1.1 汽車電子控制器概論

汽車電子控制器的作用是接收來自傳感器的信息，進(jìn)行處理，輸出相應(yīng)的控制指令給到執(zhí)行器執(zhí)行，控制器的反應(yīng)速度、判斷準(zhǔn)確性至關(guān)重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，控制器的功能范圍不斷擴(kuò)大。汽車電子控制單元作為汽車電子控制系統(tǒng)的核心部分，是嵌入式系統(tǒng)裝置，一般包括硬件和軟件兩部份。一般汽車電子控制器硬件結(jié)構(gòu)主要包括微處理器（MCU）、存儲(chǔ)器、輸入& 輸出接口（A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器）單元。

圖 1：典型的汽車電子控制電路框圖

汽車電子控制系統(tǒng)要求有很好的可靠性和實(shí)時(shí)性，需要滿足嚴(yán)苛的ISO 26262 功能安全要求。而汽車電子控制系統(tǒng)控制的變量越來越多，系統(tǒng)架構(gòu)越來越復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和系統(tǒng)故障自診斷能力要求更是提出挑戰(zhàn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，目前乘用車的汽車電子控制單元（ECU）數(shù)量在25~100 個(gè)左右。

圖2：部分汽車電子控制單元

由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)的變量多且相互影響，導(dǎo)致難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。隨著智能控制的發(fā)展，一般系統(tǒng)級(jí)控制采取智能控制方法，執(zhí)行層控制采取經(jīng)典理論控制：建立精確的數(shù)學(xué)模型，精確控制。

圖3：發(fā)送機(jī)管理系統(tǒng)ECU

ECU 產(chǎn)業(yè)鏈：

汽車電子控制器硬件的核心在于微處理器。微處理器包括MCU、MPU、DSP 和邏輯IC等。其中市場(chǎng)知名的為微處理器廠家主要有恩智浦、TI、英飛凌、瑞薩、ADI 等公司，電子控制單元（ECU）領(lǐng)先企業(yè)是跨國(guó)汽車電子零部件巨頭，如博世、電裝、大陸公司等。

圖4：汽車電子控制單元產(chǎn)業(yè)鏈

汽車用微處理器一直在根據(jù)汽車的要求不斷更新?lián)Q代，以發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制單元用微處理器（MCU）為例說明（如圖5），從歐3 到歐6，隨著汽車油耗要求的不斷提高，為達(dá)到要求，微處理器也從早期的16 位CPU 到32 位CPU，處理速度（MIPS 指標(biāo)）不斷加快，所用的存儲(chǔ)器容量也不斷提高。汽車自動(dòng)駕駛的發(fā)展使得汽車微處理器處理的數(shù)據(jù)量成幾何級(jí)增長(zhǎng)，需要汽車微處理器有高性能計(jì)算能力，特別是汽車識(shí)別行人物體的計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)功能要求芯片具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)計(jì)算處理能力。

圖5：發(fā)動(dòng)機(jī)用管理系統(tǒng)MCU進(jìn)化歷程

目前英偉達(dá)（NVIDIA）開發(fā)的圖形處理器（GPU）在深度學(xué)習(xí)、圖像處理方面處于技術(shù)領(lǐng)先地位，其在2016 年CES展推出的第二代產(chǎn)品DRIVE PX2 是基于16nm 工藝打造的SoC產(chǎn)品，擁有兩顆GPU 核心和12 個(gè)CPU 核心，相當(dāng)于150 臺(tái)MacBook Pro 的8T Flops 運(yùn)算能力，可支持12 路攝像頭輸入、激光定位、雷達(dá)和超聲波傳感器，多個(gè)平臺(tái)并行運(yùn)算，可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。2017 年沃爾沃上路的100 輛自動(dòng)駕駛SUVs 就使用了英偉達(dá)DRIVE PX2 芯片。同時(shí)奧迪、戴姆勒、福特、豐田等車企也在和英偉達(dá)合作開發(fā)車載超級(jí)計(jì)算解決方案，以加速自動(dòng)駕駛汽車的實(shí)現(xiàn)。

圖6：DRIVE PX2

與此同時(shí)，高通宣布了其基于14nm 工藝打造的新一代Snapdragon820A 處理器可以很好地支持深度學(xué)習(xí)功能。現(xiàn)有的汽車微處理器供應(yīng)商如瑞薩，恩智浦、德州儀器、意法半導(dǎo)體（Mobileye EyeQ 芯片代工商）、英飛凌等也將被迫在未來推出16nm 工藝的高性能SoC 芯片產(chǎn)品，瑞薩已經(jīng)宣布了其開發(fā)新一代R-car 處理器時(shí)間節(jié)點(diǎn)。由于16nm 工藝所需用的光掩模非常昂貴，而汽車工業(yè)的投資回報(bào)率較低，眾多芯片供應(yīng)商的加入將可以形成規(guī)模效應(yīng)，提高16nm 工藝芯片的投資回報(bào)率。由于汽車智能化的迅猛發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)計(jì)汽車的微處理器市場(chǎng)廣闊，據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS 公司預(yù)測(cè)，2021 年全球汽車微處理器市場(chǎng)可達(dá)到約14 億美元的規(guī)模。

圖7：全球汽車微處理器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

汽車電子控制單元（ECU）的另一核心是軟件算法。隨著汽車智能化的不斷提高，軟件系統(tǒng)越來越復(fù)雜，整個(gè)汽車軟件代碼行數(shù)在1000 萬以上，軟件價(jià)值占比不斷上升，開發(fā)成本占汽車電子系統(tǒng)總成本的一半以上，重要性凸顯。

汽車軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列實(shí)用程序，一般由處理器芯片廠家提供。應(yīng)用軟件包括：1）數(shù)據(jù)采集與過程監(jiān)控模塊；2）數(shù)據(jù)處理模塊；3）控制算法模塊；4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊；5）故障自診斷模塊。

控制理論的不斷突破，為汽車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的理論支撐，從早期的經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論再到智能控制理論，與之相對(duì)應(yīng)，汽車電子控制系統(tǒng)采用的控制技術(shù)由PID 控制到魯棒控制再到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（CNN），控制功能越來越多。

由于汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，各個(gè)系統(tǒng)相互耦合，一般來說，系統(tǒng)層的控制采取智能控制、模糊控制算法，執(zhí)行層的控制采取建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型、精確控制的算法。

圖8：控制理論的發(fā)展對(duì)汽車控制系統(tǒng)的影響

線控技術(shù)：

線控技術(shù)（X-by-Wire）是通過線束傳遞信號(hào)控制，而不是通過機(jī)械連接裝置來操控，對(duì)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一個(gè)根本的變革，其本質(zhì)就是利用弱點(diǎn)信號(hào)來控制強(qiáng)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以取代原先的機(jī)械或者液壓來操縱執(zhí)行。

線控技術(shù)是基于信息交互處理和實(shí)時(shí)控制的新型電控系統(tǒng)，需要高性能的控制器和高速總線支持。

典型的線控系統(tǒng)有線控轉(zhuǎn)向（Steer-by-Wire）、線控制動(dòng)（Brake-by-Wire）、線控油門（Throttle-by-Wire）等。線控技術(shù)（X-by-Wire）代表了一系列的車輛綜合控制技術(shù)。

圖9：線控技術(shù)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的變革

X-by-Wire 技術(shù)可使汽車更加的輕便、便宜、安全并且使用更加經(jīng)濟(jì)，基于X-by-Wire 技術(shù)研發(fā)的這些系統(tǒng)可以很輕易的應(yīng)用到各種車型上去，而不需要做大的修改和調(diào)校。通過X-by-Wire 技術(shù)可以進(jìn)行整合的汽車底盤綜合系統(tǒng)可以極大的提高車輛的安全性、操控穩(wěn)定性和燃油經(jīng)濟(jì)性等。

下面介紹線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer-by-Wire）的具體應(yīng)用。

圖10：傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的對(duì)比

如上圖所示，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置，轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向柱之間無機(jī)械連接。整個(gè)系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤舵角傳感器、轉(zhuǎn)向ECU、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)、力矩反饋電機(jī)和環(huán)境傳感器等組成。線控轉(zhuǎn)向的好處在于提高了整車設(shè)計(jì)自由度，沒有了機(jī)械連接，便于系統(tǒng)布置；轉(zhuǎn)向效率高，響應(yīng)迅速，可在瞬間提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力；有利于改善駕駛特性，增強(qiáng)操縱性；有利于整合底盤技術(shù)和降低底盤開發(fā)綜合成本。

目前所有領(lǐng)先車企和零部件企業(yè)都在開發(fā)線控技術(shù)產(chǎn)品。TRW 公司開發(fā)的線控系統(tǒng)使得燃油經(jīng)濟(jì)性提高5%，德爾福、博世、法雷奧也紛紛開發(fā)了線控技術(shù)產(chǎn)品。

技術(shù)趨勢(shì)：

（1）汽車電子架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)：汽車電子控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)存在較大的故障潛在隱患。未來基于高性能總線技術(shù)的分布式計(jì)算架構(gòu)將改善這種情形。

（2）半導(dǎo)體工業(yè)的驅(qū)動(dòng)： ITRS 2012 發(fā)布全球集成電路發(fā)展路線圖，未來集成電路將沿著“延續(xù)摩爾定律”（Moore）、“超越摩爾定律”（More than Moore）和“超越CMOS”(Beyond Moore) 方向發(fā)展。“延續(xù)摩爾定律”通過不斷縮小尺寸升級(jí)產(chǎn)品，如SoC；“超越摩爾定律”通過系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）等實(shí)現(xiàn)功能的集成。

2.1 常見控制單元介紹

2.1.1 車身穩(wěn)定電子控制

系統(tǒng)（ESC）

汽車在行駛過程中由于橫擺和側(cè)偏運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生側(cè)向失穩(wěn)，橫擺控

制力矩通過對(duì)作用在車輪上的制動(dòng)力或者驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行有效的分配，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用在整車上的橫擺力矩。通過控制這個(gè)橫擺控制力矩，汽車的橫擺和側(cè)偏運(yùn)動(dòng)就能有效的控制。這就是車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）的工作原理。

車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）是在ABS（防抱死系統(tǒng)）和ASR（驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并增加了方向盤舵角傳感器、橫向/ 縱向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器等。通過傳感器和控制器來識(shí)別汽車實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和駕駛員意愿，進(jìn)行比較判斷，然后發(fā)出指令調(diào)節(jié)車輪縱向制動(dòng)力大小以匹配汽車的橫擺運(yùn)動(dòng)，提高汽車行駛安全性。

圖11：常見的控制單元

2.1.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）

EPS：主要由電子控制單元、助力電動(dòng)機(jī)、減速器、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、車速傳感器、舵角傳感器等組成。

當(dāng)操縱方向盤時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器不斷地測(cè)量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)角信號(hào)，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入到電子控制單元ECU，經(jīng)過ECU 計(jì)算處理后控制電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，電動(dòng)機(jī)的助力轉(zhuǎn)矩通過減速器減速增矩后加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)汽車助力轉(zhuǎn)向的作用。

圖12：電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向示意圖

按照助力電機(jī)安裝的形式，EPS可以分為以下三種類型：轉(zhuǎn)向柱助力式（C-EPS）、齒條助力式（R-EPS）、齒輪助力式（P-EPS）。

2.1.3 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control，簡(jiǎn)稱ACC）是在定速巡航控制系（CC）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在車輛行駛過程中，安裝在車輛前部的毫米波雷達(dá)持續(xù)掃描前方道路，同時(shí)輪速傳感器采集車速信息，當(dāng)與前車之間的距離過小時(shí)，控制單元通過CAN 總線傳輸信號(hào)與ABS 系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，使車輪適當(dāng)制動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率下降，以保持與前方車輛一定的安全的距離。當(dāng)需要更大的減速度時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)通知駕駛者主動(dòng)采取制動(dòng)動(dòng)作。ACC 系統(tǒng)一般在大于25Km/h 速度時(shí)才作用，低于這個(gè)速度需要駕駛者控制速度。

2018-05-11  來源：頭條號(hào)汽車零部件

文章關(guān)鍵詞： 韋爾半導(dǎo)體股份 香港華清電子(集團(tuán))有限公司 汽車零部件 控制器

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