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(duì)這一系統(tǒng)的命名不盡相同。
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(pán)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)行有效控制的基礎(chǔ)。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(cè)試中得到驗(yàn)證。

圖1 ESP的構(gòu)成示意圖

ESP常用傳感器介紹

如圖1、圖2所示，ESP常用的傳感器如下。


圖2 ESP常用傳感器

方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器

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

橫擺角速度傳感器

橫擺角速度傳感器檢測(cè)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(shuō)明汽車發(fā)生測(cè)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(guò)輸出信號(hào)的變化計(jì)算橫擺角速度。


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(duì)應(yīng)正的電壓變化，負(fù)的加速度對(duì)應(yīng)負(fù)的電壓變化，每1.0-1.4V對(duì)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。

輪速傳感器
在汽車上檢測(cè)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(duì)。當(dāng)齒圈相對(duì)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(mén)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(guò)測(cè)量方波的頻率或周期來(lái)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(guò)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。


圖3 傳感器總成（Sensor Cluster）

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(kāi)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。

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(pán)轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)經(jīng)微控制器處理后，通過(guò)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(duì)輪速傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高，故經(jīng)過(guò)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)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。


圖4 傳感器連接框圖


方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器接口