0.概述

车辆线控系统包括线控油门，线控转向，线控制动等。

工作原理：

利用各种传感器将操作员的操作转换成电信号，并将其传递到控制单元中进行分析，控制单元将分析结果传递到执行机构，由电子执行机构完成对车辆的操纵。

应用：可控性好，响应速度快。紧急状态下协助处理突发事件，提高整车主动和被动安全性能。

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1.线控制动系统安全策略研究：

1、不同类型线控系统优缺点，硬件冗余布置方案。

2、用于线控系统的通信网络FlexRay

3、电源供应系统，可能的故障及预案

4、电制动力的控制方式

5、制动力分配方案，ABS在线控系统中如何实现

6、用于线控控制车辆的紧急制动装置。

目的：

冗余线控电源系统，电源管理器，保证能源供应安全。

各节点的实时控制和通信技术，减小响应时间。

整合ABS防抱死，ASR驱动防滑等芯片，提高制动安全性。

制动器失效模式，应急处理方案。

辅助功能：集成有 ABS ( Anti- lock Braking System, 防抱死 制动系统 ) 、TCS (Traction Control System, 牵引力控制系统 ) 及 ESP ( Elec tronic S tability Program, 电子稳定性程序 ) 、EBD ( Electronic Brake D istribution, 电子制动力分配 ) 等主动安全控制系统的制动系统

1.1 ABS

ABS系统组成：轮速传感器，ECU，压力调节器

基准参数：车轮速度，车身速度，根据这两个参数判断是否处于车轮抱死状态。

制动过程中，ECU监视两个参数，一旦监测到抱死，就发出指令，打开回油阀，关闭进油阀，降低制动轮缸油压。

不断打开关闭进油回油阀，使车轮处于滑转状态，保持方向性。

制动系统基本类型：

电夜制动 EHB，电子柔性控制，液压提供动力

电子机械制动 EMB，机械动力

1.2 制动系统整车布置

1.3 线控系统安全性能要求

自检功能：

将监测到的故障以编码的方式存入存储器，并及时调用应急处理方案。

容错功能：即使节点故障，整个系统不丧失制动能力，保证车辆能以低速行驶到修理店。

安全保障措施：系统监测到错误后采取的措施不能终止制动系统功能，并且应该有一定自我修复能力，

1.4 网络通信

1.5 电源安全：

1.6 信息安全：

抗电磁干扰

硬件

1.7 制动系统失效保护

2.线控转向系统

2.1 EPS

EPS就是英文Electric Power Steering的缩写，即电动助力转向系统。

电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。该系统由电动助力机直接提供转向助力，

电动方向助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。

另外，还具有调整简单、装配灵活以及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有50多年历史的液压转向系统。

电动助力驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，将电压信号输送到电子控制单元，电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等，向电动机控制器发出指令，控制器运算够供给电机适当的电压，驱动电机转动，电动机通过减速机构将扭矩放大推动转向柱或转向拉杆运动，实现助力。如果不转向，则本套系统就不工作，处于休眠状态等待调用。其根据速度可变助力的特性能够让方向盘在低速时更轻盈，而在高速时更稳定，俗话说方向不发飘。又由于它不转向时不工作，所以，也节省了能源。

2.2 电动汽车电动助力转向系统的助力方式

按照助力电机在转向系统中具体作用位置的不同，电动汽车电动助力转向系统(EPS)系统可以分为三类：转向柱助力型(Column-EPS，C-EPS)、小齿轮助力型(Pinion-EPS，P-EPS)和齿条助力型(Rack-EPS，R-EPS)

C-EPS：对转向轴施加助力的电动助力结构，是将助力电机（带有减速机构，起放大扭矩作用）直接接驳在转向轴上，电机输出的辅助扭矩直接施加在转向轴上，相当于电机直接帮助我们转动方向盘。

P-EPS，R-EPS：将助力电机布置在转向拉杆上（也分为齿轮助力式和齿条助力式），直接用助力电机（带有减速机构，起放大扭矩作用）推动拉杆帮助车轮转向，这种结构更加紧凑，并且便于布置，目前使用比较广泛。

三大类型电动汽车电动助力转向系统有以下几个方面的特点：

(1)助力性方面 在C-EPS和P-EPS中，由于转向盘输入转矩与电机助力转矩需要同时通过转向器的小齿轮向齿条传递，受到小齿轮的刚度与强度限制，助力转矩值不能很大，因此多用于小型汽车中。R-EPS可通过减速机构直接向齿条提供助力转矩，小齿轮只传递转向盘输入转矩，因此R-EPS提供的助力转矩比C-EPS、P-EPS大，使其在中大型车辆上的应用成为可能。

(2)响应和舒适性方面 在转向系统中，从转向盘到转向轮的各零部件之间存在间隙，且在传递转矩时会出现一定变形，因此助力转矩输入位置到转向轮的距离，会影响助力系统的响应速度。C-EPS的助力作用在转向柱，离转向轮最远；P-EPS的助力作用在小齿轮，离转向轮较近；R-EPS的助力转矩直接作用于转向齿条，助力反应最为迅速准确，使电动汽车电动助力转向系统具有更优异的操纵感。另外与C-EPS相比，P-EPS和R-EPS的助力电机、控制器及传感器等电气电子器件都安装在发动机舱内，可以有效屏蔽转向系统噪声。

(3)安全性方面 因为C-EPS的助力减速机构和传感器等都安装在转向轴上，减少了车辆发生碰撞时的能量吸收空间，不利于转向管柱吸能结构的设计。P-EPS和R-EPS的转向柱设计可同传统液压转向系统(HPS)一样，具有更多的空间用于安全吸能结构，因此P-EPS和R-EPS比C-EPS具有更好的安全性。

(4)安装空间方面 C-EPS系统结构紧凑，其助力电机、减速机构、传感器及控制器等常采用一体化设计，安装到中小型车辆上最为简便。另外，双小齿轮布置的P-EPS及采用两级减速机构的R-EPS，其动力辅助单元可在齿条上灵活设计，增加了配置自由度。

(5)成本方面 C-EPS开发早，成本低，一般应用于小型和微型车辆中。P-EPS和R-EPS成本较高，多用于中高级车辆中，其电机、控制器及传感器等电器件大都安装在发动机舱内，耐热、防水等要求比C-EPS高，会增加成本。

2.3 SBW的关键技术

线控转向系统可以通过前轮转向的控制,实现直接横摆力矩控制 (Direct Yaw Moment Control , DYC) 系统的功能,达到更为理想的效果,且可以与其他主动安全设备,如汽车防抱死制动系统 (ABS) 、汽车动力学控制、防碰撞、单个车轮转向、轨道跟踪、自动侧向导航以及自动驾驶等功能相结合,从而实现对汽车的整体控制,提高汽车整体稳定性。

2.3.1主控制器模块

主控制器模块电控单元是汽车线控转向系统的“大脑”,其主要作用是对传感器采集的输入信号进行处理、形成决策,并输出相应的信号对输入信号进行响应。对于线控转向系统来讲,主控制器除了对各传感器采集的信号进行分析处理、向转向执行模块和系统反馈模块发送指令、减少驾驶员所进行的补偿任务外,还要进行驾驶模式的识别,当驾驶员的转向操作指令出现错误时,能及时屏蔽错误指令,自动进行稳定控制,当线控转向系统出现故障时,及时、准确采取措施进行补救,使汽车运行状态稳定。

2.3.2转向执行模块

转向执行模块接收来自主控制器电控单元的转向指令,并根据指令做出响应。主要硬件有转向控制单元和转向电动机,这是整个线控转向系统的动作部分。

考虑到汽车线控转向系统使用的实际情况以及汽车总布置局限,一般选用的转向执行机构是电气式机构,也就是转向电动机。

线控转向系统执行机构的选择要求是:伺服系统及其执行元件支持计算机统一控制;成本低、可靠性好,便于安装与维修;体积小、质量轻,能使执行元件便于安装及与机械系统相连接;惯性小、动力大,具有良好的快速响应性能和足够的负载能力。

反映这些要求的性能参数主要有执行元件的加速性能、调速比、最低稳定转速、力矩波动、过渡过程时间长短、机械特性和调节特性等。线控转向系统转向执行机构选择转向电动机的要求就是能够较好的满足上面提到的各点。

除了上述要求之外,选择电动机时还应该要求电动机在正反两个方向均能正常工作,从而满足汽车的左右转向,出于对线控转向系统安全性和稳定性的考虑,还要求电动机在连续运行状态下散热良好,在高温状态下工作稳定。

2.3.3传感器

传感器是一种以一定的精确度将被测量物理量 ( 如位移、力、加速度等 ) 转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量 ( 如电量 ) 的测量部件或装置。

考虑到汽车运行工况的多样性,工作环境的不同,系统的安全可靠性,因此传感器的选用必须可靠而灵敏。

实际对传感器的选择要求如下:高精度、低成本,可以根据实际要求合理确定静态精度与成本的关系,尽量提高精度,降低成本;高灵敏度,工作可靠;稳定性好,长期工作稳定;抗腐蚀性好;抗干扰能力强;动态特性良好,即动态测量应该具有良好的动态特性;结构简单、小巧,使用维护方便;通用性强,功耗低等。

2.3.4 总线技术

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、Byte-flight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,具有节点的恢复和整合功能;

BMW公司的Byte-light可用于汽车线控系统的通信网络,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,需要中断处理要求;

而FlexRay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。

2.3.5 动力电源

动力电源承担着SBW系统中电子控制单元和 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50~80W,2个转向电动机功率大约为500~800W,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,汽车负荷成倍增加。若继续维持12V供电系统,就必须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,42V供电系统应运而生。

42V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;提高了电子元件的集成度等。这些优点对其开发具有决定性的影响,必将大大推动SBW系统的电动机及相关部件的发展。

2.3.6 可靠性技术，容错技术，冗余系统，故障诊断系统

SBW系统发展过程中最大的困扰是可靠性的问题。由于SBW系统中转向盘和转向车轮之间没有直接的机械连接,当电控系统出现故障时,车辆将无法保证转向功能,处于失控状态。随着技术的发展,电控系统的可靠性不断得到提高,在系统设计中大量引入了󰀁冗余设计󰀁的理念,比如传感器、电机和、车载电源系统的冗余等,使SBW系统的可靠性得到了明显提高。图3所示为SBW系统冗余设计的一个典型代表。

为保证线控转向系统有充足的电能供应,而且为防止电源故障,必须使用更加安全的42V电源系统。在转向盘下方安置两个转向传感器,保证可以辨识出驾驶员的操纵意图。转向盘电机的供电采用了两路冗余设计;为保证转向盘电机损坏时也可以施加回正力矩,在转向盘下方安装一个扭转弹簧或者安装第二个转向盘电机。为保证车辆前轮具有转向能力,使用了两路转向电机,并相应地配备了两个转向传感器。在ECU的设计和控制软件的设计上也都采用了󰀁冗余设计󰀁的思想。采用上述种种措施,大大提高了线控转向系统的可靠性,为SBW系统在汽车上的应用提供保障。

汽车容错控制系统 ( 如图 1 ) 由测量模块 、 故障容 错分析模块、 执行模块和故障容错与处理模块组成 。 故障容错分析模块及时发现控制系统的故障 , 分离出 发生故障的部位 , 判别故障的种类 , 估计出故障的大 小和时间 , 进行评估与决策 。故障容错与处理模块根 据故障检测与诊断信息 , 可知被控对象的结构与参数 的变化情况 , 采取具体的容错控制措施 。故障容错分 析模块和故障容错与处理模块是汽车容错控制系统 的主要组成部分。

2.4控制策略

提高汽车操纵性的主动转向控制策略和提高汽车稳定性的主动转向控制策略。

在汽车结构一定的条件下,汽车行驶转向时的转向阻力大小与车速、路面状况、转弯半径以及风阻等诸多因素有关。车速高、路面状况好、转弯半径大、风阻小,则转向阻力小,驾驶员操纵转向盘轻松;反之则转向阻力大,驾驶员操纵转向盘沉重。

在影响转向阻力的因素中,只有车速能在汽车转向行驶过程中利用车速传感器定量地测出。

在不同车速下,要求转向盘转矩 ( 转向盘操舵力矩 ) 的大小也不一样。低车速转向或原地转向时,要求转向盘转矩尽可能小:

高车速转向时,要求较大的转向盘转矩,以防止转向时发飘。因此,在设计电动助力转向系统助力特性时应将车速作为一个重要的因素加以考虑。

3 线控油门

DBW 的英文全称是 Drive By Wire 也可以称作 Throttle By Wire 。中文意思是“线控油门”或者“电控油门”。

线控油门系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、电控单元 ECU 、数据总线、伺服电动机和油门执行机构组成。传统的油门控制方式是驾驶员通过踩油门踏板， 由油门拉索直接控制发动机油门的开合程度，从而决定加速或减速， 驾驶员的动作与油门动作之间是通过拉索的机械作用联系的。

而线控油门系统将这种机械联系改为电子联系，通过电缆或线束来控制节气门的开 度， 从表面看是用电缆取代了传统的油门拉线但实质上不仅仅是简单的改变连接方式， 而是能对整个车辆的动力输出实现自动控制功能。 当驾驶员需要加速时踩下油门， 踏板位置传感 器就将感知的信号通过电缆传递给 ECU ， ECU 经过分析、判断，并发出指令给驱动电机， 并由驱动电机控制节气门的开度，以调整可燃混合气的流量，在大负荷时，节气门开口大， 进入气缸内的可燃混合气多， 如果使用拉线油门只能靠脚踩油门踏板的深浅来控制节气门的开度，很难将节气门的开口角度调到能达到理论空燃比状态，而电子油门能通过 ECU 将传 感器采集的各种数据进行分析、 比对， 并发出指令让节气门执行机构动作， 将节气门调到最佳位置， 以实现不同负荷和工况下都能接近于 14.7 ： 1 的理论空燃比状态， 使燃料能充分燃烧。