汽车ESP控制系统讲解.docx
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汽车ESP控制系统讲解
成绩
中国矿业大学
13级硕士研究生课程考试试卷
考试科目机电系统集成与控制
学生姓名
学号
所在院系
任课教师
中国矿业大学研究生院培养管理处印制
汽车ESP控制系统
1绪论
1.1研究背景
随着我国经济的不断发展，人民生活消费水平的提高，高等级公路、高速公路的不断建设，汽车正逐渐进入家庭。
据中国汽车工业协会的统计，我国08年汽车产销分别为934.51万辆和938.05万辆，同比增长5.21%和6.70%。
中国现在己经是世界第二大汽车消费国和第三大汽车生产国。
中国汽车保有量不断攀升，己接近5200万辆。
由于驾驶员非职业化、车流密集化和车辆高速化，使交通安全问题也随之日益突出。
现在，交通安全问题已成为世界性的社会问题，己经引起了各国的高度重视。
全球道路交通事故死亡人数每年大约为60万人，仅次于地震、台风、瘟疫，列第四位。
我国道路交通安全问题更为突出，道路交通事故死亡人数连续巧年居世界首位，2006年我国的交通事故死亡人数己达10万人，死率达17.2%，万车死亡率高达6.2人，占意外事故死亡人数的80%。
虽然从2004年开始交通事故死亡人数连续4年来下降，但是由于基数比较大，交通安全问题依然严峻。
道路交通安全研究涉及到人、车、路等多方面的因素,因而它的研究存在一定的难度。
作为广大的汽车生产厂商有义务不断提高车辆安全性。
然而汽车安全不等同于交通安全，汽车主被动安全性能的提高并不能改善我国道路交通安全问题严重的现实，中国交通安全的现状短时间内仍然难以改变。
据德国保险联合会的一份事故调查报告显示：
在所有的汽车事故中，约有25%的事故是由车辆发生侧滑引起的。
而在中国，这一数字更高。
导致这种侧滑的原因，一种是因为雨雪天气道路湿滑导致地面附着系数较低，汽车出现滑转现象；另一种是因为驾驶员猛打方向盘、紧急避让，或对路线的判断失误。
所以对汽车操控稳定性和制动稳定性进行全面的理论和试验研究，提高汽车的主被动安全性，具有积极的社会效益和明显的经济效益。
利用电子控制技术来提高汽车操控稳定性和制动稳定性并扩展其功能己受到广泛重视。
自从防抱死制动系统ABS在轿车上己成为一种标准装备，一些新的电子控制系统也在不断推出，如车载自动诊断系统OBD，弯道制动控制CBC，电子制动力分配EBD，驱动防滑控制系统ASR，电子差速锁EDS，制动辅助系统BAS，电子制动系统EBS以及电子稳定程序ESP等，这些新的电子控制装备的使用，大大提高了汽车的主动安全性。
而ESP系统的出现,极大地改善了汽车在行驶过程中的安全性和操纵性，特别是在路况很差，路面被雨水和冰雪覆盖时，ESP控制系统在车辆行驶过程中，始终监测车辆的运动状态，尤其是与转向相关的运行状态，一旦出现不稳定的预兆，ESP控制系统便实时予以修正，从而使汽车的行驶安全性大大提高，驾车人员感觉更灵活，更快捷，更安全[1]。
ESP是英文EleetronicStabilityProgram的缩写，中文译成“电子稳定程序”，这一组系统通常是支援ABS及TCS/ASR的功能。
不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如BOSCH公司早期称为汽车动力学控制（VDC-VehicleDyamicControl），现在BOSCH、Mercedes-Benz公司称为ESP；TOYOTA公司称为汽车稳定性控制系统（VSC-vehicleStabilityControl）；BMW公司称为动力学稳定控制系统（DSC-DyamicStabilityControl）；VOLVO公司则称为动力学稳定和驱动控制系统（DSTC-DynamicstabilityandTractionControl）。
在2007年9月，欧洲委员会宣布在2011年以后要强制使所有新车安装ESP系统。
而在2007年7月，美国政府也通过强制性法案要求在2011年以后所有载重4.5吨以上的汽车必须安装ESP系统。
在德国、日本、美国等汽车工业发达国家，ESP技术己较为成熟，并已经批量生产，越来越多的车型己将ESP系统作为其标准配置，国内与此相比还有很大差距，目前还正处于推广阶段。
目前能生产ESP系统的主要有德国博世（Bosch）、大陆特威斯（Continental-Teves）、日本电装（Denso）、爱德克斯（Advies）、美国德尔福（DelPhi）、天合汽车集团（TRW）、韩国万都（Mando）等少数几家公司，其中博世占了较大份额。
从博世1995年推出ESP系统10年以来，到2006年初博世累计销售了2000万套ESP系统。
据报道，2005年中国新车的ESP系统装备率为4%，欧洲的新车装备率为40%。
2006年欧洲出产新车ESP装备率达到50%，中国达到5%。
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[2]。
近年来汽车工业已成为我国的支柱产业，汽车在日常工作和生活中起着越来越重要的作用。
汽车生产厂商为提高产品的竞争力及市场占有率，都把汽车安全技术和价格作为非常重要的竞争手段。
轿车生产商及客车生产商纷纷把ABS及安全气囊作为标准配置，以跟上汽车技术发展潮流和提高产品竞争力，这也是国内汽车工业发展的必然规律。
可以预见，ESP汽车安全产品不久将成为多款中、高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到重要作用，并能带来巨大的社会效益和经济效益。
1.2ESP系统研究的关键技术
汽车ESP系统是在ABS和ABS/ASR两系统的组合系统的基础上发展而来。
它扩展了上述两系统的组件，可主动、准确、快速地制动车辆的各个车轮；它使汽车车轮上的侧向力、驱动力和制动力最优控制，减少汽车实际行驶性能与设定行驶性能之间的差别；有CAN总线接口的发动机管理可控制发动机转矩并进一步控制车轮滑移率。
汽车ESP系统的其它控制组件可有选择性的精确控制每个车轮上的瞬态横向力与瞬态纵向力。
ESP系统如图1-1所示，包括如下组件：
转速率传感器（带横向加速度传感器）、转向盘角度传感器、制动器制动液预压传感器、车轮轮速传感器、ESP系统电控单元、液压调节器、车轮制动器、发动机管理电控单元、燃油喷射、点火提前角干预（只适用于汽油机）、节气门干预,电子加速踏板EGAS（只适用于汽油机）。
汽车ESP电控单元根据各传感器的输入参量，对执行机构发出相应指令，控制制动力、驱动力和侧向力。
图1-1汽车ESP系统结构图
ESP具有三大特点：
1.实时监控：
ESP能够实时监控驾驶者的操控意图、路面反映、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其干预作用，但不能调控发动机动力输出。
ESP则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个车轮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。
ESP系统要实现以上三种功能，则有赖于以下几个关键技术的突破。
1.传感器技术的改进
在ESP系统中使用的传感器有车轮转速传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、方向盘转角传感器、制动压力传感器等，他们都是系统中不可缺少的重要部件。
实现他们的实时性、可靠性。
低成本一直是开发人员追求的目标。
主动式车轮转速传感器正在逐步取代被动式车轮传感器，借助于外加电源来主动产生，测量和处理车轮转速信号，产生的信号强弱同车轮转速无关，只是脉冲的多少与车轮成正比。
高精度微机械横摆角速度传感器的出现正在逐步取代传统的压电式摆角速度传感器。
2.体积小、重量轻、低成本液压制动系统的结构设计
液压调节器是ESP系统的主要执行机构，其基本结构与ABS液压调节器相似，但为了提高响应速度，ESP系统的液压调节器比ABS多了预压泵和压力生成器。
BOSCH公司在ESP系统中采用的结构有一定的代表性，其液压调节器HUS.O由预加压泵PCP（Rechargepump）+压力产生装置+液压单元所构成，如图1-2所示[3,4]。
在ESP控制过程中，系统由采集信号到获得制动力矩的变化，在各传递环节上都消耗一定的时间。
因此ESP对液压调节器滞后特性有一定要求，滞后时间过大会导致汽车ESP控制失效。
图1-2液压调节器结构图
3.ESP系统的软、硬件设计
ESP系统需要估算车辆运行的状态变量和计算相应的运动控制量，所以ESP系统计算处理能力和程序容量要比ABS系统大数倍，因而高性能的MCU是ESP系统的基本要求。
另一方面，ESP系统的安装位置距离发动机较近，振动和强电磁干扰等恶劣环境要求集成电路具有较高的抗电磁干扰能力和高可靠性。
软件方面：
需要建立复杂的车辆动力学模型、ESP控制器模型和执行器模型。
其中车辆动力学模型包括发动机模型、传动系统模型、转向系统模型、车身模型、悬架系统模型、轮胎系统模型、制动系统模型和驾驶员模型。
ESP控制器模型包括控制逻辑的建立和控制算法的开发。
执行器模型即液压系统模型。
软件的研究则是研究的重中之重，基于传统模型的控制理论已经很难适应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实现最优控制目标。
4.ESP系统的通讯能力设计
通过CAN总线完善控制功能,把制动系统、发动机、传动系和变速器互联，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、液力变矩器的变矩比和所在档位等信息传给ESP的ECU，以估算驱动轮上的驱动力。
当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，会告知传动系应事先挂入二档，这将显著改善大功率轿车的起步舒适性。
2系统各部分介绍
ESP系统是基于汽车原有的ABS等安全辅助系统的基础上开发出来的，其包含有机械装置、信息处理单元、传感监测单元、动力源和执行元件单元。
下面我们分别对个各个部分单元进行介绍。
2.1ESP机械装置
汽车ESP系统通过监测车辆不同的行驶状态，对车轮施加液压制动力，并控制发动节气门的开度实现对车辆的控制。
汽车的制动一般通过安装在车轮上的制动器实现。
汽车的制动器有鼓式和盘式两种形式，随着汽车产业的发展，盘式制动器逐步代替了传统的鼓式制动器。
现在汽车上装有的最常见类型的盘式制动器为单活塞浮动卡钳式盘式制动器，如图2-1所示。
图2-1盘式制动器
盘式制动器的主要部件包括制动衬块、含有活塞的卡钳和安装在轮毂上的转子，如图2-2所示。
图2-2盘式制动器的部件
盘式制动器与自行车上的制动器很相似。
自行车制动器上装有一个用于将制动衬块挤压到车轮上的卡钳。
在盘式制动器中，制动衬块挤压的是转子而不是车轮，并且压力是液压传送而不是线缆传送的。
衬块和盘片之间的摩擦会降低盘片的速度。
电子节气门是电子节气门控制系统的一个关键部件，它一方面执行来自发动机ECU的指令，调节节气门开度来控制发动机的进气量，从而实现控制发动机的负荷输出，同时可以输出反映节气门开度位置的信号，供控制系统监控节气门工作状况，如图2-3所示。
图2-3电子节气门
电子节气门由节气门体、驱动电机和节气门位置传感器等构成，来自发动机ECU的指令使驱动电机动作，通过传动机构使节气门板转动，保证发动机工作所需的节气门开度。
节气门位置传感器由两个电位器组成，节气门开度变化时，电阻值发生变化，输出的电压信号随之变化，与电子油门踏板位置传感器信号一起，输入到发动机ECU，经计算后，输出驱动电机控制信号，从而控制发动机节气门开度，其内部结构如图2-4所示。
图2-4电子节气门结构图
同发动机控制系统一起，电子节气门配合工作，可以实现：
发动机怠速控制，车辆巡航控制，Limphome控制，自动变速箱控制，车身电子稳定控制（ESP）等功能。
2.2ESP信息处理单元
ESP系统需要估算车辆运行的状态变量和计算相应的运动控制量，所以ESP系统计算处理能力和程序容量要比ABS系统大数倍,因而高性能的MCU是ESP系统的基本要求。
另一方面，ESP系统的安装位置距离发动机较近，振动和强电磁干扰等恶劣环境要求集成电路具有较高的抗电磁干扰能力和高可靠性。
这里我们以Freescale公司的16位单片机MC9S12系列的MC9S12DG128为例进行说明，如图2-5所示。
图2-5MC9S12DG128单片机QFP封装引脚图
MC9S12DG128单片机的主要性能如下：
MC9S12DG128单片机采用16位的Cpu12中央处理器，CPU外部总线频率为8MHz或者16MHZ,通过内部锁相环（PLL），可以使内部总线速度达到24MHz。
内部寄存器具有11种寻址方式。
同时片上还集成了许多标准模块，包括2个异步串行通信口SCL、2个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉/输出比较定时器、2个10位8通道A心转换模块、1个8通道脉宽调制模块PWM、49个独立数字I/O口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2.0A/B协议的2个CAN模块以及一个内部I2C总线模块；片内拥有高达128KB的内部Flash存储器，8KBRAM存储器和2KBEEPROM存储器。
MC9S系列单片机主要有四大特点：
1．片内集成128KB的闪速存储器（Flash）。
Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。
系统掉电后,Flash中的内容仍能可靠保持不变。
2．应用锁相环（PLL）技术提高了系统的电磁兼容性。
可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆的系统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。
3．简单的背景开发模式（BDM）使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便。
4、内部集成3个1M/S的CAN2.0A和CAN2.0B模块。
虽然单片机将CPU、ROM、RAM以及I/O等资源集成在一个集成电路芯片中，但仍需要一些外部电路的支持,这些外围电路主要为单片机系统提供电源、时钟、UO驱动、通信口等。
由MC9512DG128构成的ESP最小硬件系统由以下模块组成:
时钟电路、供电电路、复位电路、CAN接口电路、BDM下载口（通过BDM接口向单片机下载和调试程序）。
最小系统结构如下图2-6所示：
图2-6MC9S12DG128最小系统结构
（1）时钟电路
时钟电路产生的时钟频率作为ECU最小系统的工作基准。
标准MC9S12系列单片机的时钟电路是通过一个16MHz的外部晶振，接在单片机的输入接EXTAL和XTAL上，为系统提供8MHz的内部总线时钟，晶振时钟电路图如图2-7（a）所示。
利用MC9512DG128内部的压控振荡器和锁相环（PLL）可以将系统总线时钟频率提高到25MHz,图2-7（b）为锁相环滤波电路图。
图2-7晶振时钟电路和锁环滤波电路图
（2）供电电路
供电电路为ESP系统提供稳定的工作电源，MC9512DG128的工作电压为,5V。
采用NatinnalSemiconductor（美国国家半导体）公司生产的LM2576稳压芯片将蓄电池12V电压转化为5V电压。
图2-8为MC9S12最小系统供电电路原理图，系统采用5V电压供电。
我们在设计VDDR（41引脚）和VSSR（40引脚）内部电压调整器供电端，VDDX（107引脚）和VSSX（106引脚）IO驱动供电端，VDDA（83引脚）和VSSA（86引脚）AD转换器供电端的供电电路时，由于它们有较大的电量吞吐量，尤其是IO驱动供电端工作时往往需要很大的吞吐电流，所以我们在连接去藕电容C8和C9的同时,再并联上一个大容量的电容C7，用来保证供电端电流的平稳，它的大小通常为10uF。
由C7、C8、C9和Ll构成的滤波电路可以改善系统的电磁兼容性，降低系统对于电源的高频干扰。
同样，这些电容也一定要尽量靠近ECU的对应引脚处。
图2-8ECU最小系统供电接口电路
（3）复位电路
单片机程序的执行是从复位开始的。
单片机复位之后,各个寄存器及端口的状态恢复到默认值，程序计数器自动装入程序的默认起始地址开始执行。
在复位时，MC9S12内部寄存器、控制状态位、中断寄存器、I/O端口、时钟等都强制为初始状态。
如图2-9所示，本文ESP控制系统ECU采用上电及手动复位电路形式。
当按下手动复位开关，单片机RESET位电平被强制拉低，系统复位。
图2-9ECU最小系统上电及手动复位电路
另外，复位电路中使用了低电压复位芯片MC34064，增强了在低电压状态下单片机复位的可靠性。
（4）BDM接头电路
简单的背景开发模式（BDM）使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便。
它的连接方式如图2-10所示。
BDM通过USB口连接PC机，目标板通过6针的插头连接BDM的插槽。
图2-10背景开发模式
图2-11BDM调试器接口电路
（5）ESP系统ECU与CAN总线的接口电路
图2-11ESP系统主控节点ECU与CAN总线的接口电路
2.3ESP传感监测单元
ESP系统在工作时需要实时地获得汽车的状态参数，传感器发挥的作用就非常重要。
目前国内在车轮转速和制动压力传感器方面的研制技术比较成熟，而在横摆角速度和方向盘转角传感器方面的研制技术还比较落后，高精度的传感器主要应用于航空和航天领域。
考虑到成本和普及率等因素，汽车、工业控制、装备制造等民用行业或领域应用比较少[5，10]。
横摆角速度传感器、侧向加速度传感器和制动压力传感器输出的都为模拟量（即电压），经接口电路滤波和放大后再经过AD574A转换成数字信号传送到CAN总线。
而车轮转速传感器和方向盘转角传感器分别输出的为方波和脉冲，它们都可以通过计算其频率而获得数字信号，所以不必要经过模数转换，直接传送到CAN总线。
其具体连接方式如下图2-12所示。
图2-12ESP系统传感器接口电路框图
（1）车轮转速传感器接口电路
在汽车上检测车轮转速信号时,最常用的传感器是电磁感应式传感器，如图2-13所示。
图2-13ESP系统传感器接口电路框图
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，在传感器上的激励出交变电压信号，这种交变电压信号为接近零均值的正弦波，这种交变电压的频率与车轮转速成正比，再通过测量正弦波的频率或周期来计算车轮转速。
根据前面部分介绍的车轮转速传感器信号的特点，设计传感器与ECU的接口电路如图2-14所示。
其中包括限幅电路、低通滤波电路、放大电路和波形调整电路。
由于电磁感应式传感器在车速10km/h和150km/h时输出的电压信号为0.2V~12V，为保证信号处理电路中的电子元器件能够正常工作，并使得处理后的信号符合单片机接口电平的要求，需要对车轮转速信号进行限幅处理，将车轮转速信号控制在5V以内。
考虑到齿轮加工所产生的毛刺、传感器安装以及环境干扰等因素将会在输出信号上叠加一定的高频干扰，所以在信号输入ECU之前还需进行滤波处理。
正弦波信号经四运放LM324放大后，再经过6施密特触发器74LS14整形后就可以变成0~5V等的同频率方波了。
图2-14车轮转速传感器接口电路
（2）方向盘转角传感器接口电路
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。
方向盘转角传感器通常是安装在转向柱上，转向开关与方向盘之间。
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。
常用的方向盘转角传感器有电位器式、光代码式和磁电式。
而BOSCH公司的ESP系统主要使用的是磁电式角度传感器。
它的优点是可在任何时间，在整个角度范围内测出转向角度。
如图2-15所示，BOSCH公司生产的LWS3型磁电式转向角度传感器带有两个各向异性的磁阻式传感器（AMR-AnisotropMa,etoresistivensensoren）。
磁阻式传感器电阻随外部磁场方向（即磁通密度）而变。
在角度测量中，AMR单元包含90°的范围，两个AMR组合就可以测量180°的范围。
通过在转向角度传感器芯片里增加一个附加内部可转换磁场来实现360°测量。
然而对于应用于ESP系统的转向角度传感器，必须测量绝对旋转角度。
旋转的最大角度大约为1040°，具体大小与汽车系统特征有关。
测量达到1040°的方法是使用一个由一个主动齿轮（图中的l）与第一个
（2）和第二个（6）齿轮组成的齿轮组。
其中第二个被动齿轮比第一个被动齿轮要多一个齿，因此第二个齿轮比第一个齿轮要转得慢一些。
所以根据两个被动齿轮的相位关系就可以得到旋转识别信息。
它的分辨率可以达到0.1°。
利用称之为“游标原理”的数学算法（按一定的计算流程）可在微处理器中算出方向盘转过的角度。
同时两个AMR传感器的测量精度还可以校正，另外还有自身控制的可能性[11-13]。
图2-14磁电式转向角传感器
方向盘转角传感器的输出为脉冲电压。
如图2-15所示，通过检测2路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针方向，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的绝对转角，而转角的变化率即角速度，则可通过信号频率测出。
另外，方向盘转角传感器有一个零位输出信号，当方向盘在中间位置时，该信号输出0V，否则输出5V，通过该信号，可对绝对转角进行在线校准[14,15]。
图2-15方向盘转角传感器脉冲序列波形
方向盘转角传感器信号在送入单片机之前需去除毛刺和高频信号。
另外由于转向角度传感器输出的信号较弱，因此没有设计限幅电路而要进行放大处理。
其滤波和放大电路如图2-16所示。
目前我们常见的集成运算放大器有很多型号，其中UA741最常见的一种,应用比较广泛,而且价格也便宜。
图2-15方向盘转角传感器接口电路
（3）横摆角角速度传感器和侧向加速度传感器接口电路
最初的ESP系统中横摆角速度传感器和侧向加速度传感器都是单独实现其功能的。
2008年5月，博世开始生产新一代ESP制动控制系统，它将测量横摆角速度和侧向加速度的传感器集成与电子控制单元。
而在过去，这些传感器分别在通用壳体内部，通过线束与ESP电子控制单元连接。
而集成化大大降低ESP对车内空间的需求，简化了汽车制造商厂对整个ESP系统的装配程序。
同时也提高了传感器的可靠性。
如图2-16为BOSCH公司生产的横摆角速度传感器和侧向加速度传感器总成，通过CAN总线与ECU通讯。
图2-16BOSCH公司的横摆角速度传感器和侧向加速度传感器总成
侧向加速度传感器测量车辆转弯时所产生的离心力，横摆角速度传感器记录所有绕车辆垂直轴方向的转动。
其中横摆角速度传感器居于ESP系统的核心位置，它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阀值，说明汽车发生侧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，则通过输出信号的变化计算横摆角速度。
ESP一般使用微机械式加速度传感器。
横摆角速度和侧向加速度传感器的安装位置基本相同，都是安装在转向柱下方偏右侧。
其工作原理是：
在传感器内部，一片致密物质（微音叉）连续在一个可以移动的悬臂上，通过测量微音叉的振动平面发生变化，可以反映出汽车的侧向/横摆加速度的大小，输出都是0V~5V的模拟量。
而在静态时输出为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。
而应用与ESP的加速度传感器检测到的加速度值
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