运动控制使汽车进入汽车

运动控制带来了可靠性和准确性的汽车应用，如仪表盘控制和转向辅助。

起初，汽车是相当简单的机械系统，执行相当简单的机械任务——将人、生物和货物从一个地方运送到另一个地方。如今，这项任务仍然很简单，但即使是低端汽车也拥有复杂的功能，部分是由运动控制驱动的。对于电机和子系统制造商，汽车应用提出了一系列相互冲突的要求。Juken瑞士科技有限公司的首席技术官Peter Jones说:“电机必须小巧、耐用、持久，而且不花任何钱。”

虽然许多汽车都具有数字显示器，但黄金标准仍然是模拟表盘。如果您有旋转速度表或转速计，则可能很好，您可以获得步进电机或两个埋在仪器面板后面。由车速传感器（VSS）的信号驱动，该信号监控曲轴，步进电机与仪表针上的齿轮啮合，将其转换为适当的位置。典型的VSS设计具有附接到曲轴的齿形金属轮，该曲轴调制磁场。车轮越快转动信号的较高频率，可将其加工成绝对速度。

制造商H. G.布伦纳有限公司生产照明指针和子系统仪表盘仪表，如速度表和转速表。他们的设计特点是lavet风格的步进电机。最初设计用于时钟应用，lavet电机提供高效率，高度精确的运动。根据H. G. Brunner技术顾问Bob Russell的介绍，三极电气系统在输出轴上提供了0.3度的分辨率，即使在转速表和速度表运行等高度动态的情况下，也能保证超平稳的运动。

步进电机运行开环，但产生可靠的运动-你控制一个步骤，你得到一个步骤。“微步是非常精确的，”JST的琼斯说。“你驱动电机，直到停止，然后你知道有4320微步到另一边的停止。”紧凑的装置提供所需的扭矩，而不需要变速箱。这对于仪表板应用程序来说很重要，因为在仪表板应用程序中，空间总是非常重要。

当然，仪器需要在夜间和白天回复。在早期设计中，安装在指示轴底部的LED的三重叠照射针。在JST，设计师采用了不同的粘性钉，设计了透明轴的步进电机，将LED的需求降至一个发射器。LED成本大约为$ .20，所以消除其中的两个降低了装配的总成本.40。直到将其与步进电机本身的成本进行比较，这可能不会听起来很多。在一个成本驱动的行业中，每一分钱都很重要。

聚合物指示轴将光线向上传递到针上，但它也将光线扩散到针的两侧。这会产生杂散光，影响仪表板的可读性。作为回应，JST团队用薄钢外壳包围了竖井。它不仅阻挡了不必要的光传输，还产生了更坚固的组件。就其本身而言，塑料不够坚固，无法承受拆卸。因此，为了维护而拆卸的部件将不得不被丢弃。有了钢套筒，这就不再是问题了。

电机往往是小-小于10毫米高，直径约30毫米。在20毫安左右工作时，它们产生约1.5毫安。可靠性在汽车应用中至关重要，需要全面的测试(见图1)。也许最大的挑战来自冲击和振动。为了保证电机能够承受滥用，JST对电机进行了6G的振动测试，以及20G的冲击测试。

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如今的许多汽车也配备了电子动力转向系统。天合汽车控股公司(TRW Automotive Holdings Corp.)全球转向系统产品规划总监查理•克雷格(Charlie Cregeur)说，转向辅助系统需要闭环伺服电机的准确性和可重复性。天合汽车使用一个磁力矩传感器来监测驾驶员施加的力的水平。微处理器运行一种特殊的算法，将感知到的扭矩转换成大小和方向指令，驱动三相、永磁、交流电机。

转向辅助系统由电动机、驱动和控制电子设备以及齿轮箱组成。辅助转向大致可分为两类:柱驱动设计和齿条驱动设计。柱驱动系统起源于更紧凑的车辆，这需要更小的扭矩来转向，因此，更小的发动机。因此，电机可以安装在仪表板内部，在仪表组的后面(见图2)。这种位置可以保护电机和电子设备免受极端温度和盐雾等腐蚀性的影响，但有限的空间限制了可以使用的设备的尺寸。

像越野车这样的大型车辆需要更多的肌肉，这意味着发动机太大了，无法安装在仪表板上。相反，机架驱动组件被放在了发动机舱中，这在最好的情况下是一个令人痛苦的环境(见图3)。“你通常离催化转换器很近，所以热量会非常高，”Cregeur说。“通常情况下，应用程序需要防热罩和偏转器，以使部分热量远离电子设备。一个在乘客舱里受到保护的柱驱动系统不需要被盐雾和防冻剂以及发动机舱里发生的所有讨厌的东西密封起来。这是一个友好得多的环境。”

转向辅助子系统需要复杂的控制，以确保安全性和有效的操作。“我们使用具有顺序控制序列的分层系统，”Cregeur说。“我们根据电流推动我们系统的输出，因此我们首先应用最低级别算法，以确定电机中需要的电流以获得适当的输出扭矩。然后，我们嵌套输入命令司机或从路上的刺激。“这个想法是通过跑过坑洞来滤除可能触发的系统的瞬时尖峰，例如，以防止它恢复到驾驶员的手中。

看，妈，不要举手
20世纪90年代，技术专家预测，自动驾驶的高速公路将迅速发展。15年过去了，无人驾驶汽车仍未实现。尽管如此，如今市场上的一些车型确实拥有自动停车功能，或者是使用雷达和摄像头的系统，不仅可以警告车道偏离，还会给方向盘施加少量扭矩，引导车辆回到标记之间。一种更先进的形式，称为车道引导，实际上是把车辆限制在车道中心的一个想象的槽中。理论上，该系统可以让司机免提出行。

问题是如何安全地实现这种系统。从仅转向的角度来看，TRW的方法是控制算法中的仲裁员，其评估电流回路，输入需求和扭矩覆盖以确定组合命令序列的准确性。“你必须拥有一个最终的错误检查，说：”这是一个明智的答案“，”里奇尔说。“你可以用几种方式做到这一点：通过拥有冗余微处理器运行算法，并在其上进行冗余的多数投票，或者使用智能[专用集成电路]进行看门狗功能。你必须有一些排序那里的看门狗。“Adding in brakes and sensors, and what TRW calls a driver-assist program, requires additional safeguards. "There is always what we call an executive module that performs a calculation and as the ultimate controller says, ‘Okay, looking at what's coming through the radar and applying all the safeguards, this is really the signal I want to send to the steering, the signal I want to send to the braking,'” he adds.

尽管已经取得了进步，我们与驾驶经验和开放的道路的浪漫不会很快出现在危险中。问题不在于技术，而在于物流和成本。“可以用电线开车吗?”是的,”Cregeur说。“这是有效的吗?不，因为你会有冗余。从尺寸、重量和成本的角度来看，它还不可行。在一个12v的系统中，通过电线来控制转向和刹车可能有点过头了。”也就是说，随着技术的变化，可能性也在变化。他说:“有了混合动力车和类似的东西，你就能获得更多的动力。” “I think the market will get to drive by wire in time.”