一、引言

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)對這一系統(tǒng)的命名不盡相同,如博世(BOSCH)公司早期稱為汽車動(dòng)力學(xué)控制(VDC),現(xiàn)在博世、梅賽德—奔馳公司稱為ESP；豐田公司稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(VSC)、汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)(VSA)或者汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC)；寶馬公司稱為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)(DSC)。盡管名稱不盡相同,但都是在傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng),如ABS和TCS的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橫向穩(wěn)定控制器,通過控制橫向和縱向力的分布和幅度,以便控制任何路況下汽車的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)模式,從而能夠在各種工況下提高汽車的動(dòng)力性能,如制動(dòng)、滑移、驅(qū)動(dòng)等。ESP在國外已經(jīng)批量生產(chǎn),在國內(nèi)尚處于研究階段,要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的程度,還有大量的工作要做。

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)行有效控制的基矗本文介紹了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)車測試中得到驗(yàn)證。

二、ESP常用傳感器介紹

如圖1、圖2所示,ESP常用的傳感器如下。

1．方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

ESP通過計(jì)算方向盤轉(zhuǎn)角的大小和轉(zhuǎn)角變化速率來識(shí)別駕駛員的操作意圖。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器將方向盤轉(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),方向盤轉(zhuǎn)角一般是根據(jù)光電編碼來確定的,安裝在轉(zhuǎn)向柱上的編碼盤上包含了經(jīng)過編碼的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)角等信息。這一編碼盤上的信息由接近式光電耦合器進(jìn)行掃描。接通點(diǎn)火開關(guān)并且方向盤轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)過一定角度后,處理器可以通過脈沖序列來確定當(dāng)前的方向盤絕對轉(zhuǎn)角。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器與ECU的通訊一般通過CAN總線完成。

2．橫擺角速度傳感器

橫擺角速度傳感器檢測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,說明汽車發(fā)生測滑或者甩尾的危險(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,通過輸出信號(hào)的變化計(jì)算橫擺角速度。

3．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,正的加速度對應(yīng)正的電壓變化,負(fù)的加速度對應(yīng)負(fù)的電壓變化,每1.0～1.4V對應(yīng)1g的加速度變化,具體參數(shù)因傳感器不同而有所不同。

4．輪速傳感器

在汽車上檢測輪速信號(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。當(dāng)齒圈相對傳感器轉(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,再通過測量方波的頻率或周期來計(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。



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。

三、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,方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)經(jīng)微控制器處理后,通過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對輪速傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高,故經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后,直接送入ECU(圖4中C)。在圖4的A和B中,需要微處理器對信號(hào)進(jìn)行處理并通過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。