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自动驾驶必备-汽车线控转向控制及其应用

2020-07-07 22:51:43·  来源:汽车动力总成  
 
一、前言线传控制(X-by-Wire)系统源自飞机驾控(Fly-by-Wire)概念,已于航空与军事车辆行之有年,使其应用载具得以表现优异操控特性并提高系统可靠度,线传控制系
一、前言

线传控制(X-by-Wire)系统源自飞机驾控(Fly-by-Wire)概念,已于航空与军事车辆行之有年,使其应用载具得以表现优异操控特性并提高系统可靠度,线传控制系统将成为先进车辆与汽车的技术发展重心, 因应汽车导入市场,多数与车辆安全相关之机械操作次系统(Subsystem),逐渐更换成具高可靠度的线传控制,其中 X 代表与汽车安全相关的操作,线传控制是通过车载控制网络(CAN BUS)通信协定连结电子设备,借以控制发动机或机构的方式,将传统车辆上原先各自独立操作的复杂机构或零组件,如机械或油压装置改以信号取代或整合, 并经由车辆行车计算机控制,大幅提升电动车辆操纵性与安全性,汽车机械结构得以因此精简化,进而提升车辆设计灵活性,达成轻量化的目的,汽车电子应用技术的突飞猛进,线传控制将成为新一代汽车设计的重要议题。

二、线传控制种类特征

目前已上市的传统汽车或汽车多有线传控制的应用例子,线传控制计有线控转向(Steer-by-Wire)、线控悬挂(Suspension-by-Wire)、线控制动(Brake-by-Wire)、线控油门(Throttle-by-Wire 或 Drive-by-Wire)、线控换挡(Shift-by-Wire)等应用方式。

三、线传控制技术发展

汽车导入线传控制应用,可以省略传统的气动、液压或机构,取而代之的是传感器、汽车电子控制单元(ElectronicControl Unit, ECU)、电磁的执行机构,传感器精度、控制单元硬件可靠性、抗电磁干扰性 (Electromagnetic Compatibility, EMC)、控制算法的可靠性与容错性(Fault Tolerance)、执行机构的快速性、各系统控制单元之间的通信实时性、车载控制网络整合能力等,攸关线传控制的功能与应用,以下列举支援线传控制系统的关键技术与实例。

01 容错控制

为满足线控技术的汽车可靠性与安全性要求,线控系统必须考量容错控制,容错控制分为硬件与解析方法2 种,硬件主要是通过对重要汽车零组件与容易发生故障零组件提供备份,以提高系统的容错性能,解析方法则是设计控制器软件,提高整个系统可靠度,从而改善线传控制的容错能力。主要车载半导体厂商为确立在业界创新领导者地位,积极地朝向汽车的线传控制潮流发展,目前有关安全性的驾驶辅助系统由于受限于昂贵且复杂的机械/液压零组件虽尚未普及化,线传控制以容错电气/电子系统取代机械式汽车零组件,逐渐导入市场且被消费者所接受,初期已完成包括转向操控、刹车、加速与悬挂控制等电子化界面,并导入汽车的测试与开发。

02 传感器整合

传感器整合应用是线控的关键技术, 例如线控制动的电子液压刹车系统(Electrical HydraulicBraking System, EHB)或电子机械刹车系统 (ElectricalMechanicalBraking System, EMB)等都是由许多传感器所整合组成,关键零组件包含角度位移传感器、扭力传感器、车速传感器、侧向加速度传感器、横移角速度传感器等,传感器处理速度与反馈精度,攸关汽车电子系统的控制能力,如何制造体积精简、成本合理、可靠性高且量测精度高的传感器是线传控制重要课题。

03 车载控制网络

汽车通过传感器与车载半导体元件,提供不同系统与车载网络之间讯息沟通,形成简化设计、提升安全性、降低成本与实现许多未来先进、崭新服务的整合载具。车载半导体在车载控制网络扮演创新的角色,涵盖高速、容错的控制器区域网络,特别针对乘客安全保护系统的概念、汽车远端控制总线(Gateway)的解决方案与针对未来线传控制系统的开发等,不断扩充与车载控制网络规格兼容的汽车零组件。

欧洲主要车厂已应用于汽车动力与传动系统是高速车载 CAN,且已提升系统的完整性, 新一代车载半导体订定新的高速车载 CAN效能,由于导入新的硅芯片材料制程,汽车零组件提供具电磁兼容性能,有效提升电动车动力与传动应用标准;同时因车内动力系统数量增加, 稳定的容错网络系统需求也相对提升,车载半导体容错技术成为汽车线制与信息相互连结的共通标准。

04 线控转向控制原理与结构

转向是汽车主要操控性能之一,转向系统直接影响汽车的操纵稳定性,如何合理地设计转向系统,使汽车具有良好的操纵性能,是设计的重要课题,是继电动助力转向(Electric Power Steering, EPS)之后发展的新一代转向系统,具有比 EPS 操纵稳定性更好的特点,方向盘与转向机构之间不再采用机械零组件(如转向机柱等)连结,摆脱传统转向机构复杂结构的限制,改善驾控方便性与安全性。

汽车线控转向系统由方向盘(SteeringWheel)总成、方向盘传感器(Wheel Sensor)、转向机构总成、控制单元(ECU)与控制电机或致动器(Actuator)等关键零组件、自动故障处理系统、电源等辅助系统所组成。方向盘总成的主要功能是将驾驶员的转向意图(透过测量方向盘转角)转换成数位信号,并传递给主控制器;同时接受主控制器力矩信号,产生方向盘旋转力矩,提供驾驶员相对应的路面感测信息,方向盘总成包括方向盘、方向盘转角传感器、力矩传感器、控制电机或致动器;转向执行总成功能是接受主控制器命令,通过控制电机或制动器控制转向车轮转动,实现驾驶员的转向意图;图 1 所示,是线控转向的控制架构。


图 1 线控转向的控制结构

自动故障处理系统是线控转向的重要模块,包括一系列的监控与实施算法,针对不同的故障形式与故障等级做出实时处理,以维持汽车正常行驶,汽车的安全性必须首先考虑的因素,故障自动检测与自动处理是线控转向系统最重要功能,须采用严密的故障检测与处理逻辑,以提升汽车安全性能。

传统汽车的动力方向盘系统系使用发动机动力,经皮带传动推动液压油泵(Hydraulic Pump) 产生转动轮胎辅助力量,反而造成发动机输出动力浪费,通常车辆于停止或慢速转弯,需大幅度转动轮胎时,动力方向盘系统产生推力,发动机以怠速或低速运转,不适合大动力输出;但当车速增加,发动机于高速运转时,可由传动皮带输出大量动力,此时轮胎不需大幅转动。

线控转向控制系与轮胎位置感应器结合,作为力量反馈电机信号,经由ECU,直接控制轮胎转动,电机仅于轮胎转动时输出,可减少发动机动力输出消耗。电控液压(Electrohydraulic)转向机构被视为是导入线传控制转向之前的过渡性设计,仍设有电动电机、液压油、动力转向泵(Power Steering Pump),依据发动机转速与转向调整适当的油压,而当直线行驶时,动力转向泵关闭,减轻发动机工作负担。

四、线控转向应用实例

01 机构配置与应用潜力


汽车转向系统的基本性能是保证车辆在任何情况下转动方向盘时有较理想的操纵稳定性,随着汽车电子技术的精进发展与汽车功能系统的整合,汽车转向系统从传统的液压助力转向系统(HydraulicPower Steering System, HPS)、电控液压动力转向系统(Electronic Control HydraulicPower Steering System, ECHPS),发展到现在逐渐推广应用的电动液压动力转向系统(Electro-Hydraulic PowerSteering System, EHPS)。

典型的线控转向系统由方向盘总成、电控单元与转向执行机构等 3 大系统所组成,负责感测驾驶员驾驶意图的转角传感器与转矩传感器,整合在方向盘总成系统,为了提高系统的可靠性,电控单元通常设置 3 组及以上,各系统互为安全备份,当某一系统电控单元发生故障时, 备份的电控单元立即接手,防止故障发生,线控转向系统与现有的电动动力转向(EPS)比较, 最大差异是省略转向机柱等机械结构。

精简转向机柱后,线控转向系统的结构配置可以大幅简化,原有的刚性连接机械零组件逐渐被电子信号线所取代,不仅节省驾驶舱空间,还可以删减转向系统与机构的重量,提高汽车燃油经济性。此外由于传统的刚性连接机构被取代,驾驶不再承受到路面颠簸所带来的方向盘振动,汽车发生正面碰撞事故时,驾驶员不至于受到转向机柱的撞击伤害,节省出来的空间可以配置腿部安全气囊,从而改善汽车安全性。

02 主要车厂导入线控转向实例

2016 年的北美车展,Infiniti 展示第二代线控转向系统 Q50 乘用车,与第一代线传控制转向系统比较,第二代线控转向系统改善转向反馈与转向回正力矩,进一步优化汽车转向的精确性与操控性,随着汽车电子元件与控制技术的精进,在越来越强调汽车安全性与舒适性的未来,线控转向系统将逐渐取代现有传统的转向系统,成为汽车转向系统的发展方向,也为汽车零组件产业提供崭新的转型机会。

InfinitiQ50

Infiniti Q50是一款导入线控转向系统的车型,是 Q503.5 Hybrid 的标准配置,也是特定市场 Q502.2d柴油车的选配产品,线控转向技术的工作原理是将驾驶员的输入电子传输到前轮,然后透过高响应制动器撷取控制信号,从而驱动转向齿条,使Q50的传动系统转向反应速度更快,并且没有机械损失,由于该技术对方向盘不致造成振动,提供非常典型的性能反馈,作为 Infiniti驱动模式选择器的一部分,驾驶员可以透过触控荧幕调节转向,选项提供多达四个预编程设置,但也有一个单独的设置,允许驾驶自由定义转向重量与反应,以满足驾控的喜好与因应的道路类型。

Infiniti Q50 已对直接自适应转向系统进行超过 40 万公里的实际测试,并配备由三个独立电子控制单元组成的三重备用系统以及传统的机械转向系统,线控转向系统还将采用主动车道控制,这是一种搭配影像传感器的系统,透过读取车道标记并提供校正转向输入,可以将Q50随时维持在正确车道上,图2 是 Q50 线控转向执行架构示意图。


图 2 Infiniti Q50 线控转向的控制架构

五 主要供应商发展动态

线控转向系统的发展与电动助力转向(EPS)一脉相承,其所应用的关键零组件在 EPS 中类似,其系统相对于 EPS 需要有备份功能,目前线控转向系统有两种方式:其一是取消方向盘与转向机构的机械连接,通过多个电动电机与控制器增加系统的备份,其二是在方向盘与转向机构之间增加一个电磁离合器作为失效备份,增强系统的备份功能。线控转向技术需要在 EPS 技术基础上延续发展,因此线控转向技术的厂商绝大多数都是传统汽车的第一阶(Tier 1)供应商。电动动力转向的核心零组件包含电动电机、电控、扭矩传感器、角度传感器等,基本上都由各头部厂商自行供应,拥有相当的产业进入障碍与紧密的供应链,新创厂商切入线控转向系统的领域相对困难,表 1,是主要厂商在线控转向系统的研发动向。

表 1 主要厂商在线控转向系统的研发动向

 
01 Schaeffler

Schaeffler与德国公司Paravan达成协议,收购 Paravan的线传控制技术 SpaceDrive,该技术将在未来自动驾驶车辆中扮演关键角色,同时作为协议的一部分,双方创建一家合资公司,其中 Schaeffler拥有 90%股份,SpaceDrive由 Paravan公司开发,用于帮助身体残疾的人,该技术允许车辆透过纯电子方式执行转向与停车动作,不再需要方向盘或转向机柱。

Schaeffler表示即使在有方向盘的自动驾驶乘用车中,透过消除线传控制转向机构节省空间,可为车辆与驾驶舱室内部设计提供全新配置的可能性,图3是 Schaeffler与Paravan共同研发的次世代线控转向原型车Mover,为自驾车市场做准备,Schaeffler将为合资公司贡献Mover自动驾驶技术,Schaeffler于 2019年 4 月发布自动驾驶电动概念车 Mover,该车底盘可与不同版本车身结合,应用于不同的城市交通与运输功能。


图 3Schaeffler 与 Paravan 共同研发的线控转向原型车

02 JTEKT

JTEKT 为因应未来能适应自动驾驶系统,认为须考量两项关键因素,分别是备用系统(Redundancy Systems)与线控转向技术,预计在未来几年内推出线控转向产品,JTEKT 正在研发适用于自动驾驶系统的线控转向技术,虽然目前仍处于原型阶段,这种线控转向技术能打破驾驶与方向盘间的机械连接,而是将方向盘的转动转化为电控信号,在传递至控制车轮的电动电机,图 4 是由 JTEKT 与 Lexus 共同研发的线控转向系统原型车。


图 4由 JTEKT 与 Lexus 共同研发的线控转向系统

03 Nexteer

Nexteer 打造一款无法旋转的方向盘,打造的方向盘虽然无法旋转,却仍能用于车辆操控, 方向盘取名为Quiet Wheel,采用信息通信技术实现车轮操控,提升车辆操控安全系数,新技术的应用可回避因方向盘转向过快而引起的安全事故风险。本质上 QuietWheel 采用线控转向技术,当车辆切换到自动驾驶模式后,车载计算机发送(转向)信号,因此方向盘没有转动的必要。

互联与自动驾驶是未来趋势,届时该类车辆的操控或无需用到方向盘,直至最终彻底消失,该技术尚未被应用到量产车型中,Nexteer表示线控转向方向盘正在研发与功能确认中,定位未来 L3 级-L5 级自动驾驶车辆,预期在未来数年内实现量产,图 5 是 Nexteer 线控转向系统(Quiet Wheel)示意图,精简甚至省略机械连结。



六、展望

汽车导入市场,提供新型车辆零组件的创新应用机会,其动力系统控制与机械结构与传统汽车不尽相同,线传控制系统将刺激汽车电子零组件的扩大应用领域与比例,诸如汽车半导体、汽车整合 IC控制芯片、电力电子元件、各类型传感器及汽车演算技术的需求将大幅增加, 随着电动车辆比例增加,将带动汽车电子零组件广泛应用机会。

线控转向以车载控制网络信号取代部分传统关键零组件,例如转向机柱、转向齿轮(齿条) 等,转向系统的可靠性变的非常重要,必须具备可靠的车载控制网络与容错性应用技术,提供线控转向控制处于确实安全的驾控状态,亟需建立车载控制网络与线控转向测试验证技术,以便与相关的传感器、控制电机、控制器或致动器等整合或连结。 
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