传感器在汽车底盘电子控制中的应用

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1引言

随着电子技术的发展，汽车的电子化程度也越来越高。汽车底盘控制系统的装置与执行器之间的连接，也由简单的机械连接阶段进入了电信号联系阶段。良好的底盘电子控制系统能改善车轮和地面之间的附着状况，进而改善汽车的安全性、动力性和舒适性[1]。电子控制系统在汽车底盘技术中的应用很好地改善了汽车的主动安全性。常见的底盘控制系统有以下几种：牵引控制、制动控制、悬挂控制和转向控制[2]。传感器是电子技术中的核心器件，是一种进行信号变换的装置，它的作用是把被测的非电量信号转变成为电量信号，是促进汽车技术全面发展的关键器件。在汽车底盘电子控制系统中，控制工作是离不开传感器的[3]。用于底盘控制的传感器指的是分布在变速器控制系统、动力转向系统、悬架控制系统、制动系统等中的传感器,在不同系统中他们的作用不同,但其工作原理是相同的[4]。

2 汽车底盘电子控制的理论基础

汽车底盘的主要功能是让汽车能根据驾驶员的意愿作相应的运动，像加速、减速和转向运动等。驾驶员是通过操纵汽车里的转向盘、油门和制动踏板等元件来表达自己意愿的,相应于这些操纵的执行量是前轮的转向角以及车轮上的驱动力矩或制动力矩,而真正起作用的是轮胎的纵向力和侧向力。影响汽车轮胎力的主要因素有路面的附着系数、车轮的法向力、车轮滑动率和车轮侧偏角。汽车底盘控制设计的基本原理就是在给定了路面附着系数和车轮法向力的前提下，对车轮滑动率和车轮侧偏角进行适当的调整和控制,从而达到间接调控轮胎的纵向力和侧向力的目的,最大限度地利用轮胎和路面之间的附着力,达到提高汽车的主动安全性、机动性和舒适性的目的。汽车底盘的电子控制是一个多系统相互影响,相互作用的复杂系统工程,具体表现如下：

(1) 同一个控制系统可能会拥有多个执行机构、并对多个变量同时进行控制。(2) 同一个控制目标可以由不同的控制系统单独控制或者多个系统共同控制。 (3) 同一个控制目标同时被不同的控制系统所控制。(4) 不同的控制系统可能共用同一传感器或者控制单元 [2]。

3 传感器在汽车底盘电子控制中的应用现状

3. 1　传感器在动力转向系统中的应用

在动力转向系统中，传感器的控制对象是车轮转向角，通过对车轮转向角的电子控制,达到控制动力转向系统的目的。常见的动力转向系统有：主动前轮叠加转向系统AFS、主动前轮助力转向系统ESP和主动后轮转向系统RWS。所用的传感器主要有发动机转速传感器、车速传感器、转矩传感器等,通过这些传感器发挥作用，动力转向电控系统在实现转向操纵轻便、提高了响应特性的同时增大输出功率、减少发动机损耗，从而也节省了燃油。

所有的动力转向系统ESP、AFS及RWS的工作原理都是由驾驶员发出指令,由传感器感知路面的状况,并以电信号的形式将路面状况通过网络传递给电子控制器及执行器。比如在EPS系统中，这种微机控制的转向助力系统具有部件少、质量小、体积小等特点。在系统工作时，如果我们选择最佳传动比，就可以得到最快的反应：即当汽车高速行驶时，转向速度比就会变小，而转向力度会逐渐增大，这会使汽车方向更稳定、行车更安全。而当以很低的行驶速度驾驶时，转向速度比会变大，此时只需轻轻地小角度打转向盘，车身位移就会发生大幅度变化，这会使得很多工作变得轻松，比如停车入位工作；该系统的特点在于它提高了汽车的转向能力和转向响应特性，同时它也增加了汽车高速行驶时的稳定性和低速行驶时的机动性。另外，由于EPS可根据需要给转向盘施加一个额外力矩,驾驶员可以根据这个力矩的提示信号,才去转向措施，这就是此系统的转向建议的功能。该系统主要有电子控制器、电动机及运动传动机构、电机转速传感器、转向力矩传感器和转向盘转角传感器组成。其它系统也都和EPS系统一样，各自发挥了不可替代的重要的功能。

3.2　传感器在悬架系统控制中的应用

悬架系统控制中的传感器的工作是过对汽车悬挂元件特性进行干预和调节，从而达到实现汽车动力学控制的目的。工作的时候，系统综合汽车的运动状况和这些传感器检测到的信息，通过计算得出每个车轮悬挂阻尼器的最优阻尼系数,然后作出自动调整车高、抑制车辆姿势的变化等工作指令,从而实现了对操纵稳定性、行车稳定性和车辆舒适性的控制。连续性阻尼控制系统ADC是由4个控制单元、CAN、4个车轮垂直加速度传感器、4个车身垂直加速度传感器和4个阻尼器比例阀组成的。


3. 3　传感器在驱动和制动的电子控制系统中的应用

3. 3. 1　传感器在牵引力控制系统TCS中应用

由于汽车驱动轮的驱动力矩过大,驱动轮就会相对地面作滑转运动。根据计算驱动轮的安全滑转率最好不要超过20%，因此我们需要对驱动轮滑转率进行控制，对驱动轮滑转率进行控制的系统就是牵引力控制系统TCS。它是在ABS的基础上发展起来的，在大部分汽车里, TCS和ABS是共用一个ECU的,传感器的工作就是对汽车的滑转进行感知，然后将得到的信息以电信号的形式输入系统，系统对传感器输入的信号进行分析, 来识别和判断汽车的行驶状况，从而采取相应的措施。

3. 3. 2　传感器在汽车动力学电子稳定系统ESP中的应用

ESP系统是使汽车具有更舒适的操纵性和更好的方向的稳定性的主动安全系统，其基本工作原理是通过对传感器输入信号的分析，进行逻辑运算从而识别驾驶员对汽车的期望运动状态；通过对车轮纵向力大小和驾驶员对车的期望进行调节，得知汽车的实际运动状态。因此它需要比ABS和TCS配置更多的传感器来控制汽车的横摆运动。这一类识别驾驶员对汽车的期望的传感器，包括转向盘传感器、横向加速度传感器、汽车横摆角速度传感器和制动主缸的液压传感器[4]]。

3. 3. 3　传感器在汽车防抱死制动系统ABS中的应用

防抱死制动系统ABS是汽车电子装置中一种开发时间最长、推广应用最为迅速的重要的安全性部件。它的工作原理是：控制防止汽车制动时车轮的抱死，保证车轮与地面之间达到最佳滑动率(5％-20％)。这样汽车无论在何种路面上制动时，车轮与地面之间都能达到纵向的峰值附着系数和较大的侧向附着系数，从而可以保证车辆制动时不会发生车轮抱死抱滑、失去转向能力等不安全的工况，减小制动距离，提高了汽车的操纵稳定性和安全性。发挥作用的传感器是防抱制动传感器，它主要是通过利用车轮角速度传感器,检测车轮转速,在各车轮的滑移率为20% 时对制动油压进行控制，改善其制动性能,达到确保车辆操纵性和稳定性的目的[5]。其中，轮速传感器是ABS十分重要的器件。它的主要工作是向ECU及时地提供可靠精确的车轮转速，如果没有轮速传感器，该系统的工作是无法完成的，同时轮速传感器的精确程度将直接影响该系统的工作，轮速传感器主要有电磁式、霍尔式、磁阻式几种。

4 传感器在汽车底盘电子控制中应用的发展趋势

随着电子技术和汽车行业的发展，汽车传感器的发展状况将成为影响汽车高档化、电子化、自动化发展的关键因素之一。汽车的自动化程度越高，对传感器依赖性也就越大，所以很多汽车电子产业都把车用传感器技术作为重点研究开发的技术项目。由于汽车底盘电子控制系统是有很多个系统构成的，因此其所需要的传感器种类和数量也是多种多样的。那么，研制高精度、高可靠性和低成本的新型传感器是十分必要也将是必然的。为了适应这种需要，未来汽车底盘电子控制系统传感器的发展趋势必将是向着集成化、智能化和微型化的方向发展；在进行基础研究的基础上，发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺 [7]。使传感器越来越精确，科技含量越来越高，从而更好的促进电子技术乃至汽车行业的发展。

4.1发展趋势介绍

智能化传感器是一种带有微型计算机，兼有检测、判断、信息处理等多种功能的传感器。与传统传感器相比，它可以通过确定传感器的工作状态，对测量资料进行修正，这样就减少了环境因素，例如温度的影响。它的最大优点在于能够充分感知驾驶员和乘客的状况、交通设施以及周边环境的信息；能够判断驾驶员和乘客是否处于最佳状态、车辆和人是否会发生危险，并及时采取相应措施。它的不同之处就在于是利用软件来解决问题的，而这些问题又是普通的传感器中硬件难以解决的问题。例如完成资料的计算与处理工作等，而且这种智能式传感器不仅量程覆盖范围大、输出信号大，而且精度高、信噪比高、抗干扰性能好，很多还带有自检功能 [7]。将来如果这种传感器能应用于汽车底盘电子控制系统，将会给驾驶员带来很多方便。

多功能集成化传感器就是集多种功能敏感组件和同一功能的多个敏感组件于一体的传感器。这种传感器能检测两个或两个以上的特征参数或者化学参数，这样就减少了汽车底盘传感器的数量，提高了其电子控制系统的精确性。

微型传感器是利用微机械加工技术，将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置等封装在一块芯片上，这种传感器便于集成、体积小，而且价格便宜，小而精的元件可以明显提高系统测试精度。当前，这项技术已逐步成熟，可以制作检测力学量、磁学量、热学量等各种微型传感器。这种传感器应用于汽车底盘的电子控制系统，将大大优化汽车的很多性能。


4.2研究方法、方向介绍

进行传感器的研究开发是电子技术发展的必然，各种传感器的基本原理都是一样的，那就是利用物理现象、化学反应和生物效应等。所以发现新现象与新效应是现代传感器发展的重要基础。

传感器技术发展的另一个重要基础是功能材料。由于材料科学的飞速发展，材料制造已经达到了一个很高的水平，即在制造各种材料时，我们是可以任意控制材料的成分的。鉴于此我们也可以设计与制造出各种用于传感器的功能材料。例如，加入不同的半导体氧化物，可以制造出各种不同性能的气体传感器；光导纤维可以用作传感器的材料，是传感器功能材料的一个重大发现；另外，国内外汽车电子化方面的很多专家也已经对有机材料产生了浓厚的兴趣，他们在推测有机材料是否可以作为功能材料应用于传感器，这还有待于专家的进一步研究。

对于传感器，其敏感元件的性能很大程度上取决于其所用的功能材料。但是，加工工艺也会对元件的性能有一定的影响。所以改进加工工艺也将是将来研究的一个方向。随着各种新型材料诸如半导体、陶瓷等应用于传感器敏感元件，许多现代先进加工技术也被逐步引入汽车传感器制造工艺，像离子注入技术、集成技术、微细加工技术等。通过运用这些新技术，就可以制造出可靠性高、体积小、质量轻、性能稳定的新型敏感元件。例如，由于科技的飞速发展，微电子机械系统 (MEMS)技术已日渐成熟，这种技术是从半导体集成电路技术发展而来的。利用微电子机械系统可以制作出各种能够敏感地检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器[8]。

对于传感器，其敏感元件的性能很大程度上取决于其所用的功能材料。但是，加工工艺也会对元件的性能有一定的影响。所以改进加工工艺也将是将来研究的一个方向。随着各种新型材料诸如半导体、陶瓷等应用于传感器敏感元件，许多现代先进加工技术也被逐步引入汽车传感器制造工艺，像离子注入技术、集成技术、微细加工技术等。通过运用这些新技术，就可以制造出可靠性高、体积小、质量轻、性能稳定的新型敏感元件。例如，由于科技的飞速发展，微电子机械系统(MEMS)技术已日渐成熟，这种技术是从半导体集成电路技术发展而来的。利用微电子机械系统可以制作出各种能够敏感地检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器[8]。

5 结语

电子技术在汽车技术中的广泛应用，使汽车底盘的控制系统正在向着电子化、智能化的方向快速地发展，这样就导致了许多汽车底盘电子控制系统的出现，而传感器是电子技术的核心器件,汽车底盘也越来越多的使用了传感器,由于传感器的使用底盘的制动操纵性能、转向性能和汽车行驶的安全性能得到了极大的改善。同时，也提高了汽车的经济性、安全性。各种电子转向控制系统如AFS、EPS和RWS效果更是非常显著，它能在必要时向驾驶员提出合理的建议或者对驾驶员的指令进行必要的修正。随着电子传感器技术的进一步发展和完善，通过集成化将这些新的信息同汽车底盘电子控制系统结合，将会出现更多的新功能和新系统，从而为汽车产业的发展提供充分的条件和基础。