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探密ESP发展现状及趋势

信息来源:chuandong.biz  时间:2008-01-18  浏览次数:206

  汽车电子稳定性控制程序(ESP)是近几年刚刚发展起来的一种电子装置,是对ABS和TCS功能的继承与进一步扩展。EPS通过对汽车横摆力矩的控制改进了ABS/TCS在横向稳定性控制方面的不足,并通过对车上传感器的监测和ECU的计算分析识别出驾驶员的驾驶意图,并对可能造成危险的行驶状态进行干预控制使从而维持车辆的稳定性,避免事故的发生。
  随着人们对汽车安全性 要求的不断提高,车内的安全系统不断增加,功能也在不断发展完善,包括主动安全系统和被动安全系统。主动安全系统包括驾驶特性(ABS、TCS、ESP等),视野条件和工作元件(如轮胎)等,这些系统可以在危急的情况下使车辆保持稳定及可操控性,避免事故的发生;被动安全系统是在事故发生过程中起作用,通过采取一些设计措施和装置,最大限度的保护车内人员免受伤害,降低事故后果的严重性。
  ESP(Electronic Stability Program)汽车电子稳定性控制程序(欧美称ESP,日本称VDC(Vehicle Dynamic Control),丰田公司还提出了VSC的概念),是近年来刚刚发展起来的一种电子装置,是对人们熟悉的ABS(Anti-lock Brake System),TCS(Traction Control System)功能的继承与进一步扩展,尤其是通过对汽车横摆力矩的控制改进了ABS/TCS在横向稳定性控制方面的不足,ESP能通过对车上传感器的监测和ECU的计算分析识别出驾驶员的驾驶意图,辅助完成驾驶员的行驶意图,并对可能造成的危险的行驶状态进行干预控制使从而维持车辆的稳定性,避免事故的发生。
  ABS在20世纪80年代开始得到广泛应用,目前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术,国内也有很多院校及科研机构在从事这方面的研究(如吉林大学、合肥工大等),并取得了重大进展,尤其是气动ABS已经在部分货车和客车上配备,TCS是90年代发展起来的技术,而电子稳定程序(ESP)是90年代初由德国奔驰公司开发的车辆稳定系统。从1995年至今,伴随着理论研究的不断深入和电子技术的发展,汽车稳定性控制得到了很大的发展,并开始作为选装件安装在一些中高档轿车上。德国BOSCH公司一直是这方面技术的领先者,无论是ABS/ASR还是更先进的ESP系统,技术上都一直处于领先地位,为国际大多数汽车厂商供应ABS/ASR/ESP系统。国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段,只有少数学者从事控制方法的仿真研究,而且由于缺少试验条件,研究还不十分深入,现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。
  ESP结构及控制原理
  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使方向是否偏离驾驶员的操作意图。ESP能立刻识别出危险情况,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。
  德国BOSCH公司是汽车电子稳定性控制方面的典范,下面以BOSCH公司的ESP系统为例介绍ESP的结构及控制原理。图1是ESP系统的关键部件及其在汽车上的位置分布。
  对于控制算法,BOSCH公司的基于门限值的ABS控制策略已经在实际中得到了成功应用,其ESP在控制系统上层仍然采用类似的思路,以汽车侧偏角与横摆角速度作为控制量,把实际值与期望值的差值控制在容许范围内,原理如图2。
  由各传感器测得的信号经过一定的算法和汽车模型运算后,可以知道期望值,ωM、βM与实际值ω、β经比较器比较得。Δβ若在容许范围内,则ESP无须作用;若不在容许范围内,则ESP根据Δβ大小确定要产生的修正横摆力矩。然后ESP根据修正横摆力矩大小值确定各个车轮最优的滑移率(每个车轮的最优滑移率值是经过大量的前期仿真研究得出,要求在最短时间产生修正横摆力矩)。知道滑移率,根据轮胎模型便可以确定每一车轮的制动力大小,从而可以确定每一车轮的制动电磁阀的开关时间(或节气门开度),制动电磁阀工作后(或节气门开度改变)便实现对汽车的稳定性控制(图3)。
  汽车在行驶过程中轮胎的横向力和纵向力直接影响车辆的行驶状态,而横向力和纵向力相互制约,且都受到车轮滑转或滑移率的影响,ESP通过对车轮滑转或滑移率的精确控制,从而控制每个车轮的纵向和横向力来保证车辆的行驶稳定性并施加行驶意图(图4)。
  在汽车的行驶中,回避前方突然出现的障碍物或者在转弯时容易出现转向不足或者过度转向的情况,理论研究表明,通过对内侧后车轮和外侧前车轮施加附加制动力对增大向内的横摆力矩和向外的横摆力矩最有效,这将对纠正不足转向和过度转向有明显的效果。以下将分析几种简单典型工况ESP所采取的干预措施。
  汽车回避突然出现障碍物
  如图5,车辆在回避突然出现的岔道车辆时,在图示位置2,汽车有转向不足的危险,ESP系统会迅速对左后轮施加制动力,以产生一逆时针方向的转矩,同时由于施加制动,车速降低了也利于转向,而根据后轮差速器的工作原理,右后轮的转速会随左轮转速的增加而提高,这样也是利于转向的。但当汽车行使到位置3的时候,汽车有转向过度的危险,对于后轴驱动的车辆,ESP系统会采取降低后轴驱动力,以减少车轮纵向力而增加横向力,车速的降低成为利于转向维持稳定性的一个因素,同时对左前轮施加制动力,以更大程度的增加汽车逆时针方向横摆力矩,从而保证汽车的行驶遵从驾驶员意图。
  在扭曲路段的行驶
  汽车在扭曲多变的路段行驶时,仅仅通过转向轮很难让车辆随着突变的弯道灵活转向,车辆很容易由于转向过度或转向不足甩出行车道,ESP以其特有的通过对车轮独立施加制动力的方式对车辆进行“转向”,能有效的纠正车辆的危险行为,而保持车辆的稳定性。如图6,在位置1,车辆很容易由于转向过度使车尾脱离行驶轨道,ESP通过对右前轮施加制动力纠正了车辆的危险状态,在位置3,驾驶员绕过凸形弯道时,汽车同样有转向过度的危险,ESP通过对左前轮施加制动力而纠正了过度转向。
  面对突然出现的紧急弯道
  汽车在宽阔的路面上行驶,前方突然出现紧急的弯道,驾驶员的反应是猛打方向盘,但汽车显然不可能在瞬间产生足够大的转向角度,ESP通过对右后轮的制动以产生更大的转向力矩纠正汽车的转向不足,车辆能克服转向不足回复到稳定状态(图7)。
  ESP关键技术解析
  汽车电子稳定控制程序虽然已经被多家汽车公司成功的应用到了产品中,但更切实有效的控制算法一直是国内外的学者研究的重点,例如Hriuchi等人基于H∞理论的四轮转向控制系统;Buckholtz采用模糊控制理论来对车轮的滑移率进行分配,进而控制车身的横摆角速度和侧偏角;Masato Abe研究了用滑模控制理论对车身横摆角速度进行控制;而最为突出的是Vanz Zanten等人基于线性二次最优控制原理(LQR)开发了Bosch电子稳定控制程序,该系统已在多种车型上得到实际应用。 在控制过程中,对于期望的横摆角速度、期望的汽车侧偏角以及实际的汽车侧偏角都非传感器直接测量量,对这些值的计算准确是控制有效的先决条件,对于这些关键参数,BOSCH提出了相应的估算方法。
  期望横摆角速度ωM
  根据二自由度汽车模型:
  (1) 其中L——轴距; v——车速; K——汽车特征参数; δw ——车轮转角 考虑到轮胎与地方附着条件有: (2) 由(1)、(2)的最小值确定汽车的期望横摆角速度ωM。由于气温、轮胎形式以及轮胎磨损不均等都会对K产生影响,确定期望横摆角速度时,需做大量实验综合考虑各种因素。
  期望侧偏角βM
  在BOSCH的ESP系统中,根据Shibahata提出的β法则依据轮胎和地方的附着条件确定。该值随汽车的车速增大而减小。当方向盘转动时,轮胎受地面侧向力作用,汽车会受到绕质心的横摆力矩,但是当质心侧偏角太大时,汽车横摆力矩增益变小。太大的汽车侧偏角将会导致横摆力矩不受方向盘转角的控制,从而导致汽车失稳。因此,车辆必须处于β—β相平面稳定区,保证汽车的稳定性。
  实际横摆角速
  车辆的实际横摆角速度由车上的横摆角速度传感器获得。
  实际汽车侧偏角β 度ω
  在纵向和侧向水平的路面上,汽车无点头角和侧倾角,则汽车的侧偏角可由(3)式确定: (3) 其中 是车速 是纵向加速度 是侧向加速度 公式中相关参数的确定可以由二自由度汽车模型根据动力学原理算出。
  在控制算法中,各关键参数的计算方法直接影响到控制的结果,所以对这些关键参数的算法仍然是研究的关键技术之一。
  另外,在ESP系统中,对于传感器的性能要求相当高,开发研制更先进的传感器将会大大改善系统的控制性能,传感器的成本也是制约发展的一个因素,例如控制过程中的一个重要参数车速,由于目前没有找到体积和成本都合适的车速传感器,车速无论是在ABS还是在ESP系统中都采用估计量。这对控制效果也产生了一定的影响。 在国内,满足系统要求的高速电磁阀和液压调节器的设计研发和生产工艺上也暂时达不到系统的要求。
  EHB和EMB发展趋势
  ESP系统虽然出现时间不长,但是世界上一些跨国汽车企业对ESP系统技术的改进从未停止过,集成化和智能化是发展趋势,比如德国Continental公司将底盘制动系统与安全带、安全气囊、甚至车身门窗综合考虑,集成了更智能更安全的主动被动集成方案(APIA)。另外最早在飞机上采用的线控技术(X-by-wire)在汽车上的应用也会将对传统的ESP甚至整个汽车电控系统产生革命性的影响。ESP标志着电子制动新时代的到来。
  EHB(Electro Hydraulic Brake)和EMB(Electro Mechanical Brake)汽车制动系统的发展趋势,其中EHB的出现是因为汽车上12V电源暂时无法满足功率驱动问题而出现的替代产品,在传动和控制方式上采用线控,但是最终的执行机构仍然是液压的制动钳。而EMB被认为是汽车制动系统的最终发展目标,EMB系统和传统制动系统相比有以下几个 优点:
  ◆ 整个制动系统结构简单,省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、助力装置。液压阀、复杂的管路系统等部件,使整车质量降低;
  ◆ 制动响应时间短,提高制动性能;
  ◆ 无制动液,维护简单且不污染环 境;
  ◆ 系统总成制造、装配、测试简单快捷,制动分总成为模块化结构;
  ◆ 易于改进,稍加改进就可以增加各种电控制功能。
  EMB系统主要包含电制动器,有盘式和鼓式两种;电制动控制单元(ECU);轮速传感器;线 束;e电源,可以是各种电源,也包括再生能源。
  世界很多汽车公司在从事EHB、EMB的开发,比如美国TRW公司、德国大陆公司、BOSCH的EHB系统已经在Mercedes-Benz SL-Class上装车。图8为日本某公司的EMB系统的制动钳,制动钳主要由用于产生制动力电机和用于圆周—直线转化运动的机械结构组成。
  全电制动控制系统(EMB)是一个全新的系统,给制动控制系统带来了巨大的变革,为将来的车辆智能控制提供条件。但是,要想全面推广,还有不少问题需要解决:
  ◆ 驱动能源问题,12V电源无法满足功率,EMB的应用有赖于未来42V电源。
  ◆ 控制失效处理问题,实现全电制动控制的一个关键技术是系统失效时的信息交流协议,如TTP/C。系统一旦出现故障,立即发出报警信息,确保信息传递符合法规最适合的方法是多重通道分时区(TDMA),它可以保证不出现不可预测的信息滞后。TTP/C协议是根据TDMA 制定。
  ◆ 抗干扰问题,车辆在运行过程中会有各种干扰信号,如何消除这些干扰信号造成的影响,目前存在多种抗干扰控制系统。
  另外制动系统与其它转向、悬架、导航等系统的综合考虑,数据总线的建立也需要更完善的解决方案。
  当然,随着技术的进步,上述问题会逐步得到解决,从而替代传统的以液压系统为主的制动系统,从而ABS/ASR/ESP的可靠性、响应性能等都会得到大大的提高。

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