汽车电子稳定系统分析

ESP汽车电子稳定系统分析

张明伟 张龙 苏黎伟 吕许慧

郑州日产汽车有限公司 河南郑州 450016

【摘要】随着现代汽车技术的快速发展，人们在注重汽车的舒适性、可靠性、经济性的同时，对汽车的安全性更是提出了更高的要求。事实证明ESP电子稳定程序可以有效地降低重大交通事故发生率,从而挽救许许多多人的生命,为进一步加强汽车的乘坐安全性，全球道路专家一致认为ESP应该成为每一辆车的标准配置。汽车电子稳定装置(Electronic Stablity Program，简称ESP)是由奔驰汽车公司首先应用在它的A级车上的。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。本文介绍了汽车电子稳定系统 ESP的工作原理、组成部件、工作过程及可靠性。

【关键词】电子稳定程序，ESP，行驶稳定性，过度转向，转向不足

Abstract:With the rapid development of modern automotive technology, while people focus on the car's comfort, reliability and economy, the security of the car is presented higher requirements. Facts have proved that the ESP electronic stability program can effectively reduce major accident rate, so as to save the lives of many people.To further enhance the car's security, global road experts agreed that the ESP should become the standard configuration of each vehicle. Automotive electronic stability (Electronic Stablity Program, ESP) is applied first by the Mercedes-Benz car company in its A-class car. ESP is actually a traction control system, ESP not only control the drive wheels, and can control the driven wheel. such as the oversteering situations of rear-wheel-drive vehicles,at this time the rear wheel out of control and drift, ESP will brake to slow the outside front wheel to stabilize the car; When the steering too low, in order correction tracking direction, ESP will slowly brake the inner rear wheel, thereby correcting the traveling direction. This article describes the works of automotive electronic stability system，it’s components, work process and reliability.

Key words:electronic stability system，ESP，driving stability, oversteer, understeer

1 ESP系统功能和原理

电子稳定系统(Electronic Stability Program，简称ESP)，实际上是一组车身稳定性控制的综合策略（如图1），它包含防锁死刹车系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）和牵引力控制（TCS）等，可以说它是在其它主、被动安全系统基础之上的一种功能性延伸，而并不是作为独立配置存在的。

ESP在ABS和TCS各种传感器的基础上，增加了汽车转向行驶时横摆率传感器、车身翻转角速度传感器、侧加速度传感器、制动总泵中的液压力传感器和转向盘转角传感器等。其中最重要的是车身翻转角速度传感器。车身翻转角速度传感器就像一个罗盘，适时地监控汽车行驶的准确姿态，监控汽车每个可能的翻转运动角速度。其他传感器则分别监控汽车的行驶速度和各车轮的速度差，监控转向盘的转动角度和汽车的水平侧向加速度，当制动发生时则监控制动力的大小和各车轮制动力的分配情况。

图1 ESP功能图

ABS-受益：制动和转向；TCS-受益：加速不打滑；ESP-受益：消除侧滑

2 ESP系统的结构与组成

ESP 是在原有电子制动防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）和牵引力控制（TCS）的基础上发展起来的。该电子制动系统由电子控制单元（ECU）、液压调节器总成、车轮速度传感器、方向盘转角传感器、横向偏摆率传感器、车轮速度传感器脉冲环以及ESP控制开关等部件组成，其中电子控制单元与液压调节器是一体的。

其系统组成如图2。

图2 ESP系统组成图

1-带有ECU和压力传感器的液压控制单元；2-轮速传感器；3-转向角传感器；4-横摆角速度和侧向加速度传感器；5-与发动机管理系统通讯

2.1 电子控制单元（ECU）

电子控制单元是ABS-TCS/ESP 系统的控制中心，它与液压调节器集成在一起组成一个总成。电子控制单元持续监测并判断的输入信号有：蓄电池电压、车轮速度、方向盘转角、横向偏摆率以及点火开关接通、停车灯开关、串行数据通信电路等信号。根据所接收的输入信号，电子控制单元将向液压调节器、发动机控制模块、组合仪表和串行数据通信电路等发送输出控制信号。

当点火开关接通时，电子控制单元会不断进行自检，以检测并查明ABS-TCS/ESP 系统的故障。此外，电子控制单元还在每个点火循环都执行自检初始化程序。当车速达到约15 km/h时，初始化程序即启动。在执行初始化程序时，可能会听到或感觉到程序正在运行，这属于系统的正常操作。在执行初始化程序的过程中，电子控制单元将向液压调节器发送一个控制信号，循环操作各个电磁阀并运行泵电机，以检查各部件是否正常工作。如果泵或任何电磁阀不能正常工作，电子控制单元会设置一个故障诊断码。当车速超过15 km/h时，电子控制单元会将输入和输出逻辑序列信号与电子控制单元中所存储的正常工作参数进行比较，以此来不断监测ABS-TCS/ESP 系统。如果有任何输入或输出信号超出正常工作参数范围，则电子控制单元将设置故障诊断码。

2.2 转向角传感器

转角传感器位于方向盘下面，位置如图3所示，内部结构如图4所示。方向盘转角传感器提供表示方向盘旋转角度的输出信号，参见图3。由于2只测量齿轮的齿数不同，故产生不同相位的两个转角信号。方向盘旋转角度的输出信号，电子控制单元利用这个信息计算出驾驶员所要求的方向。控制单元通过方向盘转角传感器与横向偏摆率传感器信号的比较，确定车辆实际行驶轨迹与驾驶要求是否一致，从而确定控制目标。

图3 转角传感器的位置

1-螺钉；2-螺旋电缆；3-转接板；4-螺钉；5-转角传感器；6-固定凸舌；7-转向信号解除凸轮

图4 转角传感器

1-齿轮；2-测量齿轮；3-磁铁；4-判断电路；5-各向异性磁阻（AMR）集成电路

2.3 横摆角速度和侧向加速度传感器

横向偏摆率传感器位于仪表板中央控制台下部。横向偏摆率传感器总成包括两个部件，一个是横向偏摆率传感器，另一个是横向加速度传感器。横向偏摆率传感器根据车辆绕其纵轴的旋转角度产生对应的输出信号电压；横向加速度传感器根据车轮侧向滑移量产生对应的输出信号电压。ESP控制单元利用横向偏摆率传感器和横向加速度传感器输出的这两个传感器信号，计算出车辆的实际行驶状态，再结合车轮速度传感器的输出信号和方向盘转角传感器的串行数据输出信号，确定控制目标。

3 电子稳定程序（ESP）工作过程

电子稳定程序（ESP）用于在高速转弯或在湿滑路面上行驶时提供最佳的车辆稳定性和方向控制。电子控制单元（ECU）通过方向盘转角传感器确定驾驶员想要的行驶方向，通过车轮速度传感器和横向偏摆率传感器来计算车辆的实际行驶方向。当电子稳定程序检测到车

辆行驶轨迹与驾驶员要求不符时，电子稳定程序将首先利用牵引力控制系统中的发动机扭矩减小功能并向发动机控制模块（ECM）发送一个串行数据通信信号，请求减小发动机扭矩。如果电子稳定程序仍然检测到车轮侧向滑移，EPS程序将根据“从外部作用于车辆上的所有力（不管是制动力、推动力，还是任何一种侧向力）都会使车辆环绕其重心而转动”的原理，通过对前、后桥一个以上的车轮进行制动干预，使车辆不偏离正确的行驶轨迹，确保安全。

3.1 ESP如何工作

a） 侦测驾驶意图：如图5所示，根据方向盘的位置（转向角传感器）、车轮速度、油门位置、制动压力等反馈信号综合判断驾驶员驾驶意图；

图5 侦测驾驶意图

b） 识别车辆的状态：如图6所示，通过横摆角速度（横摆角速度传感器）和侧向加速度（侧向加速度传感器）信号综合判断车辆的行驶状态；

图6 识别车辆状态

c） 通过制动介入“帮助转向”：如图7所示， ECU 计算出保持稳定所需的控制量，然后由液压模块根据需要对各个车轮快速制动；

图7 帮助转向

d） 此外，ESP 还能通过与发动机管理系统的连接减小发动机的扭矩输出，从而实现对车辆

的控制。

3.2 克服转向不足的操作

转向不足示意图见图8，方向盘转角传感器向电子控制单元发送一个驾驶员想要朝方向“A”转向的信号，横向偏摆率传感器检测到车辆开始打转“B”，同时车辆前端开始向方向“C”滑移，说明车辆出现转向不足，电子稳定程序将实行主动制动干预。如图9所示，电子稳定程序利用ABS-TCS 系统中已有的主动制动控制功能,对左后轮进行制动干预，此刻，由于左后轮被制动，而车子的重心因惯性作用继续向前运动，于是车子就只好以左后轮为支点，绕着它旋转，这样一来，车子就朝方向“A”转向，即朝驾驶员想要的方向转向。转向不足的操作缺陷就被克服。当电子控制单元检测到车辆转向不足时，电子控制单元将向液压调节器发送信号，关闭前和后隔离阀，以使后轮制动回路与总泵隔离开来，防止制动液返回总泵；打开前和后启动阀，使制动液从制动总泵进入液压泵中；关闭右前和右后进口阀，以隔离右轮液压回路，从而使液压调节器只向左轮提供制动液压力；运行液压调节器泵，将合适的制动液压力施加到左轮制动轮缸上，以使车辆朝驾驶员想要的方向转向。如果在ESP 模式下进行人工制动，则退出ESP 制动干预模式并允许常规制动。

图8 转向不足示意图 图9 克服转向不足控制示意图

3.3 克服转向过度的操作

转向过度示意图见图10，方向盘转角传感器向电子控制单元发送一个驾驶员想要朝方向“A”转向的信号，横向偏摆率传感器检测到车辆开始打转“B”，同时车辆后端开始向方向“C”滑移。说明车辆开始转向过度，电子稳定程序将实行主动制动干预。如图11所示，电子稳定程序利用ABS-TCS 系统中已有的主动制动控制功能，对右后轮进行制动干预，此刻由于右后轮被制动，而车子的重心因惯性作用继续向前运动，于是车子就只好以右后轮为支点，绕着它旋转，这样一来，车子就朝方向“A”转向，即朝向驾驶员想要的方向转向，转向过度的操作缺陷就被克服。当电子控制单元检测到车辆转向过度时，向液压调节器发送一个信号，关闭前和后隔离阀，以将制动液回路与总泵隔离开来，防止制动液返回总泵；打开前和后启动阀，使制动液从制动总泵进入液压泵中；关闭左前和左后进口阀，以隔离左轮液压回路，从而使液压调节器只向右轮提供制动液压力；运行液压调节器泵，将合适的制动液压力“C”施加到右轮制动轮缸上，以使车辆朝驾驶员想要的方向转向。

图10 转向过度示意图 图11 克服转向过度操作示意图

4 汽车电子稳定系统的可靠性

梅塞德斯-奔驰公司从1994年起就对ESP系统进行了适用性和可靠性的全面验证试验。在微机控制系统的ROM中，预先储存的控制程序中的标准技术数据，应该来源于大量的实车测试数据。但由于在没有安全保障的情况下的实车试验，有可能造成无法弥补的安全事故后果，因此标准技术数据的取得，采用了模拟器。模拟器内输入了大量的通过实验采集的数据，可以仿真出很多复杂的路面状况和驾驶过程。再通过80位梅塞德斯轿车车主用模拟器进行时速为100km／h的模拟路面驾驶试验，得到各种不同性能的汽车在各种驾驶过程中的响应。模拟器检测手段既安全，又可以得到很多实车试验无法测量的数据。比如，在试验场的4个转弯处，用模拟器模拟路面突然结冰的情况，这将使车轮和路面之间的附着力在几米的路程内减少70％以上。如果轿车没有ESP系统，则78％的驾驶员不能将他们的汽车稳定在冰雪路面上，还可能遭受汽车连续3次翻转造成的伤害。有了ESP系统，所有参加过模拟测试的驾驶员都能避免汽车翻转事故的发生。

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%。

5 结束语

本文通过对EPS汽车电子稳定系统功能原理、组成结构、工作过程已经可靠性等的分析，较为全面的阐述了EPS汽车电子稳定系统。ESP系统是汽车主动安全措施的巨大突破，它通过控制事故发生的可能性来实现安全行车，使汽车在极其恶劣的行车环境中确保行驶的稳定性和安全性，实现了对汽车及乘员安全的最大可能保护。

参考文献

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【2】博世公司技术报告(2002)（英文）.

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【6】.司利增.汽车计算机控制[M].北京:人民交通出版社.2000年.

【7】.Jack Erjavec,Robert Scharff.汽车构造与检修[M].北京:机械工业出版社.1999年.

作者简介：

张明伟，男，郑州大学机械设计专业，硕士学位，助理工程师职称，现为郑州日产汽车有限公司技术中心底盘设计师。邮编：450016，邮箱：zhangmw@https://www.sodocs.net/doc/5010869332.html, TEL:188******** 张龙，男，东北林业大学车辆工程专业，学士学位，助理工程师职称，现为郑州日产汽车有限公司技术中心底盘设计师。邮编450016，邮箱zhangl1@https://www.sodocs.net/doc/5010869332.html, TEL：188******** 苏黎伟，男，郑州大学机械工程及自动化专业，学士学位，助理工程师职称，现为郑州日产汽车有限公司技术中心国产化设计师。邮编：450016，邮箱：sulw@https://www.sodocs.net/doc/5010869332.html, TEL:188********

吕许慧，男，河南科技大学车辆工程专业，学士学位，助理工程师职称，现为郑州日产汽车有限公司技术中心整车设计师。邮编：450016，邮箱：lvxh@https://www.sodocs.net/doc/5010869332.html,