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ESP汽车电子稳定系统论文

ESP汽车电子稳定系统论文

毕业设计（论文）

题目：

ESP汽车电子稳定系统

学院：

班级：

学号：

学生姓名：

指导老师：

二〇一二年五月四日

摘要

汽车电子稳定系统（ElectronicStabilityProgram，简称ESP）。

ESP是一种汽车新型主动安全系统。

ESP系统包含ABS（防抱死刹车系统）及ASR（防侧滑系统），是这两种系统功能上的延伸。

因此，ESP称得上是当前汽车防滑装置的最高级形式。

ESP系统实际是一种牵引力控制系统，与其他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。

如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，此时后轮失控而甩尾，ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子；在转向过少时，为了校正循迹方向，ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向。

有ESP与只有ABS及ASR的汽车，它们之间的差别在于ABS及ASR只能被动地作出反应，而ESP则能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，防患于未然。

ESP对过度转向或不足转向特别敏感，例如汽车在路滑时左拐过度转向（转弯太急）时会产生向右侧甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速制动右前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。

当然，任何事物都有一个度的范围，如果驾车者盲目开快车，现在的任何安全装置都难以保全。

关键词：

ESP主动安全系统汽车防滑装置电子控制

Abstract

Electronicstabilitysystem（ElectronicStabilityProgram,ESP）.ESPisanewtypeofautomotiveactivesafetysystems.TheESPsystemwithABS（antilockbrakesystem）andASR（anti-skidsystem）,istheextensionofthesetwosystemsfunction.Therefore,theESPregardedasthemostadvancedformofautomotiveanti-skiddevice.TheESPsystemisactuallyatractioncontrolsystemandothertractioncontrolsystems,ESPnotonlycontrolthedrivingwheeldrivenwheel,andcanbecontrolled.Suchastherear-wheeldrivevehiclesoftenturntoexcessiverearwheeloutofcontrolwhilethedrift,theESPwillbrakeslowtheoutsidefrontwheeltostabilizethecar;turningovercamefromordertocorrectthetrackingdirection,ESPwillslowlybraketheinsiderearwheel,inordertocorrectthedirectionoftravel.

CarwithESPandABSandASR,thedifferencebetweenthemliesintheABSandASRcanonlypassivelyreact,ESPisabletodetectandanalyzetheconditionandcorrectdrivingerrorsandtakepreventivemeasures.ESPonoversteerorundersteerareparticularlysensitive,suchascarsturnleftinslipperywhenoversteer（aturntoofast）willhavetodrifttotherightsideofthesensorfelttherightfrontwheelslidewillbrakequicklytorestoreadhesionproduceanopposingtorqueleavingthecarremainedintheoriginallane.Ofcourse,everythinghasarangeofmotoristsspeedingblindlyanysafetydevicesaredifficulttopreserve.

Keywords:

ESPActivesafetysystemsAutomotiveanti-skiddeviceElectroniccontrol

第一章ESP汽车电子稳定系统简介

1.1ESP的概念

汽车电子稳定系统或动态偏航稳定控制系统（ElectronicStabilityProgram，ESP）是防抱死制动系统ABS、驱动防滑控制系统ASR、电子制动力分配系统EBD、牵引力控制系统TCS和主动车身横摆控制系统AYC（ActiveYawContr01）等基本功能的组合，是一种汽车新型主动安全系统。

该系统是德国博世公司（BOSCH）和梅塞德斯一奔驰（MERCEDES—BENZ）公司联合开发的汽车底盘电子控制系统。

ESP以ABS制动防抱死系统为基础，通过外围的传感器收集方向盘的转动角度、侧向加速度等信息，这些信息经过微处理器加工，再由液压调节器向车轮制动器发出制动指令，来实现对侧滑的纠正。

因此，ESP整合了ABS和TCS牵引力控制系统，不仅能防止车轮在制动时抱死和启动时打滑，还能防止车辆侧滑。

1.2ESP的组成部分

ESP系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度）、车轮传感器（监测各个车轮的速度转动）、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态）、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。

控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令。

1.传感器：

转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器、方向盘油门刹车踏板传感器等。

这些传感器负责采集车身状态的数据。

2.ESP电脑：

将传感器采集到的数据进行计算，算出车身状态然后跟存储器里面预先设定的数据进行比对。

当电脑计算数据超出存储器预存的数值，即车身临近失控或者已经失控的时候则命令执行器工作，以保证车身行驶状态能够尽量满足驾驶员的意图。

3.执行器：

说白了ESP的执行器就是4个车轮的刹车系统，其实ESP就是帮驾驶员踩刹车。

和没有ESP的车不同的是，装备有ESP的车其刹车系统具有蓄压功能。

简单的说蓄压就是电脑可以根据需要，在驾驶员没踩刹车的时候替驾驶员向某个车轮的制动油管加压好让这个车轮产生制动力。

另外ESP还能控制发动机的动力输出什么的，反正是相关的设备他都能插一腿！

4.与驾驶员的沟通：

仪表盘上的ESP灯。

1.2.1电子控制单元（ECU）

电子控制单元如图3所示，其插头端子视图见图4，各端子的作用见表1。

电子控制单元是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。

图3 电子控制单元（ECU）

1-电子控制单元（ECU）；2-液压调节器总成

图4 电子控制单元（ECU）插头端子视图

（各端子的作用见表1）

当点火开关接通时，电子控制单元会不断进行自检，以检测并查明ABS-TCS/ESP系统的故障。

此外，电子控制单元还在每个点火循环都执行自检初始化程序。

当车速达到约15km/h时，初始化程序即启动。

在执行初始化程序时，可能会听到或感觉到程序正在运行，这属于系统的正常操作。

在执行初始化程序的过程中，电子控制单元将向液压调节器发送一个控制信号，循环操作各个电磁阀并运行泵电机，以检查各部件是否正常工作。

如果泵或任何电磁阀不能正常工作，电子控制单元会设置一个故障诊断码。

当车速超过15km/h时，电子控制单元会将输入和输出逻辑序列信号与电子控制单元中所存储的正常工作参数进行比较，以此来不断监测ABS-TCS/ESP系统。

如果有任何输入或输出信号超出正常工作参数范围，则电子控制单元将设置故障诊断码。

1.2.2液压调节器总成

 液压调节器总成内部液压回路示意图如图5所示。

为了能独立控制各车轮的制动回路，本系统采用了前/后分离的4通道回路结构，每个车轮的液压制动回路都是隔离的，这样当某个制动回路出现泄漏时仍能继续制动。

液压调节器总成根据电子控制单元（ECU）发送的控制信号调节制动液压力。

液压调节器总成包括回程泵、电机、储能器、进口阀、出口阀、隔离阀和后启动阀等部件。

图5 液压调节器总成内部液压回路示意图

1-液压调节器总成；2-回程泵；3-储能器；4-制动轮缸；5-制动总泵；6-进口阀；7-出口阀；8-隔离电磁阀；9-启动电磁阀；A-常规的制动液压力；B-停止的制动液压力流（电磁阀闭合）；C-泵产生的制动液压力流；D-制动踏板踩下；M-电机

1.2.3前轮速度传感器

前轮速度传感器（如图6所示）是一个电磁式传感器，是前轮轮毂总成的一部分，前轮轮毂总成是一个永久性的密封装置。

左前和右前轮轮毂装有车轮速度传感器和一个48齿的磁脉冲环。

图6 前轮速度传感器

1-前轮速传感器；2-前轮毂总成

1.2.4后轮速度传感器

 别克荣御采用后轮驱动，后轮速度传感器（如图7所示）位于主减速器后盖的支架上，也是电磁式传感器。

后轮速度传感器脉冲环是主减速器内车桥法兰的一部分，不能单独维修。

图7 后轮速度传感器

1-后轮速传感器；2-传感器脉冲环

1.2.5ESP开关

 电子稳定程序（ESP）开关位于地板控制台上，如图8所示。

该开关是一个瞬间接触开关，按一下ESP开关，电子稳定程序从接通转至关闭。

当电子稳定程序（ESP）关闭时，ABS-TCS系统仍能正常工作。

当ESP处于关闭位置时，再次按一下ESP开关，将接通电子稳定程序。

按下ESP开关超过60s将被视为短路，会记录故障诊断码，且电子稳定程序在该点火循环内将被禁用。

如果没有记录牵引力控制系统当前故障诊断码，电子稳定程序将在下一个点火循环复位到接通状态。

图8 ESP开关

1-后轮速传感器；2-传感器脉冲环

1.2.6方向盘转角传感器

方向盘转角传感器位于方向盘下面，位置如图9所示，内部结构如图10所示，插头端子视图如图11所示，各端子的作用见图2。

方向盘转角传感器提供表示方向盘旋转角度的输出信号，参见图9。

由于2只测量齿轮的齿数不同，故产生不同相位的两个转角信号，即能产生一个可表示±760。

方向盘旋转角度的输出信号，电子控制单元利用这个信息计算出驾驶员所要求的方向。

控制单元通过方向盘转角传感器与横向偏摆率传感器信号的比较，确定车辆实际行驶轨迹与驾驶要求是否一致，从而确定控制目标。

图9 方向盘转角传感器的位置

1-螺钉；2-螺旋电缆；3-转接板；4-螺钉；5-方向盘转角传感器；6-固定凸舌；7-转向信号解除凸轮

图10 方向盘转角传感器

1-齿轮；2-测量齿轮；3-磁铁；4-判断电路；5-各向异性磁阻（AMR）集成电路

图11 方向盘转角传感器端子视图

（各端子的作用见图2）

 横向偏摆率传感器位于仪表板中央控制台下部，如图12所示，传感器插头端子视图见图13所示，各端子的作用见图2。

横向偏摆率传感器总成包括两个部件，一个是横向偏摆率传感器，另一个是横向加速度传感器。

横向偏摆率传感器根据车辆绕其纵轴的旋转角度产生对应的输出信号电压；横向加速度传感器根据车轮侧向滑移量产生对应的输出信号电压。

ESP控制单元利用横向偏摆率传感器和横向加速度传感器输出的这两个传感器信号，计算出车辆的实际行驶状态，再结合车轮速度传感器的输出信号和方向盘转角传感器的串行数据输出信号，确定控制目标。

图12 横向偏摆率传感器

图13 横向偏摆率传感器插头端子视图           

（各端子的作用见图2）

第二章ESP的工作原理及工作工况

2.1ESP的工作原理

ESP工作原理：

ABS／TCS系统就是要防止在车辆加速或制动时出现我们所不期望的纵向滑移。

而ESP就是要控制横向滑移。

他是各种工况下的一个主动安全系统，处理各种异常情况，减轻驾驶员的精神紧张及身体疲劳。

只要ESP识别出驾驶员的输入与车辆的实际运动不一致，它就马上通过有选择的制动发动机干预来稳定车辆。

ESP首先通过方向盘转角传感器及各车轮转速传感器识别驾驶员转弯方向（驾驶员意愿）。

ESP通过横摆角速度传感器，识别车辆绕垂直于地面轴线方向的旋转角度及侧向加速度传感器识别车辆实际运动方向。

ESP对危急驾驶情况作出反应前，必须获得两个问题的应答（见下图）。

ESP工作原理

ESP在对危急驾驶情况作出反应前，必须获得两个问题的应答：

从方向盘角度传感器

（1）和轮速传感器

（2）得到a问题答案。

a、驾驶者想操纵车驶向哪里？

b、车辆实际驶向哪里？

从横摆率传感器（3）和侧向加速度传感器（4）得到b问题答案。

ESP控制单元进行比较

a≠b

车辆出现危急行驶状况，需要ESP进行控制调整。

a=b

车辆行驶情况正常

Ⅰ、当车辆出现不足转向，通过对内弧线后部车轮施加相应的制动，并对发动机和变速箱管理系统施加控制，ESP可以阻止车辆向外驶出弯道。

Ⅱ、当车辆出现过度转向，通过对外弧线前部车轮施加相应的制动，并对发动机和变速箱管理系统施加控制，ESP可以阻止车辆向内滑移。

2.2ESP的工作过程

1、当车辆左转出现转向不足的时候（就是速度太快拐不过来了）。

ESP各个传感器会把转向不足的消息告诉电脑，然后电脑就控制左后轮制动，产生一个拉力和一个扭力来对抗车头向右推的转向不足趋势。

2、还是左转，后轮抓地不足或者后驱车油门踩猛了出现转向过度的时候（就是甩屁股）。

ESP会控制右前轮制动，同时减小发动机输出的功率。

纠正错误的转向姿态。

　　3、直线刹车由于地面附着力不均匀出现跑偏的时候（这时有ABS的车也会出现，我下雪的时候老在雪地上这么玩，这时候车身会向抓地强的一边跑偏）。

ESP会控制附着力强的轮子减小制动力，让车按照驾驶员预想的行驶线路前进。

同样当一边刹车一边转向的时候ESP也会控制某些车轮增大制动力或者减小制动力让车子按照驾驶员的意图行进。

2.3ESP典型工作工况

一、躲避前方突然出现的障碍物

①紧急制动，猛打方向盘，车辆有转向不足倾向。

②ESP工作，增加左后轮制动压力，车辆按照转向意图行驶。

③恢复正常的行驶路线，车辆有转向过度的倾向，在左前轮施加制动力。

④车辆保持稳定。

二、在急转弯车道上高速行驶

①车辆有甩尾倾向。

自动在右前轮上施加制动力。

②车辆保持稳定。

③车辆有甩尾倾向。

自动在左前轮上施加制动力。

④车辆保持稳定。

三、在地面附着力不同的路面行驶

①车辆表现出转向不足的趋势，即将跑偏。

ESP发挥作用，增加后右轮制动力的同时，降低发动机输出扭矩。

②从湿滑路面驶入干燥路段，车辆保持稳定。

第三章汽车电子稳定系统分析

3.1ESP系统的控制原理

由汽车行驶理论可知，控制汽车的力（牵引力、制动力及转向力等）来自于地面的反作用力，此反作用力的极限值等于车轮与地面间的附着力，若行驶中汽车所需的控制力大于该附着力，则汽车将失去控制。

汽车行驶在一定的路面上，车轮与路面间的附着系数一定，其与路面间的附着力也一定。

车辆的牵引力（或制动力）与侧向力的合力不得大于附着力，否则车辆将失去稳定性。

显然，牵引力（或制动力）若增大，则路面可提供的侧向力减小。

当滑移率A=0时，车轮与路面间不打滑，侧向附着状态最佳；而A=1时，车轮与地面间纯滑动，侧向附着状况最差，不能控制车辆转向。

ESP系统通过直接控制作用在4个车轮上的制动力或牵引力，间接改变车轮受到的侧向力及汽车受到的横摆力矩，使汽车的运动方向得到修正。

3.2ESP系统特点和性能

ESP系统的特点：

（1）实时监控。

ESP是一个实时监控系统，它每时每刻都在监控驾驶者的操控、路面反应和汽车运动状态，并不断向发动机和制动系统发出指令。

（2）主动干预。

ABS/EBD等系统在起作用时，系统对驾驶者的操控起一定干预作用,但它不能调控发动机,而ESP则是主动调控发动机的转速并可调整每个车轮的制动力（四通道系统），以修正汽车的过度转向和转向不足。

（3）事先提醒。

ESP具有实时警示功能，当驾驶者操作不当和路面异常时，它会在主动干预的同时用警告灯警示驾驶者。

2.2.2ESP系统的功能

奔驰公司关于ESP系统适用性和可靠性检测试验结果表明,ESP系统在汽车行驶的各种工况下都能起到良好效果,如弯道行驶、急速绕过障碍等。

ESP系统不仅可提高汽车在干燥路面上行驶时的稳定性，还可以在路面附着性较差（如结冰、湿滑及碎石等）时起作用。

在上述不利状况下，车轮与路面之间的附着力降低，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯时发生翻车事故。

这时ESP系统干预驾驶操作，精确控制各车轮的受力以稳定车辆。

在过去几年中，多家世界著名汽车厂商和研究机构对ESP的有效性进行了科学研究。

结果表明，装备ESP系统的汽车可以减少80%由侧滑引起的交通事故，而且可有效降低42%的行车事故（并非因驾驶员受其他路人的影响而失去对车辆控制而引起的交通事故）。

虽然ESP系统是汽车主动安全技术中堪称里程碑式的突破,但它并不是车辆自动驾驶系统,不能因为使用了ESP系统,驾驶员就粗心大意,ESP系统并不能在任何情况下都能保持汽车的行驶稳定性。

3.3ESP系统的应用

奔驰公司是第一个在其轿车上使用ESP系统的汽车制造商，该系统的首次亮相是在1995年，目前，德国已有超过70%的新注册车辆配备了ESP。

博世公司的研究表明，2005年，欧洲大约40%的新注册车辆配备了ESP。

在高档车上，ESP已成为标准配置，在中档车上的装配率也迅速提高，在紧凑型车上装配率稍低。

在美国和日本，ESP的装配率也迅速提高。

美国政府要求所有汽车必须在2011年9月前配备防止倾翻的电子稳定控制装置。

这将是继安全带之后的又一项重大强制性措施。

在中国，ESP的装配率还较低，目前，仅在高档豪华车上较常见，而中高档的几款销量领先的车型（如帕萨特、马自达6等）都没有配置ESP，甚至连宝马3系和5系、奥迪A4和A6都未将ESP作为其标准配置。

3.4ESP关键技术研究

ESP系统的开发有赖于以下几个关键技术的突破。

因此科研人员要在以下几个方面多下功夫，争取研究开发出更加完善和优化的ESP系统。

  1．传感技术的改进 

  在ESP系统中使用的传感器有车辆横摆角速度传感器、横向加速度传感器、方向盘转角传感器、轮速传感器等，它们都是ESP中不可缺少的重要部件。

提高他们的可靠性并降低成本一直是这方面的开发人员追求的目标。

随着价格低廉的微机械（Micro—Machined）加速度和横摆角速度传感器的出现，为这项技术的广泛应用创造了一定的条件。

  2．体积小质量轻及低成本液压制动作动系统的结构设计 

  这方面BOSCH公司在ESP系统中采用的结构有一定的代表性，其液压作动系统由预加压泵PCP 

（Precharge Pump）+压力产生装置（Pressure Generator Assembly）+液压单元HU5.0所构成。

  3．ESP的软硬件设计 

  由于ESP的ECU需要估计车辆运行的状态变量和计算相应的运动控制量，所以计算处理能力和程序容量要比ABS系统大数倍，一般多采用CPU结构。

而ECU软件计算的研究则是研究的重中之重，基于模型的现代控制理论已经很难适应ESP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。

  4．通过CAN完善控制功能 

  ESP的ECU（电子控制单元）与发动机、传动系的ECU通过CAN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、液力变矩器变矩比和所在档位等信息传给ESP，以估算驱动轮上的驱动力。

当ESP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，ESP会告知传动系ECU应事先挂入2档，这将显著改善大功率轿车的起步舒适性。

第四章第二代汽车电子稳定程序ESPII

4.1ESPII的系统及组件

ESPⅡ系统由制动、转向和优化悬架等子系统组成，当然还包括各种传感器。

4.1.1制动系统

作为电控制动，系统主要采用了Mk60E5/Mk25E5或电液制动。

2套系统共同使用内部压力传感器，确保四轮压力和驾驶员意图的冗余度。

4.1.2主动转向

主动转向体现出ESPⅡ系统中最先进的技术。

在方向盘转角的基础上通过转向柱上的1个集成电机，经由1套两级行星齿轮机构在前轮上附加了1个叠加转向角。

因而，车轮的转向角就是驾驶员操纵的转角与行星机构驱动的叠加转角之和。

根据电机调节的行星架旋转方向可以控制车轮转角的大小，也即体现转向的“直接”和“间接”性。

当系统出现故障或者被切断电源时，行星架即会被机构锁止，成为传统的转向系统。

尽可能保留原有转向系统的各个构件，同时在车辆急转时给予良好的操控性能。

通过一定的转向叠加既可以使车辆操控灵活（传动比1：

12“直接”转向叠加），又可以保持车辆的舒适性（传动比1：

20“间接”转向叠加）。

如果车辆采用运动型的设计（即较小传动比），则在停车工况下可以显著减少方向盘行程。

在高速行驶时转向系统灵敏很高，容易产生急转的感觉，而当车辆采用舒适性设计时（即较大传动比），转向变得更“间接”，此时进行停车或侧方移位所需的方向盘行程变得很大，也给驾驶员带来不便。

通过采用主动转向，可以利用电子控制装置影响转向效果，前提是必须对附加的叠加转角随车速进行变化调节。

在转向系统与其他系统的集成过程中，除了能够提供随车速变化的转向叠加之外还可以提供一系列其他潜在功能。

主动转向技术在底盘动力学控制系统中的集成，为车辆软件技术的开发开辟了一块新的领域。

这主要是由于传统的ESP制

动干预会使驾驶员明显感受到车速的放慢，这只能在危险工况下使用。

与此相对的主动转向干预就不易使驾驶员察觉，可以用于非危险工况。

如可以对驾驶员感受到的自转向特性给与干预。

即使是在极限工况下，主动转向技术还可以和制动

干预共同使用，改善车辆的动力学性能。

4.2ESPⅡ转向控制功能

4.2.1辅助驾驶

“辅助驾驶”指的是提高驾驶安全性和驾驶舒适性。

由于底盘元件如车轮和橡胶件的弹性变形，车辆在较快的转向输入下反应会产生滞后。

就转向的灵活性而言，这样会让驾驶员感觉到车辆的反应特性非常迟缓，对于驾驶乐趣产生负面

的影响。

这种车辆响应中的相位滞后还会导致一些危险工况。

例如，当驾驶员需要快速避让一个障碍物，而车辆的响应又非常迟缓时，驾驶员很容易“过多转向”。

那么当车辆真正响应的时候，这时的转向角要比预期的大