线控技术在汽车底盘中的应用

线控技术在汽车底盘中的应用摘要：随着汽车工业与电了工业的不断发展，越来越多的线控类技术正在取代汽 车传统的机械装置。本文描述了线控技术在汽车底盘中的应用，介绍线控制动系 统和线控转向系统，重点阐述了线控转向系统的结构，工作原理以及关键技术在 于传感器技术、总线技术、动力电源、容错控制技术等。关键词：线控技术；线控制动系统；线控转向系统；线控转向关键技术引论线控技术已经被广泛用于航空业，用线控制系统来取代传统的液压和机械系 统已经成为技术发展的趋势，采用线控技术的制动系统、转向系统、传动系统有 望在未来汽车上率先获得应用。国外 GM.DELPHI. KOYO. TRW. BENZ 等公司已 运用线控技术开发了概念车。随着电子科技和网络技术的发展，出现了更加高效、节能的线控技术(X-by-wire)。一些笨重、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。结合线控技术和汽车制动系统而形成的线控制动(BBW)系统，将传统 液压或气压制动执行元件改为了电驱动元件，将驾驶员的转向操作与转向车轮之 间通过信号及控制器连接起来，由控制器根据驾驶员指令、当前车辆状态和路面 状况确定合理的前轮转角，实现转向系统的智能控制，从而形成线控转向ISBW) 系统。线控系统具有可控性好、响应速度快的特点，具有良好的发展前景。 正文1.线控技术的结构原理线控技术(by- wire)，就是由“电线”或者电信号实现传递控制，而不是通过 机械连接装置来操作的。传统的操纵汽车的方式是 :当驾驶员踩制动、踩油门、 换档、打转向盘时，都是通过机械机构来操纵汽车。而线控技术则是将动作转化 为电信号，由电线来传递指令操纵汽车。线控技术是在控制单儿和执行器之问用电子装置取代传统的机械连接装置 或液压连接装置，由电线取代机械械传动部件，取消了机械械结构，赋予汽车设 计新的空问。线控系统需要高性能的控制器，比如由Freescale半导体公司提供的MPC500 /MPC5500系列微处理器。还需要有精确高速的通讯协议网络、容错技术和分配 独立处理功能的模块。线控系统的基木结构原理是:驾驶员的操纵指令通过人机接口转换为电信号 传到执行机构，控制执行机构的动作;传感器感知功能装置的状态，通过电信号 传给人机接口，反馈给驾驶员，如图1所示。线控系统在人机接口通讯、执行机构和传感机构之间，以及与其他的系统之 间要进行大量的信息传输，要求网络的实时性好、可靠性高，而且要求具有冗余 的“功能实现”，以保证在故障时仍可实现装置的基木功能。人札1_电倍号功能按111*装置修11线押累统的基本结枸原理2汽车底盘线控技术的发展现状和特征由于X-by-wire具有较高的效率，给设计者带来了更大的设计空间，并且更 容易实现集成控制，使整车总质量减轻，因此便成为许多世界级汽车公司竞逐发 展的目标。宝马汽车公司在2000年巴黎车展上参展的概念车 BMW Z22上应用了 Steer-by-wire和Brake-by-wire技术。Z22车型取消了转向柱、脚踏板连杆等机械 结构，可以减少在车辆发生撞击时机械部件对驾驶员的伤害。转向盘的转动范围 减到160度，使紧急转向时驾驶员的忙碌程度得到了很大程度的降低。且操纵机 构可以布置得更为合理，提高了乘坐舒适性与座椅位置的调整范围。目前 X-by-wire应用较具代表性的例子有宝马新7系、奔驰SL、新E级和美洲虎新S 级等车型。汽车底盘线控技术的特征有:操纵机构和执行机构没有机械联结和机械能量 的传递;驾驶员操纵指令由传感元件感知，以电信号的形式由网络传递给电子控 制器及执行机构；执行机构使用外来能源完成操纵指令及相应的任务，其执行过 程和结果受电子控制器的监测和控制。汽车底盘线控技术的关键是线控制动系统和线控转向系统。2.1线控制动系统(Brake-by-wire )线控制动系统目前分为两种类型，一种为电液制动系统 EHB (electric-hydraulic brake) ，另一种为电子机械制动系统 EMB (electro-mechanic brake)。电液制动系统是将电子系统与液压系统相结合所形成的多用途、多形式 的制动系统，由电子系统提供柔性控制，液压系统提供动力。而电子机械制动系 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)。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。线控制动的显著优点左于:线控制动系统能够优化制动防抱死功能和稳定性 控制的性能，提高制动效能；结构简单，减少了制动液的使用，利于环保；线控 制动系统制造、装配、测试简单快捷，制动总成模块化结构，减少了机械制动部 件，利于车厢布置，同时提高了被动安全性；易于增加汽车的辅助制动功能，可 加装多种电控功能。线控制动技术是一种全新的制动理念，它极大地提高了汽车的制动安全性。 现代汽车制动控制技术正朝着线控制动控制方向发展，线控制动系统将取代以液 压或气压为主的传统制动控制系统。同时，随着其它汽车电子技术特别是尺寸不 断减小的超大规模集成电路的发展，电子元件的成本不断下降、汽车线控制动控 制系统将与其他汽车电子系统，如电子悬架系统、主动式方向稳定系统、电子导 航系统、无人驾驶系统等融合在一起成为综合的汽车电子控制系统。2.2线控转向系统(Steer-by-wire)2.2.1 SBW 系统结构SBW系统结构见图2,可以分为3个主要部分:第1部分是转向盘系统，包 括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置 ;第 2 部分是电子控制系统，包括车速传感器，也可以增加横摆角速度传感器、加速度 传感器和电子控制单元以提高车辆的操纵稳定性;第 3 部分是转向系统，包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等。图2 SBW系统结构图2.2.2 SBW系统工作原理当转向盘转动时，转矩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电子控制器(Electronic Control Unit，简称 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、转矩大小和旋转的角度，通过机械转向装置控制转向轮的转向 位置，使汽车沿着驾驶员所期望的轨迹行驶。2.2.3线控转向系统的性能特点线控转向系统的性能特点在于：改善驾驶员的路感，由于转向盘和转向车轮 之间无机械连接，驾驶员的“路感”通过模拟生成：可以从信号中提出最能够反 应汽车实际行驶状态和路面状况的信息，作为转向盘回正力矩的控制变量，使转 向盘仅向驾驶员提供有用信息，从而为驾驶员提供更为真实的“路感”。线控转 向系统可以与其它主动安全设备相结合，实现对汽车的整体控制，提高其稳定性 和整车设计自由度，便于操控系统布置。例如没有机械连接，可以很容易把左舵 驾驶换为右舵驾驶；转动效率高，响应时问短。控制单元还可以接收各种数据， 在瞬时转向条件下，立刻提供转向动力，转动车轮；改善驾驶特性，增强操纵性； 实现传动比的任意设置，并对随车速变化的参数进行补偿，使汽车转向特性不随 车速变化。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；取消转向柱、转向盘后，有利于提高汽车碰撞安全性和整车主动安全性。 2.2.4 SBW 系统的关键技术（1）传感器技术 现代汽车技术发展特征之一就是越来越多的部件采用电子控制。汽车电子控 制系统控制效果依赖于传感器的信息采集和反馈的精度，传感器科技含量直接影 响整个汽车电了控制系统的性能。汽车SBW系统需要的相关传感器有：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。（2）总线技术国际上众多知名汽车公司早在 20世纪80年代就积极致力于汽车总线技术的 研究及应用，随着汽车总线技术的发展，存在着多种汽车总线标准，未来将会使 用到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 TTP ,Bytef-light和FlexRay。TTP（时间触发协议）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，具有节点的恢复和再整合功能； BMW公司的Byteflight可用于汽车线控系统（X-By-Wire）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；而其他汽车制造商目前计划采用 FlexRay ,这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。 BM W ,Daimler-Chrysler Motorola 和 Philips 联合开发和建立了 F1exRay 标准，GM 公司、Bosch公司和Volkswagen公司也加入了联合开发协会，现在己经有7个 核心成员，共同致力于开发汽车分布式控制系统中高速总线系统的标准。目前 Flex Ray标准的物理层标准己经由Philips公司开发完成，通讯协议正在研发中。 该标准的出台不仅提高了信息传输的一致性、可靠性，而目还简化了信息开发和 使用过程，并降低了成本。从现在的发展来看，由于 F1exRay 是基于时间和事 件的触发协议，要优于TTP。基于总线技术的SBW系统将传统的机械转向系统 变成通过高速容错通信总线相连的电气系统，实现系统的自动化、智能化、网络 化与信息化。3）动力电源动力电源承担着 SBW 系统中电子控制单元、4 个电动机的供电（2 个冗余转 矩反馈电动机和 2 个冗余转向电动机）。2 个转矩反馈电动机功率大约为 5080 W ,2 个转向电动机功率大约为 500800W ，电源负荷相当重，因此要保证整个系 统的稳定工作，动力电源的性能至关重要。随着电子元件及其高功耗零部件的不 断增加，使得汽车负荷成倍增加。若继续维持 12V 供电系统，就必须通过提高 电流来获得更多的功率，但是过高的电流将给整个系统带来不安全隐患，汽车电 路上的热能消耗大大增加，所以汽车供电系统必须提高电压以满足现代汽车电气 系统负荷日益增长的需要。于是,42 V供电系统应运而生。42 V电源的采用也为 发展SBW系统创造了条件：电动机的质量减轻了 20 %；减小了线束直径，降低 了设计与使用成本，方便安装；降低了负载电流；提高了电了元件的集成度等。 这些优点对其开发具有决定性的影响，必将大大推动 SBW 系统的电动机以及相 关部件的发展。（4）容错控制技术为了满足汽车的可靠性与安全性的要求， SBW 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 类。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，则利用冗余关系，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，但是ECU出现故障时，后果更为严 重，因为当传感器和执行机构出现故障时，系统还可以继续工作，而一旦 ECU 出现故障，系统就不能进行任何操作。采用双微机结构， 2 个微机互相检测，保 证了系统正确地运行。基于容错控制技术的 SBW 系统，在不影响系统的控制功 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。可靠性和安全性是制约 SBW 系统应用的主要瓶颈之一。欧盟 70/311/ EEC中国GB 17675 -1999标准不允许采用全动力转向机构，主要是因为考虑可 靠性、安全性的因素。但是随着技术的进步， SBW 系统可靠性和安全性的不断 提高，现在国际上这种限制性的规定在逐渐修订，当SBW系统可靠性和安全性 能够达到普通动力转向系统的水平时，其产业化也就指日可待。结论虽然线控电动转向系统目前还只在概念车上应用，但随着电子产品成本的降 低将有更大的产品竞争空间。当前借助于电子系统，底盘控制技术在现代车辆中 得到了逐步广泛的应用，并有待于进一步整合，ABS技术已经成熟，ASR和DYC 在高档车辆上得到应用，自动汽车和车辆辅助驾驶系统也正在研究之中。其中有 不少技术需要控制车辆横向稳定性。由于线控转向系统的控制策略不受固定传动 比限制，因此可通过线控转向系统在实现转向功能的同时与其它主动控制系统协 作，增强对车辆的横向控制，改善整车的操纵稳定性，具有较大的研究和应用价 值。此外通过采用线控技术，汽车底盘设计也可不必区分左右行驶交通系统的转 向系统，可降低全球化跨国公司的底盘开发费用。线控技术的发展空间非常广阔，随着线控技术的发展，制动、转向、换挡、 油门、离合、悬架、车门、车灯、雨刷、涡轮增压等各个领域都会成为线控系统 的子系统。尽管线控驱动技术及相关技术还不够成熟，但随着电子设备可靠性的 提高和相应技术的发展，未来一定会有更多的汽车采用线控技术。参考文献1. 宗长富，刘凯汽车线控驱动技术的发展J汽车技术，20063: 152. 陈祯福汽车底盘控制技术的现状和发展趋势J汽车工程，2006.2(28):1051133. 宗长富，麦莉，郭学立汽车前轮电子转向系统J 中国机械工程， 2004,15(11):1022-1026.4. 苗立东，何仁，徐建平，等汽车电动转向技术发展综述J长安大学学报(自 然科学版)， 2004 ,24 (I) :79-84.