线控执行层：转向、制动、驱动与换挡
本页聚焦"执行器如何把控制指令变成车辆动作"，涵盖线控转向、线控制动、线控驱动的工作原理与工程实践。
1. 线控转向（EPS / SbW）
1.1 EPS（电动助力转向）基础闭环
EPS 根据驾驶员力矩、车速和方向盘角度计算助力：
EPS 工作原理：
驾驶员转动方向盘
│ 扭矩传感器（Torque Sensor）测量手力矩
↓
EPS ECU 计算目标助力电流
│ 考虑：车速（高速减小助力）、方向盘角度、路感反馈
↓
电机驱动（PMSM 永磁同步电机）
│ 通过蜗轮蜗杆/滚珠丝杠传递到转向柱
↓
车轮偏转（前桥转向）
│ 转角传感器（Steering Angle Sensor, SAS）反馈
└──→ 闭环控制
ADAS 接管（自动转向）模式：
在 L2+ 场景下，EPS 接收来自自动驾驶控制器的目标转角指令（target_angle）或目标转矩指令（target_torque），覆盖驾驶员输入：
自动驾驶控制器
│ target_curvature → 计算 target_steering_angle
↓
EPS ADAS 接口（专用 CAN 通道）
│ 安全检查（指令限幅、变化率限制）
↓
EPS 执行目标转角
│ 同时监控驾驶员手力矩（Override 检测）
└──→ 驾驶员主动施力 > 阈值：退出自动转向
1.2 SbW（线控转向）
SbW 断开方向盘与车轮的机械连接，实现完全解耦：
架构优势：
- 转向比可动态定义（低速时灵敏，高速时迟钝）
- 座舱布局更自由（无转向柱穿越前舱）
- 支持主动路感反馈（Steer-by-Wire Feedback Actuator）
冗余要求：
L3+ 的 SbW 系统需要满足 ASIL-D 要求，典型冗余方案：
双路转向执行电机（独立电源 + 独立 ECU）
│
├─ 主路：主电机驱动
└─ 备路：备电机热备（实时跟踪，可在 < 10 ms 内切换）
双路力矩传感器（用于路感反馈验证）
双路转角传感器（差分校验，防单点故障）
SbW 量产挑战
SbW 功能安全压力极大（无机械兜底），任何软件/硬件故障都不能导致失控转向。目前主流 L4 Robotaxi 已采用（如 Waymo），但乘用车量产仍在推进中（日产 Infiniti 等）。
2. 线控制动（EHB / EMB）
2.1 EHB（电子液压制动）
EHB 保留液压通道，但用电机代替真空助力器建压：
制动踏板传感器（双通道冗余）
│ 驾驶员制动意图
│ 或 AEB 系统制动请求
↓
EHB ECU 计算目标制动压力
│ 制动力分配（前后轴、ABS/ESC 介入）
↓
高压泵 + 电磁阀（毫秒级建压）
│ 目标压力：0 → 100 bar，建压时间 < 150 ms
↓
液压缸驱动制动卡钳
↑ 压力传感器反馈
AEB 建压时序（关键指标）：
| 环节 | 典型时间 |
|---|---|
| 感知识别危险目标 | 50–80 ms |
| AEB 系统决策与下发 | 10–30 ms |
| EHB 接收指令到开始建压 | 1–5 ms |
| 建压到目标压力（0→100 bar） | 50–150 ms |
| 全链路总时延 | ~130–265 ms |
NCAP（新车评价规程）要求 AEB 在 60 km/h 以内能有效减速或完全刹停，全链路时延直接影响安全距离。
2.2 EMB（电子机械制动）
EMB 完全去除液压，由电机直接驱动卡钳：
| 维度 | EHB | EMB |
|---|---|---|
| 液压系统 | 保留 | 完全去除 |
| 建压速度 | 50–150 ms | 20–80 ms（更快） |
| 控制精度 | 中等 | 高（轮端独立控制） |
| 热管理 | 液压散热 | 电机热量需专门处理 |
| 故障模式 | 液压泄漏 | 电机卡死 |
| 量产状态 | 主流（2020+） | 量产推进中（2025+） |
2.3 制动力分配与 ABS
ABS（防抱死制动）原理：
车轮滑移率 \(\lambda\) 是制动控制的关键参数：
其中 \(v\) 为车速，\(r\) 为轮胎半径，\(\omega\) 为车轮角速度。
最大制动力出现在 \(\lambda \approx 0.2\)（20% 滑移率），ABS 通过调节液压压力将滑移率控制在最优区间。
3. 线控驱动
3.1 燃油车：电子节气门（ETC）
油门踏板传感器（双通道冗余，防意外加速）
│
↓ ECU 解析踏板意图
节气门开度控制（步进电机/DC 电机）
│ 精确控制进气量
↓
发动机响应（扭矩建立时间：100–300 ms）
防意外加速设计要求：
- 踏板传感器必须双通道冗余，两路信号相差 > 阈值时切断驱动
- 制动优先策略：同时检测到制动踏板时，无条件切断驱动力
3.2 电动车：电机扭矩控制
电动车驱动响应比燃油车快得多，控制更精确：
FOC（磁场定向控制）响应时间：
- 扭矩阶跃响应：10–50 ms（远快于 ICE 的 100–300 ms）
- 这使得电动车的纵向控制更容易实现高舒适性
扭矩矢量分配（Torque Vectoring）：
四驱电动车可以对四个车轮独立控制扭矩，提升转弯稳定性：
3.3 再生制动与摩擦制动协调
Blending 策略：
目标制动减速度 a_target
│
├─ a_target ≤ a_regen_max：
│ 完全使用再生制动（能量回收最大化）
│
├─ a_regen_max < a_target ≤ a_max：
│ 再生制动 a_regen_max + 摩擦制动补充
│
└─ 低附着路面（ABS 触发）：
优先摩擦制动，限制再生制动比例
（避免再生制动扭矩变化干扰 ABS 控制）
4. 线控换挡与电子驻车
4.1 线控换挡（SbS，Shift by Wire）
传统换挡杆通过机械拉索与变速箱相连，SbS 完全电控化：
- 支持自动泊车与远程挪车中的自动档位切换
- 启停系统的自动 P 档/D 档切换
- 典型响应时间：< 200 ms
4.2 EPB（电子驻车制动）
EPB 与 Auto Hold 的联动是坡道起步控制的关键：
车辆停止（速度 = 0，驾驶员松制动踏板）
│ Auto Hold 激活（保持制动压力）
↓
驾驶员踩油门（扭矩请求 > 0）
│
├─ 平路：扭矩达到 100 Nm 阈值后释放
└─ 坡道：根据坡度估计值计算所需最小扭矩
扭矩超过阈值 + 200 ms 延时后释放
防止后溜 > 5 cm
5. 执行器接口规范
建议线控执行层统一以下接口，避免各系统耦合：
5.1 控制指令接口
来自上层规划/控制的指令帧（CAN FD，10 ms 周期）：
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ target_steering_angle : float32 [rad] │
│ target_acceleration : float32 [m/s²] │
│ gear_cmd : enum {P, R, N, D} │
│ parking_brake_cmd : bool │
│ emergency_stop : bool │
│ control_mode : enum {AUTO, MANUAL} │
│ counter : uint8 (防重放) │
│ checksum : uint16 (CRC16) │
└────────────────────────────────────────────────────┘
5.2 状态反馈接口
来自底盘 ECU 的状态反馈帧（10 ms 周期）：
┌────────────────────────────────────────────────────┐
│ actual_steering_angle : float32 [rad] │
│ actual_speed : float32 [m/s] │
│ actual_acceleration : float32 [m/s²] │
│ actuator_state : enum {NORMAL, DEGRADED, FAULT} │
│ fault_code : uint32 (故障码) │
│ degrade_level : uint8 (降级等级 0–3) │
│ counter : uint8 │
│ checksum : uint16 │
└────────────────────────────────────────────────────┘
5.3 安全约束
| 约束项 | 说明 |
|---|---|
| 指令限幅 | 最大转角 ±45°，最大加速度 ±8 m/s² |
| 变化率限制 | 转角变化率 < 300°/s，jerk < 10 m/s³ |
| 超时处理 | 连续 3 帧无指令 → 输出安全默认值（保向/减速） |
| 失效安全 | 任何传感器故障 → 触发故障码并上报 |