ESP系统的发展和应用研究

1、第一章 研究汽车ESP控制系统的意义从汽车诞生时起，汽车的安全性就扮演着至关重要的角色。近年来随着汽车行驶速度的提高及道路行车密度的增大，交通事故的发生率逐年上升。据德国保险业协会、汽车安全学会分析了导致严重伤亡交通事故的原因后的研究显示:60%的死亡交通事故是由于侧面撞车引起的，30%-40%是由于超速行驶、突然转向或操作不当引发的。最大限度地减少汽车交通事故是车辆工程和相关领域解决的重要科技问题。在我国，随着国民经济的快速增长，人民生活水平的不断提高及安全意识的增强，汽车工业和交通运输事业的不断向高层次发展，对汽车安全性必将提出新的要求。改进汽车的安全性不仅可减少汽车交通事故和人员的伤亡及

2、经济损失，并直接影响交通运输环境和人民生活的安定。所以全方位、可靠地提高汽车的安全性能就成为摆在汽车设计、开发及科研人员面前一项紧迫而艰巨的任务。汽车的安全性能从总体上来说可分为主动安全性和被动安全性。主动安全性主要是根据汽车设计和汽车理论对汽车内部构造进行合理、有效的设计来主动预防事故发生。具有代表性的有汽车防抱死系统和汽车驱动防滑系统。被动安全性主要是指汽车发生碰撞和意外时，通过车内的保护系统（如吸震装置，联动锁紧装置以及其它附属装置）来有效地保护乘客，使伤害减少到最低程度。具有代表性的有乘客系绊系统，安全气囊。目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面，包括制动控制的理论和方法，以及采

3、用新的控制技术2。汽车防抱死制动系统（ABS）是根据不同滑移率下所对应的轮胎-地面的附着特性来调节制动压力来防止汽车制动时的车轮抱死。通过充分利用地面附着系数而获得较高的地面制动力和侧向力，缩短汽车的制动距离，提高汽车制动的方向稳定性，减少轮胎磨损。该项技术在提高汽车安全、减少事故损失和提高汽车运行经济性方面发挥了重要作用，是汽车行业最重要的主动安全技术之一。汽车驱动防滑控制（Anti Slip Regulation）系统简称ASR,又称为牵引力控制系统（Traction Control System）,简称TCS或TRC。是续汽车防抱死制动系统（ABS）之后应用于车轮防滑的电子控制系统。其功

4、用是防止汽车尤其是大马力的车子在起步、加速时驱动轮打滑的现象，以维持汽车行驶方向和稳定性，保持良好的操控性及尽可能利用车轮-路面间纵向附着能力，提供最适当的驱动力，达到良好的行车安全。汽车电子稳定程序(Electronic Stability Program)控制系统，简称ESP。九十年代中期出现的ESP系统，是继汽车防抱死制动系统和汽车驱动防滑控制系统之后，汽车主动安全性的又一重大飞跃。ESP系统由传感器、ECU（电子控制单元）和执行器三大部分组成，在电脑实时监控汽车运行状态的前提下，对发动机及制动系统进行干预和调控。其工作原理为:在汽车行驶过程中，方向盘转角传感器监测驾驶者转弯方向和角度，

5、车速传感器监测车速、节气门开度，制动主缸压力传感器监测制动力，而侧向加速度传感器和横摆角速度传感器则监测汽车的横摆和侧倾速度。ECU根据这些信息，通过计算后判断汽车要正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距，然后由ECU发出指令，调整发动机的转速和车轮上的制动力，如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差，则ESP系统自动控制对某一车轮施加制动，从而修正汽车的过度转向或不足转向，以避免汽车打滑、转向过度、转向不足和抱死，从而保证汽车的行驶安全。ESP系统的出现，极大地改善了汽车在行驶过程中的安全性和操纵性，特别是在路况很差，路面被雨水和冰雪覆盖时，ESP控制系统在车辆行驶过程中，始终监测车的运动状

6、态，尤其是与转向相关的运行状态，一旦出现不稳定的预兆，ESP控制系统便实时予以修正，从而使汽车的行驶安全性大大提高，驾车人员感觉更灵活，更快捷，更安全。ESP系统使汽车在极限状况下更容易操纵,它可以降低汽车突然转向时的危险，提高方向稳定性。ESP系统可以辩识汽车的趋向，并且做出反应，它可在单个车轮上施加制动力，从而产生附加横摆调节力矩，帮助汽车回到正确的方向上来。ESP综合ABS、BAS和ASR三个系统功能，目前主要应用在高端车型，比如奔驰、宝马、奥迪。近年来汽车工业已成为我国的支柱产业，汽车在日常工作和生活中起着越来越重要的作用。汽车生产厂商为提高产品的竞争力及市场占有率，都把汽车安全技术和

7、价格作为非常重要的竞争手段。在五年前，国内极少有汽车生产厂家把ABS系统和安全气襄作为标准配置，然而随着WTO的加入及中国汽车市场竞争的白热化，轿车生产商及客车生产商纷纷把ABS及安全气襄作为标准配置，以跟上汽车技术发展潮流和提高产品竞争力，这也是国内汽车工业发展的必然规律。可以预见，ESP汽车安全产品不久将成为多款中、高轿车和其它车型的标准配制，掌握ESP技术，就掌握了竞争未来汽车安全技术的主动权。所以，攻克ESP设计的理论与关键技术，对提高国产汽车的自主开发能力、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义。它将为我国汽车工业的繁荣发展以及促进其它相关工业的繁荣发展起到重要作用，并能带来巨大的社

8、会效益和经济效益。1.1从ABS和TCS到ESP汽车的制动性能是汽车的主要性能之一，重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，所以汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。 ABS是防抱死制动系统的英文缩写,英文的全称是Antilock-Braking-System。该系统在制动过程中可自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果。 一辆汽车制动性能的好坏，主要从以下三方面进行评价：1、制动效能，即制动距离与制动减速度；2、制动效能的恒定性，即抗热或水衰退性能；3、制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。 通常，汽车在制动过程中存在着

9、两种阻力：一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力，这种阻力称为制动系统的阻力，由于它提供制动时的制动力，因此也称为制动系制动力；另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力，也称为轮胎道路附着力。如果制动系制动力小于轮胎道路附着力，则汽车制动时会保持稳定状态，反之，如果制动系制动力大于轮胎道路附着力，则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。 如果前轮抱死，汽车基本上沿直线向前行驶，汽车处于稳定状态，但汽车失去转向控制能力，这样驾驶员制动过程中躲避障碍物、行人以及在弯道上所应采取的必要的转向操纵控制等就无法实现。如果后轮抱死，汽车的制动稳定性变差，在很小的侧向干扰力下，汽车就会发生甩

10、尾，甚至调头等危险现象。尤其是在某些恶劣路况下，诸如路面湿滑或有冰雪，车轮抱死将难以保证汽车的行车安全。另外，由于制动时车轮抱死，从而导致局部急剧摩擦，将会大大降低轮胎的使用寿命。 ABS通过控制作用于车轮制动分泵上的制动管路压力，使汽车在紧急刹车时车轮不会抱死，这样就能使汽车在紧急制动时仍能保持较好的方向稳定性。在没有装备ABS的汽车上，如果在雪地上刹车，汽车很容易失去方向稳定性；同时驾驶员如果想停车，必须使用液压调节器（又称执行器）。反之，如果汽车上装备有ABS，则ABS能自动向液压调节器发出控制指令，因而能更迅速、准确而有效地控制制动。 现代汽车新技术ESP(Electronic Sta

11、bility Program，电子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，现在博世、梅赛德奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统(VSC)、汽车稳定性辅助系统(VSA)或者汽车电子稳定控制系统(ESC)；宝马公司称为动力学稳定控制系统(DSC)。尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，

12、还有大量的工作要做。其电子部件主要包括电子控制单元(ECU)、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。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。本文介绍了ESP常用传感器的特点，设计了传感器硬件接口和软件接口，并在实车测试中得到验证。汽车安全性能的提升是汽车业界不断的追求，秉承这一理念，ABS在经过普及阶段以后，目前已进入了产品升级阶段。业界的一致共识是ABS（防抱死制动系统）将向ESP（电子稳定性控制系统）演化。市场上ESP已在拓展自己的领地。在欧洲，2005年大约40%的新注册车辆配备了ESP，在高档车上

13、，ESP已经成为了标准配置，中档车上的装配率也迅速提高，在紧凑型车上装配率稍低。北美和倭国的ESP装配率上升也很快。在中国，目前ESP的装配率还比较低，但是可喜的变化正在显现，以往通常只在高档车上才装配ESP，而今年上市的新车东风雪铁龙的凯旋一汽大众的速腾和上海通用的君越都配有ESP。ESP系统由电子控制单元（ECU），方向盘转角传感器，轮速传感器，横摆角速度传感器，横向角速度传感器及液压系统组成，ESP除了具有ABS和TCS的功能之外，更是一种智能的主动安全系统。ESP的ECU通过高度灵敏的传感器时刻监测车辆的行驶状态，并通过计算分析判定车辆行驶方向是否偏离驾驶员的操作意图。ESP能立刻识别

14、出危险情况，并提前裁决出可行的干预措施使车辆恢复到稳定行驶状态，ESP的干预措施包括对车轮独立的施加制动力；在特殊工况对变速箱的干预措施；通过发动机管理系统减小发动机扭矩。1.2 ABS与ESP比较ABS（自动防抱死刹车系统）可说是行车安全历史上最重要的三大发明（另外两个是安全气囊与安全带），ABS也是其它安全装置（如ESP行车动态稳定系统与EBD刹车力分配系统）的基础。今年是ABS系统诞生25周年纪念。过去的二十五年中，ABS系统拯救了近15000名北美地区驾驶者的宝贵生命，让我们趁这个机会回顾一下ABS系统的发展及它带给汽车产业的影响。2004年是历史上第一部量产的民用型ABS（Antil

15、ock Braking System，自动防抱死刹车系统）诞生的第25周年纪念。在过去的四分之一世纪中，ABS系统不但持续进步、精益求精，也帮助许多车主从鬼门关前逃过一劫。在介绍ABS系统过去25年的巨大贡献之外，我们还要回顾ABS的发展史。“自动防抱死刹车”的原理并不难懂，在遭遇紧急情况时，未安装ABS系统的车辆来不及分段缓刹只能立刻踩死。由于车辆冲刺惯性，瞬间可能发生侧滑、行驶轨迹偏移与车身方向不受控制等危险状况！而装有ABS系统的车辆在车轮即将达到抱死临界点时，刹车在一秒内可作用60至120次，相当于不停地刹车、放松，即相似于机械自动化的“点刹”动作。此举可避免紧急刹车时方向失控与车轮侧

16、滑，同时加大轮胎摩擦力，使刹车效率达到90以上。从微观上分析，在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地面的摩擦力达到最大。在汽车起步时可充分发挥引擎动力输出（缩短加速时间），如果在刹车时则减速效果最大（刹车距离最短）。ABS系统内控制器利用液压装置控制刹车压力在轮胎发生滑动的临界点反复摆动，使在刹车盘不断重复接触、离开的过程而保持轮胎抓地力最接近最大理论值，达到最佳刹车效果。ABS的运作原理看来简单，但从无到有的过程却经历过不少挫折（中间缺乏关键技术）！1908年英国工程师J. E. Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。接下来的30年中，包括Karl Ve

17、ssel的“刹车力控制器”、Werner Mel的“液压刹车安全装置”与Richard Trappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。在1941年出版的汽车科技手册中写到：“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么？首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应！等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有

18、了初步规模的1960年代早期。精于汽车电子系统的德国公司Bosch（博世）研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。1964年（也是集成电路诞生的一年）Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（Antilock Braking System）名词在历史上第一次出现！世界上第一具ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。因为投入的资金过于庞大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。Teldix GmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一

19、具用于道路车辆的原型机ABS 1， 该系统已具备量产基础，但可靠性不足，而且控制单元内的组件超过1000个，不但成本过高也很容易发生故障。1973年Bosch公司购得50的Tildes GmbH公司股权及ABS领域的研发成果，1975年AEG、Tildes与Bosch达成协议，将ABS系统的开发计划完全委托Bosch公司整合执行。“ABS 2”在3年的努力后诞生！有别于ABS 1采用模拟式电子组件， ABS 2系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个，而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。两家德国车厂奔驰与宝马于1978年底决定将AB

20、S 2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。在诞生的前3年中，ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。所幸第二年即成长到76000套。受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。1983年推出的ABS 2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤，控制组件也减少到70个。到了1985年代中期，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1，通用车厂也决定把ABS列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。1986年是另一个值得纪念的年份，除了Bosch公司庆祝售出第100万套ABS系统外，更重要的是Bosch

21、推出史上第一具供民用车使用的TCS/ ASR循迹控制系统。TCS/ ASR的作用是防止汽车起步与加速过程中发生驱动轮打滑，特别是防止车辆过弯时的驱动轮空转，并将打滑控制在10到20范围内。由于ASR是通过调整驱动轮的扭矩来控制，因而又叫驱动力控制系统，在日本又称之为TRC或TRAC。ASR和ABS的工作原理方面有许多共同之处，两者合并使用可形成更佳效果，构成具有防车轮抱死和驱动轮防打滑控制(ABS /ASR)系统。这套系统主要由轮速传感器、ABS/ ASR ECU控制器、ABS驱动器、ASR驱动器、副节气门控制器和主、副节气门位置传感器等组成。在汽车起步、加速及行进过程中，引擎ECU根据轮速传

22、感器输入的信号，当判定驱动轮的打滑现象超过上限值时，就进入防空转程序。首先由引擎ECU降低副节气门以减少进油量，使引擎动力输出扭矩减小。当ECU判定需要对驱动轮进行介入时，会将信号传送到ASR驱动器对驱动轮（一般是前轮）进行控制，以防止驱动轮打滑或使驱动轮的打滑保持在安全范围内。第一款搭载ASR系统的新车型在1987年出现，奔驰S 级再度成为历史的创造者。随着ABS系统的单价逐渐降低，搭载ABS系统的新车数目于1988年突破了爆炸性成长的临界点，开始飞快成长，当年Bosch的ABS系统年度销售量首次突破300万套。技术上的突破让Bosch在1989年推出的ABS 2E系统首次将原先分离于引擎室

23、（液压驱动组件）与中控台（电子控制组件）内，必须依赖复杂线路连接的设计更改为“两组件整合为一”设计！ABS 2E系统也是历史上第一个舍弃集成电路，改以一个8 k字节运算速度的微处理器（CPU）负责所有控制工作的ABS系统，再度写下了新的里程碑。该年保时捷车厂正式宣布全车系都已安装了ABS，3年后（1992年）奔驰车厂也决定紧跟保时捷的脚步。1990年代前半期ABS系统逐渐开始普及于量产车款。Bosch在1993年推出ABS 2E的改良版：ABS 5.0系统，除了体积更小、重量更轻外，ABS 5.0装置了运算速度加倍（16 k字节）的处理器，该公司也在同年年中庆祝售出第1000万套ABS系统。A

24、BS与ASR/ TCS系统已受到全世界车主的认同，但Bosch的工程团队却并不满足，反而向下一个更具挑战性的目标：ESP（Electronic Stability Program，行车动态稳定系统）前进！有别于ABS与TCS仅能增加刹车与加速时的稳定性，ESP在行车过程中任何时刻都能维持车辆在最佳的动态平衡与行车路线上。ESP系统包括转向传感器（监测方向盘转动角度以确定汽车行驶方向是否正确）、车轮传感器（监测每个车轮的速度以确定车轮是否打滑）、摇摆速度传感器（记录汽车绕垂直轴线的运动以确定汽车是否失去控制）与横向加速度传感器（测量过弯时的离心加速度以确定汽车是否在过弯时失去抓地力），在此同时、

25、控制单元通过这些传感器的数据对车辆运行状态进行判断，进而指示一个或多个车轮刹车压力的建立或释放，同时对引擎扭矩作最精准的调节，某些情况下甚至以每秒150次的频率进行反应。整合ABS、EBD、EDL、ASR等系统的ESP让车主只要专注于行车，让计算机轻松应付各种突发状况。延续过去ABS与ASR诞生时的惯例，奔驰S 级还是首先使用ESP系统的车型（1995年）。4年后奔驰公司就正式宣布全车系都将ESP列为标准配备。在此同时，Bosch于1998及2001年推出的ABS 5.7、ABS 8.0系统仍精益求精，整套系统总重由2.5公斤降至1.6公斤，处理器的运算速度从48 k字节升级到128 k字节，

26、奔驰车厂主要竞争对手宝马与奥迪也于2001年也宣布全车系都将ESP列为标准配备。Bosch车厂于2003年庆祝售出超过一亿套ABS系统及1000万套ESP系统，根据ACEA（欧洲车辆制造协会）的调查，今天每一辆欧洲大陆境内所生产的新车都搭载了ABS系统，全世界也有超过60的新车拥有此项装置。“ABS系统大幅度提升刹车稳定性同时缩短刹车所需距离”Robert Bosch GmbH（Bosch公司的全名）董事会成员Wolfgang Dress说。不像安全气囊与安全带（可以透过死亡数目除以车祸数目的比例来分析），属于“防患于未然”的ABS系统较难以真实数据佐证它将多少人从鬼门关前抢回？但据德国保险业

27、协会、汽车安全学会分析了导致严重伤亡交通事故的原因后的研究显示，60%的死亡交通事故是由于侧面撞车引起的，30%到40%是由于超速行驶、突然转向或操作不当引发的。我们有理由相信ABS及其衍生的ASR与ESP系统大幅度降低紧急状况发生车辆失去控制的机率。NHTSA（北美高速公路安全局）曾估计ABS系统拯救了14563名北美驾驶人的性命！从ABS到ESP，汽车工程师在提升行车稳定性的努力似乎到了极限（民用型ESP系统诞生至今已近10年），不过就算计算机再先进仍须要驾驶人的适当操作才能发挥最大功效。在文章的结尾，我们告诉你如何善用ABS系统。多数车主都没有遭遇过紧急状况（也希望永远不要），却不能不知

28、道面临关键时刻要如何应对？在紧急情况下踩下刹车时，ABS系统制动分泵会迅速作动，刹车踏板立刻产生异常震动与显著噪音（ABS系统运作中的正常现象），这时你应毫不犹豫地用力将刹车踩死（除非车上拥有EBD刹车力辅助装置，否则大多数驾驶者的刹车力量都不足），另外ABS能防止紧急刹车时的车轮抱死现象、所以前轮仍可控制车身方向。驾驶者应边刹车边打方向进行紧急避险，以向左侧避让路中障碍物为例，应大力踏下刹车踏板、迅速向左转动方向盘90度，向右回轮180度，最后再向左回90度。最后要提的是ABS系统依赖精密的车轮速度传感器判断是否发生抱死情况？平时要经常保持在各个车轮上的传感器的清洁，防止有泥污、油污特别是磁

29、铁性物质粘附在其表面，这些都可能导致传感器失效或输入错误信号而影响ABS系统正常运作。行车前应经常注意仪表板上的ABS故障指示灯，如发现闪烁或长亮，ABS系统可能已经故障（尤其是早期系统），应该尽快到维修厂排除故障。最后要提醒读者的是，ABS/ ASR/ ESP系统虽然是高科技的结晶，但并不是万能的，也别因为有了这些行车主动安全系统就开快车。ABS过去的确救了许多驾驶者的生命，但却不能保证让每位驾驶者化险为夷，不是吗？还有一些关于ABS的资料，分享如下：目前，最新的ABS已发展到第5代（有资料说是第8代，不知真假），现今的ABS还有衍生出其他电子控制系统，比如：1、电子牵引系统(ETC)。2、

30、电子稳定程序(ESP)3、辅助制动器（BA）（注：各个厂家对于以上系统的称谓有所区别，但是原理一样，而且多数的ESP系统都是来自博世）制动防抱死系统的基本组成： ABS通常都由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子控制装置和ABS警示灯组成，在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能不尽相同。各种ABS在以下几个方面都是相同的：（1）ABS只是汽车的速度超过一定以后（如5km/h或8km/h），才会对制动过程中趋于抱死的车轮进行防抱死制动压力调节。（2）在制动过程中，只有当被控制车轮趋于抱死时，ABS才会对趋于抱死车轮的制动压力进

31、行防抱死调节；在被控制车轮还没有趋于抱死时，制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。（3）ABS都具有自诊断功能，能够对系统的工作情况进行监测，一旦发现存在影响系统正常工作的故障时将自动地关闭ABS，并将ABS警示灯点亮，向驾驶发出警示信号，汽车的制动系统仍然可以像常规制动系统一样进行制动。ABS使用特点：1、在低附着系数的路面上制动时，应一脚踏死制动踏板2、能在最短的制动距离内停车3、制动时汽车具有较高的方向稳定性我们这次是乘坐装有ESP系统的奥迪A41.8T轿车来直接感受ESP系统的功效的。首先，在测试的场地上摆好“雪糕桶”，并浇上水来营造湿滑路面的情况。第一次，我们先关闭了ESP系统，

32、然后，先在直线段将车速加速到90km/h，车辆进入了湿滑路段，按预先设定的路线，出现了一处左右组合急弯位，当驾驶员向右急打方向盘时，车头急速右转，此时因地面湿滑，轮胎明显失去了足够的抓地力，车身发生了左倾，整辆车发生了严重的侧滑，将标示路线的“雪糕桶”撞飞，然后冲出预设路线，车辆右转了90度才停了下来。幸好这是一次“有预谋的意外”，整个试车场地是块大平地才没有真正发生“事故”。随后，我们将A4轿车的ESP系统打开，重走原来的路线，来考察ESP系统的功效。同样地，先将A4加速到90km/h驶入湿滑的路面，但在上次车辆发生侧滑的弯位，驾驶员先左后右地转动方向盘时，ESP系统自动介入，通过对每个车轮

33、施以大小不同的制动力，完全避免了车辆侧滑的发生，轿车如同在干燥良好的路面上行驶，车随人愿地准确过弯，不知不觉中，一场“意外”无声无息地被化解了。随着现代轿车技术的发展，车辆的主动安全性也大有提高。自博世公司在1978年开发出世界上首套ABS系统开始，目前新生产的车辆多数已经配备了ABS系统。据统计，2004年欧盟生产的新车ABS装备率已达85，而欧洲汽车生产协会更保证2004年7月起生产的新车100装备ABS系统。今年中国生产的新车ABS系统装备率也达到了66，可以预计在不久的将来，中国生产的新车ABS装备率也将提高到100。虽然ABS系统能有效防止车轮抱死，避免了车辆在紧急制动时因车轮抱死而

34、导致失控的现象，有效地提高了车辆制动安全性能，但ABS系统并不能解决车辆在湿滑路面起步或加速时出现的车轮打滑问题，更不能避免车辆发生侧滑，因此，在ABS系统的基础上，近一步发展出了牵引力控制系统（TCS），及包括了ABS和TCS功能，并有效避免车辆侧滑的电子稳定程序（ESP）。牵引力控制系统（TCS）能防止车轮打滑，在车辆启动与加速时，保证良好的牵引性能，同时照顾车辆的稳定性和操控性。轮速传感器不断监视着每个车轮。如果某个车轮表现出打滑的趋势，TCS会调整驱动扭矩并且迅速干预制动系统和发动机的运行。车辆因此能够安全地启动或加速。电子稳定程序（ESP）是一项主动安全系统，它包含了ABS和TCS，

35、因此它能防止车轮在制动时抱死（ABS），在启动时打滑（TCS）。ESP系统按照每秒25次的频率检测驾驶员的行驶意图和车辆的实际行驶情况。如果发现有紧急情况，它迅速反应，通过液压调节器，调节每个车轮的制动压力，如有可能，还会干预发动机和传动系统。ESP能降低车辆侧滑的危险，从而降低事故的发生。据统计，有25导致严重人员伤亡的交通事故是由侧滑引起的，而更有60的致命交通事故是因侧面撞击而引起的，其主要原因就是车辆发生了侧滑，因此，能有效降低车辆侧滑危险的ESP系统能显著降低交通事故的数量从而拯救生命。2004年，中国新车的ESP系统装备率还只有3，而同期，欧盟地区的新车ESP装备率已达35，随着人

36、们对车辆安全性的要求日益提高，相信ESP将如同今日的ABS系统一样，成为车辆的标准装备。 ESP与ABS的比较分析 如下图所示是装有ABS与装有ESP的制动过程比较，在制动初速度均为50Km/h，路面摩擦系数0.15的情况下，由图可见，装有ESP的车辆其制动距离、制动时间、车辆侧滑等制动性能明显优于只装有ABS的车辆。 图1.1-1ESP与ABS的比较分析第二章ESP的主要结构特点2.1 ESP概述在车辆主动安全系统中，保证车身处于稳定可操控状态是十分重要的一点。直接影响车辆的操控性能的必然是悬架，然而无论多么出色的悬架系统也有自己的极限状态，如果车身的侧向加速度超过了悬架系统所能承受的极限，

37、那么车辆就会出现失控的趋势，而这时就需要依靠车身稳定控制系统来进行调节，以避免这种趋势的扩大，使驾驶者重新获得对车辆的控制能力。图2.1-1一谈到车身稳定控制系统，大家第一反应就是ESP?电子稳定程序。ESP电子稳定程序全称为Electronic Stability Program电子稳定程序，其包括下述部件：能够消除侧滑的“控制器”，防抱死制动系统（ABS）和牵引力控制系统（TCS）。汽车行驶过程中，ESP电子稳定程序从车身各处的传感器获得信息后分析得出驾驶者的驾驶意图，评估车辆侧滑的危险。在有可能发生危险的时候，选择性地对各个车轮实施单独制动，并能自动降低发动机的输出，将车辆“拨转”到驾驶

38、者期望的方向，从而提高了车辆在各种情况下的转向稳定性，有效减少交通事故的发生。ESP 电子稳定程序的工作原理是：因转向不足或过度而产生侧滑危险时，ESP 电子稳定程序就会分别对单个车轮施加不同的制动力，就如车辆拥有四个制动踏板。ESP电子稳定程序不仅仅只是制动车轮，必要时还能够主动干预发动机。驾驶者只要做出正确的转向操作即可。早在1983年，博世的工程师就通过优化的ABS控制来增进车辆在全力制动时的稳定性。接下来的几年中，博世不断改进这一系统，并在1987年注册了相关专利。1991年，博世同戴姆勒克莱斯勒开始合作，双方在1992年建立了联合项目基地。仅仅2年6个月之后，产品已经颇为成熟，于是在

39、1995年3月，电子稳定程序开始批量生产，并首次装备于奔驰S级轿车。ESP电子稳定程序的成功之处在于它的令人信服的功能和显著有利安全的特性。在接下来的数年中，博世不断优化其设计。1998年，是第5.7代ESP电子稳定程序，到2002年，已经发展到第8代，重量从5.6 kg降低到2.3kg，减小了近60。ESP电子稳定程序-主动安全系统集大成者图2.1-2ABS防抱死制动系统于1978年进入市场，它成为所有主动安全系统的基础。目前，在欧盟25国，所有新车都已标配ABS。装配了ABS的车辆，即使在紧急制动情况下，驾驶员都能够从容转向躲避障碍物，避免事故的发生。1986年，牵引力控制系统（TCS）问

40、世，它可以避免车轮在加速时打滑。目前，最有效的系统是于1995年进入市场的ESP电子稳定程序，它不但集成ABS和TCS功能，还具有防侧滑功能，从而更有效地避免交通事故发生。现代的ABS 工作原理与几十年前开始量产时相同：每一个车轮配有传感器，它能够监测车轮的速度。如果车轮因为车辆制动过度或因湿滑的表面出现抱死倾向，ABS会在瞬间对其进行干预，并减轻车轮的制动力。当该车轮再次自由滚动时，制动力会再次增加，这意味着车辆不会滑移。ABS使驾驶者在紧急制动情况下从容转向，以躲避突然出现的障碍物。另外，在多数情况下，刹车距离也得以缩短。TCS牵引力控制系统则是基于ABS的进一步发展，它在1986年首次批

41、量生产。如果驾驶者在湿滑的表面上加速过度，会导致车轮打滑。TCS能够及时发现并有效地防止这一状况的发生，减小加速度，在必要的情况下，对打滑的车轮进行制动，从而使驱动力转移到另一个抓地力更好的驱动轮上。TCS同样在车辆行驶过程中发挥作用，如果驾驶者在转弯过程中加速过快，弯道内侧的车轮有打滑的危险，TCS会减少驱动力并保持驾驶稳定性。而作为集主动安全控制系统于大成者的ESP被认为是最有效的安全系被认为是最有效的安全系统，它于1995年进入市场，传感器会纪录车辆的变量，比如车轮速度、转向角度、侧向加速度及横向移动。基于这些数据ESP电子稳定程序能够计算车辆是否遵照驾驶员提出的转向要求行驶。如果车辆一

42、旦产生制动失控危险，系统会在瞬间减小发动机功率。如果还不够，必要时ESP电子稳定程序将会对单个轮胎进行制动，ESP电子稳定程序的横向移动能够有效避免车辆侧滑，并在物理极限内，保证车辆行驶安全。在装配ESP电子稳定程序的车上，TCS功能可以通过在仪表板上ESP电子稳定程序的按钮关闭，根据车型在某些车上， ESP电子稳定程序的防侧滑功能甚至都可以关闭，或者至少在低速状态下关闭。理论上，这意味着安全驾驶的重要损失，而事实上，只有在极少的情况下，比如陷于沙地、砂砾、雪地时才有关闭ESP电子稳定程序的必要。这是因为集成在ESP电子稳定程序的牵引力控制系统（TCS）具有防止车轮打滑的功能，而事实上在这些情

43、况下是需要车轮进行打滑。一旦车辆重新行驶在正常路面上，ESP电子稳定程序将被激活。同样需要指出的是，不同的汽车生产厂商给予了这个系统不同的命名，比如DSC、PSM、DSTC或者VDC。ESP电子稳定程序降低交通事故率的有效手段研究表明如果所有车辆标配ESP电子稳定程序，致命交通事故会减少至少三分之一，这使ESP电子稳定程序成为仅次于安全带的第二个最重要的安全系统比安全气囊更重要。来自德国联合保险协会(GDV)的研究表明：25造成严重伤害的交通事故和60导致死亡的交通事故都是由车辆侧滑所致。而电子稳定程序ESP电子稳定程序可以防止很多这种由于侧滑所导致的交通事故。因此，汽车协会、专业出版物、测试

44、机构以及类似ADAC、DEKRA和GDV的权威组织都要求将ESP电子稳定程序装配到所有的车辆上，这个要求得到大多数司机的赞同。比如，由博世和ADAC联合的调查证实，74%的驾驶员投票赞成出台法规，强制性要求汽车生产厂商将ESP电子稳定程序作为标准的配置。图2.1-3目前，在德国，很多中级及以上的车型上都已安装ESP电子稳定程序。在小型车方面，这一系统通常仅作为可选配置，然而，这些小型车却经常被初学者驾驶，或者作为第二辆用于接送儿童的家庭用车。这就是为什么最好的技术也同样需要安装在这些车辆上。2007年美国高速公路安全局（NHTSA）已正式颁布强制安装ESP电子稳定程序。ESP电子稳定程序不断完

45、善发展的安全堡垒图2.1-4除了ABS和TCS外，越来越多的功能已经被集成在ESP电子稳定程序。比如“驻坡控制” ，它能够避免车辆在上坡时溜车。“制动辅助”，在紧急制动状况下制动力不足时，它能够向驾驶者提供额外辅助，在此类情况下，系统能够在瞬间产生足够的制动压力，从而大大缩短制动距离。ESP电子稳定程序新的升级版包含了拖车摆动控制，它能够实施监控货车及拖车的摆动状况，在这种情况下，系统会对单个或所有的轮胎进行制动，进而避免车辆出现危险的摆动。最后，装配在轻卡上的ESP电子稳定程序已经具有了额外功能，它能够帮助系统计算车辆实际重量以及估算车辆的重心位置，使ESP电子稳定程序能够有效干预。这意味着

46、货车也能够更安全，翻车的几率明显降低。电子稳定程序ESP是一种能够在早期就识别出汽车的非稳定行驶状态，并进行自动修正的主动安全系统。通过主动建立有助于方向稳定性的制动压力，ESP帮助驾驶员度过紧急情况，保证汽车安全、可控。由于ESP被认为对于提高安全性作用显著，它甚至也开始用于紧凑型轿车上。ESP已经成为很多汽车品牌的标准配置。ESP持续不断地对来自众多传感器的数据进行处理，将驾驶员意图和车辆实际行驶状态进行比较，如果发生不稳定状况如突然的躲避动作ESP会在几分之一秒内作出反应，干预发动机控制器和制动系统，使车辆保持稳定。这是当转向不足时，ESP系统是如何调整行驶状态的：当车辆发生不足转向，前

47、轮向外滑移时，制动系统在行驶方向内侧后轮上施加制动力，以产生一个补偿横摆力矩，使车辆回到期望的行驶路线上。这是当过度转向时，ESP系统是如何调整行驶状态的：当车辆过度转向，将要发生甩尾时，制动系统会在行驶方向外侧的前轮上施加制动力。从而产生一个逆时针的补偿力矩使车辆回到期望的行驶路线上。 图2.1-52.2ESP的主要传感器转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器ESP(Electronic Stability Program，电子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世(BOSCH)公司早期称为汽车动力学控制(VDC)，现在博世、梅赛德

48、奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统(VSC)、汽车稳定性辅助系统(VSA)或者汽车电子稳定控制系统(ESC)；宝马公司称为动力学稳定控制系统(DSC)。尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。图2.2-1所示为汽车ESP的构成示意图，其电子部件主要包括电子控制单元(ECU)、方向盘传感器、纵向加速度

49、传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。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。下文介绍了ESP常用传感器的特点，设计了传感器硬件接口和软件接口，并在实车测试中得到验证。 图2.2-2 ESP的构成示意图ESP常用传感器介绍 如图1、图2所示，ESP常用的传感器如下。 图2.2-3ESP常用传感器方向盘转角传感器ESP通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。方向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向盘转角一般是根据光电编码来确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转

50、动方向、转角等信息。这一编码盘上的信息由接近式光电耦合器进行扫描。接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。方向盘转角传感器与ECU的通讯一般通过CAN总线完成。 横摆角速度传感器 横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况，则触发ESP控制。当车绕垂直方向轴线偏转时，传感器内的微音叉的振动平面发生变化，通过输出信号的变化计算横摆角速度。纵向/横向加速度传感器 ESP中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感器和垂直于前进方向的横向加速度传感

51、器，基本原理相同，只是成90夹角安装。ESP一般使用微机械式加速度传感器，在传感器内部，一小片致密物质连接在一个可以移动的悬臂上，可以反映出汽车的纵向/横向加速度的大小，其输出在静态时为2.5V左右，正的加速度对应正的电压变化，负的加速度对应负的电压变化，每1.0-1.4V对应1g的加速度变化，具体参数因传感器不同而有所不同。 轮速传感器 在汽车上检测轮速信号时，最常用的传感器是电磁感应式传感器，一般做法是将传感器安装在车轮总成的非旋转部分(如转向节或轴头)上，与随车轮一起转动的导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈相对传感器转动时，由于磁阻的变化，在传感器上激励出交变电压信号，这种交变电压的频率与车

52、轮转速成正比， ECU采用专门的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波，再通过测量方波的频率或周期来计算车轮转速。 最初的ESP系统中纵向/横向加速度传感器和横摆角速度传感器都是单独实现的，现在基本都使用了传感器总成(Sensor Cluster)的模式，将这3个传感器设计为一体，通过CAN总线与ECU通讯。如图3为SIMENS VDO公司和BEI公司生产的传感器总成。图2.2-4 传感器总成（Sensor Cluster） 博世公司为了增加新的ESP功能和为了更好的控制整车的稳定性系统，如山地保持控制(HHC)和线控(SbW)，提出了模块化的HW和SW概念，开发了第三代高度灵活和低成本的

53、慢性传感器总成DRS MM3.x。 ESP常用传感器接口设计 本文所作设计的框图如图2.2-5所示。在图2.2-5中，方向盘转角传感器信号经微控制器处理后，通过CAN总线发送给ECU(图2.2-3B)；横摆角速度传感器、纵向/横向传感器由于信号特点和安装位置类似，故设计在同一个模块内(图2.2-3中A)；由于ESP对轮速传感器信号的实时性要求较高，故经过信号调理后，直接送入ECU(图2.2-3中C)。在图4的A和B中，需要微处理器对信号进行处理并通过CAN总线传送数据，本文选用Infineon公司的SAK-C164CI。该芯片是专为汽车应用而设计，内置AD转换器、输入信号捕捉、正交解码器，运算

54、速度快，非常适合ESP的传感器信号处理。 图2.2-5 传感器连接框图方向盘转角传感器接口 方向盘转角传感器的输出为正交编码脉冲。正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期(90)的固定相位偏移，如图5所示。通过检测2路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针方向，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数累计值，也即方向盘的绝对转角，而转角的变化率即角速度，则可通过信号频率测出。另外，方向盘转角传感器有一个零位输出信号，当方向盘在中间位置时，该信号输出0V，否则输出5V，通过该信号，可对绝对转角进行在线校准。图2.2-6方向盘转角传感器脉冲序列波形C164CI与方向盘转角

55、传感器的接口电路如图6所示。片内内置增量编码的正交解码器，该解码器使用定时器3的两个引脚(T3IN、T3EUD)作为正交脉冲的输入，在正确设置相关寄存器后，定时器3的数据寄存器的值与方向盘转角成正比，故可方便的计算转角。图2.2-7C164CI与方向盘转角传感器的接口电路轮速传感器接口 根据前面部分介绍的轮速传感器信号特点，设计接口电路如图2.2-8所示。 图2.2-8 轮速传感器接口电路 电路采用两级滤波和整形，以保证轮速信号在极低转速下不会丢失，同时避免因悬架振动引起的信号干扰。图中由电阻R2引入第一级迟滞比较，而使用74HC14引入第二级迟滞比较。横摆角速度、纵向/横向加速度传感器 横摆

56、角速度、纵向/横向加速度传感器的安装位置基本相同，输出都是0V-5V的模拟量，由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致，故封装在同一模块中。其硬件接口如图8所示，实现硬件模拟前置滤波，以抑制来自传感器的模拟信号中的高频噪声成分，防止在采样过程中出现混叠现象。运放使用满摆幅输出的LMX324。 调整图8中各个阻容元件的参数，即可设置滤波截止频率和延时大小。汽车运行过程中，在较好路面上行驶时，由于信号较好，延时尽量要小，而在颠簸路面上行驶，则希望滤波效果要好。但是由于硬件滤波的频率特性一经设计完毕，无法实时修改，故需要在软件中设计数字滤波环节。数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用

57、滤波器等。在这里选用计算量小、实时性能好的一阶低通滤波。 图2.2-9 横摆角速度、纵向/横向加速度传感器接口电路图2.2-10 数字滤波前的数据曲线 图9b 数字滤波后的曲线 ESP系统中常用传感器的结构特点及信号特性，并设计了各个传感器的信号处理接口，其中包括硬件接口电路以及软件处理方案。设计了包含横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的集成模块，通过CAN总线与ECU进行数据传输，具有较好的抗干扰性和可靠性。本文的设计已经在实车试验中得到验证。 2.3 ESP的工作原理ESP系统由传感器、ECU（电子控制单元）和执行器三大部分组成，在电脑实时监控汽车运行状态的前提下，对发动机及制动系统进行干

58、预和调控。其工作原理为:在汽车行驶过程中，方向盘转角传感器监测驾驶者转弯方向和角度，车速传感器监测车速、节气门开度，制动主缸压力传感器监测制动力，而侧向加速度传感器和横摆角速度传感器则监测汽车的横摆和侧倾速度。ECU根据这些信息，通过计算后判断汽车要正常安全行驶和驾驶者操纵汽车意图的差距，然后由ECU发出指令，调整发动机的转速和车轮上的制动力，如果实际行驶轨迹与期望的行驶轨迹发生偏差，则ESP系统自动控制对某一车轮施加制动，从而修正汽车的过度转向或不足转向，以避免汽车打滑、转向过度、转向不足和抱死，从而保证汽车的行驶安全。ESP三大特点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