汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)綜合原理技術解析

　　汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)或動態(tài)偏航穩(wěn)定控制系統(tǒng)(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制動系統(tǒng)ABS、驅動防滑控制系統(tǒng)ASR、電子制動力分配系統(tǒng)EBD、牽引力控制系統(tǒng)TCS和主動車身橫擺控制系統(tǒng) AYC(Active Yaw Control)等基本功能的組合，是一種汽車新型主動安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)是德國博世公司(B0SCH)和梅塞德斯-奔馳(MERCEDES-BENZ)公司聯(lián)合開發(fā)的汽車底盤電子控制系統(tǒng)。

　　在汽車行駛過程中，因外界干擾，比如行人、車輛或環(huán)境等突然變化，駕駛員采取一些緊急避讓措施，使汽車進入不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，即出現(xiàn)偏離預定行駛路線或翻轉趨勢等危險狀態(tài)。裝置ESP的汽車能在極短的幾毫秒時間內，識別并判定出這種汽車不穩(wěn)定的行駛趨勢，通過智能化的電子控制方案，讓汽車的驅動傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)產生準確響應，及時恰當?shù)叵囘@些不穩(wěn)定的行駛趨勢，使汽車保持行駛路線和預防翻滾，避免交通事故的發(fā)生。

　　ESP系統(tǒng)是汽車主動安全措施的巨大突破，它通過控制事故發(fā)生的可能性來實現(xiàn)安全行車，使汽車在極其惡劣的行車環(huán)境中確保行駛的穩(wěn)定性和安全性。

　　1．汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)的組成

　　ESP在ABS和ASR各種傳感器的基礎上，增加了汽車轉向行駛時橫擺率傳感器、車身翻轉角速度傳感器、側加速度傳感器、制動總泵中的液壓力傳感器和轉向盤轉角傳感器等。其中最重要的是車身翻轉角速度傳感器，這種車用傳感器是航天飛機和空間飛行器上使用的旋轉角速度傳感器的類似產品。車身翻轉角速度傳感器就像一個羅盤，適時地監(jiān)控汽車行駛的準確姿態(tài)，監(jiān)控汽車每個可能的翻轉運動角速度。其他傳感器則分別監(jiān)控汽車的行駛速度和各車輪的速度差，監(jiān)控轉向盤的轉動角度和汽車的水平側向加速度，當制動發(fā)生時則監(jiān)控制動力的大小和各車輪制動力的分配情況。

　　ESP系統(tǒng)包括車距控制、防駕駛員困倦、限速識別、并線警告、停車入位、夜視儀，周圍環(huán)境識別、綜合穩(wěn)定控制和制動助力(BAS)9項控制功能。通過綜合應用9種智能主動安全技術，ESP可將駕駛員對車輛失去控制的危險性降低80％左右。

　　ESP智能化隨車微機控制系統(tǒng)，通過各種傳感器，隨時監(jiān)測車輛的行駛狀態(tài)和駕駛員的駕駛意圖，及時向執(zhí)行機構發(fā)出各種指令，以確保汽車在制動、加速、轉向等狀況下的行駛穩(wěn)定性。

　　圖1是汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP的各種傳感器及電子穩(wěn)定系統(tǒng)ECU在轎車上的安裝，其ECU中配置了兩臺56kB內存的微機。ESP系統(tǒng)利用這兩臺微機和各種傳感器信號不間斷地監(jiān)控車內電子模塊、系統(tǒng)的工作狀態(tài)和汽車的行駛姿勢，比如，速度傳感器每相隔20ms就會自檢一次。ESP系統(tǒng)還通過車內電子模塊之間的信號交流通信網絡，充分利用防抱死制動系統(tǒng)ABS、制動助力系統(tǒng)BAS和驅動防滑控制系統(tǒng)ASR等的先進功能。緊急情況下，如緊張的駕駛員對制動力施加不夠，制動助力系統(tǒng)BAS將自動增大制動力。在ESP系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常工作時，ABS和ASR系統(tǒng)能照樣工作，以保證汽車正常行駛和制動。

　　ESP系統(tǒng)的功能不簡單是ABS和ASR功能之和，而是ABS與ASR功能之和的平方，因此使汽車能在極其惡劣的條件下保持行駛的穩(wěn)定性。梅塞德斯-奔馳A級轎車的安全理念是通過先進的電子控制模塊與液壓機械執(zhí)行機構的智能化集成，實現(xiàn)了對汽車及乘員安全的最大可能保護。

　　2．汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理

　　從外部作用于汽車的所有力，包括制動力、驅動力、任何一種側向力，都會引起汽車繞其質心轉動。ESP系統(tǒng)根據(jù)此原理，在汽車進人不穩(wěn)定行駛狀態(tài)時，通過對制動系統(tǒng)、驅動傳動系統(tǒng)的干涉，修正過度轉向或轉向不足的傾向，使汽車保持穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

　　微機控制系統(tǒng)的ROM中，預先儲存了控制程序中的標準技術數(shù)據(jù)。在汽車傳感器監(jiān)測并將汽車行駛狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)隨機傳送給ECU時，ECU立即調出預存標準數(shù)據(jù)與之進行比較，判定轎車是否出現(xiàn)不穩(wěn)定行駛趨勢和不穩(wěn)定的程度及原因。一旦確定汽車有不穩(wěn)定行駛的趨勢，ESP系統(tǒng)就會自動代替駕駛員控制汽車，通過微機控制系統(tǒng)向制動執(zhí)行機構和發(fā)動機執(zhí)行機構發(fā)出指令，采取最有利的安全措施修正驅動力和制動力，阻止?jié)撛谖ｋU情況的發(fā)生，使汽車恢復到安全穩(wěn)定的行駛狀態(tài)。

　　微機控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的安全措施是指，當汽車傳感器監(jiān)測到汽車有發(fā)生翻轉或偏離駕駛員需求的行駛路線的趨勢時，系統(tǒng)能有選擇地對單個汽車前輪或后輪實施制動，或必要時同時增加或者減少發(fā)動機的輸出轉矩，調整驅動力。

　　圖2是汽車在轉彎道路上行駛時的軌跡示意。見圖2(a)，當汽車駛入彎道時，假如駕駛員通過轉向盤使汽車轉向的轉彎半徑大于彎道半徑，這種情況稱為不足轉向。如汽車車速過快，則汽車可能沖出路面。安裝在汽車上的橫擺率傳感器會測出轉向偏差，側加速度傳感器會測得右駛加速度偏大和轉向盤轉角傳感器測得左轉向不足，并立即監(jiān)測到這種沖出路面的危險趨勢，將信號輸入電子穩(wěn)定系統(tǒng)中的ECU。ECU立即指令在左后輪實施脈沖制動力，制動力在汽車質心產生一個向內偏轉力矩，迫使汽車繞質心向內偏轉一個角度。同時ECU立即指令發(fā)動機減少輸出轉矩，將汽車速度降下來，并代替駕駛員使汽車轉向角度稍大一些，使汽車按彎道半徑要求的轉向角度行駛，回到正確路線上。

　　反之，見圖2(b)，汽車行駛軌跡的最初位置。假如駕駛員轉向盤轉動過猛，使汽車轉彎半徑小于彎道半徑，這種情況稱為過度轉向。如汽車速度過快，則汽車可能因離心力而向外翻轉。安裝在汽車上的橫擺率傳感器、側加速度傳感器和轉向盤轉角傳感器等監(jiān)測到這種翻轉的危險趨勢，立即將信號輸入電子穩(wěn)定系統(tǒng)中的 ECU，ECU迅速指令在右前輪實施脈沖制動，制動力在汽車質心產生一個向外偏轉力矩，抵消離心翻轉力矩，迫使汽車繞質心向外偏轉一個角度，制止了汽車可能側翻的趨勢。同時ECU控制迅速減少驅動力，將汽車速度降下來，并代替駕駛員使汽車轉向角度稍小一些，使汽車按彎道半徑要求的轉向角度行駛。

　　綜上所述，汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP在汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定行駛趨勢時，采用了兩種不同的控制方法，使汽車消除不穩(wěn)定行駛因素，回復并保持汽車預定的行駛狀態(tài)。這兩種控制方法是，首先ESP系統(tǒng)通過精確地控制一個或者多個車輪的制動過程(脈沖制動)，根據(jù)需要分配施加在每個車輪上的制動力，迫使汽車產生一個繞其質心轉動的旋轉力矩，同時代替駕駛員調整汽車行駛方向。其次在必要時(比如車速太快，發(fā)動機驅動轉矩過大)，ESP系統(tǒng)自動調整發(fā)動機的輸出轉矩，控制汽車的行駛速度。

　　通過采取上述兩種技術措施，當汽車進行蛇形線路測試的時候就可以有效避免汽車的翻轉。ESP系統(tǒng)不僅僅是在干燥路面上提高了汽車的穩(wěn)定性，還可以在路面附著性比較差的時候，諸如結冰、濕滑，以及碎石等情況下起作用。在上述不利狀況下，車輪與路面之問的附著力降低，即使是最好的駕駛員也很難將高速行駛的汽車保持在預定的路線上，汽車容易發(fā)生側滑和跑偏，失去方向穩(wěn)定性，甚至在急轉彎的時候發(fā)生翻車事故，這時就需要ESP系統(tǒng)。

　　3．汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)的可靠性

　　梅塞德斯-奔馳公司從1994年起就對ESP系統(tǒng)進行了適用性和可靠性的全面驗證試驗。

　　在微機控制系統(tǒng)的ROM中，預先儲存的控制程序中的標準技術數(shù)據(jù)，應該來源于大量的實車測試數(shù)據(jù)。但由于在沒有安全保障的情況下的實車試驗，有可能造成無法彌補的安全事故后果，因此標準技術數(shù)據(jù)的取得，采用了模擬器。模擬器內輸入了大量的通過實驗采集的數(shù)據(jù)，可以仿真出很多復雜的路面狀況和駕駛過程。再通過80位梅塞德斯轎車車主用模擬器進行時速為100km／h的模擬路面駕駛試驗，得到各種不同性能的汽車在各種駕駛過程中的響應。模擬器檢測手段既安全，又可以得到很多實車試驗無法測量的數(shù)據(jù)。比如，在試驗場的4個轉彎處，用模擬器模擬路面突然結冰的情況，這將使車輪和路面之間的附著力在幾米的路程內減少 70％以上。如果轎車沒有ESP系統(tǒng)，則78％的駕駛員不能將他們的汽車穩(wěn)定在冰雪路面上，還可能遭受汽車連續(xù)3次翻轉造成的傷害。有了ESP系統(tǒng)，所有參加過模擬測試的駕駛員都能避免汽車翻轉事故的發(fā)生。

　　1995年，梅塞德斯-奔馳S級轎車開始安裝ESP系統(tǒng)，ESP系統(tǒng)突出的安全保障表現(xiàn)，大大降低了汽車在各種道路狀況下以及轉彎時發(fā)生翻轉的可能性。同時汽車在彎道和濕滑路面上的制動距離得到縮短，在彎道行駛加強了汽車線內行駛能力。1998年，梅塞德斯-奔馳A級微型轎車也安裝了。ESP系統(tǒng)，使這種采用大量高新技術開發(fā)的A級微型轎車，克服了因車身較窄，在汽車以小轉彎半徑急轉向時，容易產生側向翻轉而造成人身傷害和財產損失的缺點，成為一輛安全性能卓越的微型轎車。

　　目前，梅塞德斯-奔馳公司的S600、CL600、sL600、FA30、E320、4MATIC以及高性能的E55AMG和C43AMG等車型上都選配了ESP系統(tǒng)，2002年所有G級車上都安裝了該系統(tǒng)。

　　4．新一代汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)

　　新一代汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)將主動轉向控制系統(tǒng)(Active steering Control，ASC)和可選擇懸架模式的主動懸架控制系統(tǒng)(Active Damping Control，ADC)和ESP集成在一起，使汽車的動態(tài)穩(wěn)定控制技術更加完善，提高了汽車在任何情況下的行駛穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性。

　　在非危險行駛狀況下，主動轉向控制系統(tǒng)使駕駛更靈活，以增加駕駛樂趣。在危險行駛狀況下，主動轉向控制系統(tǒng)與制動系統(tǒng)、發(fā)動機管理系統(tǒng)共同控制汽車的行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

　　5．綜合穩(wěn)定控制系統(tǒng)

　　綜合穩(wěn)定控制系統(tǒng)在任何給定的條件下，具有綜合控制車上所有的主動系統(tǒng)，如驅動、制動和操縱系統(tǒng)等功能。綜合穩(wěn)定 控制系統(tǒng)與現(xiàn)行的主動車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)相比，可以對汽車進行持續(xù)控制，并實現(xiàn)控制的個性化。

　　6．汽車底盤電子控制系統(tǒng)的發(fā)展

　　(1) 集成底盤管理系統(tǒng)

　　隨著電子技術特別是大規(guī)模集成電路和微型電子計算機技術的高速發(fā)展，汽車的電子化程度越來越高。汽車的底盤系統(tǒng)也改變了以往那種完全依靠液壓或氣壓執(zhí)行機構來傳遞力的機械式結構，開始步入電子伺服控制(By-wire，操縱裝置與執(zhí)行器之間靠電信號聯(lián)系而非機械的連接)階段，底盤綜合控制系統(tǒng)也已開始出現(xiàn)。先進的底盤電子控制系統(tǒng)優(yōu)化了車輪與地面之間的附著狀況，顯著地改善了汽車的動力性、安全性和舒適性。

　　汽車底盤電子控制系統(tǒng)將逐步形成一個集成底盤管理(ICM)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將集成所有的底盤電控子系統(tǒng)，實現(xiàn)各子系統(tǒng)問硬件、能量和信息的共享，以最大限度地獲取系統(tǒng)集成帶來的增效作用，提高汽車的安全性、舒適性和經濟性。圖3是ICM系統(tǒng)的層次結構，結構圖的上層只包含了一些關鍵的監(jiān)控功能，在這一層次上系統(tǒng)通過一個“協(xié)調器”ECU來實現(xiàn)對發(fā)動機、傳動系、底盤系統(tǒng)等的管理?？瞻追綁K代表其他的功能，如導航和ACC功能。結構圖的下層代表目前的電控系統(tǒng)，不過它 們不再是單獨工作的模塊，而是在上層單元監(jiān)控、管理下協(xié)調工作。系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器可分為兩類：傳統(tǒng)型和智能型。傳統(tǒng)型傳感器和執(zhí)行器與各自的ECU之間只有直接的物理連接，而智能傳感器和執(zhí)行器與ECU之間則使用總線接口來傳輸數(shù)據(jù)。一般情況下它們都具有自診斷能力和一定的傳感器信號處理能力。

　　(2) 動力車身控制系統(tǒng)(Dynamic Body Control)

　　對于多用途運動車(SUV)和其他質心較高的汽車，動力車身控制系統(tǒng)可最大程度地提高轉向穩(wěn)定能力，同時汽車行駛舒適感增強。在汽車越野行駛時，車橋通過相互配合來獲得更好的牽引性能。動力車身控制系統(tǒng)使用1～2個主動式平衡桿模塊，通過對平衡桿施加可調節(jié)的預加載荷來防止汽車轉彎時發(fā)生左右搖晃。當汽車車身要發(fā)生傾斜時，加速度計監(jiān)測到汽車側滑傾向，將信號傳到控制系統(tǒng)ECU，ECU指令向平衡桿執(zhí)行器通入壓力油，壓力油產生力的大小根據(jù)加速度計監(jiān)測到的汽車橫向加速度大小和汽車產生搖晃的時間來確定。