汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)綜合原理技術(shù)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(qū)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(yù)定行駛路線或翻轉(zhuǎn)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(nèi)，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(qū)動傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)產(chǎn)生準確響應(yīng)，及時恰當(dāng)?shù)叵囘@些不穩(wěn)定的行駛趨勢，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(chǔ)上，增加了汽車轉(zhuǎn)向行駛時橫擺率傳感器、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(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動角度和汽車的水平側(cè)向加速度，當(dāng)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(yīng)用9種智能主動安全技術(shù)，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(gòu)發(fā)出各種指令，以確保汽車在制動、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56kB內(nèi)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(nèi)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(nèi)電子模塊之間的信號交流通信網(wǎng)絡(luò)，充分利用防抱死制動系統(tǒng)ABS、制動助力系統(tǒng)BAS和驅(qū)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(gòu)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(qū)動力、任何一種側(cè)向力，都會引起汽車繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)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(qū)動傳動系統(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)。

　　微機控制系統(tǒng)的ROM中，預(yù)先儲存了控制程序中的標準技術(shù)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(diào)出預(yù)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(gòu)和發(fā)動機執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，采取最有利的安全措施修正驅(qū)動力和制動力，阻止?jié)撛谖ｋU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(zhuǎn)矩，調(diào)整驅(qū)動力。

　　圖2是汽車在轉(zhuǎn)彎道路上行駛時的軌跡示意。見圖2(a)，當(dāng)汽車駛?cè)霃澋罆r，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測出轉(zhuǎn)向偏差，側(cè)加速度傳感器會測得右駛加速度偏大和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器測得左轉(zhuǎn)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(zhì)心產(chǎn)生一個向內(nèi)偏轉(zhuǎn)力矩，迫使汽車繞質(zhì)心向內(nèi)偏轉(zhuǎn)一個角度。同時ECU立即指令發(fā)動機減少輸出轉(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)測到這種翻轉(zhuǎn)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(zhì)心產(chǎn)生一個向外偏轉(zhuǎn)力矩，抵消離心翻轉(zhuǎn)力矩，迫使汽車繞質(zhì)心向外偏轉(zhuǎn)一個角度，制止了汽車可能側(cè)翻的趨勢。同時ECU控制迅速減少驅(qū)動力，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。

　　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(fù)并保持汽車預(yù)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(chǎn)生一個繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)力矩，同時代替駕駛員調(diào)整汽車行駛方向。其次在必要時(比如車速太快，發(fā)動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩過大)，ESP系統(tǒng)自動調(diào)整發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，控制汽車的行駛速度。

　　通過采取上述兩種技術(shù)措施，當(dāng)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(zhuǎn)。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(jié)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(yù)定的路線上，汽車容易發(fā)生側(cè)滑和跑偏，失去方向穩(wěn)定性，甚至在急轉(zhuǎn)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(yù)先儲存的控制程序中的標準技術(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)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(shù)數(shù)據(jù)的取得，采用了模擬器。模擬器內(nèi)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(fù)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(yīng)。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(zhuǎn)彎處，用模擬器模擬路面突然結(jié)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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)彎時發(fā)生翻轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)開發(fā)的A級微型轎車，克服了因車身較窄，在汽車以小轉(zhuǎn)彎半徑急轉(zhuǎn)向時，容易產(chǎn)生側(cè)向翻轉(zhuǎn)而造成人身傷害和財產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(shù)特別是大規(guī)模集成電路和微型電子計算機技術(shù)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(gòu)來傳遞力的機械式結(jié)構(gòu)，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(jīng)濟性。圖3是ICM系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖的上層只包含了一些關(guān)鍵的監(jiān)控功能，在這一層次上系統(tǒng)通過一個“協(xié)調(diào)器”ECU來實現(xiàn)對發(fā)動機、傳動系、底盤系統(tǒng)等的管理。空白方塊代表其他的功能，如導(dǎo)航和ACC功能。結(jié)構(gòu)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(diào)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(zhì)心較高的汽車，動力車身控制系統(tǒng)可最大程度地提高轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)的預(yù)加載荷來防止汽車轉(zhuǎn)彎時發(fā)生左右搖晃。當(dāng)汽車車身要發(fā)生傾斜時，加速度計監(jiān)測到汽車側(cè)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(chǎn)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(chǎn)生搖晃的時間來確定。