汽车esp系统简述

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期班：07级电气一班
作者：倪胜蓝（079091109）
组员：吴婷（079091111） 雷雪蕾（0790
91110） 李晨（079091113） 张红（0790
91108） 穆青（079091112） 田学志（07
9091116） 边啸语（079091050） 石磊（0
79091022） 蔡钦（079091037） 赵凯（0
79091060） 李鹏（079091001） 纪杨（0
79091061）许垚钦（079091059）
背景
随着现代汽车技术的发展，车辆的主动安全性大大提高。

为了防止车轮抱死，避免车辆在紧急制动时因车轮抱死而失控，1978年博世公司开发了世界首套ABS，并在1985年投产。

据统计在2004年欧洲生产的新车ABS，装备率已达到85%，而欧洲生产协会更保证对2004年7月起生产的新车100%装备ABS系统。

在我国生产的新车中装备ABS系统也达到66%。

由于ABS不能解决车辆在湿滑路面上起步或加速出现的车轮打滑问题，更不能避免车辆发生侧滑。

因此，在ABS的基础上，进一步发展出了牵引力控制系统（TCS）。

在车辆起步或加速时，如果某个车轮出现了打滑现象（车轮速度传感器不断监视着每一个车轮），TCS会迅速干预制动系统和发动机工作，使车辆能够安全地起步或加速（防止车轮打滑，保证车辆具有良好的牵引性能，同时照顾其稳定性和操纵性）。

1995年博世公司又推出了电子稳定程序（ElectronicStabilityProgram，简称ESP系统）。

实际上ESP系统也是一种牵引力控制系统，但是与其它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。

如后轮驱动汽车出现转向过度时，ESP便会慢刹外侧的前轮来稳定车子，防止后轮失控而发生甩尾现象；在转向过小时，为了校正行驶循迹方向，ESP则会慢刹内侧后轮，从而校正行驶方向。

ESP是一个主动安全系统，通过有选择性的分缸制动及发动机管理系统干预，防止车辆滑移。

ESP判定为出现转向不足将制动内侧后轮，从而稳定车辆。

当ESP判定为出现转向过度，ESP将制动外侧前轮，防止出现甩尾，并减弱过度转向趋势，从而稳定车辆。

如果单独制动某个车轮不足以稳定车辆，ESP将通过降低发动机扭矩输出的方式来制动其它车轮来满足需求。

汽车电子稳定程序控制系统（Electronic Stability Program），虽然不同的车型，往往赋予其不同的名称，如BMW称其为DSC，丰田、雷克萨斯称其为VSC，而VOLVO 汽车称其为DSTC，但其原理和作用基本相同。

ESP系统除了具有ABS和TCS的功能之外，更是一种智能的主动安全系统，它通过高度灵敏的传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图，识别出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态。

ESP能降低车辆侧滑的危险，从而降低事故的发生，显著减少因外界各种恶劣路况及驾驶员失误等造成的重大损失，极大地改善了汽车的动态行驶安全性。

美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的一项报告称，在配备了 ESC 的车辆中，客车单车碰撞事故减少30%，而轿车致命的单车碰撞事故也减少30%。

就运动型多用途车而言，该事故下降率甚至更高，单车碰撞事故减少67%，而致命事故则减少63%。

ESP的装配率因各个国家而异。

根据博世的统计，2005年德国新车ESP装配率约为72％，西欧的平均新车装配率约为44％，在日本和北美，这个数字稍低，北美约为21%，日本约为15%。

而目前中国的装配率还比较低，约为3%。

工作原理
单独对车轮进行制动是ESP的首要功能。

换句话说，为了使车辆恢复稳定行驶，必须对各个车轮单独施加精密的制动力。

而且，ESP还能降发动机扭矩并干预自动变速器的档位，而整个过程ESP利用微处理器分析来自传感器的信号并输出相应的控制指令。

总结来说，ESP工作过程如下：
ESP分析：驾驶员通过对方向盘的操作，想向哪个方向行驶？
ESP检测：车辆的行驶方向是什么？
ESP干预：有针对性的对各个车轮进行制动。

ESP三大特点
1.实时监控：ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反映、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等安全技术主要是对驾驶者的动作起干预作用，但不能调控发动机。

ESP
则可以通过主动调控发动机的转速，并调整每个轮子的驱动力和制动力，来修正汽车的过度转向和转向不足。

3.事先提醒：当驾驶者操作不当或路面异常时，ESP会用警告灯警示驾驶者。

换句话说，
ESP实际上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。

作用
当驾驶员操纵汽车超过极限值后电脑自动介入修正驾驶。

电脑控制车辆运动的手段有两个：第一是控制节气阀收油，衰减汽车动力，让速度降下来；第二个手段就是对某些车轮进行制动，让汽车的速度能够减小到极限值以内。

那么电脑怎么样知道车辆的运动状况是否接近极限呢？这就需要两套传感器为电脑搜集行车信息。

一套是方向盘转向角度传感器；一套是车轮转速传感器（每个车轮上都装有一个）。

前者用来收集驾驶者的转向意图，后者是用来监测车辆运动状况。

当方向盘转向角度传感器检测到驾驶员的转向角度以后，就会通知ESP电脑；与此同时，各个车轮转速传感器测得的车轮转速信息也会传递到ESP电脑。

电脑可以根据各个车轮的转速计算出车辆的实际运动轨迹。

如果实际运动轨迹，跟理论运动轨迹有区别，或者检测出某个车轮打滑（丧失抓力），电脑就会首先通知节气阀，减小开度（收油）。

然后通知制动系统对某个车轮进行制动，来修正运动轨迹。

当实际运动轨迹与理论运动轨迹（驾驶员意图）相一致时，ESP自动解除控制。

有了这套系统，驾驶员无论是在晴天还是雨天，都能放心大胆的踩油门，一切都在ESP系统的辅助下得心应手。

有了ESP的介入，车辆在湿滑路面情况下失控的机率也大大降低，整车的主动安全性也更高。

但ESP也不是万能的，它只是一套辅助设备。

千万不要以为有了ESP就可以随意大脚油门或者高速过弯。

如果驾驶得太激烈，那神仙也没办法帮你了。

ESP系统中的传感器
1．方向盘转角传感器
ESP通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。

方向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向盘转角一般是根据光电编码来确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向、转角等信息。

这一编码盘上的信息由接近式光电耦合器进行扫描。

接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。

方向盘转角传感器与ECU的通讯一般通过CAN总线完成。

2．横摆角速度传感器
横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。

如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况，则触发ESP控制。

当车绕垂直方向轴线偏转时，传感器内的微音叉的振动平面发生变化，通过输出信号的变化计算横摆角速度。

3．纵向/横向加速度传感器
ESP中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感器和垂直于前进方向的横向加速度传感器，基本原理相同，只是成90°夹角安装。

ESP一般使用微机械式加速度传感器，在传感器内部，一小片致密物质连接在一个可以移动的悬臂上，可以反映出汽车的纵向/横向加速度的大小，其输出在静态时为2.5V左右，正的加速度对应正的电压变化，负的加速度对应负的电压变化，每1.0～1.4V对应1g的加速度变化，具体参数因传感器不同而有所不同。

4．轮速传感器
在汽车上检测轮速信号时，最常用的传感器是电磁感应式传感器，一般做法是将传感器安装在车轮总成的非旋转部分（如转向节或轴头）上，与随车轮一起转动的导磁材料制成的齿圈相对。

当齿圈相对传感器转动时，由于磁阻的变化，在传感器上激励出交变电压信号，这种交变电压的频率与车轮转速成正比， ECU采用专门的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波，再通过测量方波的频率或周期来计算车轮转速。

最初的ESP系统中纵向/ 横向加速度传感器和横摆角速度传感器都是单独实现的，现在基本都使用了传感器总成（Sensor Cluster）的模式，将这3个传感器设计为一体，通过CAN总线与ECU通讯。

如图3为SIMENS VDO公司和BEI公司生产的传感器总成。

博世公司为了增加新的ESP功能和为了更好的控制整车的稳定性系统，如山地保持控制（HHC）和线控（SbW），提出了模块化的HW和SW概念，开发了第三代高度灵活和低成本的慢性传感器总成DRS MM3.x。

ESP常用传感器的接口设计
如图4所示。

在图中，方向盘转角传感器信号经微控制器处理后，通过CAN总线发送给ECU（图4中B）；横摆角速度传感器、纵向/横向传感器由于信号特点和安装位置类似，故设计在同一个模块内（图4中A）；由于ESP对轮速传感器信号的实时性要求较高，故经过信号调理后，直接送入 ECU（图4中C）。

在图4的A和B中，需要微处理器对信号进行处理并通过CAN总线传送数据，本文选用Infineon公司的SAK-C164CI。

该芯片是专为汽车应用而设计，内置AD转换器、输入信号捕捉、正交解码器，运算速度快，非常适合ESP的传感器信号处理。

1．方向盘转角传感器接口
方向盘转角传感器的输出为正交编码脉冲。

正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，如图5所示。

通过检测2路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针方向，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的绝对转角，而转角的变化率即角速度，则可通过信号频率测出。

另外，方向盘转角传感器有一个零位输出信号，当方向盘在中间位置时，该信号输出0V，否则输
出5V，通过该信号，可对绝对转角进行在线校准。

C164CI 与方向盘转角传感器的接口电路如图6所示。

片内内置增量编码的正交解码器，该解码器使用定时器3的两个引脚（T3IN、T3EUD）作为正交脉冲的输入，在正确设置相关寄存器后，定时器3的数据寄存器的值与方向盘转角成正比，故可方便的计算转角，本文所使用的方向盘转角传感器每一圈对应44个脉冲，设定时器3的数据寄存器为T3，通过运算，即可得到转角变化速率。

微控制器把计算得到的参数通过CAN发送给ECU。

2．轮速传感器接口
根据前面部分介绍的轮速传感器信号特点，设计接口电路如图7所示。

电路采用两级滤波和整形，以保证轮速信号在极低转速下不会丢失，同时避免因悬架振动引起的信号干扰。

图中由电阻R2引入第一级迟滞比较，而使用74HC14引入第二级迟滞比较。

3．横摆角速度、纵向/横向加速度传感器
横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的安装位置基本相同，输出都是0V-5V的模拟量，由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致，故封装在同一模块中。

其硬件接口如图8所示，实现硬件模拟前置滤波，以抑制来自传感器的模拟信号中的高频噪声成分，防止在采样过程中出现混叠现象。

运放使用满摆幅输出的 LMX324。

调整图8中各个阻容元件的参数，即可设置滤波截止频率和延时大小。

汽车运行过程中，在较好路面上行驶时，由于信号较好，延时尽量要小，而在颠簸路面上行驶，则希望滤波效果要好。

但是由于硬件滤波的频率特性一经设计完毕，无法实时修改，故需要在软件中设计数字滤波环节。

数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用滤波器等。

在这里选用计算量小、实时性能好的一阶低通滤波。

k的选择取决于当前的路面情况，而当前路面情况，则通过数字滤波前的原始信号来识别。

微控制器把滤波后的信号、原始信号、k的值、路面识别结果打包后，通过CAN总线发
送给ECU。

图9a和9b分别为颠簸路面实车试验中采集得到的纵向加速度传感器的一组对比曲线。

ESP与ABS、TCS的区别
ESP是英文Electronic Stability Program的缩写，中文含意为“电子稳定程序”。

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。

特别是在转弯时，即侧向力起作用时，ESP使车辆稳定并保持安全行驶。

而ABS 和TCS仅仅在纵方向上起作用。

ESP不仅用到了ABS和TCS的所有部件，还包含了一个集成有侧向加速传感器的横摆角速度传感器和方向传感器。

其实在很多配备具有该功能装置的汽车上并没有称之为ESP，比如说宝马就称之为DSC(动态稳定控制)，而其作用完全等同于ESP，只是各个厂家为了区分，换种叫法而已。

ESP关键技术研究的讨论
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个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得代表性，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得ECU需要顾及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识别出事在低附着系数路面时，它会禁止驾驶员挂抵档。

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。

ESP的发展前景和地位
目前国外，特别是欧洲，越来越多的车型已将ESP系统作为其标准配置，国内一些高中
档车型也逐渐将其作为标准配置。

据报道，2004年中国新车的ESP系统装备率为3%，欧洲的新车装备率为35%。

2005年欧洲出产新车ESP装备率达到40%，中国达到4%。

ESP正在向一般的商用车及重型卡车普及，多家商用车生产厂商和重型卡车生产厂商正在推出带ESP 系统的车型。

现在正是欧美汽车工业界推广应用ESP系统的高潮时期，国内也正处于迅速的推广普及阶段。

可以预见，ESP汽车安全产品不久将称为多款中、高档轿车和其他车型的标准配置。

掌握ESP技术，就掌握了竞争未来汽车安全技术的主动权。

所以攻克ESP设计的理论与关键技术，对提高国产汽车的自主开发能力、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义。

它将为我国汽车工业的繁荣发展以及促进其他相关工业的繁荣发展起着重要作用，并能带来巨大的社会效益和经济效益。

生产企业
当前，全球共有6家主要汽车零部件制造商生产ESP，他们是德国博世、日本电装、德国大陆Teves、美国德尔福、日本爱信精工和美国TRW公司。

德国博世公司一直是这方面技术的领先者，无论是ABS/ASR还是更先进的ESP系统，技术上都遗址处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应ABS/ASR/ESP系统。

国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，而且由于缺少实验条件，研究还不十分深入。

现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、伤害汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。