汽车电子控制技术课件：汽车驱动防滑与行驶稳定控制系统

汽车电子控制技术汽车驱动防滑与行驶稳定控制系统学习目标通过本项目的学习，了解驱动防滑控制系统(ASR)的基础理论、控制方式、ASR与ABS的联系与区别；掌握驱动防滑控制系统的基本组成及控制原理；掌握驱动防滑控制系统(ASR)各组成部分的结构与工作原理；掌握电子稳定程序控制系统的基本组成及控制原理；掌握驱动防滑控制系统(ASR)各组成部分的结构与工作原理；熟悉丰田凌志LS400型轿车防滑转控制系统（ABS/TRC）的基本组成和工作原理，能够对该系统进行电路分析、工作过程分析；能够对凌志LS400ABS/TRC系统进行故障诊断与检修。课题一驱动防滑控制系统概述一、驱动防滑转控制系统的基本理论二、驱动防滑转控制系统的控制方式三、驱动防滑转控制系统的基本组成及控制原理课题二ASR系统主要零部件的结构与工作原理一、ASR系统的传感器二、ASR系统的电控单元(ASRECU)三、ASR系统执行机构课题三典型驱动防滑控制系统一、防滑转调节系统的组成二、防滑转调节系统的控制过程课题四电子稳定程序控制系统一、电子稳定程序ESP的作用二、电子稳定程序ESP的功能三、电子稳定程序ESP的组成及控制原理课题五电子稳定程序控制系统结构及工作原理一、ESP传感器二、ESP电控单元三、ESP执行元件汽车驱动防滑与行驶稳定控制系统课题一驱动防滑控制系统概述一、驱动防滑转控制系统的基本理论1．驱动力与附着力的关系当发动机输出转矩增大时，驱动力随之增大。但是，驱动力的增大受到附着力的限制，驱动力的最大值只能等于轮胎与路面之间的附着力。当驱动力超过附着力时，驱动轮将在路面上滑转。2．滑转率与附着系数的关系（1）滑转率驱动轮的滑转程度用滑转率

表示，其表达式为：

当

时，滑转率

，车轮自由滚动；当

时，滑转率

，车轮完全处于滑转状态；当

时，滑转率

，车轮既滚动又滑动。滑转率越大，车轮滑转程度也就越大。（2）滑转率与附着系数的关系车轮滑移率和滑转率与纵向附着系数的关系如图8-1所示。图8-1滑移率和滑转率与附着系数的关系①附着系数随路面性质的不同而发生大幅度的变化。②在各种路面上，附着系数均随滑转率或滑移率的变化而变化，且在各种路面上当滑转率或滑移率为20%左右时，附着系数达到最大值。若滑转率或滑移率继续增大时，附着系数逐渐减小。驱动轮防滑转控制系统ASR的基本控制原理是在车轮滑转时，将滑转率控制在最佳滑转率（10%～30%)范围内，从而获得较大的附着系数，使路面能够提供较大的附着力。二、驱动防滑转控制系统的控制方式1．控制发动机的输出转矩（1）控制点火时间（2）控制燃油供给量通过调节汽油发动机节气门开度或柴油发动机喷油泵拉杆位置，使进气量或供油量改变即可调节发动机的输出转矩，控制方法如图8-2所示。（3）控制节气门开度图8-2发动机输出转矩的控制2．控制驱动轮的制动力控制驱动轮的制动力实际上是利用差速器的差速效能来获得较大的驱动力。控制原理如图8-3所示。对驱动轮施加制动力是使驱动轮保持最佳滑转率且响应速度较快的控制方法，一般作为仅采用控制节气门开度来调节发动机输出转矩的补充控制。图8-3作用在驱动轮上的纵向力示意图3．控制差速器的锁止程度控制差速器的锁止程度必须采用防滑转差速器进行控制。防滑转差速器是一种由电控单子ASRECU控制的可锁止差速器，控制原理如8-4所示。

图8-4防滑转差速器锁止控制示意图三、驱动防滑转控制系统的基本组成及控制原理图8-5ABS/ASR控制系统组成简图1．基本组成通常将ASR与ABS组合成一体，构成具有制动防抱死和驱动防滑转功能的防滑控制(ABS/ASR)系统。丰田LS300、LS400型轿车防滑转控制系统ASR与防抱死制动系统ABS组成简图如图8-5所示。ASR系统和ABS系统都是由液压控制系统和电子控制系统两个子系统组成，并组合在一起。该系统不仅能够实现ABS系统功能，而且还能够实现ASR系统功能。2．控制原理当发动机起动后，ABS/ASRECU根据轮速传感器产生的车轮转速信号以及参考车速，计算出驱动轮的滑移率和滑转率。当ABS/ASRECU判定驱动轮的滑转率超过设定值时，ABS/ASRECU就会控制发动机输出转矩和对驱动轮施加制动来避免发生滑转现象。控制发动机输出转矩时，ABS/ASRECU首先向发动机与自动变速器ECU发出控制指令，然后再由发动机与自动变速器ECU向副节气门执行器（步进电机）发出控制指令进行控制。当ASR系统起作用时，步进电机转动，其轴一端的驱动齿轮就驱动节气门轴上的扇形齿轮转动，使节气门的开度减小（副节气门在ASR系统不起作用时处于全开状态），即使主节气门开度不变，发动机的进气量也会随副节气门开度减小而减小，从而使发动机输出转矩减小，驱动轮的驱动力随之减小。控制驱动轮的驱动力时，ABS/ASRECU直接向ABS系统和ASR系统的液压调节装置发出控制指令，通过调节制动液压力降低、保持和升高来调节滑转率。当滑转率降低到设定值后，ABS/ASRECU便发出减少或停止制动的指令。当驱动轮再次滑转，其滑转率超出设定值时，ABS/ASRECU和发动机与自动变速器ECU再次发出控制指令，重新开始控制循环，直到滑转率减小到设定值范围为止。课题二ASR系统主要零部件的结构与工作原理ASR系统的传感器主要是车轮转速传感器和节气门位置传感器。车轮转速传感器与ABS系统共用，而节气门位置传感器则与发动机电控系统共用。

ASR系统专用的信号输入装置是ASR系统选择开关，通过人为操作选择是否起用ASR系统，如关断ASR系统选择开关，则ASR系统停止作用。二、ASR系统的电控单元(ASRECU)ASR系统电控单元以微处理器为核心，由输入、输出电路及电源等组成。ASR系统与ABS系统的一些信号输入和处理是相同的，为减少电子器元件的应用数量、结构更加紧凑，ASR系统电控单元与ABS系统电控单元组合在一起。图8-6为ABS/ASR组合ECU实例。

一、ASR系统的传感器图8-6ABS/ASRECU的组成三、ASR系统执行机构ASR系统的执行机构包括制动压力调节器和节气门驱动装置。

1．制动压力调节器ASR系统制动压力调节器执行电控单元ASRECU的指令，对滑转车轮施加制动力，并控制制动力的大小，以使驱动轮的滑转率处于目标范围内。高压储能器是ASR系统的制动压力源，而制动压力调节电磁阀可以调节驱动轮制动压力的大小。（1）独立式制动压力调节器是指ASR系统制动压力调节器和ABS制动压力调节器在结构上各自分开，其工作原理如图8-7(a)所示。（2）组合式制动压力调节器是指ASR系统制动压力调节器与ABS系统制动压力调节器在结构上组合为一个整体，称ABS/ASR系统制动压力调节器，其工作原理如图8-7(b)所示。(a)ASR系统制动压力调节器(b)ABS/ASR系统制动压力调节器图8-7制动压力调节器工作原理1-液压泵；2-ABS/ASR制动压力调节器；3-电磁阀；4-蓄压器；5-压力开关；6-循环泵；7-储液器；8-ASR制动压力调节器；9-调压缸；10-驱动车轮制动器；11-ABS制动压力调节器；A-至非驱动车轮制动轮缸；B-接液压泵；C-接储液器2．节气门驱动装置ASR系统是以控制副节气门开度来控制发动机输出功率的。步进电动机根据ASRECU输出的控制脉冲信号使副节气门转动规定的转角。其控制过程如图8-8所示。（a）副节气门半开（b）副节气门全闭图8-8副节门进行驱动防滑控制的结构示意图课题三典型驱动防滑控制系统

一、防滑转调节系统的组成以丰田凌志LS400型轿车防滑转调节系统组成如图8-9所示。

图8-9丰田汽车ABS/TRC控制系统组成简图1．防滑转液压控制系统防滑转液压控制系统是在防抱死制动液压控制系统的基础上，增设TRC制动执行器（即TRC液压调节器）而构成，如图8-10所示。

图8-10丰田汽车ABS/TRC液压控制系统2．防滑转电子控制系统图凌志LS400型轿车防抱死制动电子控制系统与防滑转电子控制系统电路如图8-11所示。图8-11丰田汽车ABS/TRC电子控制系统图8-11丰田汽车ABS/TRC电子控制系统2．防滑转调节过程在汽车行驶过程中，当ABS/TRCECU根据轮速传感器产生的车轮转速信号以及参考车速，计算驱动轮的滑转率超过设定门限值时，ABS/TRCECU就会进入防滑转调节状态，通过控制发动机输出转矩和对驱动轮施加制动来避免发生滑转现象。当汽车行驶速度较低时，ABS/FRCECU一般采用控制驱动轮的驱动力来防止车轮滑转；当汽车行驶速度较高时，ABS/TRCECU一般采用控制发动机输出转矩来防止车轮滑转。课题四电子稳定程序控制系统一、电子稳定程序ESP的作用电子稳定程序ESP集成了ABS、ASR等系统的功能,在各种情况下都能提高汽车行驶的稳定性,属于汽车主动安全系统。ESP系统则在整个行驶过程中始终处于工作状态,不停地监控车辆的行驶状态和观察驾驶员的操作意图,从而决定什么时候通过发动机控制系统主动地修正汽车的行驶方向,把汽车从危险的边缘拉回到安全的境地。电子稳定程序系统的作用可归纳为以下三点：(1)实时监控。ESP能够实时监控驾驶者的操控动作、路面反应、汽车运动状态,并不断向发动机和制动系统发出控制指令。(2)主动干预。ESP可以通过主动调控发动机的转速,调整每个车轮的驱动力和制动力来修正汽车的过度转向和转向不足。(3)警报。当驾驶者操作不当或路面异常而致使车轮出现滑转时,ESP会用警告灯警示驾驶者。提示司机不要猛踩加速踏板,控制好转向盘的操作,以确保行车安全。二、电子稳定程序ESP的功能汽车在转向时的操纵稳定性至关重要,图8-12所示为汽车在转向时的运动情况。汽车在转弯时,要使车辆按驾驶者意图顺利、安全转弯,要实现两种运动形式:一是车轮绕自身轴线的旋转运动(行驶运动)；其二是车轮绕垂直轴的旋转运动(转向运动)。图8-12汽车转向时的运动情况三、电子稳定程序ESP的组成及控制原理1.ESP的组成电子稳定程序ESP系统是在ABS/ASR系统的基础上发展起来的,故大部分元件与ABS/ASR系统共用,也是由传感器、电控单元及执行器三部分组成。BOSCHESP系统组成如图8-13所示。图8-13ESP的组成及各部件安装位置（1）传感器ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统,其各个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。BOSCH

ESP系统在

ABS/ASR

基础上增加了转向角传感器、偏转率传感器、纵向及横向加速度传感器等。（2）电控单元（ECU）ESP系统一般与ABS/ASR系统共用ECU,它是将ABS/ASR系统ECU的功能进行扩展后再进行ABS/ASRESP控制。系统包括输入信号放大电路、运算电路、执行器控制电路、稳压电源电路、电磁屏蔽电路等。1)输入信号放大电路2)运算电路3)执行器控制电路4)稳压电源监控、故障存储、继电器驱动电路5)电磁屏蔽电路（3）执行器在ABS/ASR系统执行器的基础上,改进了通往各车轮的液压通道,增加了ESP警告灯和ESP蜂鸣器等。2.ESP的控制原理(1)转向不足对于不带ESP的车辆,当前轮发生侧滑时,会使转弯半径增大,从而出现车辆转向不足，如图8-14(a)所示。而装备有ESP的汽车,此时会使用发动机和变速器管理系统有意识地对位于弯道内侧的后轮实施瞬间制动,以防止车辆驶出弯道,如图8-14(b)所示。a)不带ESPb)带ESP图8-14不足转向(2)转向过度对于不带ESP的车辆后,当车轮发生侧滑时,会使转弯半径减少,从而出现车辆转向过度,如图8-15(a)所示。.而带ESP的汽车,此种情况下会使用发动机和变速器管理系统有意识地对位于弯道外侧的前轮实施瞬间制动,以防止车辆甩尾,如图8-15(b)所示。a)不带ESPb)带ESP图8-15过度转向ESP系统的控制原理是:传感器实时地检测驾驶员的行驶意图和车辆的实际行驶情况。其中转向角传感器用来收集驾驶员的转向意图;车轮转速传感器(每个车轮上都装有一个)、偏转率传感器、纵向/横向加速度传感器等用来监测车辆运动状况。ECU根据各传感器的信号计算出车辆的实际运动轨迹,如果实际运动轨迹与理论运动轨迹(驾驶员意图)有偏差,或者检测出某个车轮打滑(丧失抓地能力),ECU就会首先通知副节气门控制机构(或电子节气门)减小开度(收油),然后通知制动系统对某个车轮进行制动,来修正运动轨迹。当实际运动轨迹与理论运动轨迹相一致时,ESP自动解除控制。ESP控制过程示意如图8-16所示。图8-16ESP控制过程示意图课题五电子稳定程序控制系统结构及工作原理一、ESP传感器1．转向盘转角传感器传感器检测并向控制单元传送转向盘转动的角度信号。若无此信号,则车辆无法确定行驶方向,ESP将失效.传感器测量的角度范围是±720°,对应转向盘转4圈。图8-17为转向角传感器的外形图。该传感器是根据光栅原理进行测量的,如图8-18所示。安装在转向柱上的编码盘包含了经过编码的转动方向、转角等信息。图8-17转向盘转角传感器外形图8-18转向盘转角传感器工作原理1-编码盘；2、4-光学传感器；3-光源；5-旋转计数器2．横向加速度传感器横向加速度传感器主要是用以检测车辆沿垂直轴线发生转动的情况,并给控制单元提铁转动速事的信号。当车绕垂直方向轴线偏转时,传感器内的输出信号发生变化,ECU根据此计算横向加速度。图8-19横向盘加速度传感器外形图8-20横向加速度传感器工作原理1-永久磁铁；2-片簧；3-减振板；4-霍尔传感器器当横向加速度作用在车辆上时,减振板随传感器机体及车辆一起摆动,而水久磁铁则由于惯性摆动时间慢于减振板。由于减振板在振动中会产生电子涡流,将产生一个与水久磁铁形成的磁场方向相反的磁场。在两个叠加的磁场的作用下,霍尔元件中产生一个变化的电压,该电压的大小与横向加速度的大小成比例。3．横摆角速度传感器横摆角速度传感器一般尽可能安装在靠近汽车中心处,用于检测汽车沿垂直轴的偏转程度。其外形见图8-21。横摆角速度传感器的原理如图8-22所示。横摆角速度传感器、横向加速度传感器的安装位置基本相同,输出都是0-5V的模拟量,且由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致,故有些车型将它们封装在同一模块中。图8-21横摆角速度传感器外形图8-22横摆角速度传感器工作原理

4．制动压力传感器制动压力传感器装在行驶动力调节液压泵上,提供电控单元制动系统的实际压力,控制单元相应计算出作用在车轮上的制动力和整车的纵向力大小。5．车轮转速传感器车轮转速传感器用以检测每个车轮的实际转速,以便判断车轮的运动状态。6．ASR/ESP开关如图8-23所示,电子稳定程序(ESP)开关的位置根据车型不同而不同,一般在组合仪表区。作用：按此开关可关闭ASR/ESP功能,并由仪表上的报警灯指示出来,再次按压此开关可重新激活

ASR/ESP功能。图8-23ESP开关二、ESP电控单元ESP电控单元与液压控制单元合成一体,如图8-24所示,电子控制单元主要负责整个系统的信息运算分析和控制指令的发出。图8-24ES