控制方案及车速传感器设计毕业论文课件

本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文（设计）题目：论文（设计）题目：ESPESP 控制方案及车速传感器设计控制方案及车速传感器设计 学学 院：院： 机械工程学院机械工程学院 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班 级：级： 机自机自 127127 学学 号：号： 12080301991208030199 学生姓名：学生姓名： 王小龙王小龙 指导教师：指导教师： 龙飞龙飞 2016 年 月 日 贵州大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书 本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下 独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 特此声明。 论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计） 目录 摘要.1 Abstract.2 第一章 绪论3 1.1 引言3 1.2 研究 ESP 系统的背景和意义4 1.3 各国不同的电子稳定系统及研究现状6 1.3.1 国外不同电子稳定系统以及研究现状6 1.3.2 国内研究现状.8 1.4 本论文主要研究内容9 1.5 小结10 第二章 ESP 控制方案.11 2.1 工作原理. 11 2.2 系统组成.16 2.3 ECU 控制策略.20 2.4 小结.28 第三章 传感器选用及介绍28 3.1 车速传感器. 29 3.2 方向盘转角传感器.29 贵州大学本科毕业论文（设计） 3.3 横向加速度传感器30 3.4 车身高度传感器.32 3.5 横摆角速度传感器35 3.6 小结.37. 第四章 汽车总线技术 38 4.1 概述38 4.2 CAN 技术简介.40 4.3 CAN 总线系统结构及工作原理41 4.3.1 CAN 总线系统结构41 4.3.2 CAN 总线系统工作原理 .42 4.4 CAN 总线技术在 ESP 系统中的应用43 4.5 小结 44 第五章 车速传感器设计45 5.1 车速传感器简介.45 5.2 车速传感器的设计.46 5.2.1 车速传感器工作原理.46 5.2.2 霍尔传感器在车速测量中的电路设计.47 5.2.3 车速传感器的结构设计.48 5.3 车速传感器的安装52 5.4 小结53 贵州大学本科毕业论文（设计） 第六章 总结54 致谢55 参考文献56 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 1 页 ESP 方案及车速传感器设计 摘 要 汽车工业经过了百余年的发展，从最初的奔驰三轮车到现在的的配备有各 种辅助配置以及更加强劲的发动机的各式车辆；从单一车种到现在的轿车、 SUV（sport unity vehicle）、MPV、以及各种轿跑超跑等等；从单缸发动机到 现在的四缸、V6、V8、V10 以及 W16 等各种发动机。在我看来，汽车工业发展 史也就是汽车科技的发展史，步入 21 世纪，各种尖端汽车科技也不断涌现。这 之中不得不提的当属 ESP（Electronic Stability Program），即汽车车身电 子控制稳定系统。ESP 是一种新型主动安全系统 ，简言之则是通过控制制动系 统和对发动机输出功率的控制来提高车辆的操纵稳定性和制动响应。ESP 是基 于汽车防抱死制动系统(ABS)和牵引力控制系统(TCS）逐渐发展而成的一套系统， 在原基础上增加了 横摆率传感器、车速传感器、横向加速度传感器、侧向加速 度传感器和方向盘转角传感器，通过 ECU 控制前后、左右车轮的驱动力和制动 力分布，确保车辆行驶时的侧向稳定性。ESP 的出现极大地降低了车辆事故发 生率以及发生事故时的伤亡率。本次设计主要研究方向主要在于针对 ESP 控制 方案、车速传感器的设计以及 CAN 总线技术的整合的研究 关键词关键词：车身电子稳定系统（ESP）；车速传感器设计；ECU 控制模型；CAN 总 线技术 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 2 页 Abstract Automobile industry after the hundred years of development, from the original Mercedes tricycle to now equipped with all the configuration and more powerful engine of all kinds of vehicles; From a single type to the current sedan, SUV (sport unity vehicle), MPV, and various coupe supercar, etc. From single cylinder engine to now four cylinder, V6 and V8 and V10 and W16 engine. In my opinion, the automotive industry development history is the history of science and technology, the 21st century, all kinds of advanced automobile technology are constantly emerging. There will have to mention all the ESP (Electronic Stability Program), the automobile body Electronic Stability control system. ESP body electronic stability system is a new kind of active safety system, is a closed loop system, in short is by controlling the brake system and the transmission of interference to improve vehicle handling stability and braking response. Automotive electronic stability control system is a new type of vehicle active safety systems, automotive anti-lock braking system (ABS) and traction control system (TCS) further expansion of functions, and on this basis, increase the rate of the vehicle to drive horizontal pendulum sensor, lateral acceleration sensor and the steering wheel Angle sensor, ECU control of front and back, left and right wheel drive and brake force, to ensure the lateral stability of the vehicle. The emergence of ESP dramatically reduced at the time of the accident vehicle accidents and casualties. The design of the main research direction is mainly aimed at the ESP control scheme, the design of the speed sensor and CAN bus . Keywords：Electronic Stability Program；the speed sensor；ECU control model；CAN bus technology 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 3 页 第一章 绪论 1.1 引言 目前很多品牌的车企及公司都拥有自己的电子稳定控制系统 ， 每个厂家 对应有每个不同的称谓，比如德国博世称其为 ESP、本田称它为叫做 VSA、丰田 叫 VSC。 ESP（Electronic Stability Program）的发展历史并不算长，10 年前德 国博世公司才将其量产，并在最近几年开始逐渐完善功能。随着科技发展以及 时代进步，ESP 从过去的高端车选配（B 级车选配）到现在的部分厂家已经做到 A 级车标配，例如新款的马自达 3 昂克赛拉已经全系标配 DSC，只是称谓的区别 差异，其工作原理都是类似的。 （资料引于汽车之家网站） 作为诸多汽车安全科技中较为重要的一种，区别于其他被动安全技术，例 如 ABS 防抱死系统，ESP 是为主动安全技术。该系统通过各种传感器收集数据， 汇总与 ECU，据此判定车身姿态并由之作出决策，由此可见 ESP 具有一定预见 性，于车辆上驾驶人以及乘客而言，这是十分重要的。ESP 是主动安全技术上 的一个重大突破，可以一定程度上使车辆在十分恶劣的环境下保持车身的稳定 行驶状态。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 4 页 与国外各大汽车厂商相比，我国由于各方面起步较晚等原因，目前 ESP 研 究尚处于起步阶段，尚未研究出较为成熟的 ESP 系统。很多问题急需投入和解 决，这需要我们多投入以及更多深入的研究，我相信在不远的将来，国人一定 可以开 上装备有国产 ESP 系统的轿车。 1.2 研究 ESP 系统的背景和意义 2014 年我国汽车产销量双双突破 2300 万辆, 2015 年全年中国汽车市场的 销量为 2459.8 万辆， 这是自 2013 年以来连续 3 年超过 2000 万辆。连续 6 年 蝉联世界第一，下面是我国汽车的产量和增长率。 图 1.2.1 2003 年-2013 年中国汽车产量 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 5 页 图 1.2.2 2003 年-2013 年中国汽车增长率 图 1.2.3 2006 年-2012 年世界主要国家 ESP 装备增长曲线 由以上信息可见，我国汽车销量及保有量虽然每年稳步提升，ESP 的安装率 却始终连世界平均水平都未达到 个人认为研究 ESP 系统最大的意义在于安全二字。所有的汽车安全科技的研 究都在于提高行车安全性。随着人们生活物质水平的提高，以及中国汽车工业 的飞速发展，汽车已经逐渐走进我们千家万户当中，一方面为人们出行带来极 大地便利，另一方面不得不提也就是汽车在我国带来的各种问题，包括环境问 题，能源问题等等。这之中影响最大的莫过于安全问题，抛开人为操作因素不 谈，车辆安全技术已然成为事故发生时的那一根最后的救命稻草。研究 ESP 系 统的意义正是在于此。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 6 页 德国的联合保险协会研究表明：1/4 造成严重伤害和 3/5 造成死亡的交通事故均 是由于车辆侧滑造成，保持汽车的稳定性和可操纵性成为了减少事故发生的关键。美 国 NHTSA 的研究表明，将 ESP 作为标准配置的车辆，轿车的单车事故发生率可降低 34% ， 而翻车事故发生率科技降低高达 71% ，而 SUV 的单车事故甚至能降低 59%。 从以 上数据可见，当事故发生或即将发生时，ESP 起到的作用可见一斑。 1.3 各国不同的电子稳定系统及研究现状 总体而言，由于国外在这方面起步相对早、研发投入高、已经形成了一套 相对成熟的体系，且已实现产业化生产。然而放眼国内，由于起步较晚，该方 面尚处于起步阶段，且尚不具备自主知识产权的产品，可见任重而道远。接下 来我们讨论各国不同的电子稳定系统 1.3.1 国外不同电子稳定系统以及研究现状 国外的发展始于上个世纪 80 年代初，1980 年 2 月，奔驰公司就已经实现 将 ESP 系统批量化的安装在当时的 A 级微型车中，到目前国外关于这方面的技 术已经相当成熟，且处于主动安全性的考虑，欧美政府已经强制规定相关乘用 车必须安装，这也为 ESP 的市场覆盖提供了强有力的支持。ESP 系统从 开始研 制到后来的发展十分迅猛，市场覆盖面变得越来越高，在世界范围内也逐渐被 其他国家所效仿研制出类似系统，并且在欧美国家的小型车也得到了普遍安装， 这也有赖于政府的支持。 图 1.3.1 主动安全系统 ABS、TCS、ESP 的发展 车身电子稳定系统，顾名思义，其作用在于电子系统对车身的控制。特别 是在车辆不同速度下过弯时以及由于各种原因车辆发生侧滑时对车身的稳定控 制。关于车身电子稳定系统，世界上诸多车企或公司都在进行着相关的研究工 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 7 页 作，虽然对各自对自家系统称谓有所不同，且配备车型也都不尽相同，但是工 作原理也都大都类似。接下来举例说明。 德尔福和天合公司一起合作研发的电子稳定系统叫做 ESC。通用旗下多种车 型以及福特少数车型都有配备。ESC 的工作原理在于对过度转向和不足转向的 预判及控制，例如当汽车向右转大弯时，由于驾驶员经验不足的原因 ，转向量 不够，此时转向不足，ESC 能够通过各传感器所反馈信息迅速作出反应，对右 前轮进行适度制动以使车辆顺利过弯同时避免事故发生。 老牌汽车厂商即德系三驾马车 BBA 对电子稳定系统的研究相对较早且技术 相对成熟。例如宝马的 DSC。相比于博世的 ESP，宝马的 DSC 虽然在控制原理上 出入不大，但是宝马开发的 DSC 主动稳定控制系统的长处在于很大程度上保留 了驾驶乐趣，不像 ESP 那般沉闷，过弯时实施精准控制，这在一定程度上削弱 了人们期待的驾驶乐趣。 日本丰田公司的电子稳定系统叫做 VSC，全称 vehicle stability control。近几年来，丰田在主动安全方面取得了较大的突破，这之中很大程度 上得益于 VSC。作为辅助安全系统，VSC 可以对由于紧急转向或者路面状况欠佳 而引起的侧滑进行控制。当检测到车辆侧滑时，系统可自动做出反应，即对各 车轮进行制动以及对发动机输出功率进行干预。 韩国现代的电子稳定系统叫做 VSM，它的作用和 ESP 一样，只是各自的叫 法差异。VSM 实际是将 ESC 和 MDPS 两个系统进行整合，ESC 配合 MDPS 同时工作， 根据行驶状况和 ESC 反应，MDPS 施加给方向盘不同的助力以稳定车身。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 8 页 其他的电子车身稳定系统还有 StabiliTrak ，Advance Trac 等他们的工作原理都 相差不多。 以上信息整合到表格如下图所示 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 9 页 图 1.3.2 各车企所配备电子稳定程序 1.3.2 国内研究现状 我国在 ESP 上起步较晚，技术尚不成熟，且没有自主产权，但庞大的国内市 场需求促使我国急切的需要有自己的 ESP，且需要满足人们可靠性高，成本低 的原则，在传感器和控制软件上需要国家投入大功夫才能攻克，现在的技术只 是一味的仿真，毫无自己的特色，也没有自己的自主产权，无法占有中国庞大 的市场，故而又了德国博世公司在苏州分公司，国外的很多汽车厂商都是为了 开辟中国庞大的市场，在中国建立起了多加公司给国内的中高档整车进行产品 装配，国内现在所拥有的条件是比较成熟的 ABS 系统的技术和庞大的中国市场， 牵着给 ESP 的发展提供了良好的硬件支持，后者给 ESP 提供了产业化的良好条 件。 现在国内有很多科研机构和院校都在这进行这方面的研发，例如吉林大学， 合肥工业大学等等，特别是气动 ABS 在部分火车和客车上取得了重大的成就。 国内也有少数学者在进行控制方法的仿真研究，因为缺乏实验条件，技术经验 不够等原因，研发尚未取得明显突破，现在有清华大学、上海交大、西北工大 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 10 页 等高校，还有中国重汽集团等也在进行相关方面的研发工作。 虽然取得了一定成果，但是需要解决的问题也很多，例如最核心的横摆角速 度和质心的侧偏角，两者是 ESP 控制的重要参数，保证二者的测量精度成了重 中之重。在这里面，清华大学宋健和他的团队对 ABS 电磁阀特性进行了大量研 究，并积极探讨 ESP 的控制算法和策略。 国内诸多高校以及车企也在进行相关方面的研究。上海交大对 ESP 试验台 设计开发做了相关方面的研究；北京理工大刘昭度教授在集成化液压单元及液 压控制单元特性方面做了相关方面的研究； 国内目前的研究现状不容乐观，如今中国汽车市场呈井喷式的增长状态， 国人应该通过自己的努力，积极创新，不要一味的模仿和逆向研发，是我们应 该遵守的原则，自主产权的缺失，在高新汽车科技方面永远会是受制于人的态 势。且为了人们的安全着相，这一块的技术也应该在中国有了自己的技术和自 主产权。以后也对装配进行强制性的要求，在市场和 ABS 成熟的技术两方面条 件下，中国在这快市场上该有一席之地，但推崇创新和技术突破，不仅需要时 间，还需要大量的资金和人才支持，国内大多厂家在这方面不愿意花费太多的 精力，这不只是厂家的责任，这其中也有国家的责任，对这一方面的重视和支 持，也必将成为中国 ESP 发展的必不可少的支持因素。 1.4 本论文主要研究内容 首先要了解并学习 ESP 系统的发展历程以及现在的国内外研究现状，查阅相 关资料学习 ESP 的工作原理，设计并完善一套 ESP 的控制方案，并对其传感器 进行学习研究，对车速传感器进行深入研究以及设计。 ESP 整个方案设计的重点在 ECU 的控制模型、CAN 技术融合的相关内容、以 及车速传感器的设计研究。 整个论文的结构是： 首先，先学习并说明 ESP 的意义、研究目的以及国内外研究现状； 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 11 页 其次，对 ESP 的工作原理、系统组成等进行说明，设计并完善 ESP 的控制 方案，并对方案中的传感器、执行器、ECU 控制模型、CAN 技术的融合等几个模 块分别进行分析研究，并优化； 再者，对车速传感器单独进行研究设计； 最后，对论文和 ESP 进行总结并致谢。 1.5 小结 总结来说，这一章重点讨论了关于 ESP 发展情况以及为什么我们需要大力 的发展它，研究 ESP 的意义在于给人们生活出行带来更多安全保障。关于 ESP，国外做的向来就不差。我想对于国内来说，一方面需要国家政策的正确指 引，另一方面则是国内车企们的攻坚克难了 从中可以看出一些经验，同时也能发现少许问题。比如说就关于做产品的 态度来说，就比如说日本的车企，不得不说关于车子方面我个人是很佩服日本 人。以下内容纯属个人观点。例如马自达，个人很喜欢的一个品牌，简单来说 有点像一门心思专心做学问，带一点偏执，别人都在做经典的四冲程发动机， 偏偏他要去研究转子发动机，并最终应用于实车 RX-7 上且成功打入美国市场。 尽管转子发动机是德国人的专利。再到现在，就在多数厂商都跟风做小排量带 涡轮增压发动机的时候他却依然坚持做自吸。自己研发了创驰蓝天技术，在保 证动力的前提下大幅降低油耗。还有马自达最新车系的魂动设计，当然关于外 观这个东西，向来是见仁见智，我个人是很喜欢的。从新马 3 昂克赛拉到马 6 阿特兹再到最新的 CX-4，不得不说外观很惊艳很漂亮。再比如说日产旗下有一 款超跑叫做 GTR，人们都叫他东瀛战神，也是个人很喜欢的一款车。你可以说 他廉价，满满的塑料感，可以说他没有法拉利、兰博更有范还是什么。但是偏 偏日产造出了这样一款车，改装之王 GTR，直线加速不输给一线超跑。GTR 凝聚 了日产诸多心血，就比如说他的发动机，全是在封闭的环境下手工组装，造就 了他每一辆都独具特色。当然近几年国内车企也在迅速成长，典型的比如说吉 利，吉利进来发布的两款车型博瑞以及博越，可以说是很亮眼的两款车。在他 们上面可以看到吉利付出的心血，一方面得益于收购了沃尔沃之后得到的一些 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 12 页 技术支持，我想更离不开的是吉利自身的努力和态度，才造就了如今的吉利。 第二章 ESP 控制方案 2.1 工作原理 ESP 工作原理 ESP 系统对车辆的控制主要体现在纵向和横向稳定性两方面，确保车辆按照 驾驶员的意识行驶。ESP 的基础是 ABS，该系统在汽车进行制动的时候车轮将要 抱死时，可在一秒内持续制动达百次以上，这一点很像人工机械操作一样即频 繁点刹。这样，在驾驶者对车辆进行全力制动时，轮胎仍然处于滚动状态，即 没有出现抱死，相比之下的制动效果，滚动摩擦比抱死后的滑动摩擦更好，与 此同时车辆行驶的方向仍旧处于受控状态。 ESP 系统综合了 ABS 和 TCS 的功能，三者相辅相成，从下图可以得知三者各 自的工作区域以及三者之间的关系：4WS 的有效工作范围处于侧向力、纵向力 都比较小的轮胎特性区域，即圆心位置；TCS 的有效工作范围位于大驱动力附 近的极限区域；ABS 在大制动力附近的极限区域；VSC 工作区域位于侧向加速度、 侧偏力都比较大的的极限区域 ；其他几种系统的有效工作范围都位于较大地面 作用的轮胎特性非线性区。 同时 ESP 和发动机控制单元同时并协调工作的，当传感器侦测到车轮打滑时， ECU 会实时比对各个运动状态车轮的转速差，从而识别出驱动轮处于打滑状态， 此时 ECU 会控制发动机一方面降低节气门进气量，另一方面使发动机转速适量 降低已达到降低动力输出的目的，同时对打滑的驱动轮进行制动。这样便可以 减少打滑以及过多的发动机功率损耗并保证轮胎与地面抓地力之间随时都能得 到最合适的动力输出，此时 车轮就不会轻易出现打滑。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 13 页 轮胎是连接车身和路面的桥梁，即轮胎作为力的载体，在横向以及纵向方 向传递地面施加给他的的纵向及侧向力，从而驱动车辆运动。车辆的运动以及 稳定性由轮胎的受力状况以及其他外力共同决定。 由附着椭圆可得知随着轮胎 的纵向附着力的增加，侧向附着力呈逐步降低状态 。ESP 系统的控制策略在于 对各个车轮滑动率的精确控制，使各个车轮的纵向分力和侧向分力可以迅速改 变且处于可控状态，如此一来，在所有工况下皆可获得所期望的操纵稳定性。 下图为使用 G.Gim 车轮模型而得的侧偏角与侧偏力在不同附着条件下的路面上 的关系，其中车轮垂直载荷与其滑移率一样（在 ISO 车轮坐标系中，负的的轮 胎侧偏离由真的侧偏角产生）。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 14 页 由图可知，当侧偏角相对较小时，在一定范围内时，侧偏力和侧偏角二者可 以基本保持线性关系，而当侧偏角继续增大到一定程度时，侧偏力不再随侧偏 角的增大而明显增大，说明侧偏力到达了附着极限。 ESP 于行车安全而言最突出的作用就在于对车辆弯道行驶时的稳定控制，而 弯道行驶莫过于过度转向、不足转向以及各种可能因素导致的侧滑现象。接下 来讨论 ESP 针对以上现象的控制措施。 1、过度转向时的控制措施 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 15 页 2、不足转向时的控制措施 当车辆发生不足转向时 ESP 系统 的控制措施如下图所示，与过度转向相反， 当 ESP 检测到汽车转向量不足时，控制系统会迅速的对弯道内侧车轮进行制动， 达到预期的滑移率，从而使车轮的侧向力降低而纵向制动力相应的增加。同时 也会产生一个横摆力矩，且对于车身稳定性而言，得到了两个附带的降低不足 转向可能的因素。首先，由于制动而使车速降低；其次，由于差速器的原因， 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 16 页 对内侧后轮进行制动的同时外侧后轮的转速会相应的提高，这样一来，外侧后 轮所受驱动力会增加而侧向力减少， 也会得到一个对稳定控制有利的横摆力矩。 ESP 在突发制动时的作用 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 17 页 如图 6 所示，车辆原本处于直线行驶状态，此时道路右侧方向侧突然出现 障碍，通常驾驶员会由于紧张而采取紧急制动制动，车辆可能会转向不足。此 时 ESP 会采取下列操作，将撞车的可能性将至最低。 (1)首先，ESP 将对左后 轮进行制动。(2)此时车辆将沿着车辆转向轮的驶入方向行驶，这之后 ESP 会再 次对车身姿态进行判定，即车辆有可能会转向过度，此时 ESP 会对右前轮进行 制动。(3)最后，车辆重回到稳定行驶状态 ESP 在转弯时的作用 如下图所示，当车辆在弯道中行驶，当车子向右转弯发生一下状况时。(1) 当车辆前方向右滑出，ESP 会迅速做出反应 ，对左后车轮进行制动，这样将产 生一逆时针方向的横摆力矩，与此同时对右前轮进行制动，从而使车辆回到原 本行驶的方向；(2)一旦系统检测到车辆右侧不足，ESP 将会迅速做出反应，对 左前车轮进行制动，如 此 将产生一种顺时钟的转向力量，促使车辆回到原来 的行驶方向。 2.2ESP 系统组成 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 18 页 ESP 系统由传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三大部分组成，有各个 传感器协同工作检测各项参数，通过电子控制单元监控汽车运行状态，对车辆 的发动机及制动系统进行干预从而达到稳定控制的目的。 图 2.2.1 ESP 系统主要组成 典型的汽车电子稳定控制系统在传感器上主要包括 4 个轮速传感器、方向盘 转角传感器、侧向加速度传感器、横摆角速度传感器、制动主缸压力传感器、 车身高度传感器等，执行机构部分则包括传统制动系统(真空助力器、管路和制 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 19 页 动器)、液压调节器等，电子控制单元与发动机管理系统联动，可对发动机动力 输出进行干预和调整。 图 2.2.2 车辆稳定系统主要构成 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 20 页 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 21 页 图 2.2.3 ESP 各系统组成图解 依托于各种传感器所反馈的信息，ECU 会根据不同的危险工况自动且迅速的 作出反应，使发生危险事故的概率降至最低。ESP 系统的 ECU 与发动机、传动 系的 ECU 通过 CAN(ControlerAreaNetwork)总线互联 ，使其能更好地发挥控 制的作用。例如，自动变速器比当前的机械传动，变矩器的扭矩比和其中所述 档位等信息到 ECU，以驱动转矩估计到驱动轮。当 ESP 系统在低路面附着系数 识别，它将禁止司机降档。在这条道路的开始，ESP 系统会通知动力总成 ECU 应联系到提前二档，这将显著改善初期的舒适性，特别适用于高功率的汽车。 2.3ECU 控制策略 1 基本组成 电子控制器（electric control unit）简称 ECU，是发动机控制系统的核 心部件，其作用主要在于对各传感器及开关的输入信号进行预处理、分析、判 断、并根据信号处理的结果输出控制信号，控制执行器工作。ECU 主要由微处 理器、输入电路、输出电路等组成。如下图所示 图 2.3.1 ECU 构成 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 22 页 2 ECU 控制模式分析 车是一个物理系统由几部分组成。它有许多功能惯性动态，弹性，阻尼，所 以它是一个多维度的动态系统。全车的坐标系来帮助分析汽车的运动。整合在 车辆坐标移动坐标上行驶的汽车系统的系统。如图所示 图 2.3.2 车辆坐标系与汽车的主要运动形式 由图可以看到，表征汽车瞬态响应的参数主要有车速、横摆角速度，横向加 速度、以及方向盘转角。这四个参数影响着汽车的瞬态响应。他们决定着汽车 当前的稳定状态是不足转向还是转向过度也或许是所谓的中性转向 汽车的时域响应可分为稳态响应即不随时间改变和随时间改变的的瞬态响 应 。如具有恒定的线性稳态的汽车，;如果在以恒定速度直线车上，急转方向 盘一定的角度时，停止转动方向盘转角并保持不变，即在汽车到步骤过渡板进 入普通汽车在短时间后进入后匀速圆周运动，这是一个稳定的状态，称为稳态 响应方向盘角阶跃输入进入。 等速圆周行驶的汽车，即汽车方向盘角步骤输入的稳态响应进入，虽然实际 的旅行很少，但它是车辆操纵表征和稳定性是重要的时域响应，也被称为一般 是对于汽车性能变得稳定。汽车稳态转向分为三种类型：转向不足，转向适度 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 23 页 和转向过度。与汽车这三种不同的转向特性具有以下特征（图 5-2：握住方向 盘在一个固定的角度 6“，缓慢加速或在不同的旅行时恒定速度，随着车辆 速度的增加，较少操舵汽车转弯半径增大;中性转向车的转弯半径保持不变;和 转向过度汽车正变得越来越小和车的转弯半径小的操纵稳定性应具有良好的中 等转向不足特性一般车应该具有转向过度特性，不应该有一个中性转向特性， 因为中性 汽车转向时的条件发生改变，就可能变成转向过度的特性。 图 2.3.3 车辆的三种转向特性 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 24 页 其中 K 为稳定性因素，是表征汽车稳态响应的一个重要参数。 图 2.3.4 汽车的稳态横摆角速度增益曲线 根据 K 值的大小变化，汽车稳态响应分为下列三种类型。 K=0 时，即横摆角速度增益随着车速的增长而线性增长，此时为中性转向； K0 时，即横摆角速度增益比中性转向时要小，而后变为向下弯曲的曲线，由 图可知，这种特性称为不足转向。随着 K 值的增大大，横摆角速度增益曲线值 逐渐减小，此时表征为不足转向量逐渐变大。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 25 页 K0 时，横摆角速度增益相比中性转向时要大，且随着 0 车速增加曲线向上弯 曲。这种特性称为过多转向。K 值越小，过多转向量越大。 由上图可知，车速成为影响转向特性的一重要影响因素，对于 ESP 控制模型 中，还要考虑下列几个参数，汽车轮速，以 表示；方向盘转角 ；横摆角 速度 ；横向加速度 ；车身高度 。基本思路是，选取几个重要的参考点， 确定它的控制值，在逐步优化。根据实际情况，ESP 通常在高速时效果明显， 汽车通常也是在高速时发生事故的几率相对较高，所以首先选取 80KM/h、90KM/h、100KM/h、110KM/h 这几个点；方向盘转角选取 020 度，因 为高速时转角不会太大。确定这两个参数之后，再确定横摆角速度 、横向加 速度 以及车身高度 随方向盘转角的变化即是 ESP 的控制模型。 图 3.1 基于横摆角速度的控制模式图 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 26 页 如图 3.2 是基于横摆角速度的控制模型图，在图中，方向盘转角选取 5 个 点即 5、10、15、20和 25，作为图的横坐标；纵坐标是横摆角速度。 图中的四条不同颜色的线即蓝线、绿线、黄线和红线分别代表车速为 80Km/h、90Km/h、100Km/h 和 110Km/h 时横摆角速度随方向盘转角的变化趋势。 以蓝线为例，可以看出，当速度一定时，方向盘转角越大，控制点越小；方向 盘转角一定时，速度越大，控制点也越小。 同时引用下图来简单的模拟 ECU 的控制模型。产生失稳一般都是在高速的状 态下才会产生，而高速的状态下方向盘转角不可能太大，在此速度范围选取 80110km/h,速度选取 0 到 30 度为例。下图中的 a 代表方向盘转角度数、b 代 表横摆角速度。 图 3.2ECU 控制模型示意图 由图中可以得知：当速度一定的情况下，横摆角速度随着方向盘转角变化而 变化，由图可知：失稳状态为不足转向和过度转向，当方向盘转角在一个定值 时，对应的横摆角速度如果过大，就产生转向过度失稳，过小，就为转向不足 失稳，故而在中间区域的范围为安全区域，ESP 不介入控制，否则则介入控制。 3 ESP 控制系统的结构设计和算法设计 汽车行驶时的实时行驶状态由 ESP 控制系统主回路中的传感器感知，可以根 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 27 页 据传感器所得到的状态值估算各个车轮的纵向速度、摩擦系数、滑移率等等。 通过比对 ECU 之中的名义值和之前得到的估计值之间的差值，ESP 控制器可以 计算出需要实施在轮胎上的横摆力矩增量。 而后，副回路中的 ABS、ASR、MSR 通过对轮胎实时实施制动以及控制发动 机输出转矩从制动力和驱动力两方面呼应主回路的控制。其中 MSR（Motor control Slide Retainer,防倒拖转矩控制系统），指的是当车辆处于某些特殊 情况时，比如在低附着系数路面上行驶时突然松开油门或者在高速时换档时发 动机会产生较大的阻力矩可能导致发动机转速突然上升而导致车辆不稳定甚至 打滑，这时 MSR 系统能自动降低发动机阻力矩，从而保证车辆行驶的稳定性。 是防止发动机突然出现较大阻力后驱动轮路面附着系数突然下降的功能，比如 你在雪地里，突然收油，MSR 会控制发动机不让牵引力太快下降，保证车辆行 驶稳定性。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 28 页 图 3.3 ESP 控制流程图 图 3.4ESP 车辆动力学控制器及其输入与输出变量的框图 ESP 的控制算法分为三层：第一层通过各传感器所反馈信息汇总与 ECU，然 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 29 页 后实现对横摆力矩的控制；第二层主要对是车轮滑移率的控制，也就是对制动 压力的控制；第三层是实施对执行器的控制，也就是各种泵、阀的控制。第一 层控制整车姿态，通过不断对比名义值和实际值，确定 ESP 是否需要介入。若 需要介入，则计算出需要生出的大小为 M 的修正横摆力矩，计算出每个车轮的 最适合的滑移率增量，再和实际的轮胎滑移率增量对比，得出每一个轮胎的制 动力大小，然后得出各轮胎的制动压强和制动电磁阀的开关时间。第三层的执 行器为电磁阀和泵等硬件。 ESP 系统控制算法的结构 2.4 小结 本章主要详细介绍了关于 ESP 的结构组成、工作原理以及 ECU 控制策略等。 ESP 的结构组成主要是各类传感器和控制单元以及各类执行器。其中 ECU 是关 键，它要负责处理传感器传来的各种参数并作出判断。所以说 ECU 控制模型是 整个 ESP 的关键。 第三章 传感器选用与介绍 ESP 主要是由传感器、ECU、执行器三部分构成。传感器的主要作用就是实 时探测车身运动姿态，将信息反馈给 ECU，再由 ECU 判定是否需要作出决策。 汽车中的传感器很多，这里我们将重点研究车速传感器、方向盘转角传感器、 横向加速度传感器、车身高度传感器、横摆角速度传感器等五类传感器。传感 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 30 页 器反馈给 ECU 的信息精确与否直接影响到 ESP 的控制效果，当然这之中 ECU 的 设计以及各个构成之间的配合也很重要。ESP 研究的成本高的原因就在于传感 器的设计制造以及 ECU 模型设计。 3.1 车速传感器 由于此次设计重点就在于车速传感器的设计，所以关于车速传感器将在后面 第五章详细介绍。 3.2 方向盘转角传感器 方向盘转角传感器工作原理为通过传感器将转向盘转动的角度和转动方向转 换为相应的电信号并传送到 ECU，ECU 根据转向盘转角传感器的输入信号判断汽 车的转向情况，以此判定在不同车速下车辆可能出现的侧倾程度。方向盘转角 传感器种类很多，主要有有光电式、磁电式、霍尔效应式三种类型，其中光电 式转向盘转角传感器的应用最为广泛。 3.2.1 光电式转向盘传感器的组成与测量原理 如图所示，传感器的遮光盘上有尺寸相同且均布的透光槽，当驾驶人转动 转向盘时，通过转动轴带动遮光盘转动，光电耦合器便产生脉冲电压。ECU 根 据传感器输出的脉冲个数就可计算转向盘转过的角度 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 31 页 图 3.2.1 光电式转向盘转角传感器结构简图及电路原理 3.2.2 转向盘转动方向的判定原理 为了能够辨别转动方向，转向盘转角传感器需要同时产生两组信号。ECU 根 据传感器的信号判断转动方向的原理如图所示。A、B 两个光电耦合器产生的信 号脉冲其脉宽相同，但相位相差 90 度，ECU 以 A 信号从高电平转为低电平时， B 信号是高电平还是低电平来判断转向。如果 A 信号在下降沿时，B 信号是高电 平，则为右转向；如果 A 信号在下降沿时，B 信号为低电平，则为左转向。 图 3.2.2 转向盘转动方向判定原理 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 32 页 3.3 横向加速度传感器 加速度传感器也成为 G 传感器，所谓横向加速度传感器，就是负责在车辆转 弯时检测侧向离心力的大小，侦测车辆是否发生侧滑。在汽车转弯过程中，横 向加速度传感器将检测到的信息通过 CAN 总线传输给 ESP 并由其比对分析 ECU 控制模型中的极限值与实测值之间的差值，以此判定 ESP 是否需要介入车辆的 制动和驱动系统以维持车辆的行驶稳定性。常见的横向加速度传感器有压电式、 压阻式、电容式以及伺服式等等，常用电容式。 横向加速度传感器结构组成以及工作原理：其结构组成如下图所示，主要有 固定电极、质量块、弹簧片等组件。 其工作原理如图二所示：传感器由质量块和固定电极分别作为可移动部分和 不可移动部分，两个固定电极形成串联电容，且电容吸收一定电荷。当车辆转 弯时，中央质量块受离心力作用便会运动，随之两电容中的一侧电容间隙增加， 另一侧则相应减小，从而导致串联电容值发生变化，即侧向离心力的大小是通 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 33 页 过电容值的变化量来表征，而后将此电信号传送给 ECU 并由之作出相应决策。 图 3.3 横向加速度传感器原理图 3.4 横摆角速度传感器 角速度传感器是将汽车转弯时车身旋转角度转换为相应的电信号，在汽车行 驶稳定系统中，角速度传感器提供的信号是 ECU 实施汽车稳定性控制的重要依 据。 横摆角速度传感器主要有振动型角速度传感器和音叉式角速度传感器两种， 现在，横摆角速度传感器陀螺仪主要用在中高级轿车的 ESP 中，但是由于 价格昂贵和存在标定误差等方面原因，其并没有被广泛使用。故而现在的比较 普遍采用的是音叉式横摆角速度传感器。下面分别说明两种类型传感器的工作 原理。 3.4.1 振动型角速度传感器 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 34 页 振动型角速度传感器的工作原理如图所示。在作为振子的四方体的相邻两面 上，粘贴有兼起驱动和检测作用的压电原件，当对压电原件施加交流电压时， 就会在负压电效应的作用下，使振子振动。当振动着的振子又旋转时，就会产 生一个与旋转速度对应相应的哥氏力。 图 3.4.1 振动型角速度传感器 哥氏力是指旋转坐标内具有速度的物体所受到的力，力的方向既与旋转轴垂 直，也与物体的速度方向垂直，而力的大小与物体的速度与系统的转速成正比。 当车辆旋转时，传感器振子随之转动，这时，测出的压电原件电流包含有振 动和哥氏力两部分。传感器内部信号处理是相邻两压电原件输出信号的相减， 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 35 页 这样就消除了振动部分同频又同相的两个信号如图所示，只剩下反映哥氏力的 信号。将电流信号转换为电压信号，就可得到与旋转角速度成一一对应的输出 信号。 3.4.23.4.2 音叉式角速度传感器音叉式角速度传感器 音叉式角速度传感器的结构如下图所示。传感器的本体为音叉形，振子由振 动（激振）和检测两部分构成，两者互称 90 度。在音叉上粘贴有压电陶瓷片 （PTZ）。 图 3.4.2 音叉式角速度传感器的结构 音叉式角速度传感器的工作原理如图所示。当交流电压加于激振 PTZ 时， 检测 PTZ 也总是在左右方向振动。当车辆转弯时，哥氏力作用于检测 PTZ，在 与激振方向垂直的 F 方向的力，使检测 PTZ 产生交流电压信号。此信号包含有 激振 PTZ 产生的振荡波，经放大后进入检测电路，检测后输入反映旋转方向和 旋转速度的信号，再经整形电路整形后，输出与车辆旋转角度呈线性关系的电 压信号。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 36 页 图 3.4.3 音叉式角速度传感器工作原理图 音叉式角速度传感器的优点在于：两个振子是反向运动的，其产生的哥氏力 的方向也相反，因此车辆前后、左右方向加速度所形成的挠曲变形可以互相抵 消，从而提高了测量的精度。 3.5 车身高度传感器 车身高度决定了车辆质心的高度，车辆质心的变化即车辆侧偏变化对于车辆 的驾驶稳定性有着决定性的影响，与横摆角速度的变化同样重要，所以在车身 高度上的传感器必须精确可靠。车身高度传感器也称为车身位移传感器，用于 监测车身相对于车桥的位移，ECU 根据车身位移传感器输入的信号可计算得到 车身的位移和振动参数并确定车身的高度。光电式车身位移传感器具有结构简 单、定位准确等优点，因此在汽车上被广泛采用。 1,光电式车身高度传感器的测量原理 工作原理：遮光转子有特制的透光槽，遮光转子两边布置的 4 个发光二极管 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 37 页 和光敏晶体管组成了 4 对光电耦合器。遮光转自在任何位置时都会有 4 个光电 耦合器的光敏电阻受光然后输出通路（ON）信号，不受光光敏晶体管就输出断 路信号(OFF)。遮光转子透光槽的长度和位置分布使得遮光转子在每一个规定的 转角范围内，都有一组“ON”、“OFF”光电信号输出。 图 3.5.1 光电式车身位移传感器原理图 车身高度与振动情况的确定 通过连接杆，将车身的高度变化转变为遮光 转子的转动，使车身在每一高度位置时均对应一组“ON”、“OFF”光电信号。 下图所示的是将车身高度变化范围划分为 16 个高度区所对应的光电信号，ECU 根据传感器输入的一组信号就获得了即时的车身高度变化信息。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 38 页 ECU 根据采样时间内车身高度在某一区间的频度来判断车身的高度；根据车 身高度变化的幅度和变化的频率，可判断车身的振动情况。 2.光电式车身高度传感器的结构与工作原理 光电式车身高度传感器的结构与安装位置如图所示。 图 3.5.2 光电式车身高度传感器 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 39 页 传感器被固定在车体上，所述传感器连杆由悬架臂连接。当主体的高度改变， 推挽连杆将摆动驱动传感器遮光转子，从而使对应于该改变的车高传感器的输 出信号。 3.6 小结 本章主要负责介绍了 ESP 系统中主要的五类传感器及其工作原理，可以得 知哪种类型的传感器被运用最多，哪种传感器工作可靠。本文主要研究车速传 感器，所以在本章节没有赘述，在后面的第五章进行详细介绍。另外，横摆角 速度传感器是整个 ESP 系统的核心，是 ESP 判定车身姿态的重要依据 第 4 章 汽车总线技术 4.1 概述 随着现代汽车性能要求的不断提高，汽车电子电器控制装置在汽车上的应用 越来越多，传统的点对点布线，这样对汽车电线的数量成倍增加;汽车线束更越 来越多地使用布线豪华汽车的传统方法的大型车辆，其总的电缆长度可达 2 公 里，质量导线至多约 4，由车辆或甚至更高的质量，而该电路节点高达 1500 或更多不规则的会计大型线束不仅占用了有限的空间资源上车，也使得汽车的 布线设计和布线变得非常复杂，复杂和凌乱的线束做嵌入式电路故障率增加， 减少对车辆的电气和电