1.1 汽車電子控制器概論

汽車電子控制器的作用是接收來自傳感器的信息，進行處理，輸出相應(yīng)的控制指令給到執(zhí)行器執(zhí)行，控制器的反應(yīng)速度、判斷準確性至關(guān)重要。隨著計算機技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，控制器的功能范圍不斷擴大。汽車電子控制單元作為汽車電子控制系統(tǒng)的核心部分，是嵌入式系統(tǒng)裝置，一般包括硬件和軟件兩部份。一般汽車電子控制器硬件結(jié)構(gòu)主要包括微處理器（MCU）、存儲器、輸入& 輸出接口（A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器）單元。

圖 1：典型的汽車電子控制電路框圖

汽車電子控制系統(tǒng)要求有很好的可靠性和實時性，需要滿足嚴苛的ISO 26262 功能安全要求。而汽車電子控制系統(tǒng)控制的變量越來越多，系統(tǒng)架構(gòu)越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和系統(tǒng)故障自診斷能力要求更是提出挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計分析，目前乘用車的汽車電子控制單元（ECU）數(shù)量在25~100 個左右。

圖2：部分汽車電子控制單元

由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)的變量多且相互影響，導(dǎo)致難以建立準確的數(shù)學(xué)模型。隨著智能控制的發(fā)展，一般系統(tǒng)級控制采取智能控制方法，執(zhí)行層控制采取經(jīng)典理論控制：建立精確的數(shù)學(xué)模型，精確控制。

圖3：發(fā)送機管理系統(tǒng)ECU

ECU 產(chǎn)業(yè)鏈：

汽車電子控制器硬件的核心在于微處理器。微處理器包括MCU、MPU、DSP 和邏輯IC等。其中市場知名的為微處理器廠家主要有恩智浦、TI、英飛凌、瑞薩、ADI 等公司，電子控制單元（ECU）領(lǐng)先企業(yè)是跨國汽車電子零部件巨頭，如博世、電裝、大陸公司等。

圖4：汽車電子控制單元產(chǎn)業(yè)鏈

汽車用微處理器一直在根據(jù)汽車的要求不斷更新?lián)Q代，以發(fā)動機管理控制單元用微處理器（MCU）為例說明（如圖5），從歐3 到歐6，隨著汽車油耗要求的不斷提高，為達到要求，微處理器也從早期的16 位CPU 到32 位CPU，處理速度（MIPS 指標）不斷加快，所用的存儲器容量也不斷提高。汽車自動駕駛的發(fā)展使得汽車微處理器處理的數(shù)據(jù)量成幾何級增長，需要汽車微處理器有高性能計算能力，特別是汽車識別行人物體的計算機視覺和深度學(xué)習功能要求芯片具有強大的實時計算處理能力。

圖5：發(fā)動機用管理系統(tǒng)MCU進化歷程

目前英偉達（NVIDIA）開發(fā)的圖形處理器（GPU）在深度學(xué)習、圖像處理方面處于技術(shù)領(lǐng)先地位，其在2016 年CES展推出的第二代產(chǎn)品DRIVE PX2 是基于16nm 工藝打造的SoC產(chǎn)品，擁有兩顆GPU 核心和12 個CPU 核心，相當于150 臺MacBook Pro 的8T Flops 運算能力，可支持12 路攝像頭輸入、激光定位、雷達和超聲波傳感器，多個平臺并行運算，可以完全實現(xiàn)自動駕駛。2017 年沃爾沃上路的100 輛自動駕駛SUVs 就使用了英偉達DRIVE PX2 芯片。同時奧迪、戴姆勒、福特、豐田等車企也在和英偉達合作開發(fā)車載超級計算解決方案，以加速自動駕駛汽車的實現(xiàn)。

圖6：DRIVE PX2

與此同時，高通宣布了其基于14nm 工藝打造的新一代Snapdragon820A 處理器可以很好地支持深度學(xué)習功能?，F(xiàn)有的汽車微處理器供應(yīng)商如瑞薩，恩智浦、德州儀器、意法半導(dǎo)體（Mobileye EyeQ 芯片代工商）、英飛凌等也將被迫在未來推出16nm 工藝的高性能SoC 芯片產(chǎn)品，瑞薩已經(jīng)宣布了其開發(fā)新一代R-car 處理器時間節(jié)點。由于16nm 工藝所需用的光掩模非常昂貴，而汽車工業(yè)的投資回報率較低，眾多芯片供應(yīng)商的加入將可以形成規(guī)模效應(yīng)，提高16nm 工藝芯片的投資回報率。由于汽車智能化的迅猛發(fā)展趨勢，可以預(yù)計汽車的微處理器市場廣闊，據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)IHS 公司預(yù)測，2021 年全球汽車微處理器市場可達到約14 億美元的規(guī)模。

圖7：全球汽車微處理器市場規(guī)模預(yù)測

汽車電子控制單元（ECU）的另一核心是軟件算法。隨著汽車智能化的不斷提高，軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜，整個汽車軟件代碼行數(shù)在1000 萬以上，軟件價值占比不斷上升，開發(fā)成本占汽車電子系統(tǒng)總成本的一半以上，重要性凸顯。

汽車軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列實用程序，一般由處理器芯片廠家提供。應(yīng)用軟件包括：1）數(shù)據(jù)采集與過程監(jiān)控模塊；2）數(shù)據(jù)處理模塊；3）控制算法模塊；4）執(zhí)行機構(gòu)控制模塊；5）故障自診斷模塊。

控制理論的不斷突破，為汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的理論支撐，從早期的經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論再到智能控制理論，與之相對應(yīng)，汽車電子控制系統(tǒng)采用的控制技術(shù)由PID 控制到魯棒控制再到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（CNN），控制功能越來越多。

由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，各個系統(tǒng)相互耦合，一般來說，系統(tǒng)層的控制采取智能控制、模糊控制算法，執(zhí)行層的控制采取建立精準數(shù)學(xué)模型、精確控制的算法。

圖8：控制理論的發(fā)展對汽車控制系統(tǒng)的影響

線控技術(shù)：

線控技術(shù)（X-by-Wire）是通過線束傳遞信號控制，而不是通過機械連接裝置來操控，對汽車機械結(jié)構(gòu)進行了一個根本的變革，其本質(zhì)就是利用弱點信號來控制強電執(zhí)行機構(gòu)，以取代原先的機械或者液壓來操縱執(zhí)行。

線控技術(shù)是基于信息交互處理和實時控制的新型電控系統(tǒng)，需要高性能的控制器和高速總線支持。

典型的線控系統(tǒng)有線控轉(zhuǎn)向（Steer-by-Wire）、線控制動（Brake-by-Wire）、線控油門（Throttle-by-Wire）等。線控技術(shù)（X-by-Wire）代表了一系列的車輛綜合控制技術(shù)。

圖9：線控技術(shù)對汽車結(jié)構(gòu)的變革

X-by-Wire 技術(shù)可使汽車更加的輕便、便宜、安全并且使用更加經(jīng)濟，基于X-by-Wire 技術(shù)研發(fā)的這些系統(tǒng)可以很輕易的應(yīng)用到各種車型上去，而不需要做大的修改和調(diào)校。通過X-by-Wire 技術(shù)可以進行整合的汽車底盤綜合系統(tǒng)可以極大的提高車輛的安全性、操控穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟性等。

下面介紹線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-by-Wire）的具體應(yīng)用。

圖10：傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對比

如上圖所示，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向裝置，轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向柱之間無機械連接。整個系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤舵角傳感器、轉(zhuǎn)向ECU、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)、力矩反饋電機和環(huán)境傳感器等組成。線控轉(zhuǎn)向的好處在于提高了整車設(shè)計自由度，沒有了機械連接，便于系統(tǒng)布置；轉(zhuǎn)向效率高，響應(yīng)迅速，可在瞬間提供轉(zhuǎn)向動力；有利于改善駕駛特性，增強操縱性；有利于整合底盤技術(shù)和降低底盤開發(fā)綜合成本。

目前所有領(lǐng)先車企和零部件企業(yè)都在開發(fā)線控技術(shù)產(chǎn)品。TRW 公司開發(fā)的線控系統(tǒng)使得燃油經(jīng)濟性提高5%，德爾福、博世、法雷奧也紛紛開發(fā)了線控技術(shù)產(chǎn)品。

技術(shù)趨勢：

（1）汽車電子架構(gòu)發(fā)展趨勢：汽車電子控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)存在較大的故障潛在隱患。未來基于高性能總線技術(shù)的分布式計算架構(gòu)將改善這種情形。

（2）半導(dǎo)體工業(yè)的驅(qū)動： ITRS 2012 發(fā)布全球集成電路發(fā)展路線圖，未來集成電路將沿著“延續(xù)摩爾定律”（Moore）、“超越摩爾定律”（More than Moore）和“超越CMOS”(Beyond Moore) 方向發(fā)展。“延續(xù)摩爾定律”通過不斷縮小尺寸升級產(chǎn)品，如SoC；“超越摩爾定律”通過系統(tǒng)級封裝（SiP）等實現(xiàn)功能的集成。

2.1 常見控制單元介紹

2.1.1 車身穩(wěn)定電子控制

系統(tǒng)（ESC）

汽車在行駛過程中由于橫擺和側(cè)偏運動產(chǎn)生側(cè)向失穩(wěn)，橫擺控

制力矩通過對作用在車輪上的制動力或者驅(qū)動力進行有效的分配，就會產(chǎn)生一個作用在整車上的橫擺力矩。通過控制這個橫擺控制力矩，汽車的橫擺和側(cè)偏運動就能有效的控制。這就是車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）的工作原理。

車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）是在ABS（防抱死系統(tǒng)）和ASR（驅(qū)動防滑系統(tǒng)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并增加了方向盤舵角傳感器、橫向/ 縱向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器等。通過傳感器和控制器來識別汽車實際運動狀態(tài)和駕駛員意愿，進行比較判斷，然后發(fā)出指令調(diào)節(jié)車輪縱向制動力大小以匹配汽車的橫擺運動，提高汽車行駛安全性。

圖11：常見的控制單元

2.1.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）

EPS：主要由電子控制單元、助力電動機、減速器、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、舵角傳感器等組成。

當操縱方向盤時，裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器不斷地測量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角信號，該信號與車速信號同時輸入到電子控制單元ECU，經(jīng)過ECU 計算處理后控制電動機輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)矩信號，電動機的助力轉(zhuǎn)矩通過減速器減速增矩后加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，以實現(xiàn)汽車助力轉(zhuǎn)向的作用。

圖12：電動助力轉(zhuǎn)向示意圖

按照助力電機安裝的形式，EPS可以分為以下三種類型：轉(zhuǎn)向柱助力式（C-EPS）、齒條助力式（R-EPS）、齒輪助力式（P-EPS）。

2.1.3 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，簡稱ACC）是在定速巡航控制系（CC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達持續(xù)掃描前方道路，同時輪速傳感器采集車速信息，當與前車之間的距離過小時，控制單元通過CAN 總線傳輸信號與ABS 系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作，使車輪適當制動和發(fā)動機輸出功率下降，以保持與前方車輛一定的安全的距離。當需要更大的減速度時，控制器會發(fā)出聲光信號通知駕駛者主動采取制動動作。ACC 系統(tǒng)一般在大于25Km/h 速度時才作用，低于這個速度需要駕駛者控制速度。

2018-05-11  來源：頭條號汽車零部件

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