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1、论文汽车ESP控制技术论文-汽车ESP控制技术本科生毕业论文(设计)论文题目: 汽车ESP控制技术 学生姓名 : 专业 : 班级 : 指导教师 : 第一章 绪论 . 1 第二章 汽车ABS与ESP技术发展的历史与现状 . 2 2.1 汽车ABS技术的历史与发展 . 2 2.2 汽车ESP技术的历史与发展 . 3 第三章 ESP技术动态 . 5 3.1 关于汽车ESP电子稳定系统 . 5 3.2 ESP的构成. 5 3.3 ESP常用传感器介绍 . 6 3.4 ESP的工作原理 . 8 3.5 ESP的作用. 9 第四章 ESP未来汽车发展趋势 . 11 4.1 ESP正在逐渐替代ABS汽车安全

2、性能的提升 . 11 4.2 博世呼吁:让更多的小车应用ESP电子稳定技术 .12 4.3 博世因其ESP连获道路安全最高奖 .13 第五章 ESP的发展前景 .14 5.1 新车配装ESP已成为全球趋势 .14 5.2 美成全球首个强行安装ESP的国家 .15 5.3 全球交通专家要求ESP成为汽车标准配置 .15 5.4 欧盟率先启动以ESP为主题的交通安全活动 .16 结束语.17 参考文献 .18 致谢 .19 第一章 绪论 第一章 绪论 随着现代汽车工业和汽车技术的发展，以及高速公路网络的纵横延伸，汽车主动安全性越来越受到人们的普遍关注。自从德国博世(BOSCH)公司在1978年开发

3、出世界上第一套汽车ABS系统以来，目前新生产的汽车多数都已经配备了ABS系统。据统计，2004年欧盟生产的新车ABS装备率已达85,，而欧洲汽车生产协会更保证2004年7月起生产的新车100,装备ABS系统。目前，我国生产的新车ABS装备率也将达到100,。 ABS是Anti-Lock Braking System的英文缩写，翻译过来就叫做“防抱死制动系统”。顾名思义，防抱死制动系统就是在汽车制动时防止车轮被抱死。在没有装备ABS系统时，如果驾驶员紧急刹车一般都会使车轮抱死，由于抱死后车轮与地面是滑动摩擦，所以制动距离会变长。而且如果前轮抱死，前轮将失去侧向转向力，汽车就容易跑偏;如果后轮抱死

4、，后轮将失去侧向抓地力，汽车就易发生甩尾。特别是在积雪路面上，当驾驶员紧急制动时，就更容易造成上述状况。因此ABS就是通过控制制动轮缸油压的收放，来达到对车轮抱死的控制。 虽然ABS系统能防止车轮抱死，避免了汽车在紧急制动时因车轮抱死而导致失控的状况，从而有效地提高了汽车制动时的安全性能，但是ABS系统并不能解决汽车在湿滑路面起步或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，人们在ABS系统的基础上，进一步发展出了汽车电子稳定程序ESP，ESP能防止汽车操纵失控，提高汽车在极限工况下的操纵稳定性，对高速行驶时汽车动力学性能的改善尤其显著。 ESP是Electronic Stabil

5、ity Program的英文缩写，中文名字叫做电子稳定程序。也有些汽车公司采用自己的称谓，比如沃尔沃公司叫DSTC，宝马车上被叫作DSC，而丰田凌志又称其为VSC。但它们的基本原理和所起到的作用跟ESP是一致的。ESP整合了ABS和TCS(驱动防滑系统，又称牵引力控制系统)的功能，并大大拓展了其功能范围。它能降低汽车在各种场合下发生侧滑的危险，并自动采取措施，通过有针对性地单独制动各个车轮，使汽车保持稳定行驶，从而避免了重大意外事故的发生。 1 第二章 汽车ABS与ESP技术发展历史与现状 第二章 汽车ABS与ESP技术发展的历史与现状 2.1 汽车ABS技术的历史与发展 ABS的发展可追溯到

6、上世纪初，早在1928年防抱死制动理论就被提出。ABS最早应用于对安全性能要求高而对价格不十分敏感的航空工业上，为客机起降而研制的。1950年，世界上第一套防抱制动系统(ABS)研制成功并首先被应用于航空领域的飞机上。德国博世公司(BOSCH)是最早从事汽车ABS发明、研制的单位，早在1936年博世公司就第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的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采用了模拟计算机与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A

7、BS轿车的生产。但随着数字计算机和调节器技术的发展，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，世界上主要汽车生产厂家生产的轿车几乎全部配备了ABS，使得ABS成为现代汽车的标准装备。 上世纪90年代后，ABS的发展经历了TCS(Traction Control System，牵引力控制系统)、ESP(Electronic Stability Program，电子稳定程序)阶段。ESP是通过调节汽车纵向制动力大小

8、及匹配，旨在提高汽车在极限工况下的操纵稳定性的主动安全系统，并且还可以控制汽车的横向运动。该系统包含了ABS和TCS系统，是这两种系统功能的延伸，并且可以起到强化ABS和TCS功能的作用，从而极大地提高汽车行驶的主动安全性。 我国对ABS的研究始于80年代初，国内研制ABS的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从80年代初就开始研究ABS，是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收，如将德国瓦布科公司的ABS装于EQ145型汽车上进行各种试验。重庆公路研究所相继开发出了两代

9、ABS产品，第一代ABS的ECU采用了280芯片。第二代ABS产品为FKX-ACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL公司的MCS-96系列8098单片机，但距离满足实际应用仍有一定的差距。1998年，重庆聚能汽车技术有限公司在国内首家推出适合中国国情的电子式ABS防抱装置，现已达到年产50万套的生产能力，是我国国内最大的ABS生产基地。随着车辆动力学与现代控制理论研究的不断深入，以及计算机技术、传感器技术、液压技术和通信技术的不断发展，ABS技术的发展方向可作如下预测: (1)与牵引力控制系统形成一体化的控制方式。ABS是以防止车轮抱死为目的，为取得最佳的制动效果;而TC

10、S是防止车轮打滑、空转，为取得最佳的驱动2 第二章 汽车ABS与ESP技术发展历史与现状 效果。两者采用了相同的技术，只是控制的车轮滑移方向相反，所以牵引力控制系统总是和防抱死制动系统密切相关，结合在一起应用，通常成为ABS/TCS系统，目前ABS/TCS的组合装置已经得到应用; (2)汽车稳定性控制系统(ESP)。ABS/TCS系统成功地解决了汽车在制动和驱动时的方向稳定性问题，但不能解决转向行驶时的方向稳定性问题。为此汽车工业发达国家在ABS/TCS系统的基础上研制开发了ESP系统。该系统把汽车的制动、驱动、悬架、转向、发动机等主要总成的控制系统在功能上、结构上有机地组合在一起，可使汽车在

11、各种恶劣工况下时，都有最佳的行驶性能; (3)向自动制动系发展。自动制动系是自动驾驶系统的一部分，可以在汽车行驶过程中，自动检测到前方障碍物而进行制动，与ABS结合起来能够进一步提高行驶安全性; (4)小型轻量化。为了提高汽车的安全性能，增加一些装置，汽车的质量也会随之增加，这将不利于燃料经济性。因而各种装置在保证安全性的前提下应尽量地减轻质量。此外，无论对何种车型，发动机的安装空间都是非常紧凑的，故而要求ABS的体积尽可能小些。 2.2 汽车ESP技术的历史与发展 在国外，汽车电子稳定程序ESP是在ABS和TCS的基础上发展起来的。最初的汽车稳定性控制的概念是在ABS和TCS的基础上在算法上

12、加以改进，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，它只是在ABS和TCS基础上的改进。 直至上世纪90年代初，人们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:Direc tYaw Moment Control)，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，以保障汽车的稳定性，这标志着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系统所采用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的转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

13、证系统控制的精度和可靠性。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才得已确认。 在这一时期，基于上述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与汽车理想运行状态的误差反馈来控制汽车的横摆力矩，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较为常用的方法。由于在汽车稳定性控制中所需要的车辆运行状态无法完全由传感器直接测量得到，因此如何通过传感器测量的车辆状态信息

14、推测出不易被测量的车辆状态或路面的状态信息一直是近几年汽车稳定性控制的研究热点，目前已经有不少的状态估计方法出现，一定程度上改善了控制系统的可靠3 第二章 汽车ABS与ESP技术发展历史与现状 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，并取得了一定的控制效果。 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必然趋势，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，进一步提高控制效果。 国内对汽车稳定性控制系统的应用与研究起步较晚，到目前为止，只有少数汽车(如奥迪A6、帕萨特)上安装了汽车稳定性控制系统，并且没有自

15、己的实际研发能力，而且由于缺少试验条件，研究还不十分深入。 现在吉林大学、清华大学、上海交通大学、西北工业大学、东南大学等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造有限公司等企业也正在开展这方面的研究工作。而且大多数学者只是基于理论研究，刘彩志等人基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，采用直接横摆力矩来提高了汽车的操纵稳定性和主动安全性。程军用模拟的方法研究了汽车动力学控制系统，采用闭环的横摆角速度及汽车侧偏角控制，用它们之间的相平面来确定稳定性区域，采用PI控制算法，并且讨论了汽车动力学稳定性控制和ABS的结合与切换问题。郭孔辉以纵滑一侧偏联合工况的稳态轮胎模型为基础，分析了汽车极限转向条件下制动力

16、作用于不同车轮时对汽车横摆力矩的影响，并通过整车动力学仿真进行了验证。赵治国对汽车动力学稳定性控制的基本原理进行了分析，推导出两自由度汽车横向动力学方程，视实际汽车前后轮胎侧偏刚度为有界不确定参数，为跟踪线性两自由度理想车辆模型的稳态输出响应，并设计了汽车动力学稳定性变结构控制策略。从收集到的资料来看，在控制方法上主要有采用横摆角速度和侧偏角为控制变量的逻辑门控制，以横摆角速度为单控制变量的PID控制。 从1995年至今，由于性能的不断改进以及成本的不断降低，ESP获得了很快的发展，并开始作为选装件装备于一些中、高档轿车上。从2000年起，德国大众公司在其几乎所有轿车车型上均可选装ESP系统。

17、通用、福特和戴姆勒克莱斯勒公司也开始在其新车型中选装汽车稳定性控制系统。随着先进底盘控制技术的不断发展，将四轮转向控制和车辆稳定性控制系统有机结合起来，获得最佳的综合控制效果将是汽车技术发展的一个重要方向。4 第三章 ESP技术动态 第三章 ESP技术动态 3.1 关于汽车ESP电子稳定系统 ESP的英文全称为“Electronic Stability Program”,也就是电子稳定程序。现在绝大部分轿车早已将ABS作为标准配置，但ABS只是辅助制动安全系统，其作用都是非常有限的。汽车专家们就开始在制动上做文章，并不断推出各种电子安全系统，如:电子制动力分配系统(EBD);加速防滑系统(AS

18、R);牵引力控制系统(TCS);以及最重要的电子稳定程序(ESP)等等。 ESP其实是对ABS和EBD等安全功能的补充和完善，ABS等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用，但不能调控发动机。ESP则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力和制动力，来修正汽车的过度转向和转向不足。 ESP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等. ESP系统通常是支援ABS及ASR(驱动防滑系统，又称牵引力控制系统)的功能。它通过对从各传感器传来

19、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可以监控汽车行驶状态，并自动向一个或多个车轮施加制动力，以保持车子在正常的车道上运行，甚至在某些情况下可以进行每秒150次的制动。目前ESP有3种类型:能向4个车轮独立施加制动力的四通道或四轮系统;能对两个前轮独立施加制动力的双通道系统;能对两个前轮独立施加制动力和对后轮同时施加制动力的三通道系统。 3.2 ESP的构成 如下图3-1所示为汽

20、车ESP的构成示意图,其电子部件主要包括电子控制单元(ECU)、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统,其各个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。本文介绍了ESP常用传感器的特点,设计了传感器硬件接口和软件接口,并在实车测试中得到验证。 5 第三章 ESP技术动态 图3-1 ESP构成示意图 3.3 ESP常用传感器介绍 ESP电子稳定系统常用的传感器如图3-2所示: 图3-2 ESP常用传感器 1方向盘传感器 6 第三章 ESP技术动态 ESP通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。方

21、向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号,方向盘转角一般是根据光电编码来确定的,安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向、转角等信息。这一编码盘上的信息由接近式光电耦合器进行扫描。接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后,处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。方向盘转角传感器与ECU的通讯一般通过CAN总线完成。 2横摆角速度传感器 横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转,该偏转的大小代表汽车的稳定程度。如果偏转角速度达到一个阈值,说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况,则触发ESP控制。当车绕垂直方向轴线偏转时,传感器内的微音叉的振动平面发

22、生变化,通过输出信号的变化计算横摆角速度。 3纵向/横向加速度传感器 ESP中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感器和垂直于前进方向的横向加速度传感器,基本原理相同,只是成90?夹角安装。ESP一般使用微机械式加速度传感器,在传感器内部,一小片致密物质连接在一个可以移动的悬臂上,可以反映出汽车的纵向/横向加速度的大小,其输出在静态时为2.5V左右,正的加速度对应正的电压变化,负的加速度对应负的电压变化,每1.0-1.4V对应1g的加速度变化,具体参数因传感器不同而有所不同。 4轮速传感器 在汽车上检测轮速信号时,最常用的传感器是电磁感应式传感器,一般做法是将传感器安装在车轮总成的非旋

23、转部分(如转向节或轴头)上,与随车轮一起转动的导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈相对传感器转动时,由于磁阻的变化,在传感器上激励出交变电压信号,这种交变电压的频率与车轮转速成正比,ECU采用专门的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波,再通过测量方波的频率或周期来计算车轮转速。 最初的ESP系统中纵向/横向加速度传感器和横摆角速度传感器都是单独实现的,现在基本都使用了传感器总成(Sensor Cluster)的模式,将这3个传感器设计为一体,通过CAN总线与ECU通讯。如图3-3为SIMENSVDO公司和BEI公司生产的传感器总成。 7 第三章 ESP技术动态 图3-3传感器总成 博世公司为了

24、增加新的ESP功能和为了更好的控制整车的稳定性系统,如山地保持控制(HHC)和线控(SbW),提出了模块化的HW和SW概念,开发了第三代高度灵活和低成本的慢性传感器总成DRSMM3.x。 3.4 ESP的工作原理 ESP的工作原理是当汽车行驶过程中，ESP系统通过不同传感器实时监控驾驶者转弯方向，车速、油门开度、刹车力以及车身倾斜度和侧倾速度，以此判断汽车正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距。然后通过调整发动机的转速和车轮上面的刹车力分布，修正过度转向或转向不足。ESP在提高汽车行驶稳定性方面效果显著。 汽车高速转向行驶时，由于受转向或侧向力干扰的作用，轮胎侧向力常常接近附着极限或达到饱和状

25、态，使汽车的转向特性发生明显改变，从而出现跑偏、侧滑等丧失汽车动力学稳定性的危险情况。汽车电子稳定控制系统(ESP)可以通过调节车轮纵向力大小及匹配来改善汽车在这极限情况下的操纵稳定性。它不仅包含了防抱死制动系统还增加了横摆力矩控制系统,从而在制动和转向情况下对汽车安全稳定行驶提供了有力的支持。 其实ESP的作用就是当驾驶员操纵汽车超过极限值后电脑自动介入修正驾驶的。电脑控制车辆运动的手段有两个:第一是控制节气阀收油，衰减汽车动力，让速度降下来;第二个手段就是对某些车轮进行制动，让汽车的速度能够减小到极限值以内。那么电脑怎么样知道车辆的运动状况是否接近极限呢,这就需要两套传感器为电脑搜集行车信

26、息。一套是方向盘转向角度传感器;一套是车轮转速传感器(每个车轮上都装有一个)。 前者用来收集驾驶者的转向意图，后者是用来监测车辆运动状况。当方向盘转向角度传感器检测到驾驶员的转向角度以后，就会通知ESP电脑;与此同时，各个车轮转速传感器测得的车轮转速信息也会传递到ESP电脑。电脑可以根据各个车轮的转速计算出车辆的实际运动轨迹。如果实际运动轨迹，跟理论运动轨迹有区别，或者检测出某个车轮打滑(丧失抓第力)，电脑就会首先通知8 第三章 ESP技术动态 节气阀，减小开度(收油)。然后通知制动系统对某个车轮进行制动，来修正运动轨迹。当实际运动轨迹与理论运动轨迹(驾驶员意图)相一致时，ESP自动解除控制。

27、其图3-4 ESP电路总成图: 图3-4ESP电路总成图 3.5 ESP的作用 在汽车行驶过程中，转角传感器感知驾驶者转弯方向和角度，车速传感器感知车速、油门开度和转速力矩，刹车传感器感知刹车力，而摆角传感器则感知车子的倾斜度和侧倾速度，ECU(电控单元)在了解这些信息之后，通过计算判断汽车按正常安全行驶和驾驶员操纵意图之间的差距，然后，由ECU发出指令，通过调整发动机的转速和车轮上的制动力(如图3-5所示)，以修正汽车的过度转向或转向不足。其具体控制策略如下(如图3-5所示): 图3-5ESP对不足转向和过度转向的纠正 9 第三章 ESP技术动态 (1)过度转向(Over Steer) 当车辆行驶时，由于外在意外造成转向过度，而使后轮打滑，而使车辆抛出车辆转弯曲线，此时ESP利用制动力量将前轮外侧