ESP系統(tǒng)傳感器特性分析及接口技術(shù)

ESP(Electronic Stability Program，電子穩(wěn)定程序)是汽車電控的一個標(biāo)志性發(fā)明。不同的研發(fā)機構(gòu)對這一系統(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重要電控系統(tǒng)，其各個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，設(shè)計了傳感器硬件接口和軟件接口，并在實車測試中得到驗證。

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

方向盤轉(zhuǎn)角傳感器

ESP通過計算方向盤轉(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。

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)到一個閾值，說明汽車發(fā)生測滑或者甩尾的危險工況，則觸發(fā)ESP控制。當(dāng)車?yán)@垂直方向軸線偏轉(zhuǎn)時，傳感器內(nèi)的微音叉的振動平面發(fā)生變化，通過輸出信號的變化計算橫擺角速度。


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)連接在一個可以移動的懸臂上，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。

輪速傳感器
在汽車上檢測輪速信號時，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)動時，由于磁阻的變化，在傳感器上激勵出交變電壓信號，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實現(xiàn)的，現(xiàn)在基本都使用了傳感器總成(Sensor Cluster)的模式，將這3個傳感器設(shè)計為一體，通過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

本文所作設(shè)計的框圖如圖4所示。在圖中，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(圖4中B)；橫擺角速度傳感器、縱向/橫向傳感器由于信號特點和安裝位置類似，故設(shè)計在同一個模塊內(nèi)(圖4中A)；由于ESP對輪速傳感器信號的實時性要求較高，故經(jīng)過信號調(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，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器、輸入信號捕捉、正交解碼器，運算速度快，非常適合ESP的傳感器信號處理。


圖4 傳感器連接框圖


方向盤轉(zhuǎn)角傳感器接口