汽车电子稳定程序系统.docx

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汽车电子稳定程序系统

浅谈汽车电子稳定程序

前言

随着汽车行驶速度的提高,道路行车密度的增大,汽车行驶安全性已经受到了高度关注。

汽车的行驶安全性能要求不断提高,汽车安全系统已经成为汽车研究发展的重要部分。

汽车安全性包括主动安全性和被动安全性两大类。

汽车主动

安全是指事故发生前的安全，即实现事故预防和事故回避，防止

事故发生。

主动安全性是指通过事先预防，避免或减少事故发生

的能力。

被动安全性是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效

保护的能力。

汽车的主动安全性因其防患于未然，所以越来越受

到汽车厂商和消费者的重视，越来越多的先进技术也被应用到汽

车主动安全装置上。

主动安全性的好坏决定了汽车产生事故发生概率的多少，而被动安全性的好坏主要决定了事故后车内成员的受伤严重程度。

目前广泛运用的汽车主动安全性系统主要有防抱死制动系统（ABS）、驱动防滑系统〔ASR〕、牵引力控制系统（TCS）、汽车电子稳定程序系统（ESP）,汽车电子制动力分配系统（EBD）,紧急刹车辅助系统（EBA）、汽车自适应巡航速度控制系统（ACC）等,保证汽车在危险状况下行驶的安全性。

上述这些系统具有智能化的控制作用,根据车辆的行驶状况,自动地完成对汽车制动性能、转向辅助等的控制,无需人的主动性操作,可见汽车安全系统已经向智能型方向发展。

摘要

本文探讨了ESP系统的原理、发展和现状。

简要讨论汽车ESP系统的结构及关键技术。

介绍新奥迪A4轿车ESP系统的组成、电控系统、液压单元及工作过程。

关键词：

电子稳定程序，主动安全性，操纵稳定性，模糊控制

传感器液压控制单元电子控制单元

ESP系统实际是一种牵引力控制系统，与其他牵引力控制系统比较，ESP不但控制驱动轮，而且可控制从动轮。

如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，此时后轮失控而甩尾，ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子；在转向过少时，为了校正循迹方向，ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向。

ESP系统是汽车上一个重要的系统，通常是支持ABS及ASR的功能。

它通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，然后向ABS、ASR发出纠偏指令，来帮助车辆维持动态平衡。

ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。

ESP一般需要安装转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器等。

ESP系统包含ABS（防抱死刹车系统）及ASR（驱动防滑转系统），是这两种系统功能上的延伸。

因此，ESP称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式。

ESP系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度）、车轮传感器（监测各个车轮的速度转动）、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态）、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。

控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令。

有ESP与只有ABS及ASR的汽车，它们之间的差别在于ABS及ASR只能被动地作出反应，而ESP则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。

ESP对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在路滑时左拐过度转向（转弯太急）时会产生向右侧甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速制动右前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。

当然，任何事物都有一个度的范围，如果驾车者盲目开快车，任何安全装置都难以保全。

汽车ESP系统的结构及关键技术

下图是现在比较典型的汽车ESP控制系统的结构，包括:

传统制动系统（真空助力器、管路和制动器）、传感器（4个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器）、液压调节器、汽车稳定性控制电子控制单元（ECU）和辅助系统（发动机管理系统）。

博世ESP系统的硬件结构图

一、传感器

①轮速传感器

轮速传感器用于检测轮速信号。

目前采用的轮速传感器有电磁感应式和霍尔式两种。

电磁感应式轮速传感器的低速响应比较差，而霍尔传感器有较好的低速响应特性。

②方向盘转角传感器

方向盘转角传感器用以测量方向盘的转角。

方向盘转角传感器通常分为编码器和电位计式两种。

光学编码器式传感器的测量精度高，使用寿命长，但是它通常测量的是相对位置，因此需要对零点进行识别，而电位计可以直接测量绝对位置，但是它的使用寿命低。

③侧向加速度传感器加速度传感器用于测量侧向加速度。

加速度传感器有很多种，有利用压电石英谐振器的力-频特性进行加速度的测量，还有就是使用衰减弹簧质量系统进行加速度测量。

④横摆角速度传感器

横摆角速度传感器是根据陀螺原理进行测量的，一般采用微机械系统结构，在传感器内部采用压电元件产生振动，通过测量振动系统的科式力来求解汽车的横摆角速度[36-37]。

随着以硅原料为基础的微机械测量系统的发展，近期出现了能同时测量侧向加速度和横摆角速度的高精度传感器。

二、液压调节器

液压调节器是汽车ESP控制系统的主要执行机构，其基本结构与ABS/ASR液压调节器相似，只是为了提高响应速度，汽车ESP控制系统的液压调节器比ABS/ASR液压调节器多了预压泵（PCP:

PrechargePump）和压力生成器（PGA:

PressureGeneratorAssembly）。

上图为Bosch公司的HU5.0液压调节器。

HU5.0液压调节器分为MC1和MC2两个独立的管路，分别控制前轮和后轮。

每一制动轮缸通过两个电磁阀EV和AV的通断来产生升压、降压和保压状态。

当EV和AV都处于断电状态时处于升压状态，都处于通电状态时处于降压状态，当EV处于通电状态而AV处于断电状态时处于保压状态，EV处于断电状态而AV处于通电状态的组合是禁止出现的。

Spk为低压蓄能器，用于维持低压状态;RFP为回油泵，它把低压蓄能器中的制动液送回主油路，用于补偿降压过程中损失的制动液，保持油路的连续;D为串联的阻尼器，用于吸收液压调节造成的压力脉动。

以上部分与ABS液压调节器的结构基本一致。

汽车ESP控制系统的液压调节器要求在驾驶员没有踩制动踏板时也要产生足够的轮缸压力，因此在ABS液压调节器的基础上又增加了两种控制电磁阀（VLV和USV）以产生这种功能。

当VLV和USV均断电的情况下，在PCP未启动时EV阀前端的压力就是由驾驶员通过踩制动踏板产生的。

当VLV和USV均通电时，VLV与主油路相连，USV切断与主油路通路，这时回油泵RFP启动，使得制动管路产生汽车稳定性控制所需要的压力。

由于在低温下制动液粘性很高，为了提高主动制动（驾驶员不踩制动踏板）时压力建立的响应速度，引入了预压泵PCP,PCP启动后，由PGA产生的压力通过VLV阀施加到回油泵的吸油端，使之产生一定的预压，从而提高响应速度。

PCP运行过程中会产生一些泡沫，为了防止这些泡沫进入制动系统而影响制动效果，于是在PCP与主油路间增加了压力生成器（PGA），用于阻断泡沫并能传递PCP产生的压力。

此外，PGA还可以协调驾驶员踩下的压力与PCP产生的压力之间的关系，把二者中的较大的压力传递到主油路。

三、电子控制单元

电子控制单元（ECU:

ElectronicControlUnit）是汽车ESP控制系统的核心部件，它是控制逻辑的载体，且用来处理各种传感器信号，驱动执行机构动作，从而构成控制闭环。

ECU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[18]。

四、ESP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：

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。

②体积小、重量轻、低成本液压制动作动系统的结构设计。

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。

新奥迪A4（AudiNewA4）轿车ESP系统

一汽大众公司2005年10月25日推出了全新奥迪A4中级轿车。

全新奥迪A4装备了2.0TFSI汽油直喷涡轮增压发动机，使其功率达到了147千瓦/200马力；全新奥迪A4引入全新安全科技和电子装备，如安全带未系报警装置，主动式头枕（为标准装备）、2级释放式安全气囊等，使其主动、被动安全的高水平得到进一步升级；奥迪最高级别版本的ESP系统BOSCH8.0也在国产全新奥迪A4上首次得到应用，这一系统通过防抱死制动和牵引力控制限制轮胎滑动，极大提升了行驶的安全性。

其中ESP（ElectronicStabilityProgram）系统是先进的安全系统，它集中了车辆防抱死装置（ABS）、紧急制动辅助装置（EBA）、电子制动力分配装置（EBD）、防滑装置（ASR）等主动安全装置功能，而其最突出的优点是：

当车辆转向时，如发生转向不足或转向过度或是车辆实际运行轨迹偏离驾驶员操作轨迹时，ESP就会发挥作用，纠正车辆运行轨迹偏差。

ESP能够保证车辆在减速、制动、行驶、转向工作状态下有效稳定的操控安全性。

一、新奥迪A4轿车ESP系统的组成

新奥迪A4轿车的ESP系统由传感器、控制单元和执行元件三部分组成，概况如下图所示。

ESP系统部件组成示意图

ESP系统主要元件介绍如下：

1．方向盘转角传感器

G85G85位于转向灯开关和方向盘之间，是ESP系统独有的一个元器件。

G85向控制单元传送方向盘转动角度，测量的角度为正负540度，对应方向盘转动3圈。

信号供ESP电控单元计算方向盘旋转方向，通过高速网将方向盘转动方向、旋转速度和旋转角度信息传递给ESP计算机。

当信号中断时，车辆无法确定行驶方向，ESP失效。

2．组合传感器

组合传感器由侧向加速度传感器G200和横摆率传感器G202两个传感器组成。

两个传感器放到一起，不仅可以使安装尺寸减小，还可以精确配合数值，而且不改变。

侧向加速度传感器G200的作用是：

确定车辆是否受到使车辆发生滑移作用的侧向力，以及侧向力的大小。

当该信号中断时，控制单元将无法计算出车辆的实际行驶状态，ESP功能失效。

横摆率传感器G202的作用是：

确定车辆是否沿垂直轴线发生转动，并提供转动速率。

当没有横摆率测量值时，控制单元无法确定车辆是否发生转向，ESP功能失效。

3．制动压力传感器

G201制动压力传感器G201安装在制动总泵上，通知控制单元制动系统的实际压力，控制单元相应计算出作用在车轮上的制动力和整车的纵向力大小。

如果ESP正在对不稳定状态进行调整，控制单元将这一数值包含在侧向力计算范围之内。

当没有制动力压力信号时，系统将无法计算出正确的侧向力，ESP失效。

4．ESP转速传感器（G44-G47）

ESP转速传感器有前右ESP传感器G45、前左ESP传感器G47、后右ESP传感器G44、后左ESP传感器G46四个。

传递车轮速度信息给ESP，供ESP计算车轮附着条件。

ESP传感器有48个磁极，比ABS多。

因此传递信息更精确、更迅速。

5．ASR/ESP按钮开关

E256ASR/ESP按钮开关E256是ESP的关闭、激活开关，按下该按钮，ESP功能关闭。

通过再次按该按钮，ESP功能重新激活。

重新启动发动机该系统也可自动激活。

当ESP调整工作正在进行或在超过一定的车速，系统将不能被关闭。

当ASR/ESP按钮开关E256出现故障后，ESP将无法关闭，组合仪表上的ESP警报灯有警报显示。

它有3个工作模式：

（1）为从深雪或松软地面前后摆动驶出，有意让驱动轮打滑以摆脱被陷状态。

（2）带防滑链行驶。

（3）在车辆处于功率测试状态下行驶。

6．制动踏板开关

F47制动踏板开关F47位于制动踏板支架上面，传递制动踏板动作信息给ESP计算机。

7．ESP计算机J104

ESP计算机J104和液压控制单元制成一体。

它在车辆加速、制动、降挡、转向行驶时优化车轮附着力和保持汽车轨迹稳定性。

ESP计算机采用了高级的BOSCHABS/ESP8.0版本。

为保障系统的可靠性，在系统中有两个处理器，两个处理器用同样的软件处理信号数据，并相互监控比较。

当控制单元出现故障时，驾驶者仍可做一般的制动操作，但ABS/EBS/ASR/ESP功能失效。

8．液压控制单元

制动分泵通过液压控制单元的电磁阀控制，通过制动分泵的入口阀和出口阀的控制，建立了三个工作状态（如图2所示）:

建压；保压；卸压。

当电磁阀功能出现不可靠故障，整体系统关闭。

（1）建压。

ESP进行控制调整，动态液压泵开始从制动液储液罐中向制动管路输送制动液。

在制动分泵和回油泵内很快建立制动压力，回油泵开始输送制动液使制动压力进一步提高。

（2）保压。

入口阀关闭，出口阀也保持关闭。

制动压力不能卸压。

回油泵停止工作，高压阀N227关闭。

（3）卸压。

控制阀N225反向打开。

在出口阀打开时，入口阀保持关闭。

制动液通过制动主缸返回储液罐。

1.ABS控制单元2.液压控制单元3.制动压力传感器4.侧向加速度传感器5.横摆率传感器6.ASR/ESP按钮7.方向盘转角传感器8.制动灯开关9-12.轮速传感器13.自诊断14.制动系统警报灯15.ABS警报灯16.ASR/ESP警报灯17.车辆和驾驶状态18.发动机控制调整19.变速箱控制调整

ESP液压系统示意图

9．动态控制液压泵V156在液压控制系统中，预压力是用加载泵产生的。

这个泵叫做行车动态控制液压泵，它连接到液压装置下面的公用支架上。

其作用有二个：

（1）建立回油泵入口预载压力；

（2）使回油泵输油效率提高。

二、新奥迪A4轿车ESP系统的功能

当汽车处在非常极端的操控状态，如高速躲闪障碍物的情况下，ESP系统会在极短的时间内收集包括ABS、ASR和EDL（电子差速锁）系统的庞大数据[3]，并接收转向盘转向角度、车速、横向加速度以及车身滚动情形，再与电脑记忆体中的基准值做对比后，指示ABS、ASR等有关系统做出适当应变动作。

目的就是要使汽车遵从驾驶人的意愿方向行驶。

这时即使驾驶人不断改变行驶路径，电脑也能持续运算，并以对个别车轮增加或降低制动力的方式，维持车身动态平衡。

为了给主动控制系统的悬架更好的稳定性，需要新的系统和传感器密切配合。

ABS、ASR和ESP共用的传感器为轮速传感器。

ASR和ESP共用所有横向加速度传感器，而ESP系统本身固有的横摆率传感器用来监测车辆后部因侧滑发生的甩尾。

一般转向角度传感器和安全气囊的线圈做在一起，用来探测驾驶员欲操控汽车的方位。

还有一种就是横向加速度传感器，用来测量将汽车推向偏移方向的力。

该传感器出故障时，一般ASR和ESP灯一起亮。

ESP系统根据转向角速度，侧向力和轮速差异等信号，来判别汽车失去控制的时刻。

不管驾驶者如何操作，通过对单个车轮施加制动和控制发动机的输出功率，来保持车辆的稳定性。

ABS和ASR此时同心协力，一起准确地来控制车轮的滑移率，使车身前部和后部都能保持稳定。

角速度传感器可使汽车保持相对于垂直轴线的稳定性。

ASR系统减少轮胎无谓的磨损和功率消耗，ESP则使汽车即使在湿滑的路面上仍能保持稳定的驾驶性能。

出故障时，一般也跟ABS灯同时亮。

ESP工作原理如图3所示。

ESP工作过程如下图所示。

ESP工作过程示意图

参考文献：

1、《新奥迪A4（AudiNewA4）轿车ESP系统》作者：

邢台职业技术学院王大鹏

2、《汽车ESP控制系统研究》作者：

重庆大学裴锦华

3、《新型汽车主动安全系统ESP》作者：

武汉理工大学吴艳华何天明