踏板行程傳感器將信號(hào)傳給ECU，ECU匯集輪速傳感器、轉(zhuǎn)向傳感器等各路信號(hào)，根據(jù)車(chē)輛行駛狀態(tài)計(jì)算出每個(gè)車(chē)輪的最大制動(dòng)力，并發(fā)出指令給執(zhí)行器的蓄能器來(lái)執(zhí)行各車(chē)輪的制動(dòng)。高壓蓄能器能快速而精確地提供輪缸所需的制動(dòng)壓力。同時(shí)，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(hào)，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(chē)輪制動(dòng)器附近的額外空間，也不會(huì)額外增加重量。（2）為降低能耗，經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)的14V電源能充分滿足要求。（3）在緊急情況下，制動(dòng)主缸的壓力還可直接施加給兩個(gè)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(duì)于重型車(chē)輛或工業(yè)車(chē)輛，只有液壓系統(tǒng)可以產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩，以滿足大噸位車(chē)輛的制動(dòng)要求。（4）能夠改善系統(tǒng)的性能和操作人員的舒適性。制動(dòng)閥可安裝在遠(yuǎn)離駕駛室更接近于制動(dòng)器的位置，以減少管路消耗。無(wú)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(dòng)系統(tǒng)
EMB主要用于小型車(chē)輛中，主要包含電制動(dòng)器、ECU、輪速傳感器、動(dòng)力電源等。它與EHB最大區(qū)別是制動(dòng)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(lái)供電，其各部分的功能如表1。
與其它傳統(tǒng)制動(dòng)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(jiǎn)單，省去大量管路系統(tǒng)及部件;（2）制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間短，提高了制動(dòng)性能;（3）系統(tǒng)制造、裝配、測(cè)試簡(jiǎn)單快捷，采用模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡(jiǎn)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(gè)問(wèn)題需要解決:（1）驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題。目前車(chē)輛的12V電源系統(tǒng)無(wú)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(wèn)題。由于不存在獨(dú)立的主動(dòng)備用制動(dòng)系統(tǒng)，為了確保安全，需要一個(gè)備用系統(tǒng)，因而也增加了成本。（3）抗干擾問(wèn)題。車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有各種干擾信號(hào)，如何消除這些干擾信號(hào)造成的影響是急需解決的問(wèn)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(pán)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(guó)外著名汽車(chē)公司和汽車(chē)零部件廠家競(jìng)相研究具有智能化的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如美國(guó)Delphi公司、TRW公司、日木三菱公司、Koyo公司、德國(guó)Bosch公司、ZF公司、BMW公司等都相繼在研制各自的SBW系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始涉足這一相關(guān)研究領(lǐng)域。
SBW系統(tǒng)由方向盤(pán)模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和ECU3個(gè)主要部分以及自動(dòng)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(pán)模塊包括方向盤(pán)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、力矩傳感器、方向盤(pán)回正力矩電機(jī)。方向盤(pán)模塊的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖（通過(guò)測(cè)量方向盤(pán)轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞給主控制器;同時(shí)接受ECU送來(lái)的力矩信號(hào)，產(chǎn)生方向盤(pán)回正力矩以提供給駕駛員相應(yīng)的路感信號(hào)。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(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析處理，判別汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，向方向盤(pán)回正力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)發(fā)送命令，控制兩個(gè)電機(jī)的工作。自動(dòng)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(duì)不同的故障形式和等級(jí)作出相應(yīng)處理，以求最大限度地保持汽車(chē)的正常行駛。汽車(chē)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(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器將測(cè)量到的駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入到ECU，ECU依據(jù)車(chē)速傳感器和安裝在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上的位移傳感器的信號(hào)來(lái)控制轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)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(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)矩大小和旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向位置，使汽車(chē)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(dòng)、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(cuò)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(shí)性，總線的容錯(cuò)性和仲裁能力及動(dòng)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(wú)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(chē)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(chē)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(gè)汽車(chē)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(cè)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(chē)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(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)會(huì)使用具有高速實(shí)時(shí)傳輸特性的一些總線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。這一類(lèi)總線標(biāo)準(zhǔn)主要有時(shí)間觸發(fā)協(xié)議（TTP）、Byteflight和FlexRay。TTP是一個(gè)應(yīng)用于分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議，能夠支持多種容錯(cuò)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(chē)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(jí)消息需要時(shí)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(chē)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，具有容錯(cuò)功能和確定的消息傳輸時(shí)間，能夠滿足汽車(chē)控制系統(tǒng)的高速率通信要求。
（3）動(dòng)力電源技術(shù)。在EHB系統(tǒng)中，由于制動(dòng)力矩由液壓提供，所以良好設(shè)計(jì)的14V電壓可以滿足要求;而在EMB系統(tǒng)中，由于制動(dòng)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(gè)冗余轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)和2個(gè)冗余轉(zhuǎn)向電動(dòng)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(wèn)題的關(guān)鍵，42V電壓系統(tǒng)的研究和電動(dòng)汽車(chē)的深入研究為此技術(shù)的解決提供了平臺(tái)，為線控技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
（4）容錯(cuò)控制技術(shù)。為了滿足汽車(chē)可靠性與安全性要求，線控系統(tǒng)必須采用容錯(cuò)控制技術(shù)，容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)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(cuò)性能;解析冗余方法主要是通過(guò)設(shè)計(jì)控制器的軟件來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的冗余度，從而改善系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。在SBW系統(tǒng)中，相對(duì)于ECU來(lái)說(shuō)，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(cuò)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(duì)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，ECU的可靠性較高，但一旦ECU出現(xiàn)故障時(shí)，后果更為嚴(yán)重，系統(tǒng)不能進(jìn)行任何操作?；谌蒎e(cuò)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(cuò)控制技術(shù)提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性，保證了車(chē)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)水平時(shí)，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(chē)輛上，線控制動(dòng)系統(tǒng)特別是EHB，得到較為廣泛應(yīng)用。工業(yè)車(chē)輛上采用線控制動(dòng)系統(tǒng)解決了氣壓或氣頂液式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)滯后時(shí)間長(zhǎng)、需另外增設(shè)氣動(dòng)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(chē)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(dòng)系統(tǒng)如遠(yuǎn)程線控制動(dòng)、防抱死以及牽引控制等，這些能夠改進(jìn)工業(yè)車(chē)輛控制的系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。
混合線控制動(dòng)系統(tǒng)是一種新型的制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由德?tīng)柛９就瞥?，主要用于乘用?chē)、SUV和輕型汽車(chē)。這種系統(tǒng)將成為采用電子控制的電制動(dòng)線控技術(shù)的重要基礎(chǔ)，它用后輪電動(dòng)制動(dòng)鉗來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)后輪液壓制動(dòng)鉗，并與電動(dòng)駐車(chē)制動(dòng)集成，而傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)鉗/真空助力器仍應(yīng)用于前輪制動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
這種混合型制動(dòng)系統(tǒng)能使車(chē)載的防抱制動(dòng)系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)、車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)更好發(fā)揮功能，提供更好的制動(dòng)操縱感覺(jué)和更好的響應(yīng)。而且該系統(tǒng)將為諸如電駐車(chē)制動(dòng)、上坡行駛防滑、車(chē)輛起步助力、車(chē)輛下坡行駛提供新功能。這種新技術(shù)將簡(jiǎn)化車(chē)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(dòng)鉗與一臺(tái)直流電機(jī)和機(jī)械變速傳動(dòng)裝置組成一體，外形尺寸只稍微大于傳統(tǒng)液壓制動(dòng)鉗。用嵌入式微處理器控制“智能型”后輪電制動(dòng)鉗，為后輪制動(dòng)提供快速而平順的操作和“容錯(cuò)控制”性能。
由于線控系統(tǒng)的可靠性、容錯(cuò)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(pán)控制技術(shù)的逐步完善，汽車(chē)開(kāi)發(fā)的節(jié)能、環(huán)保和安全要求的日益強(qiáng)烈和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)等新型汽車(chē)的廣泛深入研究，線控技術(shù)在普通車(chē)輛上的應(yīng)用將成為現(xiàn)實(shí)。
