1.1 汽车电子控制器概论
汽车电子控制器的作用是接收来自传感器的信息，进行处理，输出相应的控制指令给到执行器执行，控制器的反应速度、判断准确性至关重要。随着计算机技术和控制理论的不断发展，控制器的功能范围不断扩大。汽车电子控制单元作为汽车电子控制系统的核心部分，是嵌入式系统装置，一般包括硬件和软件两部份。一般汽车电子控制器硬件结构主要包括微处理器（MCU）、存储器、输入& 输出接口（A/D、D/A 转换器）单元。
图 1：典型的汽车电子控制电路框图
汽车电子控制系统要求有很好的可靠性和实时性，需要满足严苛的ISO 26262 功能安全要求。而汽车电子控制系统控制的变量越来越多，系统架构越来越复杂，对系统的硬件架构和系统故障自诊断能力要求更是提出挑战。根据统计分析，目前乘用车的汽车电子控制单元（ECU）数量在25~100 个左右。
图2：部分汽车电子控制单元
由于汽车结构的复杂性、系统的变量多且相互影响，导致难以建立准确的数学模型。随着智能控制的发展，一般系统级控制采取智能控制方法，执行层控制采取经典理论控制：建立精确的数学模型，精确控制。
图3：发送机管理系统ECU
ECU 产业链：
汽车电子控制器硬件的核心在于微处理器。微处理器包括MCU、MPU、DSP 和逻辑IC等。其中市场知名的为微处理器厂家主要有恩智浦、TI、英飞凌、瑞萨、ADI 等公司，电子控制单元（ECU）领先企业是跨国汽车电子零部件巨头，如博世、电装、大陆公司等。
图4：汽车电子控制单元产业链
汽车用微处理器一直在根据汽车的要求不断更新换代，以发动机管理控制单元用微处理器（MCU）为例说明（如图5），从欧3 到欧6，随着汽车油耗要求的不断提高，为达到要求，微处理器也从早期的16 位CPU 到32 位CPU，处理速度（MIPS 指标）不断加快，所用的存储器容量也不断提高。汽车自动驾驶的发展使得汽车微处理器处理的数据量成几何级增长，需要汽车微处理器有高性能计算能力，特别是汽车识别行人物体的计算机视觉和深度学习功能要求芯片具有强大的实时计算处理能力。
图5：发动机用管理系统MCU进化历程
目前英伟达（NVIDIA）开发的图形处理器（GPU）在深度学习、图像处理方面处于技术领先地位，其在2016 年CES展推出的第二代产品DRIVE PX2 是基于16nm 工艺打造的SoC产品，拥有两颗GPU 核心和12 个CPU 核心，相当于150 台MacBook Pro 的8T Flops 运算能力，可支持12 路摄像头输入、激光定位、雷达和超声波传感器，多个平台并行运算，可以完全实现自动驾驶。2017 年沃尔沃上路的100 辆自动驾驶SUVs 就使用了英伟达DRIVE PX2 芯片。同时奥迪、戴姆勒、福特、丰田等车企也在和英伟达合作开发车载超级计算解决方案，以加速自动驾驶汽车的实现。
图6：DRIVE PX2
与此同时，高通宣布了其基于14nm 工艺打造的新一代Snapdragon820A 处理器可以很好地支持深度学习功能。现有的汽车微处理器供应商如瑞萨，恩智浦、德州仪器、意法半导体（Mobileye EyeQ 芯片代工商）、英飞凌等也将被迫在未来推出16nm 工艺的高性能SoC 芯片产品，瑞萨已经宣布了其开发新一代R-car 处理器时间节点。由于16nm 工艺所需用的光掩模非常昂贵，而汽车工业的投资回报率较低，众多芯片供应商的加入将可以形成规模效应，提高16nm 工艺芯片的投资回报率。由于汽车智能化的迅猛发展趋势，可以预计汽车的微处理器市场广阔，据市场调研机构IHS 公司预测，2021 年全球汽车微处理器市场可达到约14 亿美元的规模。
图7：全球汽车微处理器市场规模预测
汽车电子控制单元（ECU）的另一核心是软件算法。随着汽车智能化的不断提高，软件系统越来越复杂，整个汽车软件代码行数在1000 万以上，软件价值占比不断上升，开发成本占汽车电子系统总成本的一半以上，重要性凸显。
汽车软件系统包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件包括操作系统和一系列实用程序，一般由处理器芯片厂家提供。应用软件包括：1）数据采集与过程监控模块；2）数据处理模块；3）控制算法模块；4）执行机构控制模块；5）故障自诊断模块。
控制理论的不断突破，为汽车电子控制系统的发展提供了有力的理论支撑，从早期的经典控制理论到现代控制理论再到智能控制理论，与之相对应，汽车电子控制系统采用的控制技术由PID 控制到鲁棒控制再到神经网络控制（CNN），控制功能越来越多。
由于汽车结构的复杂，各个系统相互耦合，一般来说，系统层的控制采取智能控制、模糊控制算法，执行层的控制采取建立精准数学模型、精确控制的算法。
图8：控制理论的发展对汽车控制系统的影响
线控技术：
线控技术（X-by-Wire）是通过线束传递信号控制，而不是通过机械连接装置来操控，对汽车机械结构进行了一个根本的变革，其本质就是利用弱点信号来控制强电执行机构，以取代原先的机械或者液压来操纵执行。
线控技术是基于信息交互处理和实时控制的新型电控系统，需要高性能的控制器和高速总线支持。
典型的线控系统有线控转向（Steer-by-Wire）、线控制动（Brake-by-Wire）、线控油门（Throttle-by-Wire）等。线控技术（X-by-Wire）代表了一系列的车辆综合控制技术。
图9：线控技术对汽车结构的变革
X-by-Wire 技术可使汽车更加的轻便、便宜、安全并且使用更加经济，基于X-by-Wire 技术研发的这些系统可以很轻易的应用到各种车型上去，而不需要做大的修改和调校。通过X-by-Wire 技术可以进行整合的汽车底盘综合系统可以极大的提高车辆的安全性、操控稳定性和燃油经济性等。
下面介绍线控转向系统（Steer-by-Wire）的具体应用。
图10：传统转向系统与线控转向系统的对比
如上图所示，线控转向系统取消了传统的机械转向装置，转向器与转向柱之间无机械连接。整个系统主要由转向盘舵角传感器、转向ECU、转向执行机构、力矩反馈电机和环境传感器等组成。线控转向的好处在于提高了整车设计自由度，没有了机械连接，便于系统布置；转向效率高，响应迅速，可在瞬间提供转向动力；有利于改善驾驶特性，增强操纵性；有利于整合底盘技术和降低底盘开发综合成本。
目前所有领先车企和零部件企业都在开发线控技术产品。TRW 公司开发的线控系统使得燃油经济性提高5%，德尔福、博世、法雷奥也纷纷开发了线控技术产品。
技术趋势：
（1）汽车电子架构发展趋势：汽车电子控制系统越来越复杂，系统存在较大的故障潜在隐患。未来基于高性能总线技术的分布式计算架构将改善这种情形。
（2）半导体工业的驱动： ITRS 2012 发布全球集成电路发展路线图，未来集成电路将沿着“延续摩尔定律”（Moore）、“超越摩尔定律”（More than Moore）和“超越CMOS”(Beyond Moore) 方向发展。“延续摩尔定律”通过不断缩小尺寸升级产品，如SoC；“超越摩尔定律”通过系统级封装（SiP）等实现功能的集成。
2.1 常见控制单元介绍
2.1.1 车身稳定电子控制
系统（ESC）
汽车在行驶过程中由于横摆和侧偏运动产生侧向失稳，横摆控
制力矩通过对作用在车轮上的制动力或者驱动力进行有效的分配，就会产生一个作用在整车上的横摆力矩。通过控制这个横摆控制力矩，汽车的横摆和侧偏运动就能有效的控制。这就是车身电子稳定控制系统（ESC）的工作原理。
车身电子稳定控制系统（ESC）是在ABS（防抱死系统）和ASR（驱动防滑系统）基础上发展起来的，并增加了方向盘舵角传感器、横向/ 纵向加速度传感器和横摆角速度传感器等。通过传感器和控制器来识别汽车实际运动状态和驾驶员意愿，进行比较判断，然后发出指令调节车轮纵向制动力大小以匹配汽车的横摆运动，提高汽车行驶安全性。
图11：常见的控制单元
2.1.2 电动助力转向系统（EPS）
EPS：主要由电子控制单元、助力电动机、减速器、转向柱、转向机、转矩传感器、车速传感器、舵角传感器等组成。
当操纵方向盘时，装在转向柱上的扭矩传感器不断地测量转矩、转角信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元ECU，经过ECU 计算处理后控制电动机输出相应大小和方向的转矩信号，电动机的助力转矩通过减速器减速增矩后加到转向系统中，以实现汽车助力转向的作用。
图12：电动助力转向示意图
按照助力电机安装的形式，EPS可以分为以下三种类型：转向柱助力式（C-EPS）、齿条助力式（R-EPS）、齿轮助力式（P-EPS）。
2.1.3 自适应巡航系统（ACC）
自适应巡航控制系统（Adaptive Cruise Control，简称ACC）是在定速巡航控制系（CC）基础上发展起来的。在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的毫米波雷达持续扫描前方道路，同时轮速传感器采集车速信息，当与前车之间的距离过小时，控制单元通过CAN 总线传输信号与ABS 系统、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动和发动机输出功率下降，以保持与前方车辆一定的安全的距离。当需要更大的减速度时，控制器会发出声光信号通知驾驶者主动采取制动动作。ACC 系统一般在大于25Km/h 速度时才作用，低于这个速度需要驾驶者控制速度。
