汽車ESP用傳感器及其接口技術(shù)

　　一、引言

　　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)對這一系統(tǒng)的命名不盡相同，如博世（BOSCH）公司早期稱為汽車動(dòng)力學(xué)控制（VDC），現(xiàn)在博世、梅賽德—奔馳公司稱為ESP；豐田公司稱為汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（VSC）、汽車穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（VSA）或者汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）；寶馬公司稱為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（DSC）。盡管名稱不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)，如ABS和TCS的基礎(chǔ)上增加一個(gè)橫向穩(wěn)定控制器，通過控制橫向和縱向力的分布和幅度，以便控制任何路況下汽車的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)模式，從而能夠在各種工況下提高汽車的動(dòng)力性能，如制動(dòng)、滑移、驅(qū)動(dòng)等。ESP在國外已經(jīng)批量生產(chǎn)，在國內(nèi)尚處于研究階段，要達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的程度，還有大量的工作要做。

　　其電子部件主要包括電子控制單元（ECU）、方向盤傳感器、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)車測試中得到驗(yàn)證。

　　二、ESP常用傳感器介紹

　　1．方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

　　ESP通過計(jì)算方向盤轉(zhuǎn)角的大小和轉(zhuǎn)角變化速率來識別駕駛員的操作意圖。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器將方向盤轉(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，方向盤轉(zhuǎn)角一般是根據(jù)光電編碼來確定的，安裝在轉(zhuǎn)向柱上的編碼盤上包含了經(jīng)過編碼的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)角等信息。這一編碼盤上的信息由接近式光電耦合器進(jìn)行掃描。接通點(diǎn)火開關(guān)并且方向盤轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)過一定角度后，處理器可以通過脈沖序列來確定當(dāng)前的方向盤絕對轉(zhuǎn)角。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器與ECU的通訊一般通過CAN總線完成。

　　2．橫擺角速度傳感器

　　橫擺角速度傳感器檢測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，說明汽車發(fā)生測滑或者甩尾的危險(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，通過輸出信號的變化計(jì)算橫擺角速度。

　　3．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，正的加速度對應(yīng)正的電壓變化，負(fù)的加速度對應(yīng)負(fù)的電壓變化，每1.0～1.4V對應(yīng)1g的加速度變化，具體參數(shù)因傳感器不同而有所不同。

　　4．輪速傳感器

　　在汽車上檢測輪速信號時(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。當(dāng)齒圈相對傳感器轉(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，這種交變電壓的頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比， ECU采用專門的信號處理電路將傳感器信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波，再通過測量方波的頻率或周期來計(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CAN總線與ECU通訊。

　　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。

　　三、ESP常用傳感器接口設(shè)計(jì)

　　方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號經(jīng)微控制器處理后，通過CAN總線發(fā)送給ECU；橫擺角速度傳感器、縱向/橫向傳感器由于信號特點(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對輪速傳感器信號的實(shí)時(shí)性要求較高，故經(jīng)過信號調(diào)理后，直接送入ECU。需要微處理器對信號進(jìn)行處理并通過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、輸入信號捕捉、正交解碼器，運(yùn)算速度快，非常適合ESP的傳感器信號處理。

　　1．方向盤轉(zhuǎn)角傳感器接口

　　方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的輸出為正交編碼脈沖。正交編碼脈沖包含兩個(gè)脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期（90°）的固定相位偏移，通過檢測2路信號的相位關(guān)系可以判斷為順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向，并據(jù)此對信號進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)累計(jì)值，也即方向盤的絕對轉(zhuǎn)角，而轉(zhuǎn)角的變化率即角速度，則可通過信號頻率測出。另外，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器有一個(gè)零位輸出信號，當(dāng)方向盤在中間位置時(shí)，該信號輸出0V，否則輸出5V，通過該信號，可對絕對轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

　　C164CI與方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路。片內(nèi)內(nèi)置增量編碼的正交解碼器，該解碼器使用定時(shí)器3的兩個(gè)引腳（T3IN、T3EUD）作為正交脈沖的輸入，在正確設(shè)置相關(guān)寄存器后，定時(shí)器3的數(shù)據(jù)寄存器的值與方向盤轉(zhuǎn)角成正比，故可方便的計(jì)算轉(zhuǎn)角，本文所使用的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器每一圈對應(yīng)44個(gè)脈沖，設(shè)定時(shí)器3的數(shù)據(jù)寄存器為T3，則絕對轉(zhuǎn)角為。

　　對（1）式進(jìn)行差分運(yùn)算，即可得到轉(zhuǎn)角變化速率。微控制器把計(jì)算得到的參數(shù)通過CAN發(fā)送給ECU。

　　2．輪速傳感器接口

　　根據(jù)前面部分介紹的輪速傳感器信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)接口電路如圖7所示。

　　電路采用兩級濾波和整形，以保證輪速信號在極低轉(zhuǎn)速下不會(huì)丟失，同時(shí)避免因懸架振動(dòng)引起的信號干擾。圖中由電阻R2引入第一級遲滯比較，而使用74HC14引入第二級遲滯比較。

　　3．橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器

　　橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的安裝位置基本相同，輸出都是0V-5V的模擬量，由于汽車顛簸造成的信號波動(dòng)特性一致，故封裝在同一模塊中。其硬件接口如圖8所示，實(shí)現(xiàn)硬件模擬前置濾波，以抑制來自傳感器的模擬信號中的高頻噪聲成分，防止在采樣過程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。運(yùn)放使用滿擺幅輸出的LMX324。

　　即可設(shè)置濾波截止頻率和延時(shí)大小。汽車運(yùn)行過程中，在較好路面上行駛時(shí)，由于信號較好，延時(shí)盡量要小，而在顛簸路面上行駛，則希望濾波效果要好。但是由于硬件濾波的頻率特性一經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，無法實(shí)時(shí)修改，故需要在軟件中設(shè)計(jì)數(shù)字濾波環(huán)節(jié)。數(shù)字濾波常用的有維納濾波器、卡爾曼濾波器、線性預(yù)測器、自適用濾波器等。在這里選用計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性能好的一階低通濾波，傳遞函數(shù)為。

　　k的選擇取決于當(dāng)前的路面情況，而當(dāng)前路面情況，則通過數(shù)字濾波前的原始信號來識別。微控制器把濾波后的信號、原始信號、k的值、路面識別結(jié)果打包后，通過CAN總線發(fā)送給ECU。圖9a和9b分別為顛簸路面實(shí)車試驗(yàn)中采集得到的縱向加速度傳感器的一組對比曲線。

　　四、結(jié)語

　　本文討論了ESP系統(tǒng)中常用傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及信號特性，并設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號處理接口，其中包括硬件接口電路以及軟件處理方案。設(shè)計(jì)了包含橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器的集成模塊，通過CAN總線與ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較好的抗干擾性和可靠性。本文的設(shè)計(jì)已經(jīng)在實(shí)車試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。