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，輸出相應的控制指令給到執(zhí)行器執(zhí)行，控制器的反應速度、判斷準確性至關重要。隨著計算機技術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)的復雜性、系統(tǒng)的變量多且相互影響，導致難以建立準確的數(shù)學模型。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）在深度學習、圖像處理方面處于技術領先地位，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習功能。現(xiàn)有的汽車微處理器供應商如瑞薩，恩智浦、德州儀器、意法半導體（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，眾多芯片供應商的加入將可以形成規(guī)模效應，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，汽車電子控制系統(tǒng)采用的控制技術由PID 控制到魯棒控制再到神經(jīng)網(wǎng)絡控制（CNN），控制功能越來越多。

由于汽車結(jié)構(gòu)的復雜，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：

線控技術（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（X-by-Wire）代表了一系列的車輛綜合控制技術。

圖9：線控技術對汽車結(jié)構(gòu)的變革

X-by-Wire 技術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 技術研發(fā)的這些系統(tǒng)可以很輕易的應用到各種車型上去，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和降低底盤開發(fā)綜合成本。

目前所有領先車企和零部件企業(yè)都在開發(fā)線控技術產(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)了線控技術產(chǎn)品。

技術趨勢：

（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的分布式計算架構(gòu)將改善這種情形。

（2）半導體工業(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?！把永m(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 自適應巡航系統(tǒng)（ACC）

自適應巡航控制系統(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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