隨著電子控制和建模技術的演進，傳動系統得到了更好的管理，從而車輛的效率得到提高并減少了排放。電子控制和動力傳動系統在追求不斷改善的同時，圍繞價值鏈密切的合作給我們提供了大量新的機遇。

這篇報告將從傳動應用趨勢和挑戰的回顧開始。滿足這些預期需要轉變基礎微控制器為多核架構。這樣轉變的原因是基于物理學以及現代硅技術，使得多核微控制器具有強大的性能、功能安全、信息安全、可拓展外設和I/O口、減少功率損耗。
然后我們通過系統適應度和校準控制的兩個例子進行介紹，第一個例子是研究可變力螺線管的管理來滿足液壓離合器；第二個例子是解決控制電動機的各種應用程序如離合器、傳動齒輪、傳動鎖或者油泵。

近年來傳動系統軟件的規模和復雜性呈指數級增長，該系統集成了大量強大的新功能,需要適應各種發動機和車輛的多樣性。本文檔將評估推動傳動系統不斷改進的駕駛需求，探索電子將如何適應現代日益苛刻的要求。

趨勢與挑戰
傳動系統是動力系統的核心，二氧化碳減排的挑戰正在推動更多電氣化的車輛，混合動力、插電式以及純電動將進入市場，預期到2020年電氣化車輛會占到總量的10％。傳動系統需要多源扭矩的融合，同時加入了新的驅動模式，如：慣性滑行, 滑動, 順坡下滑等，
車輛制動時需要恢復能量，另外傳動系統需要支持坡道制動和停車制動功能，提供扭矩向量，與車輛穩定系統無縫連接在一起。這些需求不斷推進傳動系統演變為電子線性控制，加速了向更高級別ASIL的腳步。在未來，單一的故障安全系統是不夠的，故障可運行功能可能成為自動駕駛汽車上必不可缺的功能。客戶們正在詢問自適應巡航控制、高級駕駛輔助系統、自動駕駛上的新功能，如下圖－1。這些系統通過GPS、攝像機、雷達、光電雷達、V2V、V2I、V2C得到復雜的信息，一個真正可行、可靠的系統將通過傳動系統優化客戶的駕駛體驗、使得燃油經濟性更高、減少排放。完整的汽車團體將會在汽車的創新與改革中面對大量的挑戰。傳統的OEM廠商被特斯拉、谷歌和蘋果這些新興企業不斷推動創新。

圖－1 車輛簡化模塊圖型

電氣電子架構
首先現在新的需求正影響著電氣電子的架構，過去的方法是在每個機械功能上加入一個電子控制單元，然后所有的電子控制單元通過不同的通信總線相連接，大多數的板網架構通過中央網關連接。這樣的架構在成本上很昂貴，也很難持續下去。過去30年的汽車電子主要由三個基本的問題構成：這個功能在做什么？誰發展了這個功能？這個功能是如何、在哪里運行？這種傳統的方法經常會由于電氣電子架構的變化而改動，汽車業有望逐步轉移到域控制器體系結構，應用領域的邊界將被重提從而促進系統和支持分布式計算的進化，這樣一來功能分配將被進一步簡化。

圖－2 車輛電氣電子架構圖型

來自于高級別需求的次要影響對以下性能指標不斷增加的要求：計算性能、存儲空間、連通性、車輛安全以及信息安全，另外汽車系統將與更多的消費設備相互作用，同時軟件需要在線升級能力。

高性能和不斷增加的存儲空間
雖然在汽車電子領域，處理器性能每五年增長三倍，但滿足現代需求的計算能力并不容易達到。物理性能與現實操作的限制使得計算能力的提升不能僅僅依靠增加CPU的頻率，功率圖描述了隨著CPU頻率不斷增加，非線性功率損耗也進一步增加，如圖－3。控制功率損耗的一個方法是十年前在PC業推出的一個設備集成多個核的方法。
大多數的代碼自動生成軟件在一些應用中可能達到超過80％，多核處理器的使用需要提供新的軟件開發工具：性能建模、多核處理器系統的標桿管理、自動負載平衡、多核處理器的調試、片上儀器、校準和快速原型設計。
AURIXTM家族的32位多核微處理器擁有65nm技術，已經廣泛的使用于安全相關和信息安全領域的嵌入式系統。變速器控制需要經常將ECU放到傳動系統中，并在超高溫下運行。提供了特殊的裸芯片版本，環境溫度可以達到170℃。另外可選的是新的開放式下散熱片封裝，它同樣能在環境溫度達到145℃運行一定的時間。

圖－3處理器體系結構和性能提升

AURIXTM家族中高端芯片：TC297T、TC298T和TC299T，含有3顆TriCore CPU。高性能核心版本TC1.6P在每個周期內執行三個指令，雙核可以達到300MHz，一些核含有額外的檢測核，檢測核在下文會提及到。3顆TriCore內核通過一個64位的快速通道連接，可以在總線主控、CPU和存儲器之間給予快速并行訪問。這是防止硬件訪問沖突。（圖－3）
除此之外AURIXTM家族中3核版本為了適用于不同的應用和性能部分同樣提供了雙核以及單核版本（有和沒有鎖步檢查核）。TC29xT衍生品共含有8兆字節的程序閃存，被分成4個2兆字節的獨立讀取接口，從而允許不同CPU的并行訪問，并且沒有速度限制。相對于90nm技術的先驅產品，在閃存編程性能上已經取得巨大的進展。CAN實際可實現的編程速率在25－50KB/s，FlexRay速率可以達到400KB/s，以太網速率在1MB/s。數據閃存可以為EEPROM仿真和SRAM補充提供配置。EEPROM仿真已經實現10年內最大數據50萬次擦寫。

功能安全
日益復雜的傳動系統與更加嚴格的功能安全要求息息相關，安全性必須符合ISO26262。為了得到證書，電子架構必須被修改來滿足ASIL D（汽車安全完整性等級D）。一個多核微處理器架構是一個靈活構建模塊，具有不對稱的、對稱的以及同步配置的可能性。
開發汽車電子應用產品也會綁定到特定的流程和開發方法，它需要以下選題指南、建議、最佳實踐和標準。

圖－4 變力電磁控制的安全架構

從風險分析開始，系統架構將會定義它的安全目標和ASIL分解。按照ISO26262來說，硅供應商不會負責整個系統的認證。然而，供應商有責任設計一個元件或者一組元件來滿足ASIL對于不同應用產品的要求。這些應用產品家族安全要求集于一處，被稱為SEooC，SEooC是無需懂得特定汽車體系即可開發的預先資格安全要素。這是一個靈活的和成本有效的解決方案，包含：一個安全微控制器、一個安全供電、安全門驅動模塊以及更多所需模塊。在應用產品家族中，這個方法允許驗證工作和文檔的重用，如圖－4。
AURIXTM就是為了支持安全性能高達ASIL D級應用產品而誕生的，AURIXTM安全設計允許無縫地驗證指令集、程序、數據流和記憶的完整性。微控制器家族依靠一個鎖步結構來處理代碼和數據。
術語“鎖步核”的意思是兩個完全相同的核在處理相同的代碼和數據。它們無時無刻不在驗證結果，如果發生干擾，在兩個核上的影響可能不一樣，將被一個比較機制檢測到。為了增加檢測機制，兩個核放置在遠離對方的地方，邏輯布局是不同的，并且代碼執行在彼此間有一定延時。這些多樣性允許高錯誤檢測和可能的應對方法。
為了保證共因故障問題得到管理，例如電源故障和振蕩器故障，AURIXTM配置了TLF35584安全電源模塊，兩個裝置已經調節至無縫連接在一起，并允許滿足一個簡單、有效的ISO26262體系結構實現。

車輛的連接和安全
現在的車輛已經與便攜式設備相連接，例如智能手機、筆記本電腦、便攜式自動導航系統、車載自動診斷系統軟件保護器等等。不斷增加車輛上的連接設備、云基礎設施和車輛的改進提供了各種機會。一個最典型的例子就是通過GSM或者是無線網絡實現了軟件的在線更新。傳動系統正在受益于可預見的信息，如方位、路況、交通、天氣情況等來最大的優化變速策略并在路上最有效地傳遞轉矩。

圖－5 車輛的連接和安全

另外一個對于傳輸系統來說具有巨大潛力的是遠程診斷。ECU可能預先發送一些監測或診斷數據給云進行評估，云可能會回饋一些調節、校準更新以及軟件更新，或者是服務訪問請求。如果第一故障診斷結果可以通過提醒的方式送達至駕駛者，駕駛者可以選擇繼續行駛或者是中止現在的行程進行必要的維修和修理服務。所有這些新的功能都以安全通信為前提，安全通信可以驗證消息、需要的話可以執行數據加密。車載網絡需要方法來保護，如防火墻、沙盒和入侵檢測來阻止可能的攻擊。為了保障車輛安全和信息完整，盡快實現進一步的安全性加強措施是很有必要的。

軟件的在線更新
IHS Automotive評估報告中寫到通過軟件的在線更新，全世界的成本節省將從2015年27億美元增長至2022年超過350億美元。兩個關鍵方面確定客戶的接受程度：防止操縱攻擊和車輛的可用性。而第一個顯然也包括原始設備制造商和供應商IP地址的保護，車輛的可用性大大取決于固件更新的持續時間和ECU的性能。討論了兩種基本的方法：軟件后臺分區安裝和鑰匙關閉模式下的安裝。

圖－6 軟件的在線更新

軟件在線更新和在服務站上更新最大的區別在于在線連接原始設備制造商的數據中的脆弱性和不可預測性。原始設備制造商服務包當你下載數據的時候都第一時間被存儲在中央數據存儲。下載過程在后臺執行，可以在任何時間進行下載，不會影響到車輛的正常行駛。
軟件在線更新控制的典型任務：
1、與原始設備制造商更新系統交互；
2、從原始設備制造商服務器下載服務包到中央存儲器；
3、中央存儲器中數據處理；
a、無線協議解密
b、檢查完整性和身份驗證，如HASH的私人車輛鑰匙
c、為目標ECU打開和重新包裝
4、分發各包到特定ECU；
5、監督更新過程中目標的ECU，檢查是否成功；
6、重新啟動所有的ECU與新軟件的車載網絡。
當軟件在服務站更新的時候，車輛通常是在一個預測環境和長時間的關閉情況下。而對于軟件在線更新的環境下則完全不同，不管在哪里都可以更新，環境可以各不相同，甚至不能使用汽車的時間直接影響業主接受做更新。不同汽車網絡協議和特定的總線實現的傳輸速度是公認的一個瓶頸。因此汽車網絡拓撲的原始設備制造商主要影響不同的方法和需要解決的問題。

提供更多的架構和技術潛力
向域控制的遷移將加速。在2020年，我們將會看到6核及以上控制器、嵌入式實時系統的嵌入式閃存的16Mbyte存儲大小。很快的，40nm和28nm技術將會變為標準。該技術將允許在合理的功耗下提高時鐘頻率，它不會像在PC市場上的速度是高于多個GHz，但將遠遠高于今天的300MHz。處理能力的需求不斷增長將會創造性能集群的需求，如此強大的中央域控制器將緊密相連的“衛星”的ECU，管理身邊高實時性和安全關鍵應用產品。

圖－7 表現性能和存儲器大小的提升

圖－8半導體技術進化的路線圖

非易失性存儲器的需求將由以下兩個增加：軟件的增長和軟件更新向在線更新的遷移。技術將繼續萎縮，根據國際半導體技術發展路線圖依然預測可能性達到小于5nm，傳統的嵌入式閃存技術將在低于28nm后將不具成本優勢。新技術或新的分區在2020后進入準備時間。對內存大小的要求將快速增長，以滿足代碼的執行和數據存儲，此外性能要求將推送實現多個高速緩存。多核的發展將不可避免，新的功能將被添加來保證在這個收縮水平的內存和計算的完整性、車輛安全和信息安全。

電機控制
傳動系統中經常使用的電機控制，如油泵（潤滑、離合器運動）、換檔和停車鎖。這些電機大多數是永磁同步電機。這個實現已經于2015年5月20日由Robert Tan和Hansen Chen在美國的國際傳動領域專家論壇上提出，利用分塊變換或矢量控制來控制它們。新的硅傳感器技術在成本和空間方面非常有效，可以很容易地更換昂貴的電機位置傳感器如解析器（見下一章）。
傳動電機經常被用于重要的安全控制回路，建議使用SEooC像在以前的章節中解釋的那樣。由于傳動系統是使用多種線控子系統，這樣不僅故障安全而且故障可運行，下面的圖表給出了一個實現的例子。在例子中，電機兩邊各一個三相繞組，由單獨的電子和電池供電。如果一邊失敗，另一邊可以接管總功率50%的控制權，動態性能將會降低，但系統能在故障以后繼續運行。

圖－9故障后保全功能電機控制系統

角度位置傳感器的潛在優勢
角度位置傳感在電機驅動應用領域一直以旋轉編碼器為主，xMR技術的進步將提供方案逐漸取代傳統的方法，這個技術的優勢在于其成本低、在所有的速度和加速度條件下有著非常好的精度（例如0.15゜的精度）、空間更小、重量減輕以及避免傳感器錯位放置，此外，通過使用硅技術可以添加過濾器來減少來自齒輪、軸承、道路、發動機和電機極的噪聲。此方法可以運行一個自動校準功能、避免復雜以及昂貴的標定。該系統也能很好的對抗來自電機附近的磁擾動。另外微控制器的端到端保護數字傳感器連接（如通過循環冗余校驗）會協助滿足ASIL要求和長期來看代替原模擬傳感器連接。

圖－10 新的角度位置傳感器

可變力電磁閥離合器的控制
離合器的控制系統包含圖－11中的可變力電磁閥（1）、短管閥（2）和液壓離合器（3），是非常復雜和非線性的，它是受到許多參數的變化影響，如電池電壓、油溫、制造工藝和老化程度。在大多數傳動系統中，在生產線的末端會執行一個非常昂貴的標定，這些標定可以選用不同的控制方法、自校準、系統學習和適應。
第一階段是利用抖動電流控制來避免可變力電磁閥非線性曲線，如滯環非線性行為。控制器也需要快速響應電池電壓的細微變化，并有+ / - 1%電流的準確性或更好。這個實現問題已經于2015年9月16日由Yan博士在中國的國際傳動領域專家論壇上提出。

圖－11 離合器控制原理圖

第二步，可以建立完整的系統模型，控制離合器的ECU可以運行一個周期的識別序列和學習/適應控制參數，這種適應可以使用系統的反饋，如機油壓力、一個準確的軸位置或在離合器之前和之后的速度傳感器。高性能單片機將通過傳遞函數和計算電流設定點來調整離合器系統。

圖－12 離合器控制框圖

總結
在性能、功能安全和信息安全上，AURIXTM的強大能力眾所周知。處理性能開放了自適應系統的新領域，將降低成本和復雜標定和下線前的微調。
對于未來自動駕駛、高級駕駛輔助系統、車連網和新能源的要求將會帶來新的機遇和挑戰。傳動系統將會得益于新的技術，如軟件的在線更新、遠程診斷、遠程服務等。
當然仍有許多問題沒有得到答案。軟件的在線更新對于存儲器的架構以及空間大小有什么影響？我們是否可以繼續增加核數，并保持復雜性在一個正確的等級？