汽车线控技术介绍

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
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。
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911 GT2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2wenku.baidu.commm。
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。
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。
• 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。
• 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（Acceleration Slip Regulation）、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。
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。
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。
• 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；
思考
注意观察前后制动块有何不同，为什么？
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。
• 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。
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。
• 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。
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。
• 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：
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。
• 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-Hydraulic Brake)， 另一种为电子机械制动系统EMB（ ElectroMechanical Brake）。
• 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4 EMB
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。
• 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。
• 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。
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
–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。
• 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。
• 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。