汽车电子稳定程序ESP系统论文(doc 24页)

汽车电子稳定程序ESP系统论文(doc 24页)
本科生毕业论文
题目:汽车电子稳定程序控制ESP系统学生姓名:
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2011年01
月
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绪论 (1)
第一章 ESP电子稳定系统简介 (3)
1.1ESP电子稳定系统概念 (3)
1.2ESP的功能与组成 (3)
1.3ESP工作原理与工作过程 (6)
第二章汽车电子稳定系统分析 (9)
2.1ESP系统的控制原理 (9)
2.2ESP系统特点和性能 (9)
2.3ESP系统的应用 (10)
2.4ESP系统的可靠性 (11)
2.5汽车底盘电子控制系统的发展 (11)
2.6新一代ESP (12)
第三章第二代汽车电子稳定程序ESPII (13)
3.1ESPII的系统及组件 (13)
3.2ESPⅡ转向控制功能 (14)
3.3系统集成控制 (16)
结束语 (18)
参考文献 (19)
致谢 (20)
绪论
20世纪80年代，日本铃木公司首次开发出电动助力转向系统(Electrical Power Steering，简称EPS)，在此之后，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司及本田汽车公司均研制出适合各自车型的EPS。

日本精工已成为世界最大的EPS生产厂，占全球的30%，日本光洋2006年已达到800万套，日本丰田从2003年开始批量生产P-EPS，年产已上100万套，美国的Delphi公司、TRW公司已经成功开发出EPS系统，大大促进了EPS技术的发展。

经过近20年的发展，EPS技术日趋完善，其应用范围从最初的微型轿车配套向负荷较大的中、高档型轿车配套发展。

国外生产的中低档小型、微型汽车大都备配了电动助力转向器，在部分中档轿车和高级轿车上已经得到应用，在中型车辆和重型车辆的应用也已处于研究阶段。

2006年EPS的市场占有率已达到30％。

2006年，国内汽车产销均超过500万，目前国内开发的EPS主要针对1．6排量以下的中小型汽车，而1．6排量以下的汽车约占70％左右，因此市场潜力巨大。

当前国内实际安装EPS的汽车已达到15％，主要是昌河北斗星、哈飞路宝等，轿车有广州本田飞渡、上海大众途安、长安雨燕、一汽天津花冠3．0、一汽大众开迪及郑州日产MPV旅行车，这些厂家都在寻求国产化合作伙伴。

批量安装国产EPS的车型有：爱迪尔车、新雅图轿车及吉利轿车；小批安装国产EPS的车型有天津夏利、双环S6“小贵族”汽车；正在试装EPS的车型有：天津夏利X121轿车、福瑞达面包车、奇瑞QQ轿车及杨子皮卡等车型。

一汽轿车也准备安装国产电动转向器，正在寻求有实力的合作伙伴。

重庆长安铃木、长安福特准备在其生产的新车型中试装电动转向器。

研制EPS的厂家和科研院所已有好几十家，其中科研院所有清华大学、北京理工大学、天津大学、吉林大学及重庆大学等。

传统的汽车转向器厂家有湖北恒隆、南京标准件厂、
杭州万向集团、重庆驰骋、天津津丰、浙江万达、浙江双辉剑、杭州世宝、跃进汽车转向器公司及豫北光洋等厂家。

但由于EPS为机电一体的高科技产品，传统的汽车转向器厂家缺乏控制器开发方面的电子专家；而科研院所重于理论研究，缺乏实际经验和批生产建线的能力，因而EPS研制进展较慢。

第一章ESP电子稳定系统简介
1.1 ESP电子稳定系统概念
ESP是电子稳定程序(Electronic Stability Programme)的简称。

属于车辆的主动安全，人们也可称之为动态驾驶控制系统。

ESP以ABS制动防抱死系统与ASR牵引力控制系统为基础，增加方向盘转角传感器、侧向加速度传感器等信息，通过对车轮制动器和发动机动力的控制，实现对侧滑的纠正。

因此，ESP整合了ABS和ASR的功能，并大大拓展了其功能范围。

1.2 ESP的功能与组成
1.2.1 ESP的功能
ESP能保证在转向状态下车辆的稳定性(横向)，避免车辆产生侧滑。

ESP 能以25次／秒的频率对驾驶员的行驶意图和实际行驶情况进行检测，在转向状态下，能自动根据车辆的状态，有针对性地单独制动各个车轮，或控制发动机、自动变速器的状态使车辆保持稳定行驶。

ABS是在制动的状态下保持车辆的稳定性，避免车轮抱死；TCS(ASR)是在起步或加速的状态下保持车辆的稳定性,避免车轮打滑。

1．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。

2．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。

3．在地面附着力不同路面行驶
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。

1.2．2 ESP的组成
BOSCH和IrI-r为两个ESP的生产厂家，他们ESP的设计原理和基本结构是相同的，不同的是组成元件，在备件使用上应注意其对应系统。

1．ESP组成(见图1)：
2．ESP主要部件(见图2)：
图2 ESP主要部件
(1)ESP控制单元：为保障系统的可靠性，在系统中有两个处理器，两个处理器用同样的软件处理信号数据。

并相互监控比较。

控制单元出现故障，驾驶者仍可做一般的制动操作，但ABS／EBS／ASR／ESP功能失效。

(2)方向盘转角传感器：G85位于转向灯开关和方向盘之间。

向控制单元传送方向盘转动角度，测量的角度为正负720度，对应方向盘转4圈。

无该传感信号车辆无法确定行驶方向，ESP失效。

(3)组合传感器：组合传感器包括横向加速度传感器G200和偏转率传感器G202，集中在一个舱盒内，位于副仪表台内烟灰缸下方，此处为整车的重心位置。

a．横向加速度传感器：确定车辆是否受到使车辆发生滑移作用的侧向力以及侧向力的大小。

无该信号控制单元将无法计算出车辆的实际行驶状态．ESP功能失效。

b．偏转率传感器：确定车辆是否沿垂直轴线发生转动，并提供转动速率。

没有横摆率测量值，控制单元无法确定车辆是否发生转向．ESP功能失效。

(4)制动压力传感器：通知控制单元制动系统的实际压力，控制单元相应算出作用在车轮上的制动力和整车的纵向力大小。

如果ESP正在对不稳定状态进行调整，控制单元将这一数值包含在侧向力计算范围之内。

没有制动力压力信号系统无法计算出正确的侧向力，故ESP失效。

(5)ASR／ESP按钮开关：按下该按钮，ESP功能关闭。

通过再次按该按钮，ESP功能重新激活。

重新启动发动机该系统也可自动激活。

当ESP调整工作正在进行或在超过一定的车速。

系统将不能被关闭。

①为从深雪或松软地面前后摆动驶出，有意让驱动轮打滑以摆脱被陷状态；②带防滑链行驶；③在车辆处于功率测试状态下行驶。

出现故障后ESP无法关闭，组合仪表上的ESP警报灯有警报显示。

(6)动态调节液压泵：由于液压控制单元回油泵设计的改进，已能满足工作需要，所以现已取消动态调节液压泵。

(7)回油泵：单级、双级。

(8)液压控制单元：制动分泵通过液压控制单元的电磁阎控制，通过制动分泵的人口阀和出口阀的控制，建立了三个工作状态：建压；保压；卸压。

当电磁阀功能出现不可靠故障，整体系统关闭。

1.3 ESP工作原理与工作过程
1．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(见图3)
图3 ESP动作程序
图4 ESP工作过程
工作过程车辆转向行驶状态受制动车轮目的
第一阶段制动/向左不足转向左后轮前轮保留侧向力
有效保证车辆的转向
第二阶段向右不足转向右前轮保证后轴的最佳侧向力，后轴车轮自由转动
第三阶段向左过度转向左前轮为防止车辆出现甩尾，为限制前轴侧向力的建立，在特殊危险情形下这个车轮将强烈制动
第四阶段中间稳定无在所有不稳定行驶状态被校正后，ESP结束调整工作
2．ESP制动油路控制过程(见图5)调节控制阀制动分泵（e）调节高压阀回油泵（f）部件组成：入口阀（c）动态液压泵（g）出口阀（d）制动助力器（h）建压： ESP进行控制凋整．动态液压泵(g)开始从制动液储液罐中向制动管路输送制动液．在制动分泵和回油泵内很快建立制动压力，回油泵开始输送制动液使制动压力进一步提高。

保压：入口阀关闭，出口阀也保持关闭。

制动压力不能卸压。

回油泵停止工作，高压阀关闭。

卸压：控制阀反向打开在出13阀打开时，入13阀保持关闭。

制动液通过制动主缸返回储液罐.
图5 ESP制动油路控制过程
第二章汽车电子稳定系统分析
2.1 ESP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。

2.2 ESP系统特点和性能
2.2.1 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。

2.2.2 ESP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。

2.3 ESP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。

2.4 ESP系统的可靠性
梅塞德斯一奔驰公司从1994年起就对ESP系统进行了适用性和可靠性的
全面验证试验。

在微机控制系统的ROM中，预先储存的控制程序中的标准技术数据，应该来源于大量的实车测试数据。

但由于在没有安全保障的情况下的实车试验，有可能造成无法弥补的安全事故后果，因此标准技术数据的取得，采用了模拟器。

模拟器内输入了大量的通过实验采集的数据，可以仿真出很多复杂的路面状况和驾驶过程。

再通过80位梅塞德斯轿车车主用模拟器进行时速为100km／h的模拟路面驾驶试验，得到各种不同性能的汽车在各种驾驶过程中的响应。

模拟器检测手段既安全，又可以得到很多实车试验无法测量的数据。

比如，在试验场的4个转弯处，用模拟器模拟路面突然结冰的情况，这将使车轮和路面之间的附着力在几米的路程内减少70％以上。

如果轿车没有ESP系统，则78％的驾驶员不能将他们的汽车稳定在冰雪路面上，还可能遭受汽车连续3次翻转造成的伤害。

有了ESP系统，所有参加过模拟测试的驾驶员都能避免汽车翻转事故的发生。

2.5 汽车底盘电子控制系统的发展
2.5.1 集成底盘管理系统
随着电子技术特别是大规模集成电路和微型电子计算机技术的高速发展，汽车的电子化程度越来越高。

汽车的底盘系统也改变了以往那种完全依靠液压或气压执行机构来传递力的机械式结构，开始步入电子伺服控制
(By-wke，操纵装置与执行器之间靠电信号联系而非机械的连接)阶段，底盘
综合控制系统也已开始出现。

先进的底盘电子控制系统优化了车轮与地l面之间的附着状况，显著地改善了汽车的动力性、安全性和舒适性。

汽车底盘电子控制系统将逐步形成一个集成底盘管理(ICM)系统。

该系统将集成所有的底盘电控子系统，实现各子系统问硬件、能量和信息的共享，以最大限度地获取系统集成带来的增效作用，提高汽车的安全性、舒适性和经济性。

2.5.2 动力车身控制系统(Dynamic Body Control)
对于多用途运动车(SUV)和其他质心较高的汽车，动力车身控制系统町最大程度地提高转向稳定能力，同时汽车行驶舒适感增强。

在汽车越野行驶时，车桥通过相互配合来获得更好的牵引性能。

动力车身控制系统使用1—2个主动式平衡杆模块，通过对平衡杆施加可调节的预加载荷来防止汽车转弯时发生左右摇晃。

当汽车车身要发生倾斜时，加速度计监测到汽车侧滑倾向，将信号传到控制系统ECU，ECU指令向平衡杆执行器通入压力油，压力油产生力的大小根据加速度计监测到的汽车横向加速度大小和汽车产生摇晃的时间来确定。

2.6 新一代ESP
新一代汽车电子稳定系统将主动转向控制系统(Activesteefing Control。

ASC)和可选择悬架模式的主动悬架控制系统(Active Damping Control，ADC)和ESP集成在一起，使汽车的动态稳定控制技术更加完善，提高了汽车在任何情况下的行驶稳定性和操纵稳定性。

在非危险行驶状况下，主动转向控制系统使驾驶更灵活，以增加驾驶乐趣。

在危险行驶状况下，主动转向控制系统与制动系统、发动机管理系统共同控制汽车的行驶稳定性和乘坐舒适性。

第三章第二代汽车电子稳定程序ESPII
3.1 ESPII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。

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.2 ESPⅡ转向控制功能
3.2.1 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得多，从而导致车辆失
稳。

ESPⅡ系统根据车速、转向角和侧向加速度通过一个参考模型可以得出一个目标横摆角速度，并且用软件参数的形式储存在ESPⅡ的控制器中。

而实际的车辆性能在行驶过程中始终将由横摆角速度传感器进行检测。

根据目标横
摆角速度
和实际横摆角速度的偏差，ESPⅡ控制器将快速要求主动转向系统提供一个附加转角。

通过对横摆角速度的闭环控制，可以补偿底盘上不同的承载状态和磨损现象，从而加速车辆的响应。

3.2.2 横摆力矩补偿
对开路面上的制动过程是体现EsPⅡ效果的最好例证。

在没有电控制动系统的车辆上，两侧车轮所获得的制动力不相等，车辆会产生一个朝向高附着系数路面的横摆力矩，并朝这一方向滑转。

由于这时候抱死车轮完全丧失了侧向力，车
辆便会失稳。

目前电子制动系统能够识别出不同的路面附着系数，缓慢地在前轴建立“压力差”。

这样一来，驾驶员就不需要再进行转向调节了。

考虑到稳定性，还需要在后轴建立起较低的制动压力。

即使是在极限工况下，这两项措施都可以使驾驶员轻松地驾驭车辆。

同时由于需要缓慢建立制动压力，制动距离会相应变长。

在ESPⅡ系统中引入一套电子转向干预系统。

不同制动力引起的横摆力矩可以根据情况通过自动的快速转向进行补偿。

与目前的ABS和ESP系统不同，通过调节方向盘转角的方式，驾驶员可以不必不断地修正转向角，同时还可以按照理想的行驶路线前进。

通过转向产生横摆力矩补偿的同时，前轮还可以建立起无滞后的制动压力，同时后轴也可以进行制动压力调节。

通过这一技术的应用，根据不同的地面摩擦力，与传统ABs／ESP相比可使制动距离减少多达15％。

即使是在驱动状态，EsPⅡ仍然可以在不同附着系数的行驶道路上，通过转向干预补偿由车轮不同驱动力引起的干扰横摆力矩。

通过横摆力矩补偿可以大大提高行驶安全性和舒适性。

3.2.3横摆角速度控制
通过在横摆角速度控制中集成转向功能，ESPⅡ与传统EsP相比除了使用制动干预之外，还在车辆横向动力学方面具有另一有效的干预方式，从而拓宽了车辆行驶的极限区域，也使得车辆更易于操纵(ESPⅡ在驾驶员转向过多的情况下自动
进行回调)。

由于转向干预对于驾驶员来说不易被察觉，因而可以使他更早地采取措施，预先避免一些危险工况。

在横摆角速度控制中集成的转向控制有以下优点：提高车辆稳定性，拓宽极限行驶区域的转向幅度，较少产生由制动干预引起的急剧减速，进而通过ESPⅡ的横摆角速度控制提高车辆的行驶安全性、舒适性以及驾驶乐趣。

3.2.4 侧倾及挂车稳定性
作为ESPⅡ系统的扩展，在目前ESP的“主动侧倾保护”(ARP)和“拖车稳定性控制”(隅P)中都集成了转向技术。

ARP主要是针对目前日益增长的运动型轿车和货车设计的，这类车辆更易产生倾翻危险。

ARP系统能够识别出这些危险的行驶工况(例如在高速下需要急速转向躲避障碍物)，并且通过制动降低外前轮的侧向力减小横向加速度，同时降低车速。

在这些工况中可以显著减少倾覆危险。

而通过引入转向功能使侧向力快速降低也是对制动干预的有效支持。

3.3 系统集成控制
ESPⅡ在开发时的主要目标就是实现对底盘进行全局控制。

随着底盘电控系统的增多，传感器、执行器、控制器的数量也急剧上升。

这不仅导致整车成本的上升，而且使得系统结构变得复杂而难以控制，并给可靠性和故障诊断带来新的问题。

为了解决上述问题，ESPⅡ提出了全局底盘控制概念。

整个系统采用CAN总线连接所有执行器和传感器，达到共用的目的，节省了冗余的。