智能汽车技术第5章运动控制技术.pptx

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1、智能汽车技术第第5章章 运动控制技术运动控制技术5.1概述概述 智能汽车的运动控制系统基于环境感知技术智能汽车的运动控制系统基于环境感知技术，根据控制策略来计算理想的目标轨迹，通过线控技根据控制策略来计算理想的目标轨迹，通过线控技术对车辆的纵向运动和横向运动实施动态调节，使车辆能够自动跟踪理想的目标轨迹行驶并确保行驶术对车辆的纵向运动和横向运动实施动态调节，使车辆能够自动跟踪理想的目标轨迹行驶并确保行驶稳定性和乘坐舒适性。稳定性和乘坐舒适性。智智能能汽汽车车的的运运动动控控制制基基于于线线控控技技术术，因因此此，智智能能汽汽车车的的运运动动控控制制技技术术又又称线控底盘技术。称线控底盘技术。线

2、控底盘线控底盘 线线 控控 技技 术术（X-By-Wire）又又称称电电传传控控制制技技术术，源源于于飞飞机机的的控控制制系系统统。线线控控技技术术将将飞飞行行员员的的操操纵纵命命令令转转化化成成电电信信号号，通通过过电电线线传传输输控控制制指指令令，最最后后由控制器控制飞机飞行。由控制器控制飞机飞行。线控汽车采用同样的控制方式，可利用传感器感知驾驶人的驾驶意图，并将其通过导线输送给线控汽车采用同样的控制方式，可利用传感器感知驾驶人的驾驶意图，并将其通过导线输送给控制器，控制器控制执行机构工作，实现汽车的转向、制动、驱动等功能，从而取代传统汽车靠机控制器，控制器控制执行机构工作，实现汽车的转向

3、、制动、驱动等功能，从而取代传统汽车靠机械或液压来传递操纵信号的控制方式。械或液压来传递操纵信号的控制方式。从本质上讲，线控技术就是电子控制技术，线控底盘技术就是电控底盘技术。从本质上讲，线控技术就是电子控制技术，线控底盘技术就是电控底盘技术。线控底盘线控底盘 线控底盘主要有五线控底盘主要有五大系统，分别为线控转大系统，分别为线控转向、线控制动、线控加向、线控制动、线控加速踏板、线控换档、线速踏板、线控换档、线控悬架。控悬架。从执行端来看，线从执行端来看，线控加速踏板、线控换档、控加速踏板、线控换档、线控悬架系统虽然技术线控悬架系统虽然技术都很成熟了，但最为关都很成熟了，但最为关键的线控转向和

4、线控制键的线控转向和线控制动系统目前还没有一套动系统目前还没有一套可以适用于可以适用于L4级自动驾级自动驾驶的、性能稳定的量产驶的、性能稳定的量产产品。产品。智能汽车线控底盘技术特征如下智能汽车线控底盘技术特征如下:1）操纵机构和执行机构没有机械联结和机械能量的传递；）操纵机构和执行机构没有机械联结和机械能量的传递；2）操纵指令由传感元件感知，以电信号的形式由网络传输给电子控制器件及执行机构；）操纵指令由传感元件感知，以电信号的形式由网络传输给电子控制器件及执行机构；3）执执行行机机构构使使用用外外来来能能源源完完成成操操纵纵指指令令及及相相应应的的任任务务，其其执执行行过过程程和和结结果果受

5、受电电子子控控制制器器件件的的监监测测和控制。和控制。智能汽车线控底盘智能汽车线控底盘5.2线控转向技术线控转向技术5.2.1线控转向系统线控转向系统 线线控控技技术术就就是是将将传传统统的的汽汽车车机机械械操操纵纵系系统统变变成成通通过过高高速速容容错错通通信信总总线线与与高高性性能能控控制制器器相相连连的的电电气气系统。系统。目目前前的的线线控控技技术术包包括括线线控控换换档档系系统统、线线控控制制动动系系统统、线线控控悬悬架架系系统统、线线控控加加速速踏踏板板系系统统及及线线控控转转向系统。向系统。在自动驾驶汽车上，智能感知在自动驾驶汽车上，智能感知单元通过线束将指令传输给转向或单元通过

6、线束将指令传输给转向或制动系统来实现车辆的操控，因此，制动系统来实现车辆的操控，因此，线控转向是线控转向是自动驾驶汽车的自动驾驶汽车的关键的关键的技术技术之一之一。对于自动驾驶汽车，线控技对于自动驾驶汽车，线控技术属于标准配置，是必不可少的。术属于标准配置，是必不可少的。线控转向系统线控转向系统 线控转向就是把依靠转向管柱连接转向机构来实现转向的传统方式，转换成为通过传感器检测转线控转向就是把依靠转向管柱连接转向机构来实现转向的传统方式，转换成为通过传感器检测转向盘转角信号，并通过计算机控制伺服电动机来实现驱动转向机构的转向系统。向盘转角信号，并通过计算机控制伺服电动机来实现驱动转向机构的转向

7、系统。驾驶人对转向盘的操驾驶人对转向盘的操作仅仅是在驱动一个转角作仅仅是在驱动一个转角传感器，并由转向盘电动传感器，并由转向盘电动机提供转动阻尼和机提供转动阻尼和反反馈，馈，转向盘与转向机构之间没转向盘与转向机构之间没有任何刚性连接，如图有任何刚性连接，如图5-1所示。所示。线控转向系统取消了线控转向系统取消了转向盘与转向执行机构之转向盘与转向执行机构之间的机械连接，采用电控间的机械连接，采用电控技术来完成驾驶人转向指技术来完成驾驶人转向指令的传输和路感反馈。令的传输和路感反馈。图图5-1 线控转向线控转向5.2.2线控转向系统的组成线控转向系统的组成 如图如图5-2所示，线控转向系统由转向盘

8、模块、转向控制模块和转向执行模块组成。所示，线控转向系统由转向盘模块、转向控制模块和转向执行模块组成。图图5-2 线控转向系统的组成线控转向系统的组成1.转向盘模块转向盘模块 转向盘模块包括转向盘、转矩传感器、转向转向盘模块包括转向盘、转矩传感器、转向角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置。角传感器、转矩反馈电动机和机械传动装置。转向盘模块的主要作用是接收驾驶人输入的转向盘模块的主要作用是接收驾驶人输入的转向盘转角或转向力矩信号，并通过传感器将该转向盘转角或转向力矩信号，并通过传感器将该信号转变为电信号传输给转向控制模块，由转向信号转变为电信号传输给转向控制模块，由转向控制模块根据转向控制策略

9、产生相应的电信号控制模块根据转向控制策略产生相应的电信号，并并传递给转向执行模块。传递给转向执行模块。同时，转矩反馈电动机根据转向控制模块发同时，转矩反馈电动机根据转向控制模块发出的控制信号，产生相应的回正力矩给驾驶人出的控制信号，产生相应的回正力矩给驾驶人，以以提供不同工况下的路感信息。提供不同工况下的路感信息。2.转向控制模块转向控制模块 转转向向控控制制模模块块包包括括车车速速传传感感器器和和电电子子控控制制单单元元，也也可可视视情情增增加加横横摆摆角角速速度度传传感感器器、加加速速度度传传感感器，以提高车辆的操纵稳定性。器，以提高车辆的操纵稳定性。图图5-2 线控转向系统的组成线控转向

10、系统的组成 转向控制模块是线控转向系统的决策中心转向控制模块是线控转向系统的决策中心和控制中心，通过采集各传感器信号，对驾驶和控制中心，通过采集各传感器信号，对驾驶人的驾驶意图和车辆当前状态进行评估和判断，人的驾驶意图和车辆当前状态进行评估和判断，根据预定的控制策略做出控制决策。根据预定的控制策略做出控制决策。转向控制模块一方面控制转向执行模块，转向控制模块一方面控制转向执行模块，确保车辆能够精准地实现驾驶人输入的转向指确保车辆能够精准地实现驾驶人输入的转向指令，并确保车辆的操纵稳定性；另一方面，控令，并确保车辆的操纵稳定性；另一方面，控制转矩反馈电动机，确保其能够给驾驶人以足制转矩反馈电动机

11、，确保其能够给驾驶人以足够的、清晰的路感。够的、清晰的路感。3.转向执行模块转向执行模块 转向执行模块包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等。转向执行模块包括角位移传感器、转向电动机、齿轮齿条转向机构和其他机械转向装置等。其作用是接收转向控制模块发出的转向控制指令，并由转向电动机输出合适的转矩和转角，实现其作用是接收转向控制模块发出的转向控制指令，并由转向电动机输出合适的转矩和转角，实现车轮转向。车轮转向。图图5-2 线控转向系统的组成线控转向系统的组成 同时，转向轮角位移传感器实时监测转同时，转向轮角位移传感器实时监测转向轮的转动角度以及其变化率，并接收路面向轮的

12、转动角度以及其变化率，并接收路面反馈信息，将其转化为电信号，作为路感信反馈信息，将其转化为电信号，作为路感信息回馈给转向控制模块。息回馈给转向控制模块。此外，故障容错机制也是线控转向系统此外，故障容错机制也是线控转向系统不可或缺的重要组成部分。不可或缺的重要组成部分。故障容错机制时刻监控系统的运行状态，故障容错机制时刻监控系统的运行状态，针对系统的不同故障形式采取不同的应对措针对系统的不同故障形式采取不同的应对措施，在部分硬件或软件出现故障时，确保车施，在部分硬件或软件出现故障时，确保车辆仍然具备基本的转向能力。辆仍然具备基本的转向能力。线控转向系统具有完善的故障自诊断能线控转向系统具有完善的

13、故障自诊断能力，能在最大程度上确保系统的安全运行。力，能在最大程度上确保系统的安全运行。图图5-3所示为某汽车线控转向系统的实际组成。所示为某汽车线控转向系统的实际组成。1-转矩反馈电动机转矩反馈电动机；2-离合器；离合器；3-电子控制单元（电子控制单元（3个，冗余配置）；个，冗余配置）；4-转向电动机（冗余配置）转向电动机（冗余配置）图图5-3 汽车线控转向系统的实际组成汽车线控转向系统的实际组成5.2.3线控转向系统的工作原理线控转向系统的工作原理 驾驶人进行转向操作时，通过转向盘输入转向方向、角度、转向角速度以及转向力矩，转向盘模驾驶人进行转向操作时，通过转向盘输入转向方向、角度、转向角

14、速度以及转向力矩，转向盘模块中的传感器采集这一系列信号并将其传输到转向控制模块；转向控制模块随即处理这些信号并根据块中的传感器采集这一系列信号并将其传输到转向控制模块；转向控制模块随即处理这些信号并根据车速及其他相关信号进行转向传动机构传动比的计算，确定系统所需的转向轮转角；然后控制转向执车速及其他相关信号进行转向传动机构传动比的计算，确定系统所需的转向轮转角；然后控制转向执行模块的转向电动机驱动转向机构工作，使转向轮产生系统所需的偏转角度，完成转向任务。行模块的转向电动机驱动转向机构工作，使转向轮产生系统所需的偏转角度，完成转向任务。汽车线控转向系统的工作原理如图汽车线控转向系统的工作原理如

15、图5-4所示。所示。图图5-4 汽车线控转向系统的工作原理汽车线控转向系统的工作原理图图5-4 汽车线控转向系统的工作原理汽车线控转向系统的工作原理 与此同时，转向控制模块根据车辆的转向轮转角信号、轮胎力信号和驾驶人的意图，通过路感与此同时，转向控制模块根据车辆的转向轮转角信号、轮胎力信号和驾驶人的意图，通过路感模拟决策发出指令控制转矩反馈电动机输出力矩，以反馈路面信息。模拟决策发出指令控制转矩反馈电动机输出力矩，以反馈路面信息。当智能汽车工作在自动（无人）驾驶状态时，则由自动驾驶线控系统主控制单元根据决策系统当智能汽车工作在自动（无人）驾驶状态时，则由自动驾驶线控系统主控制单元根据决策系统的

16、控制决策，通过车载网络将转向指令（转矩、转角信号等）发送给转向控制模块，再由转向控制的控制决策，通过车载网络将转向指令（转矩、转角信号等）发送给转向控制模块，再由转向控制模块控制转向执行模块完成具体的转向任务。模块控制转向执行模块完成具体的转向任务。图图5-4 汽车线控转向系统的工作原理汽车线控转向系统的工作原理 对于线控系统而言，执行模块及其控制的执行机构，是一仆对于线控系统而言，执行模块及其控制的执行机构，是一仆服侍服侍二主的，既可以接受来自驾驶二主的，既可以接受来自驾驶人的指令（有人驾驶），又可以接受来自自动驾驶线控系统主控制单元的指令（无人驾驶）。人的指令（有人驾驶），又可以接受来自自

17、动驾驶线控系统主控制单元的指令（无人驾驶）。这一特性，对于线控转向、线控制动、线控加速踏板控制等所有线控操作，都是一样的。这一特性，对于线控转向、线控制动、线控加速踏板控制等所有线控操作，都是一样的。日产汽车公司日产汽车公司2014年推出的英菲尼迪年推出的英菲尼迪Q50（Infiniti Q50）成为全球首个装备线控转向系统的量产）成为全球首个装备线控转向系统的量产车型，日产汽车公司称其为直接自适应转向系统（车型，日产汽车公司称其为直接自适应转向系统（Direct Adaptive Steering，DAS）。）。DAS线控转向线控转向系统的基本组成如图系统的基本组成如图5-5所示。所示。图图

18、5-5 英菲尼迪英菲尼迪Q50的线控转向系统的线控转向系统1-转向盘；转向盘；2-转向盘模块；转向盘模块；3-离合器；离合器；4-电子控制单元（电子控制单元（3个，冗余配置）；个，冗余配置）；5、6-转向电动机（冗余配置）转向电动机（冗余配置）整个系统依然保留了传统转向系统的机械结构，但仅作为线控系统失效时的冗余配置。整个系统依然保留了传统转向系统的机械结构，但仅作为线控系统失效时的冗余配置。在正常状态下，离合器处于分离状态，转向盘与转向传动轴、齿轮齿条机构脱开，系统工作在线在正常状态下，离合器处于分离状态，转向盘与转向传动轴、齿轮齿条机构脱开，系统工作在线控状态；当线控系统由于致命故障导致工

19、作失效时，离合器自动转入接合状态，转向盘与转向传动轴、控状态；当线控系统由于致命故障导致工作失效时，离合器自动转入接合状态，转向盘与转向传动轴、齿轮齿条机构恢复连接，系统转入传统的机械转向状态，确保车辆依然具有正常的转向能力。齿轮齿条机构恢复连接，系统转入传统的机械转向状态，确保车辆依然具有正常的转向能力。图图5-5 英菲尼迪英菲尼迪Q50的线控转向系统的线控转向系统1-转向盘；转向盘；2-转向盘模块；转向盘模块；3-离合器；离合器；4-电子控制单元（电子控制单元（3个，冗余配置）；个，冗余配置）；5、6-转向电动机（冗余配置）转向电动机（冗余配置）待技术成熟之后，就可以取消作为冗余配置的传统

20、机械式转向系统，转变成真正的线控转向系统。待技术成熟之后，就可以取消作为冗余配置的传统机械式转向系统，转变成真正的线控转向系统。线控转向系统线控转向系统5.2.4 线控转向系统的特点线控转向系统的特点 与传统的机械转向系统相比较，线控转向系统具有以下特点：与传统的机械转向系统相比较，线控转向系统具有以下特点：1）线线控控转转向向系系统统采采用用电电子子控控制制单单元元实实现现对对汽汽车车转转向向的的控控制制，理理论论上上可可以以自自由由设设计计转转向向系系统统的的角角传动特性和转向助力特性，具有传统转向系统不可比拟的性能优势。传动特性和转向助力特性，具有传统转向系统不可比拟的性能优势。2）提提

21、高高汽汽车车的的操操纵纵稳稳定定性性。线线控控转转向向系系统统不不受受传传统统转转向向系系统统结结构构形形式式的的限限制制，可可以以设设计计出出理理想想的转向助力特性。的转向助力特性。线线控控转转向向系系统统可可使使转转向向助助力力的的大大小小随随着着汽汽车车运运动动状状态态的的变变化化而而变变化化，根根据据车车速速和和转转向向盘盘转转角角等等参参数数，通通过过控控制制策策略略给给出出与与当当前前行行车车条条件件下下最最适适合合的的转转向向助助力力，从从根根本本上上解解决决汽汽车车转转向向系系统统存存在在已已久久的的“轻轻”与与“飘飘”的矛盾的矛盾，既保证了转向轻便性，又保证了转向稳定性。，既

22、保证了转向轻便性，又保证了转向稳定性。同同时时，线线控控转转向向系系统统还还可可以以实实时时监监控控转转向向轮轮转转角角和和汽汽车车响响应应情情况况，并并根根据据控控制制策策略略，主主动动做做出出补补偿操作，提高了汽车的操纵稳定性。偿操作，提高了汽车的操纵稳定性。3）优化驾驶路感。传统转向系统通过机械连接将车辆运动状态和路面信息反馈给驾驶人，不能）优化驾驶路感。传统转向系统通过机械连接将车辆运动状态和路面信息反馈给驾驶人，不能主动过滤路面干扰因素。线控转向系统可以滤除路面颠簸等干扰因素，提取出最能够反映汽车实际行主动过滤路面干扰因素。线控转向系统可以滤除路面颠簸等干扰因素，提取出最能够反映汽车

23、实际行驶状态和路面信息的因素，作为路感模拟的依据，并考虑到驾驶人的习惯，由主控制器控制路感电动驶状态和路面信息的因素，作为路感模拟的依据，并考虑到驾驶人的习惯，由主控制器控制路感电动机产生良好的路感，提高驾驶人的驾驶体验。机产生良好的路感，提高驾驶人的驾驶体验。4）节节省省空空间间，提提高高被被动动安安全全性性。机机械械部部件件的的减减少少，增增加加了了驾驾驶驶人人的的活活动动空空间间，并并方方便便了了车车内内的的总总体体布布置置；降降低低了了转转向向系系统统的的机机械械强强度度，使使其其在在碰碰撞撞中中更更易易变变形形，以以便便吸吸收收冲冲击击能能量量，在在汽汽车车发发生碰撞事故时，可大幅减

24、轻转向系统对驾驶人的伤害。生碰撞事故时，可大幅减轻转向系统对驾驶人的伤害。5）提提高高转转向向效效率率，降降低低能能源源消消耗耗。线线控控转转向向系系统统不不依依赖赖于于机机械械传传动动，其其总总线线信信号号的的传传输输速速度度快快，缩缩短短了了转转向响应时间，转向效率得以提高。向响应时间，转向效率得以提高。同时机械传动减少，传动效率提同时机械传动减少，传动效率提高，整车质量减轻，降低了燃料消耗，高，整车质量减轻，降低了燃料消耗，更加节能环保。更加节能环保。5.3 线控制动技术线控制动技术5.3.1线控制动系统线控制动系统1.传统制动系统的组成传统制动系统的组成 为确保制动效能并降低驾为确保制

25、动效能并降低驾驶人的操作强度，传统制动系驶人的操作强度，传统制动系统（图统（图5-6）采用真空助力式液）采用真空助力式液压（或气压）制动系统，利用压（或气压）制动系统，利用汽油机进气管内节气门下方的汽油机进气管内节气门下方的真空度产生助力，协助驾驶人真空度产生助力，协助驾驶人进行车辆制动。进行车辆制动。而柴油车辆及电动汽车，而柴油车辆及电动汽车，则采用电动真空泵产生真空源，则采用电动真空泵产生真空源，为真空助力器提供真空。为真空助力器提供真空。图图5-6 传统的汽车制动系统传统的汽车制动系统2.传统制动系统的缺点传统制动系统的缺点 传传统统的的制制动动系系统统由由驾驾驶驶人人通通过过制制动动踏

26、踏板板操操纵纵制制动动机机构构，借借由由制制动动踏踏板板、真真空空助助力力器器、制制动动主主缸缸推推杆杆等等机机械械装装置置产产生生液液压压（或或气气压压）制制动动作作用用，存存在在机机械械响响应应滞滞后后（响响应应性性差差）等等缺缺点点，加加之之真真空空助助力力器器体体积积庞庞大大，需需要要较较大大的的安安装装空空间间，于于整整车车布布置不利。置不利。图图5-6 传统的汽车制动系统传统的汽车制动系统 此外，液压系统存在制动此外，液压系统存在制动液泄漏风险，于环境保护不利。液泄漏风险，于环境保护不利。采用线控制动系统，可以很好采用线控制动系统，可以很好地解决上述问题。地解决上述问题。3.线控制

27、动系统的工作原理线控制动系统的工作原理 如如果果将将制制动动踏踏板板由由制制动动踏踏板板模模拟拟器器（内内含含制制动动踏踏板板行行程程位位置置传传感感器器）取取代代，踏踏板板与与制制动动系系统统之之间没有任何刚性连接或液压连接，都可视为线控制动（间没有任何刚性连接或液压连接，都可视为线控制动（Brake By Wire，BBW）。）。如如图图5-7所所示示，在在有有人人驾驾驶驶模模式式下下，驾驾驶驶人人踩踩下下制制动动踏踏板板，则则由由制制动动踏踏板板模模拟拟器器中中的的制制动动踏踏板板传传感感器器检检测测、接接收收和和分分析析驾驾驶驶人人的的制制动动意意图图，由由线线控控制制动动控控制制单单

28、元元产产生生制制动动指指令令，进进而而控控制制制制动动执执行行机机构完成制动任务。同时，由制动踏板模拟器根据一定的算法输出模拟反馈给驾驶人。构完成制动任务。同时，由制动踏板模拟器根据一定的算法输出模拟反馈给驾驶人。图图5-7 线线控制动系统的工作原理控制动系统的工作原理图图5-7 线线控制动系统的工作原理控制动系统的工作原理 在自动（无人）驾驶模式下，来自车辆自动驾驶主控制单元的制动指令传输至线控制动控制单元，在自动（无人）驾驶模式下，来自车辆自动驾驶主控制单元的制动指令传输至线控制动控制单元，再由线控制动控制单元产生制动指令，进而控制制动执行机构完成制动任务。再由线控制动控制单元产生制动指令

29、，进而控制制动执行机构完成制动任务。4.汽车线控制动系统的特点汽车线控制动系统的特点 1）线线控控制制动动系系统统的的制制动动踏踏板板与与制制动动执执行行机机构构实实现现了了解解耦耦，可可以以降降低低系系统统的的复复杂杂性性，减减少少液液压压与与机机械械控控制制装装置置，减减少少杠杠杆杆、轴轴承承等等金金属属连连接接件，减轻质量，降低制造成本。件，减轻质量，降低制造成本。2）线线控控制制动动系系统统具具有有精精确确的的制制动动力力调调节节能能力力，是是电电动动汽汽车车摩摩擦擦与与回回馈馈耦耦合合制制动动系系统统的的理理想想选择。选择。3）基基于于线线控控制制动动系系统统，不不仅仅可可以以实实现

30、现更更高高品品质质的的ABS/ESP/ESC/EPB等等高高级级安安全全功功能能，而而且且可可以以满满足足智智能能汽汽车车对对自自适适应应巡巡航航、自自动动紧紧急急制制动动、自自动动泊泊车车、自自动动（无无人人）驾驾驶驶等等高高级级辅辅助助驾驾驶功能的要求。驶功能的要求。线控制动技术在线控制动技术在F1赛车上的应用已经非常成熟，但因其成本问题，尚未在乘用车上普及。赛车上的应用已经非常成熟，但因其成本问题，尚未在乘用车上普及。5.线控制动系统的分类线控制动系统的分类 线控制动是自动驾驶汽车控制执行层中与行线控制动是自动驾驶汽车控制执行层中与行车安全密切相关的系统，也是技术难度最高的部车安全密切相

31、关的系统，也是技术难度最高的部分。受技术发展程度的限制并考虑到安全性和可分。受技术发展程度的限制并考虑到安全性和可靠性，目前线控制动系统出现了两种技术路线靠性，目前线控制动系统出现了两种技术路线电控液压式制动系统和电控机械式制动系统电控液压式制动系统和电控机械式制动系统（图（图5-8）。）。图图5-8 线控制动系统的两种技术路线线控制动系统的两种技术路线 EHB是在传统的液压制动器的基础上发是在传统的液压制动器的基础上发展来的，与传统制动系统相比，最大的区别展来的，与传统制动系统相比，最大的区别在于：在于：EHB用电子元件替代传统制动系统中用电子元件替代传统制动系统中的部分机械元件，即用综合制

32、动模块取代传的部分机械元件，即用综合制动模块取代传统制动系统中的真空助力器、压力调节器和统制动系统中的真空助力器、压力调节器和ABS模块。模块。如图如图5-9所示，制动踏板不再与制动主所示，制动踏板不再与制动主缸直接相连，而是采用电传制动踏板，即制缸直接相连，而是采用电传制动踏板，即制动踏板与制动系统之间既无刚性的机械连接，动踏板与制动系统之间既无刚性的机械连接，也无液压连接（如果有也只是作为备用系统）也无液压连接（如果有也只是作为备用系统），而是仅仅连接着一个制动踏板行程（位置），而是仅仅连接着一个制动踏板行程（位置）传感器，用于给电子控制单元（传感器，用于给电子控制单元（EHB ECU）输

33、入一个踏板行程（位置）信号。）输入一个踏板行程（位置）信号。5.3.2电控液压式制动系统电控液压式制动系统1.基本组成与工作原理基本组成与工作原理 典型的电控液压式制动（典型的电控液压式制动（Electro Hydraulic Brake，EHB)系统由制动踏板行程（位置）传感器、系统由制动踏板行程（位置）传感器、电子控制单元（电子控制单元（EHB ECU）、执行机构（液压泵、备用阀和制动器）等组成。）、执行机构（液压泵、备用阀和制动器）等组成。图图5-9 典型的电典型的电控控液压液压式式制动（制动（EHB）系统的信号传输）系统的信号传输 如图如图5-10所示，所示，EHB正常工作时，制动踏板

34、与制动器之间的液压连接断开，备用阀处于关闭状正常工作时，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。态。图图5-10 典型的电典型的电控控液压液压式式制动系统（制动系统（EHB）的的组成组成 当当EHB电电子系统发生致子系统发生致命故障时，备命故障时，备用阀自动打开，用阀自动打开，EHB系统则转系统则转变为传统的液变为传统的液压制动系统。压制动系统。电子踏板配有踏板感觉模拟器和踏板行程（位置）传感器，电子踏板配有踏板感觉模拟器和踏板行程（位置）传感器，EHB ECU可以通过传感器信号判断可以通过传感器信号判断驾驶人的制动意图，并通过电动机驱动液压泵进行制动。驾驶人的制动意图，并通过

35、电动机驱动液压泵进行制动。2.典型产品典型产品 EHB系统由于具有冗余系统，安全性在用户的可接受性方面更具优势，且此类型产品成熟度高，系统由于具有冗余系统，安全性在用户的可接受性方面更具优势，且此类型产品成熟度高，目前各大供应商都在推行其开发的产品，如博世的目前各大供应商都在推行其开发的产品，如博世的iBooster、大陆的、大陆的MK C1、采埃孚的、采埃孚的IBC等。等。（1）博世）博世iBooster 德国博世（德国博世（Bosch）公司于）公司于2013年正式推出年正式推出EHB线控制动产品线控制动产品iBooster（智能助力器），大（智能助力器），大众汽车公司目前所有新能源汽车均使

36、用众汽车公司目前所有新能源汽车均使用iBooster。iBooster利用传感器感知驾驶人踩利用传感器感知驾驶人踩下制动踏板的力度和速度，并将信号处下制动踏板的力度和速度，并将信号处理之后传给电控单元，电控单元控制助理之后传给电控单元，电控单元控制助力电动机的输出转矩，在机电放大机构力电动机的输出转矩，在机电放大机构的驱动下，推动制动总泵和制动分泵工的驱动下，推动制动总泵和制动分泵工作，从而实现线控制动。作，从而实现线控制动。在第在第1代代iBooster产品（图产品（图5-11）中，）中，制动助力从制动助力电动机（直流无刷制动助力从制动助力电动机（直流无刷电动机）到制动主缸活塞杆齿条，经历电

37、动机）到制动主缸活塞杆齿条，经历两级蜗轮蜗杆传动过程，实现了减速增两级蜗轮蜗杆传动过程，实现了减速增矩。矩。图图5-11 第第1代智能助力器代智能助力器iBooster1-制动助力电动机控制器；制动助力电动机控制器；2-制动主缸活塞杆齿条；制动主缸活塞杆齿条；3-制动踏板连接杆；制动踏板连接杆；4-制动踏板行程（位置）传感器；制动踏板行程（位置）传感器；5-回位弹簧；回位弹簧；6-制动主缸；制动主缸；7-二级减速增矩机构的中间齿轮轴；二级减速增矩机构的中间齿轮轴；8-制动助力电动机（直流无刷电动机）制动助力电动机（直流无刷电动机）而在第而在第2代代iBooster（图（图5-12）产品中，则将

38、两级蜗）产品中，则将两级蜗轮蜗杆传动改为齿轮丝杠传轮蜗杆传动改为齿轮丝杠传动，借助齿轮动，借助齿轮-梯形丝杠机构梯形丝杠机构实现减速增矩，并将制动助实现减速增矩，并将制动助力电动机的旋转运动转化为力电动机的旋转运动转化为制动总泵活塞杆的平行移动，制动总泵活塞杆的平行移动，进而产生制动压力。进而产生制动压力。图图5-12 第第2代智能助力器代智能助力器iBooster 制动踏板推杆与制动总泵活塞杆之间实现了解耦，从而实现了线控制动（图制动踏板推杆与制动总泵活塞杆之间实现了解耦，从而实现了线控制动（图5-13）。）。图图5-13 iBooster的工作原理的工作原理 由于是通过直流无刷电动机产生助

39、力作用，因此，可以通过软件对助力电动机的助力特性进行由于是通过直流无刷电动机产生助力作用，因此，可以通过软件对助力电动机的助力特性进行设计，使制动强度变得灵活多样设计，使制动强度变得灵活多样。相应地，也就具有灵活多样的踏板特性（如设置舒适型踏板特性相应地，也就具有灵活多样的踏板特性（如设置舒适型踏板特性和运动型踏板特性等供驾驶人选择）。和运动型踏板特性等供驾驶人选择）。此外，当将此外，当将iBooster与混与混合动力汽车或纯电动汽车匹配合动力汽车或纯电动汽车匹配时，还有利于进行制动能量回时，还有利于进行制动能量回收。收。一般地，可将车辆制动减一般地，可将车辆制动减速度为速度为0.3g作为临界

40、值。当车作为临界值。当车辆减速度小于辆减速度小于0.3g时，制动系时，制动系统不会介入，此时车辆的减速统不会介入，此时车辆的减速制动可通过车辆驱动电机的能制动可通过车辆驱动电机的能量回收来完成。量回收来完成。如此设计，一方面可以最如此设计，一方面可以最大限度地增加车辆的续驶里程，大限度地增加车辆的续驶里程，另一方面也可以延长制动摩擦另一方面也可以延长制动摩擦片的使用寿命。片的使用寿命。图图5-13 iBooster的工作原理的工作原理 iBooster通常与车身电子稳定控制系统（通常与车身电子稳定控制系统（Electronic Stability Program，ESP）组合使用，当）组合使用

41、，当iBooster因故障失效时，因故障失效时，ESP开始发挥作用。但由于开始发挥作用。但由于ESP也属于电控液压系统，也可能因故障而失效，也属于电控液压系统，也可能因故障而失效，且且ESP在设计之初只是为自动紧急制动（在设计之初只是为自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking，AEB）之类的场景设计的，）之类的场景设计的，故不能作为常规制动系统使用。故不能作为常规制动系统使用。为此，博世公司在第为此，博世公司在第2代代iBooster之后，便针之后，便针对对L3/L4级自动驾驶的需求，又推出了一套新的级自动驾驶的需求，又推出了一套新的线控制动系统线控制动系统集成式

42、动力制动器（集成式动力制动器（Integrated Power Braker，IPB）。）。IPB（图（图5-14）是一套与真空助力器无关的）是一套与真空助力器无关的电电-液解决方案，将液解决方案，将iBooster和和ESP合二为一。由合二为一。由于采用集成设计，于采用集成设计，IPB的重量、体积和复杂性大的重量、体积和复杂性大大降低，动态性能更好。大降低，动态性能更好。目前，应用博世公司线控制动产品的量产车目前，应用博世公司线控制动产品的量产车有特斯拉（有特斯拉（Tesla）全系、大众全部新能源汽车、）全系、大众全部新能源汽车、保时捷保时捷918、凯迪拉克、凯迪拉克CT6、雪佛兰的、雪佛兰

43、的Bolt及及Volt、本田本田CR-V、法拉第未来、法拉第未来FF91、上汽荣威、上汽荣威Ei5、比亚迪比亚迪E6、蔚来、蔚来ES8等。等。图图5-14 博世公司的线控制动产品博世公司的线控制动产品集成式动力制动器集成式动力制动器IPB（2）其他）其他EHB产品产品 与博世与博世iBooster相似的产品还有德国大陆集团的相似的产品还有德国大陆集团的MK C1（图（图5-15）、采埃孚（）、采埃孚（ZF）的集成控制式）的集成控制式制动器（制动器（Integrated Brake Control，IBC。图。图5-16）等。）等。现代汽车的电子化程度越来越高，新能源汽车和自动驾驶汽车的发展又进

44、一步加快了这种趋势。现代汽车的电子化程度越来越高，新能源汽车和自动驾驶汽车的发展又进一步加快了这种趋势。由于由于EHB以液压为制动能源，液压的产生和电控化相对来说比较困难，很难与其他电控系统进行融以液压为制动能源，液压的产生和电控化相对来说比较困难，很难与其他电控系统进行融合，而且液压系统的重量也对整车轻量化不利。因此，合，而且液压系统的重量也对整车轻量化不利。因此，EHB只能作为线控制动系统的过渡产品，未只能作为线控制动系统的过渡产品，未来将被电控机械式制动系统取而代之。来将被电控机械式制动系统取而代之。图图5-15 德国大陆集团的德国大陆集团的MK C1图图5-16 采埃孚（采埃孚（ZF）

45、的）的IBC5.3.3电控机械式制动系统电控机械式制动系统1.基本组成与工作原理基本组成与工作原理 电控机械式制动（电控机械式制动（Electro Mechanical Brake，EMB）系统最早是应用在飞机上）系统最早是应用在飞机上的，如美国的的，如美国的F-15战斗机就采用了战斗机就采用了EMB制制动技术，后来才逐渐运用到汽车（如动技术，后来才逐渐运用到汽车（如F1赛赛车）上。车）上。EMB不不是是在在传传统统液液压压制制动动系系统统上上发发展展而而来来，且且与与传传统统的的制制动动系系统统有有着着极极大大的的差差别别。EMB完完全全摒摒弃弃了了液液压压装装置置，而而用用电电控控机机械械

46、系系统统取取而而代代之之，其其能能源源是是电电能能，因因此此执行和控制机构需要重新设计。执行和控制机构需要重新设计。也也就就是是说说，EMB取取消消了了在在汽汽车车上上使使用用了了100多多年年的的液液压压制制动动管管路路，而而是是采采用用电电动动机机直直接接给给制制动动盘施加制动力，其工作原理与现在高端汽车上的电动驻车制动器极为相似。盘施加制动力，其工作原理与现在高端汽车上的电动驻车制动器极为相似。但与电动驻车制动器最大的不同是但与电动驻车制动器最大的不同是EMB需要能够产生足够大的制动力，且其制动特性要求高度需要能够产生足够大的制动力，且其制动特性要求高度可调，动作响应要非常迅速。可调，动

47、作响应要非常迅速。美国的美国的F-15战斗机战斗机 如图如图5-17所示，在所示，在EMB系统中，所有液压装系统中，所有液压装置（包括制动主缸、制动轮缸、液压管路、真空置（包括制动主缸、制动轮缸、液压管路、真空助力器等）均被电控机械系统替代，盘式（或鼓助力器等）均被电控机械系统替代，盘式（或鼓式）制动器的调节器也被电动机驱动装置取代。式）制动器的调节器也被电动机驱动装置取代。EMB系统的系统的ECU通过制动器踏板传感器信号通过制动器踏板传感器信号以及车速等反映行车状态的信号，驱动和控制制以及车速等反映行车状态的信号，驱动和控制制动执行机构的电动机来产生所需的制动力。动执行机构的电动机来产生所需

48、的制动力。2.优点优点 1）执执行行机机构构和和制制动动踏踏板板之之间间无无机机械械或或液液压压连连接接，缩缩短短了了制制动动器器的的作作用用时时间间，作作用用时时间间在在100ms以内，可有效缩短制动距离。以内，可有效缩短制动距离。2）不需要真空助力器，整车布置更为灵活。）不需要真空助力器，整车布置更为灵活。3）没没有有液液压压系系统统，系系统统质质量量轻轻且且环环保保（不不存在制动液泄露问题）。存在制动液泄露问题）。4）在在ABS模模式式下下无无回回弹弹振振动动，可可以以消消除除噪噪音。音。5）便便于于集集成成电电子子驻驻车车制制动动、防防抱抱死死制制动动（ABS）、制动力分配等附加功能。

49、）、制动力分配等附加功能。图图5-17 EMB的的工工作作原原理理与与系系统统布布局局3.缺点缺点 1）无无液液压压备备用用制制动动系系统统，对对可可靠靠性性要要求求极极高高，包包括括稳稳定定的的电电源源系系统统、更更高高的的总总线线通通信信容容错错能能力力和电子电路的抗干扰能力。和电子电路的抗干扰能力。2）制制动动力力不不足足，仅仅能能适适配配小小型型乘乘用用车车，无无法法适适配配商商用用车车。因因轮轮毂毂处处安安装装空空间间狭狭小小，决决定定制制动动电电动机体积不可能太大，需开发配备较高电压（如动机体积不可能太大，需开发配备较高电压（如42V）系统以提高电动机功率。）系统以提高电动机功率。

50、3）控控制制各各个个车车轮轮的的本本地地控控制制器器及及制制动动电电动动机机均均安安装装在在轮轮毂毂内内部部，属属于于非非簧簧载载质质量量，加加之之制制动动电电动机工作过程中的振动较大，这些对车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性均有不利影响。动机工作过程中的振动较大，这些对车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性均有不利影响。4）温温度度高高、振振动动大大，工工作作环环境境恶恶劣劣，严严重重制制约约EMB零零部部件件的的设设计计。EMB制制动动器器摩摩擦擦片片及及制制动动电动机的温度可能达到几百摄氏度，极易造成永磁电动机退磁。电动机的温度可能达到几百摄氏度，极易造成永磁电动机退磁。因因受受安安装装空空间间的的限限