汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）的原理分析

　汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)偏航穩(wěn)定控制系統(tǒng)(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)ASR、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)EBD、牽引力控制系統(tǒng)TCS和主動(dòng)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(dòng)安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)是德國(guó)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(jìn)入不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，即出現(xiàn)偏離預(yù)定行駛路線或翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)等危險(xiǎn)狀態(tài)。裝置ESP的汽車能在極短的幾毫秒時(shí)間內(nèi)，識(shí)別并判定出這種汽車不穩(wěn)定的行駛趨勢(shì)，通過智能化的電子控制方案，讓汽車的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生準(zhǔn)確響應(yīng)，及時(shí)恰當(dāng)?shù)叵囘@些不穩(wěn)定的行駛趨勢(shì)，使汽車保持行駛路線和預(yù)防翻滾，避免交通事故的發(fā)生。

　　ESP系統(tǒng)是汽車主動(dòng)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(shí)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(chǔ)上，增加了汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)橫擺率傳感器、車身翻轉(zhuǎn)角速度傳感器、側(cè)加速度傳感器、制動(dòng)總泵中的液壓力傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等。其中最重要的是車身翻轉(zhuǎn)角速度傳感器，這種車用傳感器是航天飛機(jī)和空間飛行器上使用的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器的類似產(chǎn)品。車身翻轉(zhuǎn)角速度傳感器就像一個(gè)羅盤，適時(shí)地監(jiān)控汽車行駛的準(zhǔn)確姿態(tài)，監(jiān)控汽車每個(gè)可能的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和汽車的水平側(cè)向加速度，當(dāng)制動(dòng)發(fā)生時(shí)則監(jiān)控制動(dòng)力的大小和各車輪制動(dòng)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(shí)別、并線警告、停車入位、夜視儀，周圍環(huán)境識(shí)別、綜合穩(wěn)定控制和制動(dòng)助力(BAS)9項(xiàng)控制功能。通過綜合應(yīng)用9種智能主動(dòng)安全技術(shù)，ESP可將駕駛員對(duì)車輛失去控制的危險(xiǎn)性降低80%左右。

　　ESP智能化隨車微機(jī)控制系統(tǒng)，通過各種傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的行駛狀態(tài)和駕駛員的駕駛意圖，及時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出各種指令，以確保汽車在制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)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(tái)56kB內(nèi)存的微機(jī)。ESP系統(tǒng)利用這兩臺(tái)微機(jī)和各種傳感器信號(hào)不間斷地監(jiān)控車內(nèi)電子模塊、系統(tǒng)的工作狀態(tài)和汽車的行駛姿勢(shì)，比如，速度傳感器每相隔20ms就會(huì)自檢一次。ESP系統(tǒng)還通過車內(nèi)電子模塊之間的信號(hào)交流通信網(wǎng)絡(luò)，充分利用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS、制動(dòng)助力系統(tǒng)BAS和驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)ASR等的先進(jìn)功能。緊急情況下，如緊張的駕駛員對(duì)制動(dòng)力施加不夠，制動(dòng)助力系統(tǒng)BAS將自動(dòng)增大制動(dòng)力。在ESP系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，ABS和ASR系統(tǒng)能照樣工作，以保證汽車正常行駛和制動(dòng)。

　　ESP系統(tǒng)的功能不簡(jiǎn)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(jí)轎車的安全理念是通過先進(jìn)的電子控制模塊與液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能化集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車及乘員安全的最大可能保護(hù)。

　　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(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力、任何一種側(cè)向力，都會(huì)引起汽車?yán)@其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)。ESP系統(tǒng)根據(jù)此原理，在汽車進(jìn)人不穩(wěn)定行駛狀態(tài)時(shí)，通過對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的干涉，修正過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足的傾向，使汽車保持穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

　　微機(jī)控制系統(tǒng)的ROM中，預(yù)先儲(chǔ)存了控制程序中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)數(shù)據(jù)。在汽車傳感器監(jiān)測(cè)并將汽車行駛狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)隨機(jī)傳送給ECU時(shí)，ECU立即調(diào)出預(yù)存標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較，判定轎車是否出現(xiàn)不穩(wěn)定行駛趨勢(shì)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(shì)，ESP系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)代替駕駛員控制汽車，通過微機(jī)控制系統(tǒng)向制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，采取最有利的安全措施修正驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，阻止?jié)撛谖ｋU(xiǎn)情況的發(fā)生，使汽車恢復(fù)到安全穩(wěn)定的行駛狀態(tài)。

　　微機(jī)控制系統(tǒng)指令執(zhí)行的安全措施是指，當(dāng)汽車傳感器監(jiān)測(cè)到汽車有發(fā)生翻轉(zhuǎn)或偏離駕駛員需求的行駛路線的趨勢(shì)時(shí)，系統(tǒng)能有選擇地對(duì)單個(gè)汽車前輪或后輪實(shí)施制動(dòng)，或必要時(shí)同時(shí)增加或者減少發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。

　　圖2是汽車在轉(zhuǎn)彎道路上行駛時(shí)的軌跡示意。見圖2(a)，當(dāng)汽車駛?cè)霃澋罆r(shí)，假如駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤使汽車轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑大于彎道半徑，這種情況稱為不足轉(zhuǎn)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(huì)測(cè)出轉(zhuǎn)向偏差，側(cè)加速度傳感器會(huì)測(cè)得右駛加速度偏大和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)得左轉(zhuǎn)向不足，并立即監(jiān)測(cè)到這種沖出路面的危險(xiǎn)趨勢(shì)，將信號(hào)輸入電子穩(wěn)定系統(tǒng)中的ECU。ECU立即指令在左后輪實(shí)施脈沖制動(dòng)力，制動(dòng)力在汽車質(zhì)心產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)偏轉(zhuǎn)力矩，迫使汽車?yán)@質(zhì)心向內(nèi)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。同時(shí)ECU立即指令發(fā)動(dòng)機(jī)減少輸出轉(zhuǎn)矩，將汽車速度降下來，并代替駕駛員使汽車轉(zhuǎn)向角度稍大一些，使汽車按彎道半徑要求的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過猛，使汽車轉(zhuǎn)彎半徑小于彎道半徑，這種情況稱為過度轉(zhuǎn)向。如汽車速度過快，則汽車可能因離心力而向外翻轉(zhuǎn)。安裝在汽車上的橫擺率傳感器、側(cè)加速度傳感器和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等監(jiān)測(cè)到這種翻轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)趨勢(shì)，立即將信號(hào)輸入電子穩(wěn)定系統(tǒng)中的 ECU，ECU迅速指令在右前輪實(shí)施脈沖制動(dòng)，制動(dòng)力在汽車質(zhì)心產(chǎn)生一個(gè)向外偏轉(zhuǎn)力矩，抵消離心翻轉(zhuǎn)力矩，迫使汽車?yán)@質(zhì)心向外偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，制止了汽車可能側(cè)翻的趨勢(shì)。同時(shí)ECU控制迅速減少驅(qū)動(dòng)力，將汽車速度降下來，并代替駕駛員使汽車轉(zhuǎn)向角度稍小一些，使汽車按彎道半徑要求的轉(zhuǎn)向角度行駛。

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