智能网联汽车技术 课件 项目五 底盘线控驱动技术

任务1底盘线控驱动技术01任务1底盘线控驱动技术02任务引入任务引入汽车底盘从机械化—电控化—线控化演变，线控底盘在电动化基础上发展而来。1980年以前，汽车底盘以机械、液压助力为主；1980年以后，伴随线控油门、电控空气悬架的量产，汽车底盘逐步向电控化发展；2000年以来，随着电机技术的进步，以EPS、电动泵、ESP等电子电气组件为代表的电动底盘部件得到了快速应用和发展，底盘持续由机械向电动转变。线控换挡取消了档位与变速器之间的机械连接，突破了传统换挡杆必须放在中控与变速箱硬连接的限制。对燃油车来说，线控换挡是实现自动泊车的必需配置，目前主要应用于中高端。新能源汽车目前以单档减速器为主，换挡部件用于传递信号给整车控制器，均采用线控换挡。那么线控驱动系统是如何工作的呢？03任务目标能够熟悉线控驱动系统的工作原理ABC3能够熟悉常见的线控驱动技术4能够理解线控驱动技术的特点2能够熟悉线控驱动系统的控制过程1能够熟悉线控驱动系统的工作原理线控驱动系统概述线控驱动的主要组成部分有：电子油门踏板、动力控制器、驱动电机或发动机。电子油门踏板用于识别驾驶员的加速意图，该电信号被电机控制器采集，电机控制器识别出驾驶员加速意图后，向驱动电机或发动机发出指令驱动车辆加速。线控驱动过程中取消了原来机械驱动中物理的机械连接，采用线控方式来实现车辆的运动或控制，如下图所示。线控驱动系统概述图5-1-2线控驱动与机械驱动的区别线控驱动系统的关键零部件线控驱动系统的关键零部件主要有线控油门、线控换档、驱动电机、电机控制器。05线控油门线控油门线控油门又称电子油门控制系统，主要由油门踏板、踏板位置传感器、ECU（电控单元）、数据总线、电机和电子节气门执行机构组成。如下图所示。图5-1-3线控油门控制器的组成线控油门与传统拉线油门相比的优缺点如下：①与传统拉线油门相比优点：舒适性、经济性好、稳定性高且不易熄火。②与传统油门相比缺点：有延迟效果，没有拉线油门反应快。06线控换档线控换档线控换档系统由换挡选择模块、换档电控单元、换挡执行模块、停车控制ECU、停车执行机构和档位指示灯等组成，线控换档也称为电子换档，与手动档、传统自动档的不同点如下图所示。图5-1-4三种换档的比较线控换档线控换档系统的优点：线控换档消除了传统机械部件与变速器联动的约束，从而提升了设计自由度；换档齿轮的切换由电机驱动，减少了操纵力，结构简化，换档响应快，操控灵敏。驻车时，只需轻触驻车开关就可实现驻车换档，提高燃油经济性，可节油5%。07驱动电机驱动电机驱动电机，其作用是将动力电池的电能转化为机械能，通过传动装置驱动车轮，或由其直接驱动车轮，主要有轮毂电机驱动、轮边电机驱动、集中式电机驱动。轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合到轮毂内，所谓轮边电机是电机装在车轮边上以单独驱动该车轮；电动机不是集成在车轮内，而是通过传动装置连接到车轮。轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。轮毂电机结构，如图所示。驱动电机图5-1-5轮毂电机的结构图外转子式采用低速外转子电机，电机的最高转速在1000-1500r/min，无减速装置，车轮的转速与电机相同；内转子式则采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，为获得较高的功率密度，电机的转速可高达10000r/min。轮毂电机的优点，如下图所示。驱动电机图5-1-6轮毂电机的优点轮毂电机的缺点，如下图所示。图5-1-7轮毂电机的缺点电动汽车集中式电动机：目前我们所熟知的新能源车型例如特斯拉、北汽新能源、比亚迪纯电动轿车系列产品、江淮系列等等主流的纯电动产品均采用集中式电动机这一形式，如下图所示。驱动电机图5-1-8集中式电机08电机控制器电机控制器电机控制器通常称为MCU，其作用是控制电机的电压或电流，完成电机的转矩和转向的控制，从而实现电动汽车变速和变向。驱动控制器通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上，变成了功率集成电路(PIC)，俗称“智能功率(IPM)”，电机控制器MCU的控制如下图所示。图5-1-9电机驱动器电机控制器线控技术就是为了将汽车各系统相互结合、相互作用，更好地发挥各个子系统的性能，以求获得最佳的汽车整体性能，提高汽车的操纵性、稳定性和安全性，使汽车具有一定的智能化，最终实现无人驾驶。线控技术的发展空间非常广阔，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。任务2底盘线控转向技术任务引入乘用车转向系统已基本完成从机械式转向系统（MS）、液压助力转向系统（EHPS）向电动助力转向系统（EPS）的转型，目前乘用车转向系统以EPS为主，渗透率已超过95%。在智能驾驶催化下，线控转向技术是未来的发展重心。那么，线控转向系统是如何工作的呢？任务目标1能够熟悉线控转向系统的概念与工作原理2能够熟悉线控转向系统的工作原理3能够熟悉常见的线控转向技术4能够理解线控转向技术的特点知识链接线控转向系统概述线控转向系统（SteerByWire，SBW）去掉了转向盘和转向轮之间的机械连接，是主动转向干预的一种方式线控转向系统，完全摆脱了传统转向系统的各种限制。SBW系统可根据车速决定助力大小，高速时起阻力作用，防止方向盘发飘。典型线控转向系统设计如下图所示。图5-2-1典型线控转向系统的结构线控转向组成与工作过程线控转向系统将动作转化成电信号，由电线来传递指令操纵汽车。线控系统需要高性能的控制器，如Freescale半导体公司提供的MPC500/MPC5500系列微处理器。线控转向系统主要由方向盘模块、主控制器ECU、故障处理控制器、转向执行模块和电源组成。如下图所示。图5-2-2线控转向系统组成原理09方向盘模块方向盘模块方向盘模块包括转向盘组件、转向盘转角传感器、力矩传感器、转向盘回正力矩电机。其主要功能是将驾驶员的转向意图(通过测量转向盘转角)转换成数字信号并传递给主控制器，同时主控制器向转向盘回正力矩电机发送控制信号，产生转向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。10主控制器ECU主控制器ECU主控制器对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向转向盘回正力矩电机和转向电机发送命令，控制两个电机协调工作。主控制器还可以对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，前轮线控转向系统将自动进行稳定控制或将驾驶员错误的转向操作屏蔽，以合理的方式自动驾驶车辆，使汽车尽快恢复到稳定状态。11故障处理控制器故障处理控制器故障处理控制器主要包括自动防故障系统，是线控转向系统的重要模块。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，以求最大限度的保持汽车的正常行驶。12转向执行模块转向执行模块转向执行模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、电机控制器和前轮转向组件等。其功能是将测得的前轮转角信号反馈给主控制器，并接受主控制器的命令，控制转向盘完成所要求的前轮转角，实现驾驶员的转向意图。线控转向系统工作过程当转向盘转动时，转向传感器和转向角传感器检测到驾驶员转矩和转向盘的转角，并转变成电信号输入到ECU。ECU根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,提供路感。并控制转向电动机的旋转方向、转矩大小和旋转角度,通过机械转向装置控制转向轮的转向位置，使汽车沿着驾驶员期望的轨迹行驶。如下图所示。图5-2-3线控转向系统控制过程线控转向关键技术作为目前最先进的汽车转向系统形式，线控转向系统融合运用了控制理论、电子技术等多领域知识由于其不受机械连接的限制，可以实现主动转向控制和补偿，有利于改善汽车转向的操纵稳定性。线控转向系统关键技术主要包括：（1）转矩传感器的功用是测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小和方向。（2）转向角传感器的功用是测量驾驶员作用在转向盘的转角大小和方向。（3）车速传感器的功用是测量车辆的行驶速度。（4）转矩反馈电动机的功用是根据ECU的指令输出适当的转矩，模拟、产生转向盘的反馈力矩，以提供驾驶员相应的路感信息。（5）转向电动机的功用是根据ECU的指令控制转向电动机，实现转向轮的转角。线控转向关键技术（6）ECU是SBW系统中最关键的部分，决定着线控转向系统的控制效果，包括输入处理电路、微处理器、输出电路和电源电路等，对各类传感器所采集的信号进行分析处理，然后向转矩反馈电动机和转向电动机发出指令，对电动机电压和电流进行实时控制，以实现线控转向功能。SBW系统在EPS系统上发展而来，相对于EPS需要增加冗余功能，线控转向系统有两种方式：取消方向盘与转向执行机构的机械连接，通过多个电机和控制器来增加系统的冗余度；在方向盘与转向执行机构之间增加一个电磁离合器作为失效备份，来增加系统的冗余度控制方式，如下图所示。线控转向关键技术图5-2-4线控转向冗余度的控制方式驾驶员转向介入识别驾驶员转向手力识别主要判断驾驶员是否介入转向控制，解析驾驶员作用在方向盘上的转向手力，判断驾驶员介入转向控制的强度。硬件配置包括方向盘转角传感器（装有ESC的车型自带转角传感器，无需额外增配）、方向盘转矩传感器（装有EPS的车型自带转角传感器，无需额外增配）、方向盘力传感器（在转向管柱处加装，可用低成本的应变片替代）。算法主要有识别驾驶员是否正在握持或脱离方向盘和驾驶员手力大小计算对驾驶员握持或脱离方向盘的判定。驾驶员手力计算旨在计算在方向盘平面的左右手握持方向盘处的各自的切向力和左、右手握持方向盘处的径向合力，共计3个变量。如图所示。驾驶员转向介入识别图5-2-5驾驶员转向介入识别算法逻辑图算法原理：采用二阶转向系统建模，将转向系统转换为标准单自由度二阶振动系统模型。如图所示。驾驶员转向介入识别图5-2-6二阶转向系统建模由于驾驶员握持方向盘增加了系统的转动惯量，振动系统在低频段的响应会更加明显。通过分析实时采集的信号，将一定时间窗口的信号在低频段的振幅与预设的振幅阈值进行对比，可以得出驾驶员是否正在握持/脱离方向盘的判断。驾驶员转向介入识别图5-2-7试验结果及频谱分析结果完全脱离和握持方向盘（轻握和重握）下，低频段（1Hz-2Hz）的振幅有很大差别。通过预设合理的低频幅值阈值并且结合合理的转矩阈值，可以实现驾驶员手握持/脱离方向盘的判定。试验结果及频谱分析结果，如上图5-2-7所示。13提高汽车安全性能提高汽车安全性能去除了转向柱等机械连接，完全避免了撞车事故中转向柱对驾驶员的伤害；智能化的ECU根据汽车的行驶状态判断驾驶员的操作是否合理，并做出相应的调整；当汽车处于极限工况时，能够自动对汽车进行稳定控制。14改善驾驶特性，增强操纵性改善驾驶特性，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，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，获得更好的直线行驶条件。15改善驾驶员的路感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“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”。16增强汽车舒适性增强汽车舒适性由于消除了机械结构连接，地面的不平和转向轮的不平衡不会传递到转向轴上，从而减缓了驾驶员的疲劳；驾驶员的腿部活动空间和汽车底盘的空间明显增大。17体现个性化的设置体现个性化的设置1可以根据驾驶员需求设置传动比和转向盘反馈力矩。以满足不同驾驶员不同的转向需求。线控转向系统的缺点主要有：2（1）需要较高功率的力反馈电机和转向执行电机；3（2）复杂的力反馈电机和转向执行电机的算法实现；冗余设备导致额外增加成本和重量任务3底盘线控制动技术任务引入线控制动能够解决电动车真空助力缺失问题和实现能量回收，并实现快速制动响应，满足自动驾驶需求。目前主流的行车制动系统为融入了ABS/ESC的电子控制制动系统，当踏下制动踏板后，真空助力器放大作用力，推动主缸活塞释放制动液，再由ABS/ESC模块计算、分配制动力，最后制动液推动卡钳内活塞使制动块夹紧制动盘，完成制动。由于自动驾驶在执行层要求更短的制动响应速度（300ms→120ms），而且新能源汽车无发动机产生真空助力，提升能量回收效率需要实现踏板解耦，现有制动系统无法满足新能源与自动驾驶汽车的需求，而线控制动能够同时解决上述的问题。那么线控制动系统是如何工作的呢？任务目标冗余设备导致额外增加成本和重量任务3底盘线控制动技术22能够熟悉线控制动系统的工作原理33能够理解线控制动技术的特点11能够熟悉线控制动系统的概念与工作原理4知识链接冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统概述线控制动（brake-by-wire）是指线控制动将原有的制动踏板用一个模拟发生器替代，用以接受驾驶员的制动意图，产生、传递制动信号给控制和执行机构，并根据一定的算法模拟反馈给驾驶员，简称为BBW。它是一系列智能制动控制系统的集成，诸如ABS、车辆稳定性控制、助力制动、牵引力控制等等现有制动系统的功能，并通过车载有线网络把各个系统有机地结合成一个完整的功能体系，其组成如下图所示：冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统概述图5-3-1线控制动系统的组成制动技术的发展，按照力的传递方式不同，可以划分为以下三个阶段：第一个阶段是机械制动，制动能量完全由人体来提供，因此对制动力要求不高，这个阶段汽车的主要特点是：质量小、结构简陋、动力不足、行驶缓慢，因此对制动力要求不高依靠纯机械式制动系统便足以满足制动要求。因此，当时的制动系统和现在的自行车一样，就是单纯靠驾驶者通过简单的机械装置向制动器施加作用力来实现刹车第二个阶段是压力制动，包含液压制动和气压制动，这个阶段的主要特点是：汽车质量越来越大，车速越来越快，对制动系统要求越来越高，所以必须借助相关的助力器（例如：真空助力器）装置，通过制动液或者气体传递制动压力。在此阶段还出现了电子制动系统，如ABS等。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统概述第三个阶段是线控制动，这个阶段的制动系统不仅仅为了满足制动性能要求，更多的是为了追求高效能、可靠性、集成化等特性。线控制动系统即电子控制制动系统，分为电子机械式线控制动系统（EMB）和电子液压式线控制动系统EHB，EMB无液压后备，EHB有液压后备，如下图所示。图5-3-2线控制动系统冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理线控制动系统线控制动系统主要由接收单元、ECU及执行单元组成，如下图所示。图5-3-3线控制动系统组成（1）接收单元：包括制动踏板、踏板行程传感器等。（2）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。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理（3）执行单元：包括电制动器或液压制动器等。工作过程是驾驶员踩下制动踏板，踏板位移传感器将驾驶员制动需求反馈给ECU，ECU控制单元控制电机，电机扭矩通过蜗轮蜗杆传动机构推动制动主缸活塞，产生制动助力。其基本原理如下：图5-3-4线控制动基本原理冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理三、EHB电子液压制动系统(Electro-HydraulicBrake)EHB是从传统液压制动系统向全线控制动系统过渡的线控制动系统，与传统制动系统相比，EHB彻底摒弃了真空助力器等部件，取消了制动踏板与制动执行机构间的机械连接，典型的EHB制动系统由踏板模拟单元、电子控制单元ECU、执行器机构（压力建立单元）等部分构成，EHB系统的控制单元及执行机构布置得比较集中，并且使用制动液作为制动力传递的媒介，因此可以称之为集中式、湿式制动系统，与传统制动相比，即用综合制动模块取代传统制动系统中的助力器、压力调节器和AB模块，如下图所示。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理图5-3-5（1）基于ESC的传统制动系统冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理图5-3-5（2）EHB电子液压制动系统同时，部分EHB制动踏板也不再与制动轮缸直接相连，而是采用的是电子刹车踏板，即刹车踏板与制动系统并无刚性连接，也无液压连接，而是仅仅连接着一个制动踏板传感器，用于给电脑（EHB、ECU）输入一个踏板位置信号，如下图所示。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理图5-3-6EHB制动踏板传感器正常工作时，制动踏板与制动器之间的液压连接断开，备用阀处于关闭状态。电子踏板配有踏板感应模拟器和电子传感器，ECU可以通过传感器信号判断驾驶员的制动意图，并通过电机驱动液压泵进行制动。电子系统发生故障时，备用阀打开，EHB系统变为传统的液压系统，如下图所示。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理图5-3-7典型EHB系统四、EMB电子机械制动系统（Electro-mechanicalBrake）EMB系统中，所有液压装置（包括主缸、液压管路、助力装置等）均备电子机械系统替代，液压盘和鼓式制动器的调节器也被电机驱动装置取代。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理图5-3-8EMB电子机械制动系统原理图EMB系统的ECU通过制动器踏板传感器信号以及车速等车辆状态信号，驱动和控制执行机构的电机来产生所需的制动力。EMB系统采用电子机械装置替代液压管路，执行机构通常直接安装在各个轮边，因此可以称之为分布式、干式制动系统，如上图5-3-8所示。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理如果把EHB称为“湿”式brake-by-wire制动系统的话，那么EMB就是“干”式brake-by-wire制动系统。EMB和EHB的最大区别就在于它不再需要制动液和液压部件，制动力矩完全是通过安装在4个轮胎上的由电机驱动的执行机构产生。因此相应的取消了制动主缸、液压管路等等，可以大大简化制动系统的结构、便于布置、装配和维修，更为显著的是随着制动液的取消，对于环境的污染大大降低了。典型EMB系统由4个电机完成4个制动节点的压力控制，线控制动管理器和电源管理器根据多个传感器通过TTP总线向电机发放占空控制信号，如下图所示。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理图5-3-9典型EMB系统线控制动系统具有以下特点：（1）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。（2）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。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动系统的组成与原理（3）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。（4）线束走向布置的灵活性，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。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动的控制算法控制算法主要分为三大模块：主动制动控制相关状态量计算和进入退出条件判断模块、上层控制器（目标减速度控制器）模块、下层控制器（主动制动压力控制器）模块。基于车身电子稳定系统（ESC）的制动线控，包括主动制动压力控制器和目标减速器控制器，上层的目标减速度控制器的作用是将目标减速度转化为目标压力；下层的主动制动压力控制器的作用是解算合适的电机和电磁阀指令，来实现上层控制器请求的目标压力，如下图所示。冗余设备导致额外增加成本和重量线控制动的控制算法图5-3-10基于ESC线控制动控制逻辑上层减速度控制算法是获取目标减速度，下层压力控制算法是获取目标压力，最终来实现上层控制器请求的目标压力，控制软件架构如图所示。图5-3-11控制软件架构图18目标压力的获取目标压力的获取根据车辆纵向动力学模型，可计算实现目标减速度所需的基准制动压力pbase，作为控制过程中的前馈环节：根据目标减速度和实际减速度的偏差，对目标制动压力进行修正，得到修正制动压力pcom，作为控制过程中的反馈环节：目标压力的获取根据基准制动压力和修正制动压力，得到综合目标压力ptar：目标压力的获取19主动制动压力控制器的控制逻辑主动制动压力控制器的控制逻辑根据正向压力模型，计算各个电磁阀的基础开度和电机的基础开度，再根据压力偏差反馈，计算各个电磁阀的修正开度和电机的修正开度，最后，基础开度与修正开度叠加，得到电磁阀与电机的综合开度。图5-3-12主动制动压力控制器的控制逻辑基于电动助力器（T-Booster）的线控制动系统T-Booster利用直流无刷电机及传动机构代替真空助力器来实现制动助力功能，为节能型内燃机汽车、新能源汽车、ADAS、自动驾驶技术等提供模块化、可扩展的制动系统解决方案。该方案不依赖于真空源，并可根据行车工况及驾驶员主观意愿调整助力比，调整制动踏板脚感。通过与ESC结合，T-Booster系统采用双安全失效备份制动。当T-Booster系统的电子控制装置、电机及传感器发生故障或车载电源不能满负载运行时，ESC系统通过主动增压的方式提供制动助力，实现第一道安全失效备份制动；当车载电源失效时，T-Booster系统依然可以通过纯机械方式建立制动压力，使车辆安全停止，同时满足所有法规要求，实现第二道安全失效备份制动。基于电动助力器（T-Booster）的线控制动系统T-Booster主要功能包括：电动助力制动助力特性可调，主动制动响应上层控制器发送的目标制动压力；线控制动根据驾驶员输入的制动强度信号来控制制动压力；与ESC联合，实现失效备份制动。T-Booster性能测试与验证包含以下几方面：20制动响应及助力特性制动响应及助力特性人工驾驶的紧急制动工况下主缸液压