汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）的原理分析

　汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)或動(dòng)態(tài)偏航穩(wěn)定控制系統(tǒng)(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)ASR、電子制動(dòng)力分配系統(tǒng)EBD、牽引力控制系統(tǒng)TCS和主動(dòng)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(dòng)安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)是德國(guó)博世公司(B0SCH)和梅塞德斯-奔馳(MERCEDES-BENZ)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的汽車底盤電子控制系統(tǒng)。

　　在汽車行駛過(guò)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(jìn)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(shì)等危險(xiǎn)狀態(tài)。裝置ESP的汽車能在極短的幾毫秒時(shí)間內(nèi)，識(shí)別并判定出這種汽車不穩(wěn)定的行駛趨勢(shì)，通過(guò)智能化的電子控制方案，讓汽車的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生準(zhǔn)確響應(yīng)，及時(shí)恰當(dāng)?shù)叵囘@些不穩(wěn)定的行駛趨勢(shì)，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(dòng)安全措施的巨大突破，它通過(guò)控制事故發(fā)生的可能性來(lái)實(shí)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(shí)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(dòng)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(jī)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(gè)羅盤，適時(shí)地監(jiān)控汽車行駛的準(zhǔn)確姿態(tài)，監(jiān)控汽車每個(gè)可能的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)角度和汽車的水平側(cè)向加速度，當(dāng)制動(dòng)發(fā)生時(shí)則監(jiān)控制動(dòng)力的大小和各車輪制動(dòng)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(shí)別、并線警告、停車入位、夜視儀，周圍環(huán)境識(shí)別、綜合穩(wěn)定控制和制動(dòng)助力(BAS)9項(xiàng)控制功能。通過(guò)綜合應(yīng)用9種智能主動(dòng)安全技術(shù)，ESP可將駕駛員對(duì)車輛失去控制的危險(xiǎn)性降低80%左右。

　　ESP智能化隨車微機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)各種傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的行駛狀態(tài)和駕駛員的駕駛意圖，及時(shí)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出各種指令，以確保汽車在制動(dòng)、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(tái)56kB內(nèi)存的微機(jī)。ESP系統(tǒng)利用這兩臺(tái)微機(jī)和各種傳感器信號(hào)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(shì)，比如，速度傳感器每相隔20ms就會(huì)自檢一次。ESP系統(tǒng)還通過(guò)車內(nèi)電子模塊之間的信號(hào)交流通信網(wǎng)絡(luò)，充分利用防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS、制動(dòng)助力系統(tǒng)BAS和驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)ASR等的先進(jìn)功能。緊急情況下，如緊張的駕駛員對(duì)制動(dòng)力施加不夠，制動(dòng)助力系統(tǒng)BAS將自動(dòng)增大制動(dòng)力。在ESP系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，ABS和ASR系統(tǒng)能照樣工作，以保證汽車正常行駛和制動(dòng)。

　　ESP系統(tǒng)的功能不簡(jiǎn)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(jí)轎車的安全理念是通過(guò)先進(jìn)的電子控制模塊與液壓機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能化集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車及乘員安全的最大可能保護(hù)。

　　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(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力、任何一種側(cè)向力，都會(huì)引起汽車?yán)@其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)。ESP系統(tǒng)根據(jù)此原理，在汽車進(jìn)人不穩(wěn)定行駛狀態(tài)時(shí)，通過(guò)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的干涉，修正過(guò)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(jī)控制系統(tǒng)的ROM中，預(yù)先儲(chǔ)存了控制程序中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)數(shù)據(jù)。在汽車傳感器監(jiān)測(cè)并將汽車行駛狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)隨機(jī)傳送給ECU時(shí)，ECU立即調(diào)出預(yù)存標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較，判定轎車是否出現(xiàn)不穩(wěn)定行駛趨勢(shì)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(shì)，ESP系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)代替駕駛員控制汽車，通過(guò)微機(jī)控制系統(tǒng)向制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，采取最有利的安全措施修正驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力，阻止?jié)撛谖ｋU(xiǎn)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(jī)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(cè)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(shì)時(shí)，系統(tǒng)能有選擇地對(duì)單個(gè)汽車前輪或后輪實(shí)施制動(dòng)，或必要時(shí)同時(shí)增加或者減少發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，調(diào)整驅(qū)動(dòng)力。

　　圖2是汽車在轉(zhuǎn)彎道路上行駛時(shí)的軌跡示意。見(jiàn)圖2(a)，當(dāng)汽車駛?cè)霃澋罆r(shí)，假如駕駛員通過(guò)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(guò)快，則汽車可能沖出路面。安裝在汽車上的橫擺率傳感器會(huì)測(cè)出轉(zhuǎn)向偏差，側(cè)加速度傳感器會(huì)測(cè)得右駛加速度偏大和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)得左轉(zhuǎn)向不足，并立即監(jiān)測(cè)到這種沖出路面的危險(xiǎn)趨勢(shì)，將信號(hào)輸入電子穩(wěn)定系統(tǒng)中的ECU。ECU立即指令在左后輪實(shí)施脈沖制動(dòng)力，制動(dòng)力在汽車質(zhì)心產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)偏轉(zhuǎn)力矩，迫使汽車?yán)@質(zhì)心向內(nèi)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。同時(shí)ECU立即指令發(fā)動(dòng)機(jī)減少輸出轉(zhuǎn)矩，將汽車速度降下來(lái)，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(jiàn)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(dòng)過(guò)猛，使汽車轉(zhuǎn)彎半徑小于彎道半徑，這種情況稱為過(guò)度轉(zhuǎn)向。如汽車速度過(guò)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(cè)到這種翻轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)趨勢(shì)，立即將信號(hào)輸入電子穩(wěn)定系統(tǒng)中的 ECU，ECU迅速指令在右前輪實(shí)施脈沖制動(dòng)，制動(dòng)力在汽車質(zhì)心產(chǎn)生一個(gè)向外偏轉(zhuǎn)力矩，抵消離心翻轉(zhuǎn)力矩，迫使汽車?yán)@質(zhì)心向外偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，制止了汽車可能側(cè)翻的趨勢(shì)。同時(shí)ECU控制迅速減少驅(qū)動(dòng)力，將汽車速度降下來(lái)，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(shì)時(shí)，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(guò)精確地控制一個(gè)或者多個(gè)車輪的制動(dòng)過(guò)程(脈沖制動(dòng))，根據(jù)需要分配施加在每個(gè)車輪上的制動(dòng)力，迫使汽車產(chǎn)生一個(gè)繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)代替駕駛員調(diào)整汽車行駛方向。其次在必要時(shí)(比如車速太快，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大)，ESP系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，控制汽車的行駛速度。

　　通過(guò)采取上述兩種技術(shù)措施，當(dāng)汽車進(jìn)行蛇形線路測(cè)試的時(shí)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(shí)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(wèn)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(shí)候發(fā)生翻車事故，這時(shí)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(duì)ESP系統(tǒng)進(jìn)行了適用性和可靠性的全面驗(yàn)證試驗(yàn)。

　　在微機(jī)控制系統(tǒng)的ROM中，預(yù)先儲(chǔ)存的控制程序中的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)該來(lái)源于大量的實(shí)車測(cè)試數(shù)據(jù)。但由于在沒(méi)有安全保障的情況下的實(shí)車試驗(yàn)，有可能造成無(wú)法彌補(bǔ)的安全事故后果，因此標(biāo)準(zhǔn)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)程。再通過(guò)80位梅塞德斯轎車車主用模擬器進(jìn)行時(shí)速為100km/h的模擬路面駕駛試驗(yàn)，得到各種不同性能的汽車在各種駕駛過(guò)程中的響應(yīng)。模擬器檢測(cè)手段既安全，又可以得到很多實(shí)車試驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的數(shù)據(jù)。比如，在試驗(yàn)場(chǎng)的4個(gè)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(méi)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(guò)模擬測(cè)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(jí)轎車開(kāi)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(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的可能性。同時(shí)汽車在彎道和濕滑路面上的制動(dòng)距離得到縮短，在彎道行駛加強(qiáng)了汽車線內(nèi)行駛能力。1998年，梅塞德斯-奔馳A級(jí)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(kāi)發(fā)的A級(jí)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(shí)，容易產(chǎn)生側(cè)向翻轉(zhuǎn)而造成人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失的缺點(diǎn)，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(jí)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(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)(Active steering Control，ASC)和可選擇懸架模式的主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)(Active Damping Control，ADC)和ESP集成在一起，使汽車的動(dòng)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(xiǎn)行駛狀況下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)使駕駛更靈活，以增加駕駛樂(lè)趣。在危險(xiǎn)行駛狀況下，主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)，如驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)車輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)相比，可以對(duì)汽車進(jìn)行持續(xù)控制，并實(shí)現(xiàn)控制的個(gè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，汽車的電子化程度越來(lái)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(jī)構(gòu)來(lái)傳遞力的機(jī)械式結(jié)構(gòu)，開(kāi)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(hào)聯(lián)系而非機(jī)械的連接)階段，底盤綜合控制系統(tǒng)也已開(kāi)始出現(xiàn)。先進(jìn)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(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)問(wèn)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(lái)的增效作用，提高汽車的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)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(guò)一個(gè)“協(xié)調(diào)器”ECU來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、底盤系統(tǒng)等的管理?？瞻追綁K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(guò)它 們不再是單獨(dú)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(lái)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(hào)處理能力。

　　(2) 動(dòng)力車身控制系統(tǒng)(Dynamic Body Control)

　　對(duì)于多用途運(yùn)動(dòng)車(SUV)和其他質(zhì)心較高的汽車，動(dòng)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(shí)汽車行駛舒適感增強(qiáng)。在汽車越野行駛時(shí)，車橋通過(guò)相互配合來(lái)獲得更好的牽引性能。動(dòng)力車身控制系統(tǒng)使用1～2個(gè)主動(dòng)式平衡桿模塊，通過(guò)對(duì)平衡桿施加可調(diào)節(jié)的預(yù)加載荷來(lái)防止汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生左右搖晃。當(dāng)汽車車身要發(fā)生傾斜時(shí)，加速度計(jì)監(jiān)測(cè)到汽車側(cè)滑傾向，將信號(hào)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(jì)監(jiān)測(cè)到的汽車橫向加速度大小和汽車產(chǎn)生搖晃的時(shí)間來(lái)確定。