傳感器在汽車底盤電子控制中的應(yīng)用

摘? 要：進(jìn)入新的時(shí)代，電子技術(shù)的發(fā)展程度成了影響汽車發(fā)展方向的主要因素,傳感器是電子技術(shù)的核心元件,已經(jīng)被現(xiàn)代汽車越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的作用之一就是可以用來(lái)改善底盤的制動(dòng)操縱性能、轉(zhuǎn)向性能穩(wěn)定性能和汽車行駛的安全性能。本文深入研究了傳感器在汽車底盤電子控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了詳細(xì)的介紹。

1引言

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車的電子化程度也越來(lái)越高。汽車底盤控制系統(tǒng)的裝置與執(zhí)行器之間的連接，也由簡(jiǎn)單的機(jī)械連接階段進(jìn)入了電信號(hào)聯(lián)系階段。良好的底盤電子控制系統(tǒng)能改善車輪和地面之間的附著狀況，進(jìn)而改善汽車的安全性、動(dòng)力性和舒適性[1]。電子控制系統(tǒng)在汽車底盤技術(shù)中的應(yīng)用很好地改善了汽車的主動(dòng)安全性。常見的底盤控制系統(tǒng)有以下幾種：牽引控制、制動(dòng)控制、懸掛控制和轉(zhuǎn)向控制[2]。傳感器是電子技術(shù)中的核心器件，是一種進(jìn)行信號(hào)變換的裝置，它的作用是把被測(cè)的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變成為電量信號(hào)，是促進(jìn)汽車技術(shù)全面發(fā)展的關(guān)鍵器件。在汽車底盤電子控制系統(tǒng)中，控制工作是離不開傳感器的[3]。用于底盤控制的傳感器指的是分布在變速器控制系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等中的傳感器,在不同系統(tǒng)中他們的作用不同,但其工作原理是相同的[4]。

2汽車底盤電子控制的理論基礎(chǔ)

　　汽車底盤的主要功能是讓汽車能根據(jù)駕駛員的意愿作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，像加速、減速和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)等。駕駛員是通過(guò)操縱汽車?yán)锏霓D(zhuǎn)向盤、油門和制動(dòng)踏板等元件來(lái)表達(dá)自己意愿的,相應(yīng)于這些操縱的執(zhí)行量是前輪的轉(zhuǎn)向角以及車輪上的驅(qū)動(dòng)力矩或制動(dòng)力矩,而真正起作用的是輪胎的縱向力和側(cè)向力。影響汽車輪胎力的主要因素有路面的附著系數(shù)、車輪的法向力、車輪滑動(dòng)率和車輪側(cè)偏角。汽車底盤控制設(shè)計(jì)的基本原理就是在給定了路面附著系數(shù)和車輪法向力的前提下，對(duì)車輪滑動(dòng)率和車輪側(cè)偏角進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和控制,從而達(dá)到間接調(diào)控輪胎的縱向力和側(cè)向力的目的,最大限度地利用輪胎和路面之間的附著力,達(dá)到提高汽車的主動(dòng)安全性、機(jī)動(dòng)性和舒適性的目的。汽車底盤的電子控制是一個(gè)多系統(tǒng)相互影響,相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)工程,具體表現(xiàn)如下：

　　(1) 同一個(gè)控制系統(tǒng)可能會(huì)擁有多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、并對(duì)多個(gè)變量同時(shí)進(jìn)行控制。(2)? 同一個(gè)控制目標(biāo)可以由不同的控制系統(tǒng)單獨(dú)控制或者多個(gè)系統(tǒng)共同控制。 (3) 同一個(gè)控制目標(biāo)同時(shí)被不同的控制系統(tǒng)所控制。(4) 不同的控制系統(tǒng)可能共用同一傳感器或者控制單元 [2]。

3 傳感器在汽車底盤電子控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3. 1　傳感器在動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，傳感器的控制對(duì)象是車輪轉(zhuǎn)向角，通過(guò)對(duì)車輪轉(zhuǎn)向角的電子控制,達(dá)到控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目的。常見的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有：主動(dòng)前輪疊加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AFS、主動(dòng)前輪助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ESP和主動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)RWS。所用的傳感器主要有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器等,通過(guò)這些傳感器發(fā)揮作用，動(dòng)力轉(zhuǎn)向電控系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱輕便、提高了響應(yīng)特性的同時(shí)增大輸出功率、減少發(fā)動(dòng)機(jī)損耗，從而也節(jié)省了燃油。

　　所有的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)ESP、AFS及RWS的工作原理都是由駕駛員發(fā)出指令,由傳感器感知路面的狀況,并以電信號(hào)的形式將路面狀況通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞給電子控制器及執(zhí)行器。比如在EPS系統(tǒng)中，這種微機(jī)控制的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)具有部件少、質(zhì)量小、體積小等特點(diǎn)。在系統(tǒng)工作時(shí)，如果我們選擇最佳傳動(dòng)比，就可以得到最快的反應(yīng)：即當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向速度比就會(huì)變小，而轉(zhuǎn)向力度會(huì)逐漸增大，這會(huì)使汽車方向更穩(wěn)定、行車更安全。而當(dāng)以很低的行駛速度駕駛時(shí)，轉(zhuǎn)向速度比會(huì)變大，此時(shí)只需輕輕地小角度打轉(zhuǎn)向盤，車身位移就會(huì)發(fā)生大幅度變化，這會(huì)使得很多工作變得輕松，比如停車入位工作；該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于它提高了汽車的轉(zhuǎn)向能力和轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性，同時(shí)它也增加了汽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和低速行駛時(shí)的機(jī)動(dòng)性。另外，由于EPS可根據(jù)需要給轉(zhuǎn)向盤施加一個(gè)額外力矩,駕駛員可以根據(jù)這個(gè)力矩的提示信號(hào),才去轉(zhuǎn)向措施，這就是此系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向建議的功能。該系統(tǒng)主要有電子控制器、電動(dòng)機(jī)及運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)向力矩傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器組成。其它系統(tǒng)也都和EPS系統(tǒng)一樣，各自發(fā)揮了不可替代的重要的功能。

3.2　傳感器在懸架系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

　　懸架系統(tǒng)控制中的傳感器的工作是過(guò)對(duì)汽車懸掛元件特性進(jìn)行干預(yù)和調(diào)節(jié)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)力學(xué)控制的目的。工作的時(shí)候，系統(tǒng)綜合汽車的運(yùn)動(dòng)狀況和這些傳感器檢測(cè)到的信息，通過(guò)計(jì)算得出每個(gè)車輪懸掛阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù),然后作出自動(dòng)調(diào)整車高、抑制車輛姿勢(shì)的變化等工作指令,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)操縱穩(wěn)定性、行車穩(wěn)定性和車輛舒適性的控制。連續(xù)性阻尼控制系統(tǒng)ADC是由4個(gè)控制單元、CAN、4個(gè)車輪垂直加速度傳感器、4個(gè)車身垂直加速度傳感器和4個(gè)阻尼器比例閥組成的。

3. 3　傳感器在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的電子控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3. 3. 1　傳感器在牽引力控制系統(tǒng)TCS中應(yīng)用。

　　由于汽車驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩過(guò)大,驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)相對(duì)地面作滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)輪的安全滑轉(zhuǎn)率最好不要超過(guò)20%，因此我們需要對(duì)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制的系統(tǒng)就是牽引力控制系統(tǒng)TCS。它是在ABS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在大部分汽車?yán)? TCS和ABS是共用一個(gè)ECU的,傳感器的工作就是對(duì)汽車的滑轉(zhuǎn)進(jìn)行感知，然后將得到的信息以電信號(hào)的形式輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行分析,來(lái)識(shí)別和判斷汽車的行駛狀況，從而采取相應(yīng)的措施。

3. 3. 2　傳感器在汽車動(dòng)力學(xué)電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP中的應(yīng)用。

　　ESP系統(tǒng)是使汽車具有更舒適的操縱性和更好的方向的穩(wěn)定性的主動(dòng)安全系統(tǒng)，其基本工作原理是通過(guò)對(duì)傳感器輸入信號(hào)的分析，進(jìn)行邏輯運(yùn)算從而識(shí)別駕駛員對(duì)汽車的期望運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；通過(guò)對(duì)車輪縱向力大小和駕駛員對(duì)車的期望進(jìn)行調(diào)節(jié)，得知汽車的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此它需要比ABS和TCS配置更多的傳感器來(lái)控制汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)。這一類識(shí)別駕駛員對(duì)汽車的期望的傳感器，包括轉(zhuǎn)向盤傳感器、橫向加速度傳感器、汽車橫擺角速度傳感器和制動(dòng)主缸的液壓傳感器[4]]。

3. 3. 3　傳感器在汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS中的應(yīng)用。

　　防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS是汽車電子裝置中一種開發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、推廣應(yīng)用最為迅速的重要的安全性部件。它的工作原理是：控制防止汽車制動(dòng)時(shí)車輪的抱死，保證車輪與地面之間達(dá)到最佳滑動(dòng)率(5％-20％)。這樣汽車無(wú)論在何種路面上制動(dòng)時(shí)，車輪與地面之間都能達(dá)到縱向的峰值附著系數(shù)和較大的側(cè)向附著系數(shù)，從而可以保證車輛制動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生車輪抱死抱滑、失去轉(zhuǎn)向能力等不安全的工況，減小制動(dòng)距離，提高了汽車的操縱穩(wěn)定性和安全性。發(fā)揮作用的傳感器是防抱制動(dòng)傳感器，它主要是通過(guò)利用車輪角速度傳感器,檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速,在各車輪的滑移率為20% 時(shí)對(duì)制動(dòng)油壓進(jìn)行控制，改善其制動(dòng)性能,達(dá)到確保車輛操縱性和穩(wěn)定性的目的[5]。其中，輪速傳感器是ABS十分重要的器件。它的主要工作是向ECU及時(shí)地提供可靠精確的車輪轉(zhuǎn)速，如果沒(méi)有輪速傳感器，該系統(tǒng)的工作是無(wú)法完成的，同時(shí)輪速傳感器的精確程度將直接影響該系統(tǒng)的工作，輪速傳感器主要有電磁式、霍爾式、磁阻式幾種。

4 傳感器在汽車底盤電子控制中應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著電子技術(shù)和汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車傳感器的發(fā)展?fàn)顩r將成為影響汽車高檔化、電子化、自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。汽車的自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器依賴性也就越大，所以很多汽車電子產(chǎn)業(yè)都把車用傳感器技術(shù)作為重點(diǎn)研究開發(fā)的技術(shù)項(xiàng)目。由于汽車底盤電子控制系統(tǒng)是有很多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的，因此其所需要的傳感器種類和數(shù)量也是多種多樣的。那么，研制高精度、高可靠性和低成本的新型傳感器是十分必要也將是必然的。為了適應(yīng)這種需要，未來(lái)汽車底盤電子控制系統(tǒng)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)必將是向著集成化、智能化和微型化的方向發(fā)展；在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料和采用新工藝 [7]。使傳感器越來(lái)越精確，科技含量越來(lái)越高，從而更好的促進(jìn)電子技術(shù)乃至汽車行業(yè)的發(fā)展。

4.1發(fā)展趨勢(shì)介紹

　　智能化傳感器是一種帶有微型計(jì)算機(jī)，兼有檢測(cè)、判斷、信息處理等多種功能的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，它可以通過(guò)確定傳感器的工作狀態(tài)，對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行修正，這樣就減少了環(huán)境因素，例如溫度的影響。它的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分感知駕駛員和乘客的狀況、交通設(shè)施以及周邊環(huán)境的信息；能夠判斷駕駛員和乘客是否處于最佳狀態(tài)、車輛和人是否會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，并及時(shí)采取相應(yīng)措施。它的不同之處就在于是利用軟件來(lái)解決問(wèn)題的，而這些問(wèn)題又是普通的傳感器中硬件難以解決的問(wèn)題。例如完成資料的計(jì)算與處理工作等，而且這種智能式傳感器不僅量程覆蓋范圍大、輸出信號(hào)大，而且精度高、信噪比高、抗干擾性能好，很多還帶有自檢功能[7]。將來(lái)如果這種傳感器能應(yīng)用于汽車底盤電子控制系統(tǒng)，將會(huì)給駕駛員帶來(lái)很多方便。

　　多功能集成化傳感器就是集多種功能敏感組件和同一功能的多個(gè)敏感組件于一體的傳感器。這種傳感器能檢測(cè)兩個(gè)或兩個(gè)以上的特征參數(shù)或者化學(xué)參數(shù)，這樣就減少了汽車底盤傳感器的數(shù)量，提高了其電子控制系統(tǒng)的精確性。

　　微型傳感器是利用微機(jī)械加工技術(shù)，將微米級(jí)的敏感元件、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理裝置等封裝在一塊芯片上，這種傳感器便于集成、體積小，而且價(jià)格便宜，小而精的元件可以明顯提高系統(tǒng)測(cè)試精度。當(dāng)前，這項(xiàng)技術(shù)已逐步成熟，可以制作檢測(cè)力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量等各種微型傳感器。這種傳感器應(yīng)用于汽車底盤的電子控制系統(tǒng)，將大大優(yōu)化汽車的很多性能。

4.2研究方法、方向介紹

　　進(jìn)行傳感器的研究開發(fā)是電子技術(shù)發(fā)展的必然，各種傳感器的基本原理都是一樣的，那就是利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)等。所以發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象與新效應(yīng)是現(xiàn)代傳感器發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

　　傳感器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要基礎(chǔ)是功能材料。由于材料科學(xué)的飛速發(fā)展，材料制造已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)很高的水平，即在制造各種材料時(shí)，我們是可以任意控制材料的成分的。鑒于此我們也可以設(shè)計(jì)與制造出各種用于傳感器的功能材料。例如，加入不同的半導(dǎo)體氧化物，可以制造出各種不同性能的氣體傳感器；光導(dǎo)纖維可以用作傳感器的材料，是傳感器功能材料的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)；另外，國(guó)內(nèi)外汽車電子化方面的很多專家也已經(jīng)對(duì)有機(jī)材料產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們?cè)谕茰y(cè)有機(jī)材料是否可以作為功能材料應(yīng)用于傳感器，這還有待于專家的進(jìn)一步研究。

對(duì)于傳感器，其敏感元件的性能很大程度上取決于其所用的功能材料。但是，加工工藝也會(huì)對(duì)元件的性能有一定的影響。所以改進(jìn)加工工藝也將是將來(lái)研究的一個(gè)方向。隨著各種新型材料諸如半導(dǎo)體、陶瓷等應(yīng)用于傳感器敏感元件，許多現(xiàn)代先進(jìn)加工技術(shù)也被逐步引入汽車傳感器制造工藝，像離子注入技術(shù)、集成技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等。通過(guò)運(yùn)用這些新技術(shù)，就可以制造出可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定的新型敏感元件。例如，由于科技的飛速發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)已日漸成熟，這種技術(shù)是從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。利用微電子機(jī)械系統(tǒng)可以制作出各種能夠敏感地檢測(cè)力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器[8]。

對(duì)于傳感器，其敏感元件的性能很大程度上取決于其所用的功能材料。但是，加工工藝也會(huì)對(duì)元件的性能有一定的影響。所以改進(jìn)加工工藝也將是將來(lái)研究的一個(gè)方向。隨著各種新型材料諸如半導(dǎo)體、陶瓷等應(yīng)用于傳感器敏感元件，許多現(xiàn)代先進(jìn)加工技術(shù)也被逐步引入汽車傳感器制造工藝，像離子注入技術(shù)、集成技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)等。通過(guò)運(yùn)用這些新技術(shù)，就可以制造出可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定的新型敏感元件。例如，由于科技的飛速發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)已日漸成熟，這種技術(shù)是從半導(dǎo)體集成電路技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。利用微電子機(jī)械系統(tǒng)可以制作出各種能夠敏感地檢測(cè)力學(xué)量、磁學(xué)量、熱學(xué)量、化學(xué)量和生物量的微型傳感器[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

　　電子技術(shù)在汽車技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，使汽車底盤的控制系統(tǒng)正在向著電子化、智能化的方向快速地發(fā)展，這樣就導(dǎo)致了許多汽車底盤電子控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，而傳感器是電子技術(shù)的核心器件,汽車底盤也越來(lái)越多的使用了傳感器,由于傳感器的使用底盤的制動(dòng)操縱性能、轉(zhuǎn)向性能和汽車行駛的安全性能得到了極大的改善。同時(shí)，也提高了汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性。各種電子轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)如AFS、EPS和RWS效果更是非常顯著，它能在必要時(shí)向駕駛員提出合理的建議或者對(duì)駕駛員的指令進(jìn)行必要的修正。隨著電子傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，通過(guò)集成化將這些新的信息同汽車底盤電子控制系統(tǒng)結(jié)合，將會(huì)出現(xiàn)更多的新功能和新系統(tǒng)，從而為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供充分的條件和基礎(chǔ)。