ESP系統(tǒng)傳感器特性分析及接口技術(shù)
ESP(Electronic Stability Program,電子穩(wěn)定程序)是汽車電控的一個(gè)標(biāo)志性發(fā)明。不同的研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)這一系統(tǒng)的命名不盡相同。
圖1所示為汽車ESP的構(gòu)成示意圖,其電子部件主要包括電子控制單元(ECU)、方向盤(pán)傳感器、縱向加速度傳感器、橫向加速度傳感器、橫擺角速度傳感器、輪速傳感器等。ESP作為保證行車安全的一個(gè)重要電控系統(tǒng),其各個(gè)傳感器的正常工作是進(jìn)行有效控制的基礎(chǔ)。本文介紹了ESP常用傳感器的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了傳感器硬件接口和軟件接口,并在實(shí)車測(cè)試中得到驗(yàn)證。
圖1 ESP的構(gòu)成示意圖
ESP常用傳感器介紹
如圖1、圖2所示,ESP常用的傳感器如下。
圖2 ESP常用傳感器
方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器
ESP通過(guò)計(jì)算方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小和轉(zhuǎn)角變化速率來(lái)識(shí)別駕駛員的操作意圖。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器將方向盤(pán)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為一個(gè)可以代表駕駛員期望的行駛方向的信號(hào),方向盤(pán)轉(zhuǎn)角一般是根據(jù)光電編碼來(lái)確定的,安裝在轉(zhuǎn)向柱上的編碼盤(pán)上包含了經(jīng)過(guò)編碼的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)角等信息。這一編碼盤(pán)上的信息由接近式光電耦合器進(jìn)行掃描。接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)并且方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后,處理器可以通過(guò)脈沖序列來(lái)確定當(dāng)前的方向盤(pán)絕對(duì)轉(zhuǎn)角。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器與ECU的通訊一般通過(guò)CAN總線完成。
橫擺角速度傳感器
橫擺角速度傳感器檢測(cè)汽車沿垂直軸的偏轉(zhuǎn),該偏轉(zhuǎn)的大小代表汽車的穩(wěn)定程度。如果偏轉(zhuǎn)角速度達(dá)到一個(gè)閾值,說(shuō)明汽車發(fā)生測(cè)滑或者甩尾的危險(xiǎn)工況,則觸發(fā)ESP控制。當(dāng)車?yán)@垂直方向軸線偏轉(zhuǎn)時(shí),傳感器內(nèi)的微音叉的振動(dòng)平面發(fā)生變化,通過(guò)輸出信號(hào)的變化計(jì)算橫擺角速度。
縱向/橫向加速度傳感器
ESP中的加速度傳感器有沿汽車前進(jìn)方向的縱向加速度傳感器和垂直于前進(jìn)方向的橫向加速度傳感器,基本原理相同,只是成90°夾角安裝。ESP一般使用微機(jī)械式加速度傳感器,在傳感器內(nèi)部,一小片致密物質(zhì)連接在一個(gè)可以移動(dòng)的懸臂上,可以反映出汽車的縱向/橫向加速度的大小,其輸出在靜態(tài)時(shí)為2.5V左右,正的加速度對(duì)應(yīng)正的電壓變化,負(fù)的加速度對(duì)應(yīng)負(fù)的電壓變化,每1.0-1.4V對(duì)應(yīng)1g的加速度變化,具體參數(shù)因傳感器不同而有所不同。
輪速傳感器
在汽車上檢測(cè)輪速信號(hào)時(shí),最常用的傳感器是電磁感應(yīng)式傳感器,一般做法是將傳感器安裝在車輪總成的非旋轉(zhuǎn)部分(如轉(zhuǎn)向節(jié)或軸頭)上,與隨車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)磁材料制成的齒圈相對(duì)。當(dāng)齒圈相對(duì)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于磁阻的變化,在傳感器上激勵(lì)出交變電壓信號(hào),這種交變電壓的頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比, ECU采用專門的信號(hào)處理電路將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波,再通過(guò)測(cè)量方波的頻率或周期來(lái)計(jì)算車輪轉(zhuǎn)速。
最初的ESP系統(tǒng)中縱向/橫向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器都是單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的,現(xiàn)在基本都使用了傳感器總成(Sensor Cluster)的模式,將這3個(gè)傳感器設(shè)計(jì)為一體,通過(guò)CAN總線與ECU通訊。如圖3為SIMENS VDO公司和BEI公司生產(chǎn)的傳感器總成。
圖3 傳感器總成(Sensor Cluster)
博世公司為了增加新的ESP功能和為了更好的控制整車的穩(wěn)定性系統(tǒng),如山地保持控制(HHC)和線控(SbW),提出了模塊化的HW和SW概念,開(kāi)發(fā)了第三代高度靈活和低成本的慢性傳感器總成DRS MM3.x。
ESP常用傳感器接口設(shè)計(jì)
本文所作設(shè)計(jì)的框圖如圖4所示。在圖中,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)經(jīng)微控制器處理后,通過(guò)CAN總線發(fā)送給ECU(圖4中B);橫擺角速度傳感器、縱向/橫向傳感器由于信號(hào)特點(diǎn)和安裝位置類似,故設(shè)計(jì)在同一個(gè)模塊內(nèi)(圖4中A);由于ESP對(duì)輪速傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高,故經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后,直接送入ECU(圖4中C)。在圖4的A和B中,需要微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)CAN總線傳送數(shù)據(jù),本文選用Infineon公司的SAK-C164CI。該芯片是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì),內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器、輸入信號(hào)捕捉、正交解碼器,運(yùn)算速度快,非常適合ESP的傳感器信號(hào)處理。
圖4 傳感器連接框圖
方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器接口
方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的輸出為正交編碼脈沖。正交編碼脈沖包含兩個(gè)脈沖序列,有變化的頻率和四分之一周期(90°)的固定相位偏移,如圖5所示。通過(guò)檢測(cè)2路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷為順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较?,并?jù)此對(duì)信號(hào)進(jìn)行加/減計(jì)數(shù),從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)累計(jì)值,也即方向盤(pán)的絕對(duì)轉(zhuǎn)角,而轉(zhuǎn)角的變化率即角速度,則可通過(guò)信號(hào)頻率測(cè)出。另外,方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器有一個(gè)零位輸出信號(hào),當(dāng)方向盤(pán)在中間位置時(shí),該信號(hào)輸出0V,否則輸出5V,通過(guò)該信號(hào),可對(duì)絕對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線校準(zhǔn)。
圖5 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器脈沖序列波形
C164CI與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路如圖6所示。片內(nèi)內(nèi)置增量編碼的正交解碼器,該解碼器使用定時(shí)器3的兩個(gè)引腳(T3IN、T3EUD)作為正交脈沖的輸入,在正確設(shè)置相關(guān)寄存器后,定時(shí)器3的數(shù)據(jù)寄存器的值與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角成正比,故可方便的計(jì)算轉(zhuǎn)角,本文所使用的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器每一圈對(duì)應(yīng)44個(gè)脈沖,設(shè)定時(shí)器3的數(shù)據(jù)寄存器為T3,則絕對(duì)轉(zhuǎn)角為.
圖6 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器接口電路
對(duì)(1)式進(jìn)行差分運(yùn)算,即可得到轉(zhuǎn)角變化速率。微控制器把計(jì)算得到的參數(shù)通過(guò)CAN發(fā)送給ECU。
輪速傳感器接口
根據(jù)前面部分介紹的輪速傳感器信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)接口電路如圖7所示。
圖7 輪速傳感器接口電路
電路采用兩級(jí)濾波和整形,以保證輪速信號(hào)在極低轉(zhuǎn)速下不會(huì)丟失,同時(shí)避免因懸架振動(dòng)引起的信號(hào)干擾。圖中由電阻R2引入第一級(jí)遲滯比較,而使用74HC14引入第二級(jí)遲滯比較。
橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器
橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的安裝位置基本相同,輸出都是0V-5V的模擬量,由于汽車顛簸造成的信號(hào)波動(dòng)特性一致,故封裝在同一模塊中。其硬件接口如圖8所示,實(shí)現(xiàn)硬件模擬前置濾波,以抑制來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)中的高頻噪聲成分,防止在采樣過(guò)程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。運(yùn)放使用滿擺幅輸出的LMX324。
調(diào)整圖8中各個(gè)阻容元件的參數(shù),即可設(shè)置濾波截止頻率和延時(shí)大小。汽車運(yùn)行過(guò)程中,在較好路面上行駛時(shí),由于信號(hào)較好,延時(shí)盡量要小,而在顛簸路面上行駛,則希望濾波效果要好。但是由于硬件濾波的頻率特性一經(jīng)設(shè)計(jì)完畢,無(wú)法實(shí)時(shí)修改,故需要在軟件中設(shè)計(jì)數(shù)字濾波環(huán)節(jié)。數(shù)字濾波常用的有維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預(yù)測(cè)器、自適用濾波器等。在這里選用計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性能好的一階低通濾波,傳遞函數(shù)為.
圖8 橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器接口電路
k的選擇取決于當(dāng)前的路面情況,而當(dāng)前路面情況,則通過(guò)數(shù)字濾波前的原始信號(hào)來(lái)識(shí)別。微控制器把濾波后的信號(hào)、原始信號(hào)、k的值、路面識(shí)別結(jié)果打包后,通過(guò)CAN總線發(fā)送給ECU。圖9a和9b分別為顛簸路面實(shí)車試驗(yàn)中采集得到的縱向加速度傳感器的一組對(duì)比曲線。
圖9a 數(shù)字濾波前的數(shù)據(jù)曲線 圖9b 數(shù)字濾波后的曲線
結(jié)語(yǔ)
本文討論了ESP系統(tǒng)中常用傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及信號(hào)特性,并設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號(hào)處理接口,其中包括硬件接口電路以及軟件處理方案。設(shè)計(jì)了包含橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的集成模塊,通過(guò)CAN總線與ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,具有較好的抗干擾性和可靠性。本文的設(shè)計(jì)已經(jīng)在實(shí)車試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。