【導(dǎo)讀】汽車ESP傳感器的接口設(shè)計(jì)。感器的硬件接口和軟件接口并實(shí)現(xiàn)了集成傳感器的方案該方案通過(guò)。CAN總線與電子控制單元傳遞數(shù)據(jù)具有抗干擾性能好可靠性高的特。控的一個(gè)標(biāo)志性發(fā)明。不同的研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)這一系統(tǒng)的命名不盡相同，如博世公司早期稱為汽車動(dòng)力學(xué)控制，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)。；寶馬公司稱為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。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(guò)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(guó)外已經(jīng)批量生。產(chǎn)，在國(guó)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

　　

【正文】 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 度 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 左右，正的加速度對(duì)應(yīng)正的電壓變化，負(fù)的加速度對(duì)應(yīng)負(fù)的電壓變化， 每 對(duì)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(cè)輪速信號(hào)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，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(duì)。當(dāng)齒圈相對(duì)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(hào)，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(hào)處理電路將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波，再通過(guò)測(cè)量方波的頻率或周期來(lái)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(guò) CAN 總線與 ECU 通訊。如圖 為 SIMENS VDO 公司和 BEI 公司生產(chǎn)的。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 18 圖 傳感器總成 ESP 常用傳感器接口設(shè)計(jì) 本文所作設(shè)計(jì)的框圖如圖 所示。在圖中，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)經(jīng)微控制器處理后，通過(guò) 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(hào)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(duì)輪速傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高，故經(jīng)過(guò)信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò) CAN 總線傳送數(shù)據(jù)，本文選用 Infineon 公司的 SAKC164CI。用 Infineon 公司的 SAKC164CI。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(hào)捕捉，正交解碼器，運(yùn)算速度快，非常適合 ESP 的傳感器信號(hào)處理。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 19 圖 設(shè)計(jì)框圖 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 (90176。 )的固定相位偏移，如圖 所示。通過(guò)檢測(cè) 2 路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷為順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较?，并?jù)此對(duì)信號(hào)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(duì)轉(zhuǎn)角，而轉(zhuǎn)角的變化率即角速度，則可通過(guò)信號(hào)頻率測(cè)出。另外，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器有一個(gè)零位輸出信號(hào)，當(dāng)方向盤在中間位置時(shí)，該信號(hào)輸出 0V，否則輸出 5V，通過(guò)該信號(hào)，可對(duì)絕對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線校準(zhǔn)。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 20 圖 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器脈沖序列波形 C164CI 與方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路如圖 所示。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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)角為。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 21 圖 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路 對(duì) (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(guò) CAN 發(fā)送給 ECU。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 22 輪速傳感器接口 根據(jù)前面部分介紹的輪速傳感器信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)接口電路如圖 所示。 圖 輪速傳感器借口電路 電路采用兩級(jí)濾波和整形，以保證輪速信號(hào)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(hào)干擾。圖中由電阻 R2 引入第一級(jí)遲滯比較，而使用 74HC14 引入第二級(jí)遲滯比較。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 23 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 0V5V 的模擬量，由于汽車顛簸造成的信號(hào)波動(dòng)特性一致，故封裝在同一模塊中。其硬件接口如圖 所示，實(shí)現(xiàn)硬件模擬前置濾波，以抑制來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)中的高頻噪聲成分，防止在采樣過(guò)程中出現(xiàn)混疊現(xiàn) 象。運(yùn)放使用滿擺幅輸出的 LMX324。 調(diào)整 圖 各個(gè)阻容元件的參數(shù)，即可設(shè)置濾波截止頻率和延時(shí)大小。汽車運(yùn)行過(guò)程中，在較好路面上行駛時(shí)，由于信號(hào)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(wú)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(cè)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 其中 t 為時(shí)間常數(shù) s 為拉普拉斯算子其數(shù)字化后的計(jì)算公式為 。 圖 橫 擺角速度，縱向 /橫向加速度傳感器接口電路 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 24 其中為 Yn 當(dāng)前 AD 采樣值， yn 是濾波后的值， yn1 為上次濾波后的值， k 為濾波系數(shù)，通過(guò)調(diào)整，可設(shè)置 t 的大小，其關(guān)系為： 為了便于移位計(jì)算， k 圓整成 256 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(guò)數(shù)字濾波前的原始信號(hào)來(lái)識(shí)別。微控制器把濾波后的信號(hào)、原始信號(hào)、 k的值、路面識(shí)別結(jié)果打包后，通過(guò) 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。 圖 數(shù)字濾波前 /后數(shù)據(jù)曲線 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 25 總結(jié) 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(hào)特性，并設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號(hào)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(guò) 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。 有 ESP 與只有 ABS 及 ASR 的 汽車 之間的差別在于 ABS 及 ASR 只能被動(dòng)地作出反應(yīng)，而 ESP 則能夠探測(cè)和分析 車 況并糾正駕駛的錯(cuò)誤，防患于未然。 ESP 對(duì)過(guò)度轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向特別敏感，例如汽車在路滑時(shí)左拐過(guò)度轉(zhuǎn)向 (轉(zhuǎn)彎太急 )時(shí)會(huì)產(chǎn)生向右側(cè)甩尾，傳感器感覺到滑動(dòng)就會(huì)迅速制動(dòng)右前輪使其恢復(fù)附著力 ,產(chǎn)生一種相反的轉(zhuǎn)矩而使汽車保持在原來(lái)的車道上 。主動(dòng)性是它最大的獨(dú)特之處。 ESP 是世界上最先進(jìn)的主動(dòng)安全技術(shù)之一，搭載 ESP 系統(tǒng)會(huì)大大提高汽車的安全性，這也是今后剎車控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。現(xiàn)在只有在高檔車上才配備這種系統(tǒng)，隨著汽車一步步的發(fā)展，必將有更多的車使用這種技術(shù)。 目前在道路安全情況嚴(yán)峻的中國(guó)， ESP 系統(tǒng)的搭載率卻只有3％，這是個(gè)讓人憂慮的現(xiàn)象，筆者希望中國(guó)的有車一族和汽車廠商能充分認(rèn)識(shí)主動(dòng)安全系統(tǒng)的功能及作用，盡快提高國(guó)內(nèi) ESP 系統(tǒng)的配備率，讓我們的汽車更加安全。 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 26 致謝 此次畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)位論文撰寫過(guò)程中，得到了多位老師、同學(xué)、朋 友的關(guān)心、指導(dǎo)和幫助。入學(xué)以來(lái)，各位老師一直以來(lái)的辛勤工作和教誨使我能順利地度過(guò)這難忘的四年，使我在綜合素質(zhì)提高、專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐工作能力等各方面受益匪淺。 在此，衷心地感謝我的指導(dǎo)教師胡翠華！她豐富的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和全面的指導(dǎo)，對(duì)我啟發(fā)頗多，收獲頗豐。 感謝四年以來(lái)眾多同學(xué)和朋友的幫助，大家一起在緊張的學(xué)習(xí)之余度過(guò)了許多愉快的時(shí)光。 感謝父母多年以來(lái)的關(guān)愛！ 汽車 ESP 傳感器的接口設(shè)計(jì) 27 參考文獻(xiàn) [1]. Anton T. Van Zanten, Rainer Erhardt, Klaus Landesfeind and Ge Pfaff, VDC systems Development and Perspective, SAE Paper 980235，2021 [2]. Anton T. Van Zanten, Robert Bosch GmbH, Evolution of Electronic Control System for Improving the Vehicle Dynamic Behavior, AVEC39。02, 20214481， 2021 [3]. Dongshin Kim, Kwangil Kim, Woogab Lee, Development of Mando ESP, SAE TECHNICAL PAPER SERIES, (SP1781) 2021010101 。 2021 [4]. 陳在峰 , 宋健 , 于良耀 . 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)輪速傳感器信號(hào)處理 . 汽車工程 . 2021(22),4:282285.