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第二代汽车电子稳定程序ESPII

供稿:工控网 2007/1/9 8:59:00

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随着社会财富的增加和人们生活水平的提高,越来越多的人开始关注生活的舒适性和安全性。汽车作为我们生活中不可或缺的一部分也必须适应这一趋势。近年来半导体技术成本的降低更大大加速了这一汽车电子化趋势。目前,一辆汽车上的电子设备已经达到了22%(18%硬件,4%软件),到2010年预期将增长到35%(22%硬件,13%软件)。而对于高档轿车而言,电子控制设备占到了70%,大大提高车辆的安全性、舒适性,同时提高驾驶乐趣。
第二次技术革新主要体现在控制器及其功能的集成通讯上,未来的这一概念被称之为集成底盘控制。与ABS相似的有1986年推出的驱动防滑控制ASR,1995的电子稳定程序和2001年的电液制动,所有这些技术的运用正一步一步地向集成底盘控制靠拢。Continental Teves公司的技术创新进一步体现在其第二代ESP系统的集成通讯上,它能够将制动和转向有机的结合起来。为了提高车辆的动力学性能,还可以在ESPII转向功能的基础上继续引入诸如可调减震器、主动稳定性控制和可调弹簧等的电子底盘控制系统。一、系统及组件ESPII系统由制动、转向和优化悬架等子系统组成,当然还包括各种传感器。1.制动系统作为电控制动,系统主要采用了Mk6oE5iMk25E5或电液制动。2套系统共同使用内部压力传感器,确保四轮压力和驾驶员意图的冗余度。
2.主动转向主动转向体现出ESPII系统中最先进的技术。在方向盘转角的基础上通过转向柱上的1个集成电机,经由1套两级行星齿轮机构在前轮上附加了1个叠加转向角。因而,车轮的转向角就是驾驶员操纵的转角与行星机构驱动的叠加转角之和。根据电机调节的行星架旋转方向可以控制车轮转角的大小,也即体现转向的“直接”和“间接”性。当系统出现故障或者被切断电源时,行星架即会被机构锁止,成为传统的转向系统。尽可能保留原有转向系统的各个构件,同时在车辆急转时给予良好的操控性能。通过一定的转向叠加既可以使车辆操控灵活(传动比1:12“直接”转向叠加),又可以保持车辆的舒适性(传动比1:20“间接”转向叠加)。如果车辆采用运动型的设计(即较小传动比),则在停车工况下可以显著减少方向盘行程。在高速行驶时转向系统灵敏很高,容易产生急转的感觉,而当车辆采用舒适性设计时(即较大传动比),转向变得更“间接”,此时进行停车或侧方移位所需的方向盘行程变得很大,也给驾驶员带来不便。通过采用主动转向,可以利用电子控制装置影响转向效果,前提是必须对附加的叠加转角随车速进行变化调节。在转向系统与其他系统的集成过程中,除了能够提供随车速变化的转向叠加之外还可以提供一系列其他潜在功能。主动转向技术在底盘动力学控制系统中的集成,为车辆软件技术的开发开辟了一块新的领域。这主要是由于传统的ESP制动干预会使驾驶员明显感受到车速的放慢,这只能在危险工况下使用。与此相对的主动转向干预就不易使驾驶员察觉,可以用于非危险工况。如可以对驾驶员感受到的自转向特性给与干预。即使是在极限工况下,主动转向技术还可以和制动干预共同使用,改善车辆的动力学性能。
3.ESPⅡ—转向控制功能主动转向的基本功能就是能够实现可变的附加转向角。为实现这一功能必须从ESP中获取与转向控制相关的车速信息。(1)辅助驾驶“辅助驾驶”指的是提高驾驶安全性和驾驶舒适性。由于底盘元件如车轮和橡胶件的弹性变形,车辆在较快的转向输人下反应会产生滞后。就转向的灵活性而言,这样会让驾驶员感觉到车辆的反应特性非常迟缓,对于驾驶乐趣产生负面的影响。这种车辆响应中的相位滞后还会导致一些危险工况。例如,当驾驶员需要快速避让一个障碍物,而车辆的响应又非常迟缓时,驾驶员很容易“过多转向”。那么当车辆真正响应的时候,这时的转向角要比预期的大得多,从而导致车辆失稳。ESPII系统根据车速、转向角和侧向加速度通过一个参考模型可以得出一个目标横摆角速度,并且用软件参数的形式储存在ESPII的控制器中。而实际的车辆性能在行驶过程中始终将由横摆角速度传感器进行检测。根据目标横摆角速度和实际横摆角速度的偏差,ESPII控制器将快速要求主动转向系统提供一个附加转角。通过对横摆角速度的闭环控制,可以补偿底盘上不同的承载状态和磨损现象,从而加速车辆的响应。(2)横摆力矩补偿对开路面上的制动过程是体现ESP1效果的最好例证。在没有电控制动系统的车辆上,两侧车轮所获得的制动力不相等,车辆会产生一个朝向高附着系数路面的横摆力矩,并朝这一方向滑转。由于这时候抱死车轮完全丧失了侧向力,车辆便会失稳。
目前电子制动系统能够识别出不同的路面附着系数,缓慢地在前轴建立“压力差”。这样一来,驾驶员就不需要再进行转向调节了。考虑到稳定性,还需要在后轴建立起较低的制动压力。即使是在极限工况下,这两项措施都可以使驾驶员轻松地驾驭车辆。同时由于需要缓慢建立制动压力,制动距离会相应变长。在ESPⅡ(系统中引人一套电子转向干预系统。不同制动力引起的横摆力矩可以根据情况通过自动的快速转向进行补偿。与目前的ABS和ESP系统不同,通过调节方向盘转角的方式,驾驶员可以不必不断地修正转向角,同时还可以按照理想的行驶路线前进。通过转向产生横摆力矩补偿的同时,前轮还可以建立起无滞后的制动压力,同时后轴也可以进行制动压力调节。通过这一技术的应用,根据不同的地面摩擦力,与传统ABS/ESP相比可使制动距离减少多达15%。即使是在驱动状态,ESPⅡ仍然可以在不同附着系数的行驶道路上,通过转向干预补偿由车轮不同驱动力引起的干扰横摆力矩。通过横摆力矩补偿可以大大提高行驶安全性和舒适性。(3)横摆角速度控制通过在横摆角速度控制中集成转向功能,ESPⅡ与传统ESP相比除了使用制动干预之外,还在车辆横向动力学方面具有另一有效的干预方式,从而拓宽了车辆行驶的极限区域,也使得车辆更易于操纵(ESPⅡ在驾驶员转向过多的情况下自动进行回调)。由于转向干预对于驾驶员来说不易被察觉,因而可以使他更早地采取措施,预先避免一些危险工况。在横摆角速度控制中集成的转向控制具有以下优点:提高车辆稳定性,拓宽极限行驶区域的转向幅度,较少产生由r于制动干预引起的急剧减速,进而通过ESPⅡ的横摆角速度控制提高车辆的行驶安全性、舒适性以及驾驶乐趣。
(4)侧倾及挂车稳定性作为ESPⅡ系统的扩展,在目前ESP的“主动侧倾保护”(ARP)和“拖车稳定性控制”(TSP)中都集成了转向技术。ARP主要是针对目前日益增长的运动型轿车和货车设计的,这类车辆更易产生倾翻危险。ARP系统能够识别出这些危险的行驶工况(例如在高速下需要急速转向躲避障碍物),并且通过制动降低外前轮的侧向力减小横向加速度,同时降低车速。在这些工况中可以显著减少倾覆危险。而通过引入转向功能使侧向力快速降低也是对制动干预的有效支持。四、系统集成控制ESPⅡ在开发时的主要目标就是实现对底盘进行全局控制。随着底盘电控系统的增多,传感器、执行器、控制器的数量也急剧上升。这不仅导致整车成本的上升,而且使得系统结构变得复杂而难以控制,并给可靠性和故障诊断带来新的问题。为了解决上述问题,ESPⅡ提出了全局底盘控制概念。整个系统采用CAN总线连接所有执行器和传感器,达到共用的目的,节省了冗余的部件;通过采用状态估计器进一步节约了一定数量的传感器;通过采用协调控制算法,按照工况决定AFS和ESP的工作负荷,既提高了对车辆的控制效果,又延长了制动器、转向器的工作寿命。整个系统的控制结构如图1所示。实现集成底盘控制将是未来底盘技术发展的方向。



五、总结ESPⅡ系统不仅提高了行驶安全性,而且还开启了驾驶舒适性的新纪元。系统使车辆在极限工况下更易操纵,并且在驾驶上更具有灵活性。
信息来源于:汽车电子网

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