一、前言

線傳控制(X-by-Wire)系統(tǒng)源自飛機(jī)駕控(Fly-by-Wire)概念，已于航空與軍事車輛行之有年，使其應(yīng)用載具得以表現(xiàn)優(yōu)異操控特性并提高系統(tǒng)可靠度，線傳控制系統(tǒng)將成為先進(jìn)車輛與汽車的技術(shù)發(fā)展重心， 因應(yīng)汽車導(dǎo)入市場，多數(shù)與車輛安全相關(guān)之機(jī)械操作次系統(tǒng)(Subsystem)，逐漸更換成具高可靠度的線傳控制，其中 X 代表與汽車安全相關(guān)的操作，線傳控制是通過車載控制網(wǎng)絡(luò)(CAN BUS)通信協(xié)定連結(jié)電子設(shè)備，借以控制發(fā)動機(jī)或機(jī)構(gòu)的方式，將傳統(tǒng)車輛上原先各自獨(dú)立操作的復(fù)雜機(jī)構(gòu)或零組件，如機(jī)械或油壓裝置改以信號取代或整合， 并經(jīng)由車輛行車計算機(jī)控制，大幅提升電動車輛操縱性與安全性，汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)得以因此精簡化，進(jìn)而提升車輛設(shè)計靈活性，達(dá)成輕量化的目的，汽車電子應(yīng)用技術(shù)的突飛猛進(jìn)，線傳控制將成為新一代汽車設(shè)計的重要議題。

二、線傳控制種類特征

目前已上市的傳統(tǒng)汽車或汽車多有線傳控制的應(yīng)用例子，線傳控制計有線控轉(zhuǎn)向(Steer-by-Wire)、線控懸掛(Suspension-by-Wire)、線控制動(Brake-by-Wire)、線控油門(Throttle-by-Wire 或 Drive-by-Wire)、線控?fù)Q擋(Shift-by-Wire)等應(yīng)用方式。

三、線傳控制技術(shù)發(fā)展

汽車導(dǎo)入線傳控制應(yīng)用，可以省略傳統(tǒng)的氣動、液壓或機(jī)構(gòu)，取而代之的是傳感器、汽車電子控制單元(ElectronicControl Unit, ECU)、電磁的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器精度、控制單元硬件可靠性、抗電磁干擾性 (Electromagnetic Compatibility, EMC)、控制算法的可靠性與容錯性(Fault Tolerance)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速性、各系統(tǒng)控制單元之間的通信實(shí)時性、車載控制網(wǎng)絡(luò)整合能力等，攸關(guān)線傳控制的功能與應(yīng)用，以下列舉支援線傳控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)例。

01 容錯控制

為滿足線控技術(shù)的汽車可靠性與安全性要求，線控系統(tǒng)必須考量容錯控制，容錯控制分為硬件與解析方法2 種，硬件主要是通過對重要汽車零組件與容易發(fā)生故障零組件提供備份，以提高系統(tǒng)的容錯性能，解析方法則是設(shè)計控制器軟件，提高整個系統(tǒng)可靠度，從而改善線傳控制的容錯能力。主要車載半導(dǎo)體廠商為確立在業(yè)界創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者地位，積極地朝向汽車的線傳控制潮流發(fā)展，目前有關(guān)安全性的駕駛輔助系統(tǒng)由于受限于昂貴且復(fù)雜的機(jī)械/液壓零組件雖尚未普及化，線傳控制以容錯電氣/電子系統(tǒng)取代機(jī)械式汽車零組件，逐漸導(dǎo)入市場且被消費(fèi)者所接受，初期已完成包括轉(zhuǎn)向操控、剎車、加速與懸掛控制等電子化界面，并導(dǎo)入汽車的測試與開發(fā)。

02 傳感器整合

傳感器整合應(yīng)用是線控的關(guān)鍵技術(shù)， 例如線控制動的電子液壓剎車系統(tǒng)(Electrical HydraulicBraking System, EHB)或電子機(jī)械剎車系統(tǒng) (ElectricalMechanicalBraking System, EMB)等都是由許多傳感器所整合組成，關(guān)鍵零組件包含角度位移傳感器、扭力傳感器、車速傳感器、側(cè)向加速度傳感器、橫移角速度傳感器等，傳感器處理速度與反饋精度，攸關(guān)汽車電子系統(tǒng)的控制能力，如何制造體積精簡、成本合理、可靠性高且量測精度高的傳感器是線傳控制重要課題。

03 車載控制網(wǎng)絡(luò)

汽車通過傳感器與車載半導(dǎo)體元件，提供不同系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡(luò)之間訊息溝通，形成簡化設(shè)計、提升安全性、降低成本與實(shí)現(xiàn)許多未來先進(jìn)、嶄新服務(wù)的整合載具。車載半導(dǎo)體在車載控制網(wǎng)絡(luò)扮演創(chuàng)新的角色，涵蓋高速、容錯的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，特別針對乘客安全保護(hù)系統(tǒng)的概念、汽車遠(yuǎn)端控制總線(Gateway)的解決方案與針對未來線傳控制系統(tǒng)的開發(fā)等，不斷擴(kuò)充與車載控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)格兼容的汽車零組件。

歐洲主要車廠已應(yīng)用于汽車動力與傳動系統(tǒng)是高速車載 CAN，且已提升系統(tǒng)的完整性， 新一代車載半導(dǎo)體訂定新的高速車載 CAN效能，由于導(dǎo)入新的硅芯片材料制程，汽車零組件提供具電磁兼容性能，有效提升電動車動力與傳動應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；同時因車內(nèi)動力系統(tǒng)數(shù)量增加， 穩(wěn)定的容錯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需求也相對提升，車載半導(dǎo)體容錯技術(shù)成為汽車線制與信息相互連結(jié)的共通標(biāo)準(zhǔn)。

04 線控轉(zhuǎn)向控制原理與結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向是汽車主要操控性能之一，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性，如何合理地設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能，是設(shè)計的重要課題，是繼電動助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering, EPS)之后發(fā)展的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有比 EPS 操縱穩(wěn)定性更好的特點(diǎn)，方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間不再采用機(jī)械零組件(如轉(zhuǎn)向機(jī)柱等)連結(jié)，擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，改善駕控方便性與安全性。

汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤(SteeringWheel)總成、方向盤傳感器(Wheel Sensor)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成、控制單元(ECU)與控制電機(jī)或致動器(Actuator)等關(guān)鍵零組件、自動故障處理系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)所組成。方向盤總成的主要功能是將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖(透過測量方向盤轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號，并傳遞給主控制器；同時接受主控制器力矩信號，產(chǎn)生方向盤旋轉(zhuǎn)力矩，提供駕駛員相對應(yīng)的路面感測信息，方向盤總成包括方向盤、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、力矩傳感器、控制電機(jī)或致動器；轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成功能是接受主控制器命令，通過控制電機(jī)或制動器控制轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖；圖 1 所示，是線控轉(zhuǎn)向的控制架構(gòu)。


圖 1 線控轉(zhuǎn)向的控制結(jié)構(gòu)

自動故障處理系統(tǒng)是線控轉(zhuǎn)向的重要模塊，包括一系列的監(jiān)控與實(shí)施算法，針對不同的故障形式與故障等級做出實(shí)時處理，以維持汽車正常行駛，汽車的安全性必須首先考慮的因素，故障自動檢測與自動處理是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要功能，須采用嚴(yán)密的故障檢測與處理邏輯，以提升汽車安全性能。

傳統(tǒng)汽車的動力方向盤系統(tǒng)系使用發(fā)動機(jī)動力，經(jīng)皮帶傳動推動液壓油泵（Hydraulic Pump） 產(chǎn)生轉(zhuǎn)動輪胎輔助力量，反而造成發(fā)動機(jī)輸出動力浪費(fèi)，通常車輛于停止或慢速轉(zhuǎn)彎，需大幅度轉(zhuǎn)動輪胎時，動力方向盤系統(tǒng)產(chǎn)生推力，發(fā)動機(jī)以怠速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)，不適合大動力輸出；但當(dāng)車速增加，發(fā)動機(jī)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，可由傳動皮帶輸出大量動力，此時輪胎不需大幅轉(zhuǎn)動。

線控轉(zhuǎn)向控制系與輪胎位置感應(yīng)器結(jié)合，作為力量反饋電機(jī)信號，經(jīng)由ECU，直接控制輪胎轉(zhuǎn)動，電機(jī)僅于輪胎轉(zhuǎn)動時輸出，可減少發(fā)動機(jī)動力輸出消耗。電控液壓(Electrohydraulic)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)被視為是導(dǎo)入線傳控制轉(zhuǎn)向之前的過渡性設(shè)計，仍設(shè)有電動電機(jī)、液壓油、動力轉(zhuǎn)向泵(Power Steering Pump)，依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向調(diào)整適當(dāng)?shù)挠蛪海?dāng)直線行駛時，動力轉(zhuǎn)向泵關(guān)閉，減輕發(fā)動機(jī)工作負(fù)擔(dān)。

四、線控轉(zhuǎn)向應(yīng)用實(shí)例

01 機(jī)構(gòu)配置與應(yīng)用潛力

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本性能是保證車輛在任何情況下轉(zhuǎn)動方向盤時有較理想的操縱穩(wěn)定性，隨著汽車電子技術(shù)的精進(jìn)發(fā)展與汽車功能系統(tǒng)的整合，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HydraulicPower Steering System, HPS)、電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electronic Control HydraulicPower Steering System, ECHPS)，發(fā)展到現(xiàn)在逐漸推廣應(yīng)用的電動液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Electro-Hydraulic PowerSteering System, EHPS)。

典型的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤總成、電控單元與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)等 3 大系統(tǒng)所組成，負(fù)責(zé)感測駕駛員駕駛意圖的轉(zhuǎn)角傳感器與轉(zhuǎn)矩傳感器，整合在方向盤總成系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，電控單元通常設(shè)置 3 組及以上，各系統(tǒng)互為安全備份，當(dāng)某一系統(tǒng)電控單元發(fā)生故障時， 備份的電控單元立即接手，防止故障發(fā)生，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與現(xiàn)有的電動動力轉(zhuǎn)向(EPS)比較， 最大差異是省略轉(zhuǎn)向機(jī)柱等機(jī)械結(jié)構(gòu)。

精簡轉(zhuǎn)向機(jī)柱后，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置可以大幅簡化，原有的剛性連接機(jī)械零組件逐漸被電子信號線所取代，不僅節(jié)省駕駛艙空間，還可以刪減轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與機(jī)構(gòu)的重量，提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。此外由于傳統(tǒng)的剛性連接機(jī)構(gòu)被取代，駕駛不再承受到路面顛簸所帶來的方向盤振動，汽車發(fā)生正面碰撞事故時，駕駛員不至于受到轉(zhuǎn)向機(jī)柱的撞擊傷害，節(jié)省出來的空間可以配置腿部安全氣囊，從而改善汽車安全性。

02 主要車廠導(dǎo)入線控轉(zhuǎn)向?qū)嵗?br />
2016 年的北美車展，Infiniti 展示第二代線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Q50 乘用車，與第一代線傳控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比較，第二代線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改善轉(zhuǎn)向反饋與轉(zhuǎn)向回正力矩，進(jìn)一步優(yōu)化汽車轉(zhuǎn)向的精確性與操控性，隨著汽車電子元件與控制技術(shù)的精進(jìn)，在越來越強(qiáng)調(diào)汽車安全性與舒適性的未來，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將逐漸取代現(xiàn)有傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，成為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，也為汽車零組件產(chǎn)業(yè)提供嶄新的轉(zhuǎn)型機(jī)會。

InfinitiQ50

Infiniti Q50是一款導(dǎo)入線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車型，是 Q503.5 Hybrid 的標(biāo)準(zhǔn)配置，也是特定市場 Q502.2d柴油車的選配產(chǎn)品，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的工作原理是將駕駛員的輸入電子傳輸?shù)角拜?，然后透過高響應(yīng)制動器擷取控制信號，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)向齒條，使Q50的傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向反應(yīng)速度更快，并且沒有機(jī)械損失，由于該技術(shù)對方向盤不致造成振動，提供非常典型的性能反饋，作為 Infiniti驅(qū)動模式選擇器的一部分，駕駛員可以透過觸控?zé)赡徽{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向，選項(xiàng)提供多達(dá)四個預(yù)編程設(shè)置，但也有一個單獨(dú)的設(shè)置，允許駕駛自由定義轉(zhuǎn)向重量與反應(yīng)，以滿足駕控的喜好與因應(yīng)的道路類型。

Infiniti Q50 已對直接自適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行超過 40 萬公里的實(shí)際測試，并配備由三個獨(dú)立電子控制單元組成的三重備用系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還將采用主動車道控制，這是一種搭配影像傳感器的系統(tǒng)，透過讀取車道標(biāo)記并提供校正轉(zhuǎn)向輸入，可以將Q50隨時維持在正確車道上，圖2 是 Q50 線控轉(zhuǎn)向執(zhí)行架構(gòu)示意圖。


圖 2 Infiniti Q50 線控轉(zhuǎn)向的控制架構(gòu)

五 主要供應(yīng)商發(fā)展動態(tài)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展與電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)一脈相承，其所應(yīng)用的關(guān)鍵零組件在 EPS 中類似，其系統(tǒng)相對于 EPS 需要有備份功能，目前線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有兩種方式：其一是取消方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械連接，通過多個電動電機(jī)與控制器增加系統(tǒng)的備份，其二是在方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間增加一個電磁離合器作為失效備份，增強(qiáng)系統(tǒng)的備份功能。線控轉(zhuǎn)向技術(shù)需要在 EPS 技術(shù)基礎(chǔ)上延續(xù)發(fā)展，因此線控轉(zhuǎn)向技術(shù)的廠商絕大多數(shù)都是傳統(tǒng)汽車的第一階(Tier 1)供應(yīng)商。電動動力轉(zhuǎn)向的核心零組件包含電動電機(jī)、電控、扭矩傳感器、角度傳感器等，基本上都由各頭部廠商自行供應(yīng)，擁有相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)進(jìn)入障礙與緊密的供應(yīng)鏈，新創(chuàng)廠商切入線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的領(lǐng)域相對困難，表 1，是主要廠商在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)動向。

表 1 主要廠商在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)動向

 
01 Schaeffler

Schaeffler與德國公司Paravan達(dá)成協(xié)議，收購 Paravan的線傳控制技術(shù) SpaceDrive，該技術(shù)將在未來自動駕駛車輛中扮演關(guān)鍵角色，同時作為協(xié)議的一部分，雙方創(chuàng)建一家合資公司，其中 Schaeffler擁有 90%股份，SpaceDrive由 Paravan公司開發(fā)，用于幫助身體殘疾的人，該技術(shù)允許車輛透過純電子方式執(zhí)行轉(zhuǎn)向與停車動作，不再需要方向盤或轉(zhuǎn)向機(jī)柱。

Schaeffler表示即使在有方向盤的自動駕駛乘用車中，透過消除線傳控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)節(jié)省空間，可為車輛與駕駛艙室內(nèi)部設(shè)計提供全新配置的可能性，圖3是 Schaeffler與Paravan共同研發(fā)的次世代線控轉(zhuǎn)向原型車Mover，為自駕車市場做準(zhǔn)備，Schaeffler將為合資公司貢獻(xiàn)Mover自動駕駛技術(shù)，Schaeffler于 2019年 4 月發(fā)布自動駕駛電動概念車 Mover，該車底盤可與不同版本車身結(jié)合，應(yīng)用于不同的城市交通與運(yùn)輸功能。


圖 3Schaeffler 與 Paravan 共同研發(fā)的線控轉(zhuǎn)向原型車

02 JTEKT

JTEKT 為因應(yīng)未來能適應(yīng)自動駕駛系統(tǒng)，認(rèn)為須考量兩項(xiàng)關(guān)鍵因素，分別是備用系統(tǒng)(Redundancy Systems)與線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，預(yù)計在未來幾年內(nèi)推出線控轉(zhuǎn)向產(chǎn)品，JTEKT 正在研發(fā)適用于自動駕駛系統(tǒng)的線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，雖然目前仍處于原型階段，這種線控轉(zhuǎn)向技術(shù)能打破駕駛與方向盤間的機(jī)械連接，而是將方向盤的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為電控信號，在傳遞至控制車輪的電動電機(jī)，圖 4 是由 JTEKT 與 Lexus 共同研發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原型車。


圖 4由 JTEKT 與 Lexus 共同研發(fā)的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

03 Nexteer

Nexteer 打造一款無法旋轉(zhuǎn)的方向盤，打造的方向盤雖然無法旋轉(zhuǎn)，卻仍能用于車輛操控， 方向盤取名為Quiet Wheel，采用信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輪操控，提升車輛操控安全系數(shù)，新技術(shù)的應(yīng)用可回避因方向盤轉(zhuǎn)向過快而引起的安全事故風(fēng)險。本質(zhì)上 QuietWheel 采用線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，當(dāng)車輛切換到自動駕駛模式后，車載計算機(jī)發(fā)送（轉(zhuǎn)向）信號，因此方向盤沒有轉(zhuǎn)動的必要。

互聯(lián)與自動駕駛是未來趨勢，屆時該類車輛的操控或無需用到方向盤，直至最終徹底消失，該技術(shù)尚未被應(yīng)用到量產(chǎn)車型中，Nexteer表示線控轉(zhuǎn)向方向盤正在研發(fā)與功能確認(rèn)中，定位未來 L3 級-L5 級自動駕駛車輛，預(yù)期在未來數(shù)年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，圖 5 是 Nexteer 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(Quiet Wheel)示意圖，精簡甚至省略機(jī)械連結(jié)。



六、展望

汽車導(dǎo)入市場，提供新型車輛零組件的創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)會，其動力系統(tǒng)控制與機(jī)械結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車不盡相同，線傳控制系統(tǒng)將刺激汽車電子零組件的擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域與比例，諸如汽車半導(dǎo)體、汽車整合 IC控制芯片、電力電子元件、各類型傳感器及汽車演算技術(shù)的需求將大幅增加， 隨著電動車輛比例增加，將帶動汽車電子零組件廣泛應(yīng)用機(jī)會。

線控轉(zhuǎn)向以車載控制網(wǎng)絡(luò)信號取代部分傳統(tǒng)關(guān)鍵零組件，例如轉(zhuǎn)向機(jī)柱、轉(zhuǎn)向齒輪(齒條) 等，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性變的非常重要，必須具備可靠的車載控制網(wǎng)絡(luò)與容錯性應(yīng)用技術(shù)，提供線控轉(zhuǎn)向控制處于確實(shí)安全的駕控狀態(tài)，亟需建立車載控制網(wǎng)絡(luò)與線控轉(zhuǎn)向測試驗(yàn)證技術(shù)，以便與相關(guān)的傳感器、控制電機(jī)、控制器或致動器等整合或連結(jié)。