汽車ESP系統(tǒng)中傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及信號(hào)特性分析

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(duì)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(cè)試中得到驗(yàn)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(jì)算方向盤轉(zhuǎn)角的大小和轉(zhuǎn)角變化速率來識(shí)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(hào)，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(duì)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(cè)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(cè)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(hào)的變化計(jì)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(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(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1.0-1.4V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，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，再通過測(cè)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。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(jì)

本文所作設(shè)計(jì)的框圖如圖4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(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。

圖4 傳感器連接框圖

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(90°)的固定相位偏移，如圖5所示。通過檢測(cè)2路信號(hào)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(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，通過該信號(hào)，可對(duì)絕對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

圖5 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6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.

圖6 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器接口電路

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CAN發(fā)送給ECU。

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7所示。

圖7 輪速傳感器接口電路

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。

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(hào)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(hào)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。

調(diào)整圖8中各個(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.

圖8 橫擺角速度、縱向/橫向加速度傳感器接口電路

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(hào)來識(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(duì)比曲線。

圖9a 數(shù)字濾波前的數(shù)據(jù)曲線 圖9b 數(shù)字濾波后的曲線

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(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。