汽车ESP系统的分析和研究设计论文

绪论

ESP是汽车电子稳定程序 (Electronic Stability Program)的简写，由德国博世公司(BOSCH)和梅赛德斯-奔驰(MERCEDES—BENZ)公司联合研制。1998年2月，梅赛德斯一奔驰公司首次在其A级微型轿车中成批地安装该电控车辆稳定行驶系统。它集成了电子制动防抱死系统(ABS)，电子制动力分配（EBD）和牵引力控制（TCS）的基本功能；能够在几毫秒的时间内，识别出汽车不稳定的行驶趋势，比如，由于人为或环境的干扰，轿车可能进入不稳定的行驶状态；特别是驾驶员在转向时经常出现“过度转向”或“转向不足”的操作缺陷，如果得不到及时纠正，就会使车子偏离正确行驶路线，严重时，就有翻转趋势等危险。ESP系统通过智能化的电子控制方案，让汽车传动或制动系统产生所期望的准确响应，从而及时地，恰当地消除这些不稳定行驶趋势，使汽车保持在所期望的行驶路线上。ESP系统是汽车主动安全性技术发展的一个巨大突破，它可以在极其恶劣的行车环境中确保汽车的行驶稳定性。

第一章国内外ESP研究的现状和目的与意义

1.1 ESP的概括与发展历程

1998年2月，梅赛德斯一奔驰公司首次在其A级微型轿车中成批地安装该电控车辆稳定行驶系统。它集成了电子制动防抱死系统(ABS)，电子制动力分配（EBD）和牵引力控制（TCS）的基本功能；能够在几毫秒的时间内，识别出汽车不稳定的行驶趋势，比如，由于人为或环境的干扰，轿车可能进入不稳定的行驶状态；特别是驾驶员在转向时经常出现“过度转向”或“转向不足”的操作缺陷，如果得不到及时纠正，就会使车子偏离正确行驶路线，严重时，就有翻转趋势等危险。ESP系统通过智能化的电子控制方案，让汽车传动或制动系统产生所期望的准确响应，从而及时地，恰当地消除这些不稳定行驶趋势，使汽车保持在所期望的行驶路线上。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系统包含ABS（防抱死刹车系统）及ASR（防侧滑系统），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，现在的任何安全装置都难以保全。ESP系统是汽车主动安全性技术发展的一个巨大突破，它可以在极其恶劣的行车环境中确保汽车的行驶稳定性。是它的主动性，如果说ABS是被动地作出反应，那么ESP却可以做到防患于未然。

汽车电子稳定程序控制系统（Electronic Stability Program），虽然不同的车型，往往赋予其不同的名称，如BMW称其为DSC，丰田、雷克萨斯称其为VSC，而VOLVO 汽车称其为DSTC，但其原理和作用基本相同。ESP系统除了具有ABS和TCS的功能之外，更是一种智能的主动安全系统，它通过高度灵敏的传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图，识别出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态。

ESP 能降低车辆侧滑的危险，从而降低事故的发生，显著减少因外界各种恶劣路况及驾驶员失误等造成的重大损失，极大地改善了汽车的动态行驶安全性。美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的一项报告称，在配备了 ESC 的车辆中，客车单车碰撞事故减少30%，而轿车致命的单车碰撞事故也减少30%。就运动型多用途车而言，该事故下降率甚至更高，单车碰撞事故减少67%，而致命事故则减少63%。 ESP 的装配率因各个国家而异。根据博世的统计，2005年德国新车ESP 装配率约为72％，西欧的平均新车装配率约为44％，在日本和北美，这个数字稍低，北美约为21%，日本约为15%。而目前中国的装配率还比较低，约为3%。

图1.1：2003-2005全球主要地区（国家）的新车ESP 装配率 目前主要有博世、德国大陆、日本电装、ADVICS 、韩国万都、美国德尔福等少数几家公司生产ESP ，其中博世占了较大份额。从博世1995年推出ESP 系统10以来，到2006年初博世累计销售了2000万套ESP 系统。

1.2 ESP 的现状和发展趋向

汽车安全性能的提升是汽车业界不断的追求，秉承这一理念，ABS 在经过普及阶段以后，目前已进入了产品升级阶段。业界的一致共识是ABS （防抱死制动系统）将向ESP （电子稳定性控制系统）演化。

市场上ESP 已在拓展自己的领地。在欧洲，2005年大约40的新注册车辆配备了ESP ，在高档车上，ESP 已经成为了标准配置，中档车上的装配率也迅速提高，在紧凑型车上装配率稍低。北美和日本的ESP 装配率上升也很快。在中国，目前ESP 的装配率还比较低，但是可喜的变化正在显现，以往通常只在高档车上才装配ESP ，而今年上市的新车东风雪铁龙的凯旋一汽大众的速腾和上海通用的君越都配有ESP 。

汽车电子稳定程序控制系统，英文缩写为ESP （ElectronicStabilityProgram ）

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01020304050607080德国西欧北美日本

单位：%

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虽然不同的车型，往往赋予其不同的名称，如BMW称其为DSC，丰田、雷克萨斯称其为VSC，而VOLVO汽车称其为DSTC，但其原理和作用基本相同。

ESP系统由电子控制单元（ECU），方向盘转角传感器，轮速传感器，横摆角速度传感器，横向角速度传感器及液压系统组成，ESP除了具有ABS和TCS的功能之外，更是一种智能的主动安全系统。

ESP的ECU通过高度灵敏的传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图。ESP能立刻识别出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态，ESP的干预措施包括对车轮独立的施加制动力；在特殊工况对变速箱的干预措施；通过发动机管理系统减小发动机扭矩。

ESP三大特点

1．实时监控：ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。

2．主动干预：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。

3．事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，ESP会用警告灯警示驾驶者。换句话说ESP实际上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。

P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。因此科研人员要在以下几个方面多下功夫，争取研究开发出更加完善和优化的ESP系统。

1.传感技术的改进

在ESP系统中使用的传感器有车辆横摆角速度传感器、横向加速度传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器等，它们都是ESP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。随着价格低廉的微机械（Micro—Machined）加速度和横摆角速度传感器的出现，为这项技术的广泛应用创造了一定的条件。

2．体积小质量轻及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PCP（PrechargePump）压力产生装置（PressureGeneratorAssembly）液压单元HU5.0所构成。

3．ESP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，一般多采用CPU结构。而ECU软件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（电子控制单元）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2档，这将显著改善大功率轿车的起步舒适性。

目前国外，特别是欧洲，越来越多的车型已将ESP系统作为其标准配置，国内一些中高档车型也逐渐将其作为标准配置。据报道，2004年中国新车的ESP系统装备率为3，欧洲的新车装备率为35。2005年欧洲出产新车ESP装备率达到40，中国达到4。ESP正在向一般的商用车及重型卡车普及，多家商用车生产厂商和重型卡车生产厂商正在推出带ESP系统的车型。现在正是欧美汽车工业界推广应用ESP 系统的高潮时期，国内也正处于迅速的推广普及阶段。

可以预见，ESP汽车安全产品不久将成为多款中、高档轿车和其它车型的标准配制，掌握ESP技术，就掌握了竞争未来汽车安全技术的主动权。所以攻克ESP设计的理论与关键技术，对提高国产汽车的自主开发能力、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义。它将为我国汽车工业的繁荣发展以及促进其它相关工业的繁荣发展起着重要作用，并能带来巨大的社会效益和经济效益。

当前，全球共有6家主要汽车零部件制造商生产ESP，他们是德国博世、日本电装、德国大陆Teves、美国德尔福、日本爱信精工和美国TRW公司。

德国博世公司一直是这方面技术的领先者，无论是ABS/ASR还是更先进的ESP系统，技术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应ABS/ASR/ESP系统。国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，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、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。

1.3研究ESP的目的和意义

很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控。例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。

ESP(电子稳定系统)通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(简单理