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◆文/江苏 高惠民线控转向系统技术综述与实车应用(一)一、概述汽车线控技术(X-by-wire)起源于飞机的电传操纵系统，飞行员不再通过传统的机械回路或液压回路来控制飞机的飞行姿态，而是通过安装在操纵杆处的传感器检测飞行员施加在其上的力和位移，并将其转换为电信号，在电控单元中将信号进行处理，然后传递到执行机构，从而实现对飞机的控制。
随着线控技术的发展，这一技术逐渐应用到汽车。
图1所示为集成线控系统线控转向(Steer by Wire,简称 SBW)系统、线控制动(Brake by Wire,简称BBW)系统示意图。
汽车线控技术就是将驾驶员的操纵动作经过传感器转变为电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种系统。
目前，汽车的线控技术主要有线控转向(Steer by Wire,简称 SBW)系统、线控制动(Brake by Wire,简称BBW)系统、线控驱动(Drive by Wire,简称DBW)系统、线控悬架(Suspension by Wire)系统、线控换挡(Shift by Wire)系统。
通过分布在汽车各处的传感器实时获取驾驶员的操作意图和汽车行驶过程中的各种参数信息，传递给电控单元，电控单元将这些信息进行分析和处理，得到合适的控制参数传递给各个执行机构，进行对汽车的控制，极大的提高车辆的动力性、制动性、操纵稳定性和平顺性。
其中，SBW作为线控底盘系统的关键组成部分，一直是国内外汽车厂商及学术界研究的热点。
根据我国《智能网联汽车技术路线图》规划，将在2025年实现智能线控底盘系统产业化推广应用。
SBW就是通过线控化、智能化实现个性驾驶、辅助驾驶、自动驾驶等目标，是智能网联汽车落地的关键技术。
二、SBW系统的结构及工作原理汽车转向系统大致经历了机械转向系统、液压助力转向系统(Hydraulic Power Steering，HPS)、电控液压助力转向系统 (Electro Hydraulic Power Steering，EH PS)、电动助力转向系统 (El ectr ic Power Steering，EPS)的一个发展过程。
工程机械电力驱动系统及其线控技术分析摘要：在工程机械领域，较为常见的驱动系统主要包括以下三类，即：液力传动、液压传动以及电力传动，通过对三种驱动系统进行比较分析，发现电力传动系统在工程机械领域中具有一定的优越性。
根据驱动电机类型的不同，又可以将电力驱动系统氛围多种形式，笔者对四种不同驱动电机的控制技术进行了阐述，并对工程机械线控技术进行了介绍，旨在为我国工程机械的发展做出一定贡献。
关键词：工程机械；电力驱动系统；线控技术一、引言工程机械驱动技术经过多年的发展，主要形式包括电力驱动技术以及液力机械驱动技术。
不同于传统的机械传动及液力机械传动技术，液压传动技术展现出了一定的优越性，如：操作及布局更为灵活。
发动机在运行过程中，可以为传动系统提供一定的牵引力，从而满足作业对负荷的需求。
但发动机由于长时间处于工作状态，对于设备可靠性的需求大幅度增加，且发动机在运转过程中会产生一定的污染，传动效率较低。
电力传动即借助于电动机驱动车辆行走，通过对电子系统的参数进行调整，从而影响电动机的转速及转向，使用效率较广，体现出了绿色环保的理念，已经成为了未来工程机械发展的重要方向。
二、不同驱动电机的控制技术（一）直流电机驱动系统在直流电机驱动系统中，通常选用琼斯斩波器作为电机的控制器，通过对脉冲接通时间与脉冲周期的比值进行调整，从而对电压及电流进行调整。
一方面，斩波器可以用于控制电机的电枢电压，另一方面也可以对励磁绕组电压进行调整，实现恒功率弱磁调速。
（二）交流感应电机驱动系统在交流感应电机驱动系统中，呈现出了如下的特点：强耦合、多变量、非线性。
磁通的形成取决于定子电流以及转子电流。
转子电流则是由转速、定子电流等决定，不能直接对转子电流进行控制。
为实现对交流感应电机驱动系统的控制，常采用VVVF以及FOC两种方案。
其中VVVF的控制原理如下：对控制电机的电压及供电频率进行相应的调整，改变电机的转速，进一步满足作业的负载需求。
XX学院实验指导书课程编号：课程名称：《汽车线控技术》实验学时： 2 适用专业：车辆工程专业制定人：制（修）订时间： 2019年7月专业负责人审核：专业建设工作组审核：2019年 7月实验纪律要求1.明确实习目的、端正态度、严格遵守校纪校规。
2.努力完成各项实习任务。
3.服从指导老师和实验室管理人员安排。
4.不迟到、不早退。
5.实习期间不穿拖鞋，做好自我身体安全保护，女生长发要扎起。
6.不做危险有害他人身体健康的事情。
7. 学生在实习场地内未经许可不准随意搬动机件和乱按电器开关，损坏自赔，严格遵守有关的规章制度。
第一部分实验大纲一、教学目的与基本要求《汽车线控技术》是车辆工程本科专业一门主要的专业选修课。
因其较强的理论性、应用性及实践性，故应充分重视实验教学。
要求学生在实验中发现问题，解决问题，加深对理论知识的理解和应用。
目的使学生了解典型的线控系统，了解其结构组成，掌握其控制原理。
二、实验内容和学时分配三、实验成绩评定、考核办法1．实验报告（1）每个学生按照实验课内容自己总结实验的结果及实验中遇到问题的处理办法；（2）按照规定的时间，上交实验报告。
2．考核方式（1）实验课成绩按照提交的实验报告内容给出，不再进行单独的考核评定。
（2）实验课成绩按照一定的百分比折合到学生的平时成绩中。
四、参考资料（参考书、网络资源等）1．使用教材及实验指导书《汽车线控技术》于蕾艳主编，青岛：中国石油大学出版社.实验指导书：自编。
2. 主要参考书《汽车电器与电子技术》（第2版）孙仁云 ,付百学主编，北京：机械工业出版社,2011.7《汽车电子控制技术》（第3版）凌永成主编，北京：北京大学出版社,2017.1《汽车电子控制技术》姚方方主编，北京：北京理工大学出版社,2019.7第二部分单元实验实验（项目）一典型线控系统的认知实验一、实验目的①了解汽车线控节气门系统的组成。
②掌握汽车线控节气门系统的控制原理。
二、实验要求①认知汽车上的线控节气门系统。
汽车电子技术之线控(Control-By-Wire)技术汽车的各种操纵系统正向电子化、自动化方向发展，传统的汽车机械操纵系统将变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统。
如汽车将采用电动机和电子控制信号来实现线控驾驶( Steer-By-Wire)、线控制动(Brake-By-Wire)、线控节气门(Throttle-By-Wire)和线控悬架( Suspension-By-Wire)等，采用这些线控系统将完全取代现有系统中的液压和机械控制。
X_By-Wire也称为Anything-By-Wire，它的全称是“没有机械和液力后备系统的安全相关的容错系统”。
"X”表示任何与安全相关的操作，包括转向、制动等。
"By-Wire”表示X-By-Wire是一个电子系统。
在X-By-Wi，系统中，所有元件的控制和通信都通过电子来实现。
X-By-Wire系统是没有机械和液力后备系统的，传统的机械和液力系统由于结构(间隙、运动惯量等)的原因，从控制指令发出到指令执行会有一定的延迟，这在极限情况下是不能允许的。
X-By-Wire系统用电来控制，会大大地减小延迟，为危险情况下的紧急处理直得了宝贵的时间。
X-By-Wire系统主要由三部分组成:控制系统、执行系统、通信系统。
控制系统的功能是根据驾驶员的意图和车辆行驶状况，对执行器给出执行的设定值。
执行系统的功能是在控制系统的控制下，完成具体的执行动作(转向、制动等)。
通信系统的功能是实现控制系统和执行系统内部及它们之间的信息传输。
目前，通用公司在Autonomy汽车上已使用Steer-By-Wire和Brake-By-Wired预计，到2010年，欧洲生产的汽车中有40%将全部采用X-By-Wire技术。
随着X-By-W i二的发展，Brake-By-Wire, Thrust-By-Wire, Steer-By-Wire, Shift-By-Wi二等By-Wire系统将成为X-By-Wire系统的各个子系统，它们之间会有一些数据要共享，将有一个更大的通信系统来实现它们之间的通信，从而使整个汽车成为一个完全的X-By-Wire系统。
书山有路勤为径；学海无涯苦作舟
汽车控制的核心技术——线控技术解析
对于自动驾驶汽车的控制有很多疑问。
比如转向，具体跟车辆的交互，是传入转向角度还是力度？刹车制动是由IPC 告诉硬件多少力度呢，还是智能到具体的制动百分比就可以？
要实现这些控制指令，首先与参考车辆的底盘组组件有很大的关系，要
了解与车辆底盘的各个组件交互，就要先了解这些控制组件。
线控执行简单地说，线控执行主要包括线控制动、转向和油门。
某
些高级车上，悬架也是可以线控的。
线控执行中制动是最难的部分。
1、线控油门
线控油门相当简单，且已经大量应用，也就是电子油门，凡具备定速巡
航的车辆都配备有电子油门。
电子油门通过用线束（导线）来代替拉索或
者拉杆，在节气门那边装一只微型电动机，用电动机来驱动节气门开度。
电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构组成。
位移传感器安装在油门踏板内部，随时监测油门踏板的位置。
当监测到
油门踏板高度位置有变化，会瞬间将此信息送往ECU，ECU 对该信息和其它系统传来的数据信息进行运算处理，计算出一个控制信号，通过线路送
到伺服电动机继电器，伺服电动机驱动节气门执行机构，数据总线则是负
责系统ECU 与其它ECU 之间的通讯。
在自适应巡航中，则由ESP（ESC）中的ECU 来控制电机，进而控制进气门开合幅度，最终控制车速。
专注下一代成长，为了孩子。
SBW的英文全称是Steering By Wire。
中文意思是“线控转向系统”。
该系统去掉了转向盘和转向轮之间的机械连接，减轻了大约5kg重量，消除了路面的冲击，具有降低噪声和隔振等优点。
目前国外著名汽车公司和汽车零部件厂家竞相研究具有智能化的新一代转向系统，如美国Delphi公司、TRW公司、日木三菱公司、Koyo公司、德国Bosch 公司、ZF公司、BMW公司等都相继在研制各自的SBW系统，国内也开始涉足这一相关研究领域。
SBW系统由方向盘模块、转向执行模块和ECU3个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。
方向盘模块包括方向盘、方向盘转角、力矩传感器、方向盘回正力矩电机。
方向盘模块的主要功能是将驾驶员的转向意图（通过测量方向盘转角）转换成数字信号并传递给主控制器;同时接受ECU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号。
转向执行模块包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等。
转向执行模块的功能是接受ECU的命令，控制转向电机实现要求的前轮转角，完成驾驶员的转向意图。
ECU对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，向方向盘回正力电机和转向电机发送命令，控制两个电机的工作。
自动防故障系统是线控转向系的重要模块，它包括一系列监控和实施算法，针对不同的故障形式和等级作出相应处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。
汽车的安全性是必须首先考虑的因素，是一切研究的基础，因而故障的自动检测和自动处理是线控转向系统最重要的组成系统之一。
SBW的工作原理是当转向盘转动时，转向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。
二、DBW线控油门系统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。
驾驶员仍然通过踩油门踏板控制拉索。
但拉索并不是直接连接到油门，而是连着一个油门踏板位置传感器，传感器将拉索的位置变化转化为电信号传送至汽车的大脑ECU（电子控制器），ECU将收集到的相关传感器信号经过处理后发送命令至油门作动器控制模块，油门作动器控制模块再发送信号给油门作动器，从而控制油门的开合程度。
也就是说驾驶员的动作与油门的动作之间是通过电子元件的电信号联系的。
虽然从构造上来看，线控油门比传统油门控制方式复杂，但油门的控制却比传统方式精确，发动机能够根据汽车的各种行驶信息，精确调节进入气缸的燃油空气混合气，改善发动机的燃烧状况，从而大大提高了汽车的动力性和经济性。
三、BBW线控制动系统BBW的英文全称是Brake By Wire，中文意思是“线控制动系统”。
传统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，由于管线长及速度慢，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。
与传统的制动系统不同，线控制动以电子元件代替部分机械元件，成为机电一体化的制动系统。
在电子控制系统中设计相应程序，操纵电控元件来控制制动力的大小及制动力的分配，可完全实现使用传统控制元件所能达到的ABS及ASR等功能。
线控制动系统目前分为两种类型，一种电液制动系统EHB （Electro-hydraulic Brake），另一种为电子机械制动系统EMB（Electro-mechanicalBrake）。
（一）电液制动系统EHB由传感器、ECU（电子控制单元）及执行器（液压控制单元）等构成。
制动踏板与制动器间无直接动力传递。
制动时，制动力由ECU 和执行器控制，踏板行程传感器将信息传给ECU，ECU汇集轮速传感器、转向传感器等各路信号，根据车辆行驶状态计算出每个车轮的最大制动力，并发出指令给执行器的蓄能器来执行各车轮的制动。
高压蓄能器能快速而精确地提供轮缸所需的制动压力。
电液制动系统的优点是能够改善系统的性能和操作人员的舒适性。
制动阀可安装在远离驾驶室更接近于制动器的位置，以减少管路的消耗。
无需采用更多的液压阀及管路就能使远程操作更容易。
将电液技术引入全动力系统，需要安装带有踏板角度传感器的电子踏板、电控单元、阀驱动器及电液制动阀以取代原有的连接和压力制动阀。
保留原系统中的带有安全阀的泵、蓄能器充液阀、蓄能器及制动器。
电子踏板可以提供与踏板转角成比例的反馈力。
踏板角度传感器将踏板角度转换为电信号，输入电子控制单元。
可编程控制单元将控制电流输入到比例电磁阀的电磁线圈。
阀芯移动到所输出的制动压力与电磁线圈力按比例保持平衡的位置。
尽管看起来从踏板转换到制动压力更复杂，但可编程的控制单元使系统设计者能够实现机械系统无法达到的更柔性的传递功能。
当用于比例系统时，该阀能够为线控制动系统、防抱制动系统及牵引控制系统提供无动力常规制动和紧急制动所需要的液压动力。
（二）电子机械制动系统EMB电子机械制动系统和液压制动系统就制动原理来说是相同的，其车轮和制动装置的主要部分是相同的。
只是在电子机械制动系统中，电源代替了液压源，机电作动器代替了液压作动筒。
小型车辆的EMB 主要包含以下部分：（1）电制动器。
其结构和液压制动器基本类似，动作器是电动机；（2）电制动控制单元（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他系统的控制；（3）轮速传感器。
准确、可靠、及时地获得车轮的速度；（4）电源。
为整个电制动系统提供能源，与其他系统共用。
此外，在电制动系统中增加了力矩传感器。
在电子机械制动装置中，其中一种是通过一个大直径的滚珠螺杆机构将电动机的旋转运动转变成压头的直线运动。
制动调节器用来控制电动机的运转。
制动调节器接收制动防滑控制盒指令和车轮力矩传感器的信号，可以自动调节电动机的电流和电压，从而调节制动力矩。
电动制动装置中除了采用电动机外，还可以使用电磁离合器，使制动盘压紧或松开。
新型电磁制动器由电磁体、制动蹄、销轴、制动杠杆、回位弹簧等组成。
其工作原理为：电磁体可视为一E型电磁铁，采用车载电瓶供电，制动鼓相当于衔铁，这样经过气隙形成闭合回路。
当需要制动时，接通电磁体上电源，电磁体产生吸力，被吸到制动鼓上并被其带动旋转，从而带动制动杠杆从动端将制动蹄顶开，直至制动蹄上的摩擦片与制动鼓的内圆柱面接触产生摩擦，并被制动鼓带动转动，此时制动杠杆继续被电磁体带动转动，制动鼓在与电磁体、制动蹄的摩擦力的作用下不断减速，直至停止转动。
制动完成后，断开电磁体的电源，电磁体失去磁力而脱离制动鼓端面，回位弹簧将制动蹄拉回原位，摩擦片与制动鼓脱离，制动消除。
线控系统的关键技术由于线控系统取消了传统的气动、液压及机械连接，取而代之的是传感器、ECU、电磁的执行机构，因而传感器的精度，ECU硬件的可靠性、抗干扰性，控制算法的可靠性、容错性，执行机构的快速性、可靠性及不同系统ECU之间通信的实时性，总线的容错性和仲裁能力及动力电源等都制约着线控技术的广泛应用。
制约线控技术的关键技术包括以下几方面。
1、传感器技术传感器是组成线控系统的基本且重要单元，无论是EHB、EMB，还是SBW等都是由许多传感器构成，例如SBW系统由角位移传感器、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组成，它们构成了SBW的主要部分。
而汽车电子控制系统的控制效果却紧紧依赖于传感器的信息采集和反馈精度，因而传感器的科技含量直接影响整个汽车电子控制系统的性能。
如何制造出体积小、成本底、可靠性高而且测量精度高的传感器就成为线控系统的关键技术之一。
2、总线技术汽车各电子系统的ECU如何进行信息通讯及各系统如何进行集成，在很大程度上依赖于总线技术。
目前存在着多种汽车总线标准，未来会使用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时间触发协议（TTP）、Byteflight和FlexRay。
TTP 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，具有节点恢复和再整合功能;BMW公司的Byteflight可用于汽车线控系统的网络通信，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;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。
3、动力电源技术在EHB系统中，由于制动力矩由液压提供，所以良好设计的14V电压可以满足要求;而在EMB系统中，由于制动力矩直接由电机提供，使得所需电源功率增大，而提高电压是增大功率的好方法，所以传统的14V系统不再能很好地满足要求;在SBW系统中，ECU、2个冗余转矩反馈电动机和2个冗余转向电动机，其总功率大约在550～880W，所需电源能量相当大。
如何提供足够的电能保证系统的稳定运行成为解决问题的关键，42V电压系统的研究和电动汽车的深入研究为此技术的解决提供了平台，为线控技术的广泛应用打下了基础。
4、容错控制技术为了满足汽车可靠性与安全性要求，线控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种。
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，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，但一旦ECU出现故障时，后果更为严重，系统不能进行任何操作。
基于容错控制技术的SBW系统，在不影响系统控制功能的情况下，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。
而可靠性和安全性是制约SBW系统应用的主要瓶颈之一。
当SBW系统的可靠性和安全性能够达到普通动力转向系统水平时，其产业化也就指日可待了。
