世界各國(guó)汽車(chē)線控技術(shù)大觀

　　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。

　　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。
　二、DBW線控油門(mén)系統(tǒng)

　　DBW的英文全稱(chēng)是Drive By Wire也可以稱(chēng)作Throttle By Wire。中文意思是“線控油門(mén)”或者“電控油門(mén)”。線控油門(mén)系統(tǒng)主要由油門(mén)踏板、踏板位移傳感器、電控單元ECU、數(shù)據(jù)總線、伺服電動(dòng)機(jī)和油門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

　　傳統(tǒng)的油門(mén)控制方式是駕駛員通過(guò)踩油門(mén)踏板，由油門(mén)拉索直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)的開(kāi)合程度，從而決定加速或減速，駕駛員的動(dòng)作與油門(mén)動(dòng)作之間是通過(guò)拉索的機(jī)械作用聯(lián)系的。

　　而線控油門(mén)系統(tǒng)將這種機(jī)械聯(lián)系改為電子聯(lián)系。駕駛員仍然通過(guò)踩油門(mén)踏板控制拉索。但拉索并不是直接連接到油門(mén)，而是連著一個(gè)油門(mén)踏板位置傳感器，傳感器將拉索的位置變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送至汽車(chē)的大腦ECU（電子控制器），ECU將收集到的相關(guān)傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送命令至油門(mén)作動(dòng)器控制模塊，油門(mén)作動(dòng)器控制模塊再發(fā)送信號(hào)給油門(mén)作動(dòng)器，從而控制油門(mén)的開(kāi)合程度。也就是說(shuō)駕駛員的動(dòng)作與油門(mén)的動(dòng)作之間是通過(guò)電子元件的電信號(hào)聯(lián)系的。雖然從構(gòu)造上來(lái)看，線控油門(mén)比傳統(tǒng)油門(mén)控制方式復(fù)雜，但油門(mén)的控制卻比傳統(tǒng)方式精確，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠根據(jù)汽車(chē)的各種行駛信息，精確調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的燃油空氣混合氣，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，從而大大提高了汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

　　三、BBW線控制動(dòng)系統(tǒng)

　　BBW的英文全稱(chēng)是Brake By Wire，中文意思是“線控制動(dòng)系統(tǒng)”。

　　傳統(tǒng)車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的氣體或液體傳輸管路長(zhǎng)，閥類(lèi)元件多。對(duì)于長(zhǎng)軸距或多軸車(chē)輛及遠(yuǎn)距離控制車(chē)輛，由于管線長(zhǎng)及速度慢，易產(chǎn)生制動(dòng)滯后現(xiàn)象，制動(dòng)距離增加，安全性降低，而且制動(dòng)系統(tǒng)的成本也較高。

　　與傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)不同，線控制動(dòng)以電子元件代替部分機(jī)械元件，成為機(jī)電一體化的制動(dòng)系統(tǒng)。在電子控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)相應(yīng)程序，操縱電控元件來(lái)控制制動(dòng)力的大小及制動(dòng)力的分配，可完全實(shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)控制元件所能達(dá)到的ABS及ASR等功能。

　　線控制動(dòng)系統(tǒng)目前分為兩種類(lèi)型，一種電液制動(dòng)系統(tǒng)EHB （Electro-hydraulic Brake）， 另一種為電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)EMB（Electro-mechanicalBrake）。

　?。ㄒ唬╇娨褐苿?dòng)系統(tǒng)

　　EHB由傳感器、ECU（電子控制單元）及執(zhí)行器（液壓控制單元）等構(gòu)成。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息傳給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。

　　電液制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠改善系統(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，以減少管路的消耗。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。將電液技術(shù)引入全動(dòng)力系統(tǒng)，需要安裝帶有踏板角度傳感器的電子踏板、電控單元、閥驅(qū)動(dòng)器及電液制動(dòng)閥以取代原有的連接和壓力制動(dòng)閥。保留原系統(tǒng)中的帶有安全閥的泵、蓄能器充液閥、蓄能器及制動(dòng)器。電子踏板可以提供與踏板轉(zhuǎn)角成比例的反饋力。踏板角度傳感器將踏板角度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入電子控制單元?？?a target="_blank">編程控制單元將控制電流輸入到比例電磁閥的電磁線圈。閥芯移動(dòng)到所輸出的制動(dòng)壓力與電磁線圈力按比例保持平衡的位置。盡管看起來(lái)從踏板轉(zhuǎn)換到制動(dòng)壓力更復(fù)雜，但可編程的控制單元使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到的更柔性的傳遞功能。當(dāng)用于比例系統(tǒng)時(shí)，該閥能夠?yàn)榫€控制動(dòng)系統(tǒng)、防抱制動(dòng)系統(tǒng)及牽引控制系統(tǒng)提供無(wú)動(dòng)力常規(guī)制動(dòng)和緊急制動(dòng)所需要的液壓動(dòng)力。

（二）電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)

　　EMB電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)就制動(dòng)原理來(lái)說(shuō)是相同的，其車(chē)輪和制動(dòng)裝置的主要部分是相同的。只是在電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)中，電源代替了液壓源，機(jī)電作動(dòng)器代替了液壓作動(dòng)筒。小型車(chē)輛的EMB 主要包含以下部分：（1）電制動(dòng)器。其結(jié)構(gòu)和液壓制動(dòng)器基本類(lèi)似， 動(dòng)作器是電動(dòng)機(jī)；（2）電制動(dòng)控制單元（ECU）。接收制動(dòng)踏板發(fā)出的信號(hào)，控制制動(dòng)器制動(dòng)；接收駐車(chē)制動(dòng)信號(hào)，控制駐車(chē)制動(dòng)；接收車(chē)輪傳感器信號(hào)，識(shí)別車(chē)輪是否抱死、打滑等；控制車(chē)輪制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)防抱死和驅(qū)動(dòng)防滑并兼顧其他系統(tǒng)的控制；（3）輪速傳感器。準(zhǔn)確、可靠、及時(shí)地獲得車(chē)輪的速度；（4）電源。為整個(gè)電制動(dòng)系統(tǒng)提供能源，與其他系統(tǒng)共用。此外，在電制動(dòng)系統(tǒng)中增加了力矩傳感器。

　　在電子機(jī)械制動(dòng)裝置中，其中一種是通過(guò)一個(gè)大直徑的滾珠螺桿機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成壓頭的直線運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)調(diào)節(jié)器用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。制動(dòng)調(diào)節(jié)器接收制動(dòng)防滑控制盒指令和車(chē)輪力矩傳感器的信號(hào)，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電流和電壓，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩。

　　電動(dòng)制動(dòng)裝置中除了采用電動(dòng)機(jī)外， 還可以使用電磁離合器，使制動(dòng)盤(pán)壓緊或松開(kāi)。新型電磁制動(dòng)器由電磁體、制動(dòng)蹄、銷(xiāo)軸、制動(dòng)杠桿、回位彈簧等組成。其工作原理為：電磁體可視為一E型電磁鐵，采用車(chē)載電瓶供電，制動(dòng)鼓相當(dāng)于銜鐵，這樣經(jīng)過(guò)氣隙形成閉合回路。當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，接通電磁體上電源，電磁體產(chǎn)生吸力，被吸到制動(dòng)鼓上并被其帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)制動(dòng)杠桿從動(dòng)端將制動(dòng)蹄頂開(kāi)，直至制動(dòng)蹄上的摩擦片與制動(dòng)鼓的內(nèi)圓柱面接觸產(chǎn)生摩擦，并被制動(dòng)鼓帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)制動(dòng)杠桿繼續(xù)被電磁體帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)鼓在與電磁體、制動(dòng)蹄的摩擦力的作用下不斷減速，直至停止轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)完成后，斷開(kāi)電磁體的電源，電磁體失去磁力而脫離制動(dòng)鼓端面，回位彈簧將制動(dòng)蹄拉回原位，摩擦片與制動(dòng)鼓脫離，制動(dòng)消除。

　　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(lài)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(lài)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。基于容錯(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。