汽车电子学

电子稳定程序控制ElectronicStabilityProgram（ESP）ESPESP概述ESP工作原理ESP的组成结构ESP的用途ESP的发展方向1.1防抱死系统（ABS）防抱死制动系统(ABS)是根据不同滑移率下所对应的轮胎－地面的附着特性来调节制动压力来防止汽车制动时的车轮抱死。通过充分利用地面附着系数而获得较高的地面制动力和侧向力，缩短汽车的制动距离，提高汽车制动的方向稳定性，减少轮胎磨损。即便是全力踩刹车，驾驶者也能够控制车辆的躲避动作，或者是让车辆在只有一侧车轮有附着力的路面上安全地停车。使用ABS车辆的制动距离通常比车轮抱死时要短。但是,由于ABS不能解决车辆在湿滑路面上起步和加速时出现的车轮打滑问题，更不能避免车辆发生侧滑，因此，在ABS的基础上，进一步发展出了牵引力控制系统(TCS)。1ESP概述1.2牵引力控制系统(TCS)牵引力控制系统（TractionControlSystem——TCS),又称为驱动防滑控制系统（AntiSlipRegulation——ASR）,TCS解决车辆在光滑路面打滑的棘手难题。功能是防止汽车尤其是大马力的车子在起步或加速时，如果某个车轮出现了打滑的趋势(轮速传感器不断监视着每个车轮)，TCS会通过对发动机和制动的立即干预避免车轮打滑。使车辆能够安全地起步或加速。保持良好的操控性及尽可能利用车轮－路面间纵向附着能力，提供最适当的驱动力，达到良好的行车安全。它还有助于避免车辆在急加速过弯时发生甩尾。1.3电子稳定程序控制(ESP)ESP的效能超越了两个系统的功能结合：除了影响横向动态性能外，而且还具有防止车辆在行驶时侧滑的功能。它通过传感器对车辆的动态进行监测，必要时会对某一个车轮或者某几个车轮进行制动．甚至发动机的动力输出。能够识别危险状况，并无需驾驶者任何动作而自行采取行动。ESP提高了所有驾驶工况下的主动安全性。尤其是在转弯工况下，即是在横向力起作用的情况下，ESP能维持车辆稳定和保持车辆在车道上正确行驶。ABS和TCS只在纵向起作用。ESP结合了侧滑率传感器，并集成横向加速度传感器及转向角度传感器。此外，ESP应用了ABS/TCS的所有部件，并基于功能更强大的新一代电子控制单元。1.4ESP的类型目前ESP有3种类型：a．4通道或4轮系统。能自动地向4个车轮独立施加制动力。b．2通道系统。只能对2个前轮独立施加制动力。c．3通道系统。能对2个前轮独立施加制动力，而对后轮只能一同施加制动力。实际上ESP是一套电脑程序，通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，进而向ABS、TCS发出纠偏指令，来帮助车辆维持动态平衡。ESP的电脑会计算出保持车身稳定的理论数值，再比较由侧滑率传感器和加速度传感器所测得的数据，发出平衡、纠偏指令。主要控制偏航率。转向不足，会产生向理想轨迹曲线外侧的偏离倾向，而转向过度则正好相反，向内侧偏离。2ESP的工作原理具体的纠偏工作是这样实现的:ESP通过TCS装置牵制发动机的动力输出，同时指挥ABS对各个车轮进行有目的的刹车，产生一个反横摆力矩，将车辆带回到所希望的轨迹曲线上来。比如转向不足时，刹车力会作用在曲线内侧的后轮上；而在严重转向过度时会出现甩尾，这种倾向可以通过对曲线外侧的前轮进行刹车得到纠正。2．3不足转向时的控制策略ESP判别汽车具有较大的不足转向倾向，控制系统会自动对位于弯道内侧的后轮实施瞬时制动，以产生预定的滑移率，导致该车轮受到的侧向力迅速减少而纵向制动力迅速增大，于是产生了一个与横摆方向相同的横摆力矩。此外还获得了两个附带的减少不足转向倾向的因素。首先，由于制动而使车速降低；其次，由于差速器的作用，对内侧后轮制动从而导致外侧后轮被加速，即外侧后轮受到的驱动力增加而侧向力减少，于是产生了又一个所期望的横摆力矩。2．4过度转向时的控制策略在出现过度转向时，驱动力分配系统就会降低驱动力矩，以提高后轴的侧向附着力。地面作用于后轴的侧向力相应会提高，从而产生一个与过度转向相反的横摆力矩。位于弯道外侧的非驱动前轮开始时几乎不滑动，若仅依靠动力分配系统还不能制止开始发生的不稳定状态，控制系统将自动对该前轮实施瞬时制动，使它产生较高的滑移率，导致该车轮受到的侧向力迅速减少而纵向制动力迅速增大，于是也产生一个与横摆方向相反的横摆力矩。由于对一个前轮制动，车速也会降低，从而获得了一个附带产生的有利于稳定性的因素。3．ESP系统的结构1、带有ECU液压调节器2、轮速传感器3、转角传感器4、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器5、与发动机管理系统的通信ESP系统由传统制动系统、传感器、液压调节器、汽车稳定性控制电子控制单元和辅助系统组成，在电脑实时监控汽车运行状态的前提下，对发动机及控制系统进行干预和调控。在汽车行驶过程中，方向盘转角传感器监测驾驶者转弯方向和角度，车速传感器监测车速、节气门开度，制动主缸压力传感器监测制动力，而侧向加速度传感器和横摆角速度传感器则监测汽车的横摆和侧倾速度。ECU根据这些信息，通过计算后判断汽车要正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距，然后由ECU发出指令，调整发动机的转速和车轮上的制动力，如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差，则ESP系统自动控制对某一车轮施加制动，从而修正汽车的过度转向或不足转向，以避免汽车打滑、转向过度、转向不足和抱死，从而保证汽车的行驶安全。3．1附ECU的液压模块液压模块执行ECU指令，并通过电磁阀调整各车轮制动缸的制动力。它位于发动机舱，布置在制动主缸与车轮制动分缸之间，因此，确保了制动主缸与车轮制动分缸之间的制动管路能得以缩短。如同担当系统控制功能一样，ECU也接管了系统所有电气和电子的控制职能。3．2轮速传感器ECU根据来自轮速传感器的信号计算车轮的转速。有两种不同工作原理的传感器：被动式（感应）和主动式（霍尔）速度传感器。主动式传感器正变得越来越为普及。它们应用磁场对轮速进行非接触式检测，同时还具备识别车轮旋转方向和停转的能力。3．3转向角度传感器它监测转向盘旋转的角度，帮助确定汽车行驶方向是否正确。结合来自轮速传感器和转向角度传感器的输入信息，ECU计算出车辆的目标动作。转向角度传感器的工作范围（量程）为720°。在方向盘满舵转动范围内，其误差在5°之内。3.4侧滑率和加速度传感器侧滑率传感器记录汽车绕垂直轴线的旋转，确定汽车侧滑与否。旋转的角度取决于由ECU测得的横向加速值，并且监测车辆转向的数据。并将从其它传感器传来的信号整合，判定驾驶者的意图与实际车辆动态，进而取用修正后的参数，以示毒杀刹车力或减低动力的方式调整。3．5与发动机管理系统的通讯发动机管理系统集成：ECU、加速踏板传感器、节气门执行器、燃油喷射器、点火模块电子控制单元是ESP控制系统的核心部件，它一般具有两个微处理器，一个用来计算控制逻辑，一个用于故障诊断和处理，两个微处理器通过内部总线相互交换信息。除了微处理器以外，ＥＣＵ还包括电源管理模块、传感器信号输入模块、液压调节器驱动模块、各种指示灯接口以及ＣＡＮ总线通讯接口等。现在的ＥＣＵ大多与液压调节器安装在一起，通过电磁线圈与电磁阀阀芯之间的电磁耦合连接，这样不仅减少了连线的长度，又结构紧凑。3.6液压调节器液压调节器是ESP控制系统的主要执行机构，其基本结构与ABS/TCS液压调节器相似，只是为了提高响应速度，ESP控制系统的液压调节器比ABS/TCS液压调节器多了预压泵（PCP：PrechargePump）和压力生成器（PGA：PressureGeneratorAssembly）。博世液压调节器HU5．0的结构图4ESP的用途ESP系统的出现，极大地改善了汽车在行驶过程中的安全性和操纵性，特别是在路况很差，路面被雨水和冰雪覆盖时，ESP控制系统在车辆行驶过程中，始终监测车的运动状态，尤其是与转向相关的运行状态，一旦出现不稳定的预兆，ESP控制系统便实时予以修正，从而使汽车的行驶安全性大大提高，驾车人员感觉更灵活，更快捷，更安全。ESP系统使汽车在极限状况下更容易操纵，它可以降低汽车突然转向时的危险，提高方向稳定性。ESP系统可以辩识汽车的趋向，并且做出反应，它可在单个车轮上施加制动力，从而产生附加横摆调节力矩，帮助汽车回到正确的方向上来。4.1ESP降低事故风险当不得不采取紧急避让动作时，也许弯道比预料的还要急拐，或者路面状况突然发生变化时。德国保险公司协会推荐所有尺寸规格的乘用车都将ESP作为标准装置．4.2ESP避免打滑德国保险公司协会通过对受调查事件碰撞之前情况的研究，显示25%导致严重人员伤害事故的车辆发生了打滑。ESP极大地提高对车辆的操控机会。4.3ESP避免侧面碰撞研究也证实了碰撞死亡事故中有60%因侧面碰撞所致。ESP意识到打滑的危险，并在车道上稳定车辆，因此能帮助驾驶者保持操纵，以避免危险。4.4ESP增强被动驾驶安全性德国保险公司协会事故分析得出结论：装备ESP后发生打滑的风险很小，车辆能够保持循迹及前向行驶。如果安装了ESP的车辆发生了碰撞事故，它常常也是由车辆前端吸能区的溃变来吸收碰撞能量，而不是自身安全防护措施较少的车身侧面（车辆发生打滑碰撞时，所有的冲击能量都集中在车身侧面上了）。ESP因此能大大降低碰撞风险和保障车内乘员的安全。(1)避让始料不及的障碍物在悠长平整的路面上交替进行着超车和变道。突然出现一个障碍物。(2)路程的错误估计行驶于蜿蜒曲折的山路。下一弯道始料不及地出现。(3)始料不及的新状况冰雪路面、弯道上的湿树叶或者鹅卵石路旁的铁轨。无论是在弯道或紧急避让状态，还是在制动、加速过程中。或是车轮打滑时。一旦实际状态变得危急，ESP都能利用之前讲过的原理来增加车辆行驶的方向稳定性，同时ESP还能缩短ABS在弯道上和对开路面(车辆的一侧为光滑路面）上的制动距离。不管什么样的电子稳定系统不是万能的。ESP只有在轮胎与地面之间还有附着力时，才能控制使车辆保持稳定。如果车速超过了一定值，ESP系统也会不起作用。4ESP系统研究的关键技术ESP系统的开发有赖于以下几个关键技术的突破：4.1传感技术的改进在ESP系统中使用的传感器有汽车横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、制动压力传感器及节气门开度传感器等，它们都是ESP系统中不可缺少的重要部件。提高他们的可靠性并降低成本一直是这方面的开发人员追求的目标。4.2体积小、重量轻、低成本液压制动作动系统的结构设计这方面BOSCH公司在ESP系统中采用的结构有一定的代表性，其液压作动系统由预加压泵(PrechargePump，简称为PCP)+压力产生装置(PressureGeneratorAssembly)+液压单元HU5．0所构成4.3ECU的软、硬件设计由于ESP的ECU需要估计车辆运行的状态变量和计算相应的运动控制量，所以计算处理能力和程序容量要比ABS系统大数倍。一般采用多CPU结构。而ECU软计算的研究则是研究的重中之重，基于模型的现代控制理论已经很难适应ESP这样一个复杂系统的控制，必须寻求鲁棒性较强的非线性控制算法。4.4通过CAN完善控制功能ESP的ECU与发动机、传动系的ECU通过CAN互联，使其能更好地发挥控制功能。例如自动变速器将当前的机械传动比、液力变矩器变矩比和所在档位等信息传给ESP，以估算驱动轮上的驱动力。当ESP识别出是在低附着系数路面时，它会禁止驾驶员挂低档。在这种路面上起步时，ESP会告知传动系ECU应事先挂入二档，这将显著改善大功率轿车的起步舒适性。5ESP的发展方向随着汽车底盘动力学控制的不断发展，集成控制是今后发展的方向，汽车稳定性控制将综合考虑对制动系统、悬架系统和转向系统的协调控制，并共享传感器信号，进一步提高汽车的稳定性。