汽车线控技术

线控技术概述张竹林主要内容1.应用背景2.典型线控系统•线控转向系统•线控制动系统•线控悬架系统•线控油门•线控离合3.线控系统的关键技术4.总结1汽车线控技术的应用背景•线控技术（X-by-Wire）源于飞机控制系统，飞机的新型飞行控制系统是一种线控系统（Fly-by-Wire），它将飞机驾驶员的操纵命令转换成电信号，利用计算机控制飞机飞行。•这种控制方式引入到汽车驾驶上，就是将驾驶员的操作动作经过传感器转变成电信号，通过电信号网络传输到攻率放大再推动执行机构。图1线控系统的组成框图•其实质就是在需要有机构动作的地方不是应用液压系统来传递操纵动作，而是利用弱电信号再控制强电执行机构来完成。线控（电控）系统中弱电信号早期用模拟信号较多，目前多用数字信号。•线控技术就可理解为电控方式。这里的“X”代表着汽车中传统上由机械或液压控制的各个功能部件，如：制动、转向、悬架、油门、离合器、门锁等。•典型的有线控转向（Steer-by-Wire）、线控制动（Brake-by-Wire）等。•采用线控技术，可以降低部件的复杂性，减少液压与机械控制装置，可以减少杠杆、轴承等金属连接件，减轻质量，降低油耗和制造成本，相应也提高了可靠性和安全性。•由于电线走向布置的灵活性，因此汽车操纵部件的布置也具有灵活性，扩大了汽车设计的自由空间。•目前所有大型汽车制造商都在开发线控系统雏形及其产品。•美国TRW公司开发的线控驾驶系统使得燃油经济性上升5％；DELPHI汽车在电子转向系统中也作了类似改进；BOSCH、VALEO公司和其他一些设备制造商已开发或正在开发线控技术和产品；•HONDA在新一代雅阁V6轿车上采用线控油门技术。•德国大众也有线控的概念车。•美国通用公司在2003年研制的HY-WIRE概念车和2005年研制的Sequel概念车上都采用了线控转向和线控制动技术。•下为通用的HY-WIRE概念车，它采用氢动力和线传控制，通过电机驱动实现汽车的启动、转向和制动等，是全新的一种概念车。•下为它的车内乘坐舱的照片。图1通用公司的HY-WIRE概念车线控技术的应用背景线控技术的应用背景•线控技术得以逐渐在汽车上普遍应用的技术背景：–微电子器件的成本降低、可靠性提高，如单片机，DSP等；–电力电子装置的功能增强、成本降低，可靠性提高，如执行步进电机，伺服电机，传感器等等。•随着汽车电子化的不断深入，线控技术将在汽车上得到普遍应用，笨重、精确度低的机械系统将被精确、敏感的电子传感器和执行元件所代替，汽车传统的操纵机构、操纵方式、执行机构也将会发生根本性的变革。•目前几乎所以汽车上要操纵控制动作的地方都可以用电（线）控，下介绍汽车线控技术的几个具体应用。线控转向系统Steer-by-Wire常规转向系•线控转向系统取消了传统的机械式转向装置，转向器与转向柱间无机械连接。•整个系统主要由转向盘位置传感器、力反馈电动机、转向执行机构、转向ECU、轮胎角度传感器、环境传感器组成，结构如图3所示。图3线控转向系统原理图线控转向系统线控转向系统在汽车中的布置线控转向系统线控转向系统由方向盘总成、控制器（ECU）和转向执行总成3部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。•方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、方向盘回正力矩电机等，具功能主要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，传递给控制器；同时接收控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。•控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向方向盘回正力矩电机和转向执行电机发送指令。保证各种工况下都具有理想的车辆响应。•转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机等。它接受控制器的命令，由转向执行电机控制转向车轮转角，实现驾驶员的转向意图。•自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以保证汽车的安全性能。汽车线控转向的优势在于：1.提高了整车设计自由度，便于操控系统布置。例如没有了机械连接，可以很容易把左舵驾驶换为右舵驾驶。2.转动效率高，响应时间短。控制单元接收各种数据，可以在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮。3.改善驾驶特性，增强操纵性。基于车速、牵引力控制以及其它相关参数基础上的转向比率（转向盘转角和车轮转角的比值）不断变化。•低速行驶时，转向比率低，可以减少转弯或停车时转向盘转动的角度；•高速行驶时，转向比率变大，能够获得更好的直线行驶条件。4.取消转向柱、转向器后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。5.有利于整合底盘技术•目前越来越多的主动安全控制系统投入车辆的应用。•如DYC、ESP等是通过对车轮纵向力进行控制，以补偿由车辆横向加速度或横摆角速度变化引起的行驶方向失控和车身姿态不稳，增加车辆道路保持性能并改善操纵稳定性能，采用线控转向系统后有利于整合底盘技术，综合利用主动悬架、ASR、DYC或ESP等系统的传感器，实现数据共享。同时对于控制软件方面，可以综合考虑车辆弯道行驶和车身横向稳定性控制，进一步提高车辆操纵稳定性和安全性。6.降低底盘综合开发成本•采用线控转向系统后，在底盘开发过程中就不必考虑左侧驾驶和右侧驾驶车辆的区别，可降低公司的底盘开发成本。•今后线控转向系统的最终发展趋势是使用操纵杆的x—by—wire系统，它取消了转向柱、皮带轮和皮带等部件，给发动机舱节省了空间，方便了底盘总布置的设计。线控转向系统通过修改部分参数就可以应用于其它车型，为新车型的设计开发节省了大量的时间，有利于厂家在竞争日益激烈的汽车业中尽快发布新车型，抢得市场先机。关键技术•线控转向系统最为显著的特点是驾驶员的转向操作和车轮转向实施之间通过ECU进行协调处理，从而实现线控转向系统的一系列优点。因此线控转向系统设汁中的关键技术包括：–合理的转向控制策略，能正确执行驾驶员转向意图；–系统稳定可靠，具有高的容错性；–符合人们当前的驾驶习惯，准确地向驾驶员反馈车辆行驶状态信息。1线控转向系统理想传动比的确定•为了使汽车的转向特性在各种行驶工况下保持一致，从而能使驾驶员轻松地驾驶汽车沿期望的轨迹行驶，由这一思想引出了转向系统理想传动比的概念，可以针对传统转向系统的不足并根据驾驶员的实际期望进行方向盘转角与车辆路径行驶角之间的合理设计。现有传动比设计方案中大致集中在随车速变化、随方向盘转角变化以及随车速和方向盘转角同时变化这3种方案。2线控转向系统的容错技术•线控转向系统除了能向车辆使用者提供良好的性能之外，还必须证明它的安全可靠性。线控转向系统中方向盘与转向轮之间的机械连接不再存在，完全依靠电子和电气元件工作，需要采用容错措施。容错技术的实现主要依靠冗余，即所设计的系统在功能上或者数量上有一定的冗余，当某个零部件出现故障时，其冗余部分就承担起相应的功能。•目前使用的主要容错措施除了系统的故障分析、故障等级划分，以及针对不同等级的故障处理等微观方面之外，关于线控转向系统的容错设计硬件上主要有如下3种形式：–采用液压转向系统作为应急转向系统；–采用双套互相监控的线控转向系统；–采用机械转向系统作为后备转向系统。3线控转向系统方向盘力感模拟•对于传统的转向系统来说，驾驶员在转向时需要克服的力包括回正力矩和摩擦力矩，其中回正力矩对应了前轮侧向力的信息，使汽车的运动状态(包括车轮与路面的附着状态)与驾驶员手上的力有一种对应关系，也就是所谓的”路感”。因此驾驶员可通过方向盘反馈的路感信息来感知车辆的运动状态。•在线控转向系统方向盘的力感设计中可不计系统的干摩擦，常用建立基于经验的汽车转向系统回正力矩算法模型，通过驾驶员主观评价方法确定经验模型中的参数。这种方法简单实用，被大多数线控转向系统采用。•如戴－克公司和博世联合开发的线控转向系统原型车。其方向盘反力矩的生成是通过模拟的回正力矩和测量转向轮的实际力矩计算得到。•路感和转向轻便性是一对矛盾，合理的路感特性模拟目前仍是一重要课题。Steer-by-wire的前景•围绕汽车开发的节能、环保和安全主题，未来汽车的主体将是零排放汽车。混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）等新型电动汽车，它们的逐步推广应用为线控电动转向系统的应用带来了非常广阔的前景。线控制动系统Brake-by-Wire电子驻车很多轿车的前后轮都采用盘式制动器保时捷911GT2制动系统前轮制动器：六活塞卡钳、钻孔内通风制动盘、直径350mm、厚34mm。后轮制动器：四活塞卡钳、钻孔内通风制动盘、直径350mm，厚28mm。凌志SC430制动系统前轮制动器：单活塞浮式卡钳、内通风制动盘、直径96mm、厚28mm。后轮制动器：单活塞浮式卡钳、实心制动盘、直径88mm、厚10mm。注意观察前后制动块有何不同，为什么？思考通风盘式制动器钻孔通风盘式制动器法拉利跑车采用的特殊材料的钻孔通风盘布加迪跑车制动冷却空气流动示意图布加迪跑车制动冷却空气流动示意图•传统轮式车辆制动系统的气体或液体传输管路长，阀类元件多。对于长轴距或多轴车辆及远距离控制车辆，由于管路长、速度慢，易产生制动滞后现象，制动距离增加，安全性降低，而且制动系统的成本也较高。•线控制动用电线取代部分或全部制动管路，可省去制动系统的很多阀。在电子控制器中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及各轴制动力的分配，可完全实现使用传统阀类控制件所能达到的ABS及ASR等功能。•线控制动系统目前分为两种类型，一种为电液制动系统EHB（Electro-HydraulicBrake)，另一种为电子机械制动系统EMB（Electro-MechanicalBrake）。•EHB电液制动系统是将电子与液压系统相结合所形成多用途、多形式的制动系统。EHB由电子系统提供柔性控制，液压系统提供动力。•EMB电子机械制动系统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，是制动控制系统的发展方向。线控制动系统线控制动系统线控制动系统主要由3部分组成：–接收单元。包括制动踏板、踏板行程传感器等。–制动控制器（ECU）。ECU接收制动踏板发出的信号，控制制动器制动；接收驻车制动信号，控制驻车制动；接收车轮传感器信号，识别车轮是否抱死、打滑等；控制车轮制动力，实现防抱死和驱动防滑，并兼顾其它系统的控制。–执行单元。包括电制动器或液压制动器等。对于EMB系统•每一个制动执行机构都有自己的动力控制单元，而动力控制单元所需的控制信号（如制动执行机构应该产生的力矩），由中心控制模块来提供。•控制单元同样也从执行机构获得反馈回来的信号，如电机转子转角、实际产生力矩、制动垫块和制动盘的触点压力等。•中心模块通过不同的传感器（如制动力传感器、踏板位移传感器、轮速传感器等）获取自己所需的变量参数，识别驾驶员的意图，经过处理后发送给每一个车轮，以此来控制制动效果。•驾驶员意图来自制动踏板单元，它包括制动踏板、踏板位移传感器、踏板力传感器和踏板力模拟机构。踏板位移传感器和力传感器并不是必须同时存在的。图4EMB电子机械制动系统简图•可看出系统中分为前轴和后轴两套制动回路A、B，每一套回路都有自己的中心控制模块和动力源。动力源为蓄电池1和2。两个中心控制模块相对独立工作，同时也通过双向的信号线互相通讯，在这种结构下，可以做到当其中某一套制动线路失灵或出现故障时，另外一套线路可以照常工作，保证制动的安全性。•EMB系统中的执行机构是与制动盘直接相连的部分，是EMB与液压制动系统差别最大的部分。一个典型的执行机构应该：–结构紧凑、体积小巧；–有提供驱动力的力矩电机；–具有把圆周运动转化为直线运动的机构；–具有力的放大机构；–为保证更可靠的性能，最好在内部设有力或位移等传感器。主要优点相对传统的液压制动系统，EMB具有以下主要优点。1.机械连接少，没有制动管路，结构简洁，体积小。2.载荷传递平稳、柔和，制动性能稳定。3.采用机械和电气连接，信号传递迅速，反应灵敏，“路感”好