车辆电子第一次作业汽车ESP控制系统工作原理及发展.docx

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车辆电子第一次作业汽车ESP控制系统工作原理及发展

汽车ESP控制系统工作原理及发展

姓名：

xxx学号：

xxx

（北京理工大学机械及车辆学院车辆工程，北京100081）

摘要：

汽车电子稳定程序控制系统是一种新型主动安全性控制系统，是继汽车防抱死制动系统和牵引力控制系统发展起来的。

该系统基于汽车翻转角速度、横向线加速度和偏转力矩等的测量值，不但能够纠正诸如翻转或者打滑等各种汽车不稳定行驶状态，而且能够显著提高汽车线内行驶的稳定性，缩短在弯道或湿滑路面上紧急制动时的制动距离，防止出现危险状况，从而更有效、更显著地提高汽车的操纵稳定性和行驶安全性。

本文介绍汽车电子稳定系统的工作原理、组成部件及其功能以及其发展。

1.ESP的发展及其现状

随着电子技术的发展，利用控制技术提高汽车的行使安全性一直是汽车领域的研究热点。

早在1936年德国博世（Bosch）公司就第一个获得了用电磁式车轮轮速传感器获取车轮的ABS专利。

直到上世纪60年代末和70年代初，美国三大汽车公司才分别推出了装有ABS的高级轿车，但由于受当时技术条件的限制，ABS采用了模拟计算机及真空作用的压力调节器，在控制精度和可靠性上出现了很多问题，美国汽车制造厂家不得不在70年代终止了ABS轿车的生产。

随着数字计算机和调节器的发展，ABS的性能和抗干扰能力不断增强，ABS在欧洲又重新兴起。

在上世纪80年代中后期和90年代，ABS在世界范围内得到了广泛地推广和应用，成为在汽车上应用最成功的电子控制产品之一，大大改善了汽车在制动时的稳定性。

在90年代中期以后，主要汽车生产厂家生产的轿车几乎全部配备ABS，使得ABS成为了现代汽车的标准装备。

汽车驱动防滑控制系统（ASR）是伴随着ABS产品化发展起来的，实质上它是ABS基本思想在驱动领域的发展和推广。

ASR的专利在70年代开始出现。

但直到1985年才有瑞典VOLVO汽车公司把这项技术转化为产品，开发了一种称为ETC的电子牵引力控制系统并安装在Volvo760Turbo汽车上，该系统仅通过调节燃油供给量调节发动机的输出力矩来控制驱动轮滑转，但未采用对制动系统的控制。

1980年12月，成功推出ABS的Bosch公司第一次将制动防抱死（ABS）控制技术及驱动防滑（ASR）控制技术相结合应用于MercedesS级轿车上，开始了ABS/ASR集成控制的时代，并利用对制动系统的控制来调节车轮的驱动滑移率。

现在的ASR系统很少单独使用，一般都是及ABS一起构成ABS/ASR系统。

ABS和ASR都只是通过对纵向滑移率的控制来间接保证汽车在制动和驱动时的稳定性，但对汽车在极限转向、制动转向、驱动转向以及车辆受到外界干扰等引起失稳时的纠正效果并不是十分明显。

汽车ESP系统突破了ABS/ASR的限制，通过直接监测汽车的实时运行姿态进行控制，直接保证汽车的稳定性，因此显著提高了控制效果，特别是能显著提高汽车处于附着极限时的稳定性，因而大大减少了交通事故。

汽车稳定性的概念在上世纪90年代开始提出，由于当时的汽车稳定性控制还处于概念阶段，各个生产厂家根据自己系统的特点提出了各自的方法及名称。

1992年BMW公司和BOSCH公司合作，在ABS/ASR的基础上开发了汽车稳定性系统并称为DSC1（第一代DSC），应用于BMW850Ci轿车上。

1994年，BMW公司和BOSCH公司再次合作，在DSC1的基础上进一步发展为DSC2，并引入CAN总线及发动机管理系统通讯。

无论是第一代还是第二代都相对比较简单，只是在ABS/ASR的基础上增加了方向盘转角传感器，并未增加测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，汽车的横摆角速度是通过内外车轮的转速差间接估计得到的，这在很多情况下，尤其是在轮胎附着极限情况下是不准确的。

真正意义上的汽车稳定性控制一般认为出现在1995年。

在1995年，BOSCH公司提出了VDC的概念，Benz公司提出了ESP的概念，TOYOTO公司提出了VSC的概念，它们均采用了能直接测量汽车运行姿态的侧向加速度传感器和横摆角速度传感器，使得稳定性控制系统的应用范围大大扩展。

1996年BWM公司和BOSCH公司再次合作推出的DSC3就是此类稳定性控制系统。

1997年VarityKelsey-Hayes和LucasPLC合并，联手开发VSC。

德国的大陆TEVES公司也以MK60液压调节器为基础进行ESP的研制及开发。

在国外，汽车ESP控制系统是在ABS和ASR的基础上发展起来的。

最初的起初的汽车稳定性控制概念是在ABS和ASR的基础上加以算法上的改进，使之能部分解决汽车的稳定性问题，但此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统，只是在ABS和ASR基础上的改进。

在上世纪90年代初，通过对车辆稳定性的理论分析，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念（如DYC:

DirectYawControl）它通过采集方向盘转角的信息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车的横摆运动，直接保障汽车的稳定性，这标志汽车稳定性控制概念的出现。

但考虑到系统的成本，最早出现的稳定性控制所用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的轮速差间接估计得到的，因此在一些汽车行驶的复杂工况下很难保证汽车的稳定。

1995年之后，随着Bosch、BMW、Ford、TOYOTA等公司相继推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器的新一代汽车稳定性控制系统，汽车稳定性控制的基本形式得到了确认。

在这一阶段，基于这种组成结构的汽车稳定性控制算法开始大量出现，其中Bosch的VDC是其中比较典型的控制方法之一，它采用汽车实际运行状态及汽车理想运行状态的误差反馈来决策汽车的横摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节，这一控制方法也是现在汽车稳定性控制中比较常用的控制方法。

由于在汽车稳定性控制中所需要的汽车运行状态并不能完全由传感器直接测量得到，因此如何通过测量的汽车状态推测不易测量的汽车状态或路面的状态是近几年汽车稳定性控制的研究热点，已经有大量的状态估计方法出现，大大改善了控制系统的可靠性。

近几年来，有一些学者开始尝试用现代控制理论的一些控制方法进行汽车稳定性控制，并取得了一些控制效果。

2.ESP组成

图2.1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）。

图2.1博世ESP系统的硬件结构

2.1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。

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。

2.2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，其基本结构及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）。

图2.2Bosch液压调节器HU5.0的结构

图2.2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。

以上部分及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及主油路相连，USV切断及主油路通路，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及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及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。

2.3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。

3.ESP工作原理

3.1汽车失稳原因分析

由于汽车行驶的工况十分复杂，如路面摩擦系数的变化，汽车的制动驱动，汽车受到侧向风干扰等，都可能引起汽车失稳。

汽车的转向运动是由方向盘上施加转角以后使前轮产生侧偏角和侧向力，引起汽车横摆运动；汽车的横摆运动导致后轮也产生侧偏角，进而产生侧向力。

前、后轮的侧向力提供了汽车转向的向心力。

汽车在稳定行驶时，例如，高附着路面下转向侧向加速度较小时，轮胎侧偏角较小，及轮胎侧向力近似成线性关系，轮胎特性处于线性区内。

在这种情况下汽车的质心侧偏角也是很小的，接近于零，按照预期轨迹行驶。

当汽车发生失稳的情况时，例如进行紧急转弯时，离心力变大，轮胎处于非线性区，侧偏角和轮胎产生的侧向力不再成线性关系，侧向力逐渐饱和，路面不能提供足够的侧向力，不再按照预期轨迹行驶，失去控制。

当前轴侧向力饱和时，汽车出现不足转向特性，前轴发生侧滑，车辆出现飘移现象，车辆实际的转弯半径比驾驶员预期的要大，汽车偏离预期轨迹；当后轴侧向力饱和时，汽车出现过度转向特性，后轴发生侧滑，产生激转、侧翻、反应迟钝、甩尾等危险工况。

目前的车辆稳定性控制系统，通常选取这两个参数作为控制对象。

一个作为主要控制变量，一个作为辅助变量。

例如BOSCH的ESP系统以横摆角速度为主要控制目标，TOYOTA的VSC以质心侧偏角做为主要控制目标。

3.2控制系统结构

各传感器估算各轮的滑移率、垂直载荷、摩擦系数、质心侧偏角和纵向速度等，通过信号处理计算出车辆的名义值，ECU控制器将差值进行分析，计算需要施加的横摆力矩增量，确定被控车轮，副回路通过防抱死（ABS）子系统和防驱动滑转（ASR）子系统以及防倒拖转矩控制（MSR）子系统来对指定车轮进行制动或者调整发动机输出转矩，达到控制制动力和驱动力来满足主回路的控制，实现车辆的稳定性。

图3.1BOSCHESP系统结构图

3.3ESP系统的综合控制原理分析

1.避免不足转向或过度转向

汽车转向稳定性可以采用不足转向、过度转向和中性转向来衡量，汽车在低速行驶时，无论受到侧向风力作用还是快速打方向盘，均不会出现不足转向或过度转向。

但是，在高速行驶时，轻微的方向盘转动或者较小的外部侧向力作用均可导致汽车出现不足转向和过度转向，即此时的汽车转向轨迹已经不符合驾驶员意愿，而且一般驾驶员难以纠正这种危险倾向。

汽车的重心也会随着车上乘员或者货物的变化而出现前移而导致不足转向，或者后移而导致过度转向。

图3.2ESP系统对过渡转向的干预原理

在汽车转向的过程中，ESP监测方向盘转角和横摆角速度，同时获得车速信号，计算出汽车转向过程中产生的浮角，如图3.2所示的角β（汽车行驶方向偏移汽车纵轴角），如果是此浮角导致汽车出现过度转向，那么对汽车采取外侧车轮制动，使汽车绕垂直于地面的轴线顺时针转动，从而减小浮角，使汽车趋于中性转向。

同样，当汽车出现不足转向时，则对汽车内侧车轮制动，使汽车绕垂直于地面的轴线逆时针转动，同样减小浮角，使汽车趋于中性转向。

图3.3ESP电子稳定程序工作原理示意图

2.防止汽车超越转弯极限

在弯道加速时的汽车行驶性能可用转圈行驶试验得到。

通过实验对比未配备和配备ESP系统的车辆得出结论:

ESP系统可以有效地防止汽车超越转弯极限。

此试验的条件是:

在附着系数为1的结实的硬道面上，车速缓慢增加至圆圈半径为100m的物理极限车速并保持，实验结果如下:

（1）未配备ESP系统的汽车

在转圈行驶的行驶试验中，车速约超过95km/h就达到它的物理极限车速，所需的转向变得很困难，同时浮角也迅速增加，但驾驶员还能将汽车保持在圆形车道内行驶。

到约98km/h的车速时，未配备ESP系统的汽车行驶变得不稳定，汽车尾部甩出，驾驶员必须反转向并驶出圆形车道。

此述实验可以验证，汽车转向过程中会出现极限车速，并且此极限车速随附着系数和转弯半径的变化而变化。

在上述实验中，汽车的极限车速为95km/h。

到98km/h时，汽车变得不稳定，并且在不减速的情况下，通过驾驶技术已经不能克服。

（2）配备ESP系统的汽车

在配备ESP系统的汽车车速到约95km/h时，其行驶性能及未配备ESP系统的汽车在车速95km/h时的行驶性能完全一样。

驾驶员想进一步提高车速已无法实现，因为汽车已处于稳定的极限，ESP系统利用发动机干预限制汽车的驱动转矩。

3.减小制动距离

根据德国某数据库的一项研究表明:

由于惊慌等原因，在接近一半的事故中驾驶者未能用足够的力量进行制动。

但通过实验表明制动辅助系统允许普通驾驶者在以100km/h的行驶速度制动时，制动距离平均缩短7.6m，如果行驶速度为50km/h，制动距离将缩短0.7m。

但如果装配了ESP系统，那么同样能够达到制动辅助系统的效果。

ESP系统装配的制动踏板位置传感器能够计算制动踏板的位置和踩下制动踏板的加速度，加速度很大表明需要紧急制动，即开始踩下制动踏板时制动力就必须达到最大值。

一旦传感器收到制动踏板被踩下的加速度很大的时候，ESP便进入干涉阶段使四个车轮的制动力迅速达到最大值，并且依然能够通过ABS保证车辆不抱死。

但是，若没有ESP作用，制动力的上升随着制动踏板的行程的增加而增加，在车轮临近抱死阶段，制动力达到最大值，在这种情况下将丧失宝贵的制动时间。

4.总结

ESP系统通过综合整体控制实现了汽车从低速起步到高速转弯、正常行车及紧急制动的安全性，ESP系统在对汽车动态性能控制方面有不可替代的重要作用。

其技术价值逐渐被消费者认同，同时该系统的普及率也快速提升。

ESP技术的发展受到以下几个方面的制约：

（1）城市道路越来越拥挤、平均车速在逐年降低，ESP的技术应用远远不及混合动力的应用所带来的直接效益。

（2）ESP系统及以电机驱动纯电动汽车尚没有进行匹配。

（3）智能控制的无人驾驶技术的出现将彻底改变ESP的技术现状。

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