汽车电子稳定系统（ESP）的原理分析

　汽车电子稳定系统或动态偏航稳定控制系统(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制动系统ABS、驱动防滑控制系统ASR、电子制动力分配系统EBD、牵引力控制系统TCS和主动车身横摆控制系统 AYC(Active Yaw Control)等基本功能的组合，是一种汽车新型主动安全系统。该系统是德国博世公司(B0SCH)和梅塞德斯-奔驰(MERCEDES-BENZ)公司联合开发的汽车底盘电子控制系统。

　　在汽车行驶过程中，因外界干扰，比如行人、车辆或环境等突然变化，驾驶员采取一些紧急避让措施，使汽车进入不稳定行驶状态，即出现偏离预定行驶路线或翻转趋势等危险状态。装置ESP的汽车能在极短的几毫秒时间内，识别并判定出这种汽车不稳定的行驶趋势，通过智能化的电子控制方案，让汽车的驱动传动系统和制动系统产生准确响应，及时恰当地消除汽车这些不稳定的行驶趋势，使汽车保持行驶路线和预防翻滚，避免交通事故的发生。

　　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。

　　1.汽车电子稳定系统的组成

　　ESP在ABS和ASR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，这种车用传感器是航天飞机和空间飞行器上使用的旋转角速度传感器的类似产品。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。

　　ESP系统包括车距控制、防驾驶员困倦、限速识别、并线警告、停车入位、夜视仪，周围环境识别、综合稳定控制和制动助力(BAS)9项控制功能。通过综合应用9种智能主动安全技术，ESP可将驾驶员对车辆失去控制的危险性降低80%左右。

　　ESP智能化随车微机控制系统，通过各种传感器，随时监测车辆的行驶状态和驾驶员的驾驶意图，及时向执行机构发出各种指令，以确保汽车在制动、加速、转向等状况下的行驶稳定性。

　　图1是汽车电子稳定系统ESP的各种传感器及电子稳定系统ECU在轿车上的安装，其ECU中配置了两台56kB内存的微机。ESP系统利用这两台微机和各种传感器信号不间断地监控车内电子模块、系统的工作状态和汽车的行驶姿势，比如，速度传感器每相隔20ms就会自检一次。ESP系统还通过车内电子模块之间的信号交流通信网络，充分利用防抱死制动系统ABS、制动助力系统BAS和驱动防滑控制系统ASR等的先进功能。紧急情况下，如紧张的驾驶员对制动力施加不够，制动助力系统BAS将自动增大制动力。在ESP系统出现故障不能正常工作时，ABS和ASR系统能照样工作，以保证汽车正常行驶和制动。

　　ESP系统的功能不简单是ABS和ASR功能之和，而是ABS与ASR功能之和的平方，因此使汽车能在极其恶劣的条件下保持行驶的稳定性。梅塞德斯-奔驰A级轿车的安全理念是通过先进的电子控制模块与液压机械执行机构的智能化集成，实现了对汽车及乘员安全的最大可能保护。

　　2.汽车电子稳定系统的工作原理

　　从外部作用于汽车的所有力，包括制动力、驱动力、任何一种侧向力，都会引起汽车绕其质心转动。ESP系统根据此原理，在汽车进人不稳定行驶状态时，通过对制动系统、驱动传动系统的干涉，修正过度转向或转向不足的倾向，使汽车保持稳定行驶状态。

　　微机控制系统的ROM中，预先储存了控制程序中的标准技术数据。在汽车传感器监测并将汽车行驶状态的各种数据随机传送给ECU时，ECU立即调出预存标准数据与之进行比较，判定轿车是否出现不稳定行驶趋势和不稳定的程度及原因。一旦确定汽车有不稳定行驶的趋势，ESP系统就会自动代替驾驶员控制汽车，通过微机控制系统向制动执行机构和发动机执行机构发出指令，采取最有利的安全措施修正驱动力和制动力，阻止潜在危险情况的发生，使汽车恢复到安全稳定的行驶状态。

　　微机控制系统指令执行的安全措施是指，当汽车传感器监测到汽车有发生翻转或偏离驾驶员需求的行驶路线的趋势时，系统能有选择地对单个汽车前轮或后轮实施制动，或必要时同时增加或者减少发动机的输出转矩，调整驱动力。

　　图2是汽车在转弯道路上行驶时的轨迹示意。见图2(a)，当汽车驶入弯道时，假如驾驶员通过转向盘使汽车转向的转弯半径大于弯道半径，这种情况称为不足转向。如汽车车速过快，则汽车可能冲出路面。安装在汽车上的横摆率传感器会测出转向偏差，侧加速度传感器会测得右驶加速度偏大和转向盘转角传感器测得左转向不足，并立即监测到这种冲出路面的危险趋势，将信号输入电子稳定系统中的ECU。ECU立即指令在左后轮实施脉冲制动力，制动力在汽车质心产生一个向内偏转力矩，迫使汽车绕质心向内偏转一个角度。同时ECU立即指令发动机减少输出转矩，将汽车速度降下来，并代替驾驶员使汽车转向角度稍大一些，使汽车按弯道半径要求的转向角度行驶，回到正确路线上。

　　反之，见图2(b)，汽车行驶轨迹的最初位置。假如驾驶员转向盘转动过猛，使汽车转弯半径小于弯道半径，这种情况称为过度转向。如汽车速度过快，则汽车可能因离心力而向外翻转。安装在汽车上的横摆率传感器、侧加速度传感器和转向盘转角传感器等监测到这种翻转的危险趋势，立即将信号输入电子稳定系统中的 ECU，ECU迅速指令在右前轮实施脉冲制动，制动力在汽车质心产生一个向外偏转力矩，抵消离心翻转力矩，迫使汽车绕质心向外偏转一个角度，制止了汽车可能侧翻的趋势。同时ECU控制迅速减少驱动力，将汽车速度降下来，并代替驾驶员使汽车转向角度稍小一些，使汽车按弯道半径要求的转向角度行驶。

　　综上所述，汽车电子稳定系统ESP在汽车出现不稳定行驶趋势时，采用了两种不同的控制方法，使汽车消除不稳定行驶因素，回复并保持汽车预定的行驶状态。这两种控制方法是，首先ESP系统通过精确地控制一个或者多个车轮的制动过程(脉冲制动)，根据需要分配施加在每个车轮上的制动力，迫使汽车产生一个绕其质心转动的旋转力矩，同时代替驾驶员调整汽车行驶方向。其次在必要时(比如车速太快，发动机驱动转矩过大)，ESP系统自动调整发动机的输出转矩，控制汽车的行驶速度。

　　通过采取上述两种技术措施，当汽车进行蛇形线路测试的时候就可以有效避免汽车的翻转。ESP系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要ESP系统。

　　3.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。

　　1995年，梅塞德斯-奔驰S级轿车开始安装ESP系统，ESP系统突出的安全保障表现，大大降低了汽车在各种道路状况下以及转弯时发生翻转的可能性。同时汽车在弯道和湿滑路面上的制动距离得到缩短，在弯道行驶加强了汽车线内行驶能力。1998年，梅塞德斯-奔驰A级微型轿车也安装了。ESP系统，使这种采用大量高新技术开发的A级微型轿车，克服了因车身较窄，在汽车以小转弯半径急转向时，容易产生侧向翻转而造成人身伤害和财产损失的缺点，成为一辆安全性能卓越的微型轿车。

　　目前，梅塞德斯-奔驰公司的S600、CL600、sL600、FA30、E320、4MATIC以及高性能的E55AMG和C43AMG等车型上都选配了ESP系统，2002年所有G级车上都安装了该系统。

　　4.新一代汽车电子稳定系统

　　新一代汽车电子稳定系统将主动转向控制系统(Active steering Control，ASC)和可选择悬架模式的主动悬架控制系统(Active Damping Control，ADC)和ESP集成在一起，使汽车的动态稳定控制技术更加完善，提高了汽车在任何情况下的行驶稳定性和操纵稳定性。

　　在非危险行驶状况下，主动转向控制系统使驾驶更灵活，以增加驾驶乐趣。在危险行驶状况下，主动转向控制系统与制动系统、发动机管理系统共同控制汽车的行驶稳定性和乘坐舒适性。

　　5.综合稳定控制系统

　　综合稳定控制系统在任何给定的条件下，具有综合控制车上所有的主动系统，如驱动、制动和操纵系统等功能。综合稳定 控制系统与现行的主动车辆稳定控制系统相比，可以对汽车进行持续控制，并实现控制的个性化。

　　6.汽车底盘电子控制系统的发展

　　(1) 集成底盘管理系统

　　随着电子技术特别是大规模集成电路和微型电子计算机技术的高速发展，汽车的电子化程度越来越高。汽车的底盘系统也改变了以往那种完全依靠液压或气压执行机构来传递力的机械式结构，开始步入电子伺服控制(By-wire，操纵装置与执行器之间靠电信号联系而非机械的连接)阶段，底盘综合控制系统也已开始出现。先进的底盘电子控制系统优化了车轮与地面之间的附着状况，显著地改善了汽车的动力性、安全性和舒适性。

　　汽车底盘电子控制系统将逐步形成一个集成底盘管理(ICM)系统。该系统将集成所有的底盘电控子系统，实现各子系统问硬件、能量和信息的共享，以最大限度地获取系统集成带来的增效作用，提高汽车的安全性、舒适性和经济性。图3是ICM系统的层次结构，结构图的上层只包含了一些关键的监控功能，在这一层次上系统通过一个“协调器”ECU来实现对发动机、传动系、底盘系统等的管理。空白方块代表其他的功能，如导航和ACC功能。结构图的下层代表目前的电控系统，不过它 们不再是单独工作的模块，而是在上层单元监控、管理下协调工作。系统中的传感器和执行器可分为两类：传统型和智能型。传统型传感器和执行器与各自的ECU之间只有直接的物理连接，而智能传感器和执行器与ECU之间则使用总线接口来传输数据。一般情况下它们都具有自诊断能力和一定的传感器信号处理能力。

　　(2) 动力车身控制系统(Dynamic Body Control)

　　对于多用途运动车(SUV)和其他质心较高的汽车，动力车身控制系统可最大程度地提高转向稳定能力，同时汽车行驶舒适感增强。在汽车越野行驶时，车桥通过相互配合来获得更好的牵引性能。动力车身控制系统使用1～2个主动式平衡杆模块，通过对平衡杆施加可调节的预加载荷来防止汽车转弯时发生左右摇晃。当汽车车身要发生倾斜时，加速度计监测到汽车侧滑倾向，将信号传到控制系统ECU，ECU指令向平衡杆执行器通入压力油，压力油产生力的大小根据加速度计监测到的汽车横向加速度大小和汽车产生摇晃的时间来确定。