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)代汽車越來越廣泛的應(yīng)用。它的作用之一就是可以用來改善底盤的制動操縱性能、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，并對其將來的發(fā)展趨勢做了詳細(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，也由簡單的機(jī)械連接階段進(jìn)入了電信號聯(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安全性。常見的底盤控制系統(tǒng)有以下幾種：牽引控制、制動控制、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)行信號變換的裝置，它的作用是把被測的非電量信號轉(zhuǎn)變成為電量信號，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)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動系統(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)的運動，像加速、減速和轉(zhuǎn)向運動等。駕駛員是通過操縱汽車?yán)锏霓D(zhuǎn)向盤、油門和制動踏板等元件來表達(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)動力矩或制動力矩,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、車輪滑動率和車輪側(cè)偏角。汽車底盤控制設(shè)計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，對車輪滑動率和車輪側(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)到提高汽車的主動安全性、機(jī)動性和舒適性的目的。汽車底盤的電子控制是一個多系統(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) 同一個控制系統(tǒng)可能會擁有多個執(zhí)行機(jī)構(gòu)、并對多個變量同時進(jìn)行控制。(2)  同一個控制目標(biāo)可以由不同的控制系統(tǒng)單獨控制或者多個系統(tǒng)共同控制。 (3) 同一個控制目標(biāo)同時被不同的控制系統(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　傳感器在動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

　　所有的動力轉(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,并以電信號的形式將路面狀況通過網(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。在系統(tǒng)工作時，如果我們選擇最佳傳動比，就可以得到最快的反應(yīng)：即當(dāng)汽車高速行駛時，轉(zhuǎn)向速度比就會變小，而轉(zhuǎn)向力度會逐漸增大，這會使汽車方向更穩(wěn)定、行車更安全。而當(dāng)以很低的行駛速度駕駛時，轉(zhuǎn)向速度比會變大，此時只需輕輕地小角度打轉(zhuǎn)向盤，車身位移就會發(fā)生大幅度變化，這會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，同時它也增加了汽車高速行駛時的穩(wěn)定性和低速行駛時的機(jī)動性。另外，由于EPS可根據(jù)需要給轉(zhuǎn)向盤施加一個額外力矩,駕駛員可以根據(jù)這個力矩的提示信號,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、電動機(jī)及運動傳動機(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對汽車懸掛元件特性進(jìn)行干預(yù)和調(diào)節(jié)，從而達(dá)到實現(xiàn)汽車動力學(xué)控制的目的。工作的時候，系統(tǒng)綜合汽車的運動狀況和這些傳感器檢測到的信息，通過計算得出每個車輪懸掛阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù),然后作出自動調(diào)整車高、抑制車輛姿勢的變化等工作指令,從而實現(xiàn)了對操縱穩(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個控制單元、CAN、4個車輪垂直加速度傳感器、4個車身垂直加速度傳感器和4個阻尼器比例閥組成的。

3. 3　傳感器在驅(qū)動和制動的電子控制系統(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)動輪的驅(qū)動力矩過大,驅(qū)動輪就會相對地面作滑轉(zhuǎn)運動。根據(jù)計算驅(qū)動輪的安全滑轉(zhuǎn)率最好不要超過20%，因此我們需要對驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制，對驅(qū)動輪滑轉(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)展起來的，在大部分汽車?yán)? TCS和ABS是共用一個ECU的,傳感器的工作就是對汽車的滑轉(zhuǎn)進(jìn)行感知，然后將得到的信息以電信號的形式輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)對傳感器輸入的信號進(jìn)行分析,來識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)定性的主動安全系統(tǒng)，其基本工作原理是通過對傳感器輸入信號的分析，進(jìn)行邏輯運算從而識別駕駛員對汽車的期望運動狀態(tài)；通過對車輪縱向力大小和駕駛員對車的期望進(jìn)行調(diào)節(jié)，得知汽車的實際運動狀態(tài)。因此它需要比ABS和TCS配置更多的傳感器來控制汽車的橫擺運動。這一類識別駕駛員對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主缸的液壓傳感器[4]]。

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

　　防抱死制動系統(tǒng)ABS是汽車電子裝置中一種開發(fā)時間最長、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：控制防止汽車制動時車輪的抱死，保證車輪與地面之間達(dá)到最佳滑動率(5％-20％)。這樣汽車無論在何種路面上制動時，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時不會發(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傳感器，它主要是通過利用車輪角速度傳感器,檢測車輪轉(zhuǎn)速,在各車輪的滑移率為20% 時對制動油壓進(jìn)行控制，改善其制動性能,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及時地提供可靠精確的車輪轉(zhuǎn)速，如果沒有輪速傳感器，該系統(tǒng)的工作是無法完成的，同時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

　　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、自動化發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。汽車的自動化程度越高，對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)作為重點研究開發(fā)的技術(shù)項目。由于汽車底盤電子控制系統(tǒng)是有很多個系統(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，未來汽車底盤電子控制系統(tǒng)傳感器的發(fā)展趨勢必將是向著集成化、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]。使傳感器越來越精確，科技含量越來越高，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)展趨勢介紹

　　智能化傳感器是一種帶有微型計算機(jī)，兼有檢測、判斷、信息處理等多種功能的傳感器。與傳統(tǒng)傳感器相比，它可以通過確定傳感器的工作狀態(tài)，對測量資料進(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)、車輛和人是否會發(fā)生危險，并及時采取相應(yīng)措施。它的不同之處就在于是利用軟件來解決問題的，而這些問題又是普通的傳感器中硬件難以解決的問題。例如完成資料的計算與處理工作等，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)，將會給駕駛員帶來很多方便。

　　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敏感組件于一體的傳感器。這種傳感器能檢測兩個或兩個以上的特征參數(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)，將微米級的敏感元件、信號處理器、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，而且價格便宜，小而精的元件可以明顯提高系統(tǒng)測試精度。當(dāng)前，這項技術(shù)已逐步成熟，可以制作檢測力學(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)到了一個很高的水平，即在制造各種材料時，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重大發(fā)現(xiàn)；另外，國內(nèi)外汽車電子化方面的很多專家也已經(jīng)對有機(jī)材料產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們在推測有機(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，加工工藝也會對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研究的一個方向。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。通過運用這些新技術(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，加工工藝也會對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研究的一個方向。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。通過運用這些新技術(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

　　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,汽車底盤也越來越多的使用了傳感器,由于傳感器的使用底盤的制動操縱性能、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，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，它能在必要時向駕駛員提出合理的建議或者對駕駛員的指令進(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)。