汽车稳定性控制

摘要：分析了 ESP 的现状、工作原理、稳定（修正）横摆力矩的产生方式 及其控制逻辑与发展趋势。 关 键 词：汽 车 稳 定 性 控 制 ； 电 子 稳 定 控 制 系 统 ； 稳 定 横 摆 力 矩 ； 集成底盘控制
Abstract: This paper analyses the current situation, principal and develop trend of ESP. Stabilizing (Corrective) yaw moment generating modes and control logic of ESP are introduced. Key words: Vehicle stability control (VSC); ESP; stabilizing
由于车轮位置的不同，通过制动力所产生的稳定横摆力 矩的能力也不一样。一般来说，前外轮最能提供外向的横摆力 矩，对控制过度转向比较有效，而后内轮能最有效地给予内向 的横摆力矩，对控制不足度转向比较敏感。Bosch 和 Continental Teves公司的 ESP就是利用这个原理。当不足转向时，施加制动 力于后内轮，当过度转向时，施加制动力于前外轮，如图 2 所 示。
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系统如图 3所示。
4 ESP 的控制逻辑
典型 ESP 是基于 DYC 原理的，它包括： (1) 传统制动系统：真空助力器、管路和制动器； (2) 传感器：4 个轮速传感器、方向盘转角传感器、侧向 加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器； (3) 其它：液压调节器、汽车稳定控制电子控制单元 (ECU)和辅助系统发动机管理系统。 4.1 ESP 控制结构 ABS系统和ESP系统的重要区别是：ABS以车轮作为被控 对象，通过控制轮速避免轮被抱死；而 ESP 系统以汽车作为被 控对象，通过控制汽车运动使其偏离名义运动尽可能小。 Bosch 的 ESP是其中比较典型的控制方法之一，采用多回 路控制方法(Multi-Loop Control)，分为主回路和副回路，其结 构如图 4所示。
图 2 ESP 的横摆力矩控制 （a） 防前轮侧滑 （b） 防后轮侧滑
一般来说，主要有三种情况 ESP 需要对驱动力矩进行控 制。
(1) 在驱动工况下，为了产生稳定横摆力矩，必须控制驱 动轮的平均驱动力矩和所需的驱动轮间的制动力矩差（即锁止 力矩差值）；
(2) 在严重不足转向的情况下，因车速过快，仅仅用制动 力控制已超出其极限，这时，必须通过降低发动机的驱动力矩 来使汽车减速。这对于前轮驱动的汽车效果更好；
d
制汽车。汽车不足与过度转向如图 1 所示。
图
1 不足转向（Under
Steer,
γ<γ
d
）与过度转向（Over
Steer,
γ>γ
）
d
基于驾驶员的转向输入和汽车速度，名义横摆角速度可
用下式计算[2]：
(1)
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í综述 –Ａｔｔｅｎｔｉｏｎ 注关N
1986 年 12 月，Bosch 公司第一次将 ABS (Anti-lock Braking System，制动防抱死系统) 和 TCS（Traction Control System， 牵引力控制系统）控制技术相结合应用于 Mecedes S 级轿车上 [1]。ABS 和 TCS 都只是在加速和减速时工作，通过控制纵向滑 移率保证汽车在制动和驱动时的纵向动力学性能，防止制动时 轮抱死和驱动时轮打转，同时达到间接控制在减速和加速时的 侧向稳定性。在极限转向工况下，所受的侧向力接近轮胎与地 面的附着极限或达到饱和而引起的汽车不足转向和过度转向 时，汽车将丧失操纵稳定性，ABS和 TCS对此无能为力。因此， 汽车稳定性控制系统不但要有 ABS与TCS的功能，而且要在所 有行驶工况下，能够自动并及时地帮助驾驶员改善汽车侧向稳 定性，以防止汽车侧滑、甩尾、侧翻，这是时代对汽车提出的 一种新型的主动安全要求。
与功能大体一致，本文统一用 ESP。这些汽车生产商家有的把 ESP 作为标准配置，有的作为选装设备。例如，自 1999 年， Mecedes-Benz 就把 ESP 作为其生产的轿车标准配置。
2 ESP 的基本原理
ESP 可分为两类问题：一类是轨迹保持问题，可由汽车的 质心侧偏角来描述；另一类是稳定性问题，可由汽车的横摆角 速度来描述。ESP以横摆角速度和质心侧偏角作为被控变量，它 们之间是互相耦合的。Bosch的ESP以横摆角速度γ为主要控制 目标，而 TOYOTA 的 VSC 以质心侧偏角β为主要控制目标。
可控悬架系统通过控制前后轴的侧倾力矩分布，改变车 轮上的垂直载荷分布，进而影响侧向力，这样可产生稳定横摆 力矩改善汽车操纵稳定性能[12]。它必须在很大的侧向加速度作 用下才有效，当侧向加速度小于 0.5g时，其控制效果不明显。再 者，控制效果也取决于垂直载荷分布。
在上世纪 90 年代初，通过对汽车稳定性进行分析，提出
yaw moment; integrated chassis control
1 引言
随着道路交通条件的改善以及汽车技术的进 步，现代汽车的行驶车速得到极大提高。据统计，车速在 80km/ h到100km/h之间行驶的汽车发生的交通事故中，大约40%是与 汽车侧向失稳有关。车速越高，由于汽车失稳引发的交通事故 的比例越大，当车速超过 160km/h 时，几乎每一起事故都是由 于侧向失稳而造成的。如何提高汽车行驶安全性是现代汽车研 究的重要课题之一。
收稿日期：2005 － 07 － 11 作者简介：郑水波（1977 －），山东青岛人，博士生，主要研究方向为车 辆动力学稳定性控制算法，汽车电子等；韩正之（1947 －），男，浙江宁波 人，教授，博士生导师，主要研究方向为非线性控制；唐厚君（1957 －）， 男，教授，博士生导师，主要研究方向为非线性控制，汽车电子等。
计算出名义的汽车运行状态值。ECU根据检测得到的实际汽车 状态与名义汽车状态的误差，通过控制逻辑计算出稳定横摆力 矩，使汽车按驾驶员预定的轨迹行驶。
了直接对汽车横摆运动进行控制的概念，即 DYC[13][14]。它判断 驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来 调节汽车的横摆运动，来保障汽车的稳定性。
的主要供应商。 不同的汽车生产商对汽车稳定性控制系统有不同的名 称。如：Electronic Stability Program — ESP（Audi, Chrysler, Mecedes, VW），Dynamic Stability Control — DSC（BMW, Mazda），StabiliTrak （BUICK, Cadillac），AdvanceTrac （Ford, LINCOLN），Vehicle Dynamics Control — VDC（NISSAN），Vehicle Stability Control — VSC （TOYOTA, LEXUS）等，但其组成
汽车稳定性控制一般认为出现在 1995 年。1995 年，Bosch 公司提出了 VDC 的概念[2]，后称 ESP[3]。TOYOTA 公司也提出 了 VSC 的概念[4][5]。1996 年 BMW公司和 Bosch 公司合作推出了 DSC3 [6]。Continental Teves 公司也以 MK60 液压调节器为基础 进行 ESC (Electronic Stability Control)的研制与开发[7]。Bosch 和 Continental Teves 是世界汽车技术的两个最大供应商，也是 ESP
(3) 在严重过度转向的情况下，也因车速过快，仅仅用制 动力控制已超出其极限，这时，必须通过降低发动机的驱动力 矩来使汽车减速。这对后轮驱动的汽车效果更好。
图 3 集成的底盘操纵稳定性控制
既然 DYC 不能用任何的侧向力为控制，它不能直接控制 侧向运动。这样 DYC、主动转向系统和主动悬架的集成控制能 弥补彼此的缺陷，实现最有效的底盘的操纵控制[15][16][17][18]。目 前汽车制造商和供应商己经开始联手研究和开发整体式底盘 控制系统。ESP、悬架控制系统、转向控制系统集成的底盘控制
随着 ABS 和 TCS 的成熟，汽车的驱动力和制动力已经 比较容易控制。再说，驱动力和制动力的控制对汽车的具体设 计也没有特殊要求。即使轮胎侧偏力接近饱和，轮胎仍有一定 的裕度产生来产生纵向力。而主动转向系统则不能进一步产生 足够的侧向力控制汽车运动。因此，当侧偏角变得更大，轮胎 侧向力接近饱和时，尤其在低附着路面上，DYC 比主动转向系 统有更高的有效性，即在汽车动力学和轮胎特性的非线性范围 内 DYC是更有效的。所以，通过对驱动力和制动力的控制实现 稳定横摆力矩是最通用的方法，也是目前商业化 ESP实现稳定 横摆力矩的方法。
DYC (Direct yaw control, 直接横摆力矩控制)：控制驱动 力和制动力。
受汽车本身的限制，前两种方式不普遍。要通过控制车轮 转向角来实现控制汽车的横摆稳定性，汽车必须具有主动转向 系统。要控制作用在车轮上的垂直载荷分布，汽车必须具备可 控悬架系统。
主动转向系统在汽车的线性范围内（侧偏角和驱动 /制动 力较小时），通过控制前后轮转向角能够影响轮胎的侧向力，减 小汽车的侧偏角，比较有效的改善汽车的侧向稳定性和操纵性 能[10]。但当汽车的运动处在很大的非线性状态时，如在高速大 转弯、猛烈刹车或加速时，车轮侧偏刚度迅速下降。汽车对转 向己没有响应或响应很有限，尤其是当车轮与路面的作用力达 到附着极限时，汽车就失去转向能力[11]。
性能。但是在低附着路面上，采用式(1)计算的名义横摆角速度
已不可取。当汽车的侧向加速度不能大于最大的附着系数时，
名义横摆角速度可用如下界定[8]：