汽車(chē)ESP用傳感器及其接口技術(shù)

1、汽車(chē)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(chē)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(chēng)為汽車(chē)動(dòng)力學(xué)控制（vdc），現(xiàn)在博世、梅賽德奔馳公司稱(chēng)為esp；豐田公司稱(chēng)為汽車(chē)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（vsc）、汽車(chē)穩(wěn)定性輔助系統(tǒng)（vsa）或者汽車(chē)電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（esc）；寶馬公司稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)（dsc）。盡管名稱(chēng)不盡相同，但都是在傳統(tǒng)的汽車(chē)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

2、分布和幅度，以便控制任何路況下汽車(chē)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(chē)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，還有大量的工作要做。 圖1所示為汽車(chē)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(pán)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(chē)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(chē)測(cè)試中得到驗(yàn)證。 二、esp常用傳感器介紹 如圖1、圖2所示，esp常用的傳感

3、器如下。 1方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器 esp通過(guò)計(jì)算方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的大小和轉(zhuǎn)角變化速率來(lái)識(shí)別駕駛員的操作意圖。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器將方向盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)角一般是根據(jù)光電編碼來(lái)確定的，安裝在轉(zhuǎn)向柱上的編碼盤(pán)上包含了經(jīng)過(guò)編碼的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)角等信息。這一編碼盤(pán)上的信息由接近式光電耦合器進(jìn)行掃描。接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)并且方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，處理器可以通過(guò)脈沖序列來(lái)確定當(dāng)前的方向盤(pán)絕對(duì)轉(zhuǎn)角。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器與ecu的通訊一般通過(guò)can總線(xiàn)完成。 2橫擺角速度傳感器 橫擺角速度傳感器檢測(cè)汽車(chē)沿垂直軸的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)的大小代表汽車(chē)的穩(wěn)定程度。如果偏轉(zhuǎn)角速度達(dá)到一個(gè)閾值，說(shuō)明汽車(chē)

4、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(chē)?yán)@垂直方向軸線(xiàn)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(guò)輸出信號(hào)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(chē)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(chē)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1.01.4v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。 4

5、輪速傳感器 在汽車(chē)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(chē)輪總成的非旋轉(zhuǎn)部分（如轉(zhuǎn)向節(jié)或軸頭）上，與隨車(chē)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(chē)輪轉(zhuǎn)速成正比， ecu采用專(zhuān)門(mén)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(chē)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(xiàn)與ecu通訊。如圖3為sime

6、ns vdo公司和bei公司生產(chǎn)的傳感器總成。 博世公司為了增加新的esp功能和為了更好的控制整車(chē)的穩(wěn)定性系統(tǒng)，如山地保持控制（hhc）和線(xiàn)控（sbw），提出了模塊化的hw和sw概念，開(kāi)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) 本文所作設(shè)計(jì)的框圖如圖4所示。在圖中，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器信號(hào)經(jīng)微控制器處理后，通過(guò)can總線(xiàn)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(lèi)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，

7、需要微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)can總線(xiàn)傳送數(shù)據(jù)，本文選用infineon公司的sak-c164ci。該芯片是專(zhuān)為汽車(chē)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。 . 1方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器接口 方向盤(pán)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(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(pán)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(pán)轉(zhuǎn)角傳感器有一個(gè)

8、零位輸出信號(hào)，當(dāng)方向盤(pán)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(xiàn)校準(zhǔn)。 c164ci與方向盤(pán)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(pán)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(pán)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。 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。 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(hào)特點(diǎn)，設(shè)

9、計(jì)接口電路如圖7所示。 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。 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(chē)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(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(mǎn)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(chē)運(yùn)行過(guò)程中，

10、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(xiàn)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。 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(xiàn)發(fā)送給ecu。圖9a和9b分別為顛簸路面實(shí)車(chē)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(xiàn)。 四、結(jié)語(yǔ) 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)

11、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(xiàn)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(chē)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。 參考文獻(xiàn)： 1. anton t. van zanten, rainer erhardt, klaus landesfeind and georg pfaff, vdc systems development and perspective, sae paper 980235 2. anton t. van zanten, robert bosch gmbh, evolution of electronic control system for improving the vehicle dynamic behavior, avec'02, 20024481 3