电子稳定程序系统与汽车主动安全

电子稳定程序系统与汽车主动安全——机电一体化在汽车领域的应用举例摘要汽车是机电一体化产品的典型代表，而汽车电子稳定程序（ESP）是现代汽车上最具有代表性的主动安全装置，其作用和优点受到广泛关注。

另一方面，ESP技术经过多年的发展日趋成熟，其制造成本也大幅降低。

因此，ESP技术在汽车上的应用也是越来越多，许多国产紧凑车型也加入这项技术。

本文介绍了ESP系统的组成以及一些常用的汽车ESP传感器关键词： ESP；传感器；转向过度，转向不足，主动安全一、引言：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。

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。

二、ESP技术的简介ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序）是汽车电控的一个标志性发明。

ESP 是德国博世公司(BOSCH)和梅赛德斯-奔驰(MERCEDES—BENZ)公司联合研制，且博世公司是第一家把电子稳定程序（ESP）投入量产的公司。

因为ESP是博世公司的专利产品，所以只有博世公司的车身电子稳定系统才可以称之为ESP。

在博世公司之后，也有很多公司研发出了类似的系统，如日本研发的车辆行驶动力学调整体统（Vehicle Dynamic Control 简称VDC），丰田研发的车辆稳定控制系统（Vehicle Stability Control 简称VSC），丰田研发的车辆稳定性控制系统（Vehicle Assist Control 简称VSA），丰田研发的汽车电子稳定控制系统（ESC）宝马研发的动态稳定控制系统（Dynamic Stability Control 简称DSC）等等。

尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统。

在ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。

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。

实际上ESP系统也是一种牵引力控制系统，但是与其它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。

如后轮驱动汽车出现转向过度时，ESP便会慢刹外侧的前轮来稳定车子，防止后轮失控而发生甩尾现象；在转向过小时，为了校正行驶循迹方向，ESP则会慢刹内侧后轮，从而校正行驶方向。

ESP是一个主动安全系统，通过有选择性的分缸制动及发动机管理系统干预，防止车辆滑移。

ESP判定为出现转向不足将制动内侧后轮，从而稳定车辆。

保证驾驶者的安全。

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，以保证车子在正常车道上运行，甚至在某些情况下可以进行每秒150次的制动。

如今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。

三、ESP系统的结构与组成ESP 是在原有电子制动防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）和牵引力控制（TCS）的基础上发展起来的。

在ABS和ASR各种传感器的基础上，增加了汽车转向行驶时横摆率传感器、车身翻转角速度传感器、侧加速度传感器、制动总泵中的液压力传感器和转向盘转角传感器等。

其中最重要的是车身翻转角速度传感器，其能够适时地监控汽车行驶的准确姿态，监控汽车每个可能的翻转运动角速度。

其他传感器则分别监控汽车的行驶速度和各车轮的速度差，监控转向盘的转动角度和汽车的水平侧向加速度，当制动发生时则监控制动力的大小和各车轮制动力的分配情况。

ESP系统包括车距控制、防驾驶员困倦、限速识别、并线警告、停车入位、夜视仪，周围环境识别、综合稳定控制和制动助力(BAS)9项控制功能。

通过辆失去控制的危险性降低80%左右。

综合应用9种智能主动安全技术。

ESP一般需要安装电子控制单元（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结构见图1）（图1 ESP构成示意图）电子控制单元（ECU）是ABS-TCS/ESP 系统的控制中心，它与液压调节器集成在一起组成一个总成。

电子控制单元持续监测并判断的输入信号有：蓄电池电压、车轮速度、方向盘转角、横向偏摆率以及点火开关接通、停车灯开关、串行数据通信电路等信号。

根据所接收的输入信号，电子控制单元将向液压调节器、发动机控制模块、组合仪表和串行数据通信电路等发送输出控制信号。

（电子控制单元的结构如图2所示）。

（图2 电子控制单元（ECU））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。

四、ESP常用传感器介绍（图3 ESP常用传感器）如图1、图3 所示，ESP常用的传感器如下。

1．方向盘转角传感器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4为SIMENS VDO公司和BEI公司生产的传感器总成。

（图4 传感器总成（Sensor Cluster））博世公司为了增加新的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DRS MM3.x。

五、电子稳定程序（ESP）工作过程电子稳定程序（ESP）用于在高速转弯或在湿滑路面上行驶时提供最佳的车辆稳定性和方向控制。

电子控制单元（ECU）通过方向盘转角传感器确定驾驶员想要的行驶方向；通过纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器和轮速传感器来计算车辆的实际行驶方向。

当电子稳定程序检测到车辆行驶轨迹与驾驶员要求不符时，电子稳定程序将首先利用牵引力控制系统中的发动机扭矩减小功能并向发动机控制模块（ECM）发送一个串行数据通信信号，请求减小发动机扭矩。

如果电子稳定程序仍然检测到车轮侧向滑移，则电子稳定程序将根据“从外部作用于车辆上的所有力（不管是制动力、推动力，还是任何一种侧向力）都会使车辆环绕其重心而转动”的原理，通过对前、后桥一个以上的车轮进行制动干预，迅速克服以下操作缺陷，使车辆不偏离正确的行驶轨迹，确保/安全。

1、克服转向不足的操作转向不足示意图见图5，方向盘转角传感器向电子控制单元发送一个驾驶员想要朝方向“A”转向的信号，横摆角速度传感器检测到车辆开始打转“B”，同时车辆前端开始向方向“C”滑移，说明车辆出现转向不足，电子稳定程序将实行主动制动干预。

如图6所示，电子稳定程序利用ABS-TCS系统中已有的主动制动控制功能,对左后轮进行制动干预，此刻，由于左后轮被制动，而车子的重心因惯性作用继续向前运动，于是车子就只好以左后轮为支点，绕着它旋转，这样一来，车子就朝方向“A”转向，即朝驾驶员想要的方向转向。

转向不足的操作缺陷就被克服，如果在ESP 模式下进行人工制动，则退出ESP制动干预模式并允许常规制动。

（图5 转向不足示意图）（图6 克服转向不足控制示意图）2、克服转向过度的操作转向过度示意图见图7，方向盘转角传感器向电子控制单元发送一个驾驶员想要朝方向“A”转向的信号，横向偏摆率传感器检测到车辆开始打转“B”，同时车辆后端开始向方向“C”滑移。

说明车辆开始转向过度，电子稳定程序将实行主动制动干预。

如图8所示，电子稳定程序利用ABS-TCS 系统中已有的主动制动控制功能，对右后轮进行制动干预，此刻由于右后轮被制动，而车子的重心因惯性作用继续向前运动，于是车子就只好以右后轮为支点，绕着它旋转，这样一来，车子就朝方向“A”转向，即朝向驾驶员想要的方向转向。

转向过度的操作缺陷就被克服，使车辆朝驾驶员想要的方向转向。

（图7 转向过度示意图）（图8 克服转向过度操作示意图）六、结语自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，ESP技术的研发经历了十几年的研发。

ESP称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式.随着人们对汽车安全性能的提升以及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。