汽车电子稳定程序系统.docx

1、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

2、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

3、。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

4、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AS

5、R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

6、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 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。 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。侧向加速度传感器 加速度传感器用于测量侧向加速度。

7、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。 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:

8、 Precharge Pump) 和压力生成器(PGA: Pressure Generator Assembly)。 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

9、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

10、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: Electronic Control Unit)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。

11、 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： 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

12、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。 体积小、重量轻、低成本液压制动作动系统的结构设计。 ECU 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。 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

13、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(Audi New A4)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 2.0T FSI 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)、

14、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（Electronic Stability Program）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。E

15、SP 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 G85 G85 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

16、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

17、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。 4ESP 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。 5ASR/ESP 按钮开关 E

18、256 ASR/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 ES

19、P 计算机。 7ESP 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 BOSCH ABS/ESP 8.0 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，

20、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

21、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

22、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

23、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(Audi New A4)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