車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)邏輯及實車測試分析

王振業(yè)，儲軍，劉萬喜，高松

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)邏輯及實車測試分析

王振業(yè)，儲軍，劉萬喜，高松

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP）已經(jīng)廣泛用于國內(nèi)外汽車市場，基于此本文對于該系統(tǒng)的控制邏輯、IO系統(tǒng)關(guān)系進行分析和說明，并且通過實車在典型路面上能夠觸發(fā)ESP功能的測試進行曲線分析，體現(xiàn)出ESP功能的作用及其重要性，并且引起人們對于該系統(tǒng)的重視。

車身穩(wěn)定控制；期望軌跡；實際軌跡；信號；失控

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.047

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-136-04

引言

汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展為主動安全技術(shù)帶來了全新的理念，各種主動安全控制裝置相繼出現(xiàn)，并很快成為滿足乘坐舒適、操縱方便和改善汽車主動安全性、減少車輛交通事故的有效手段[1]。作為主動安全系統(tǒng)中的重要組成，電子智能化的制動系統(tǒng)勢在必行。

打滑的車輛可以通過對單個車輪的特殊制動、降低發(fā)動機扭矩和正確的轉(zhuǎn)向來保持穩(wěn)定性，到2003年，自動制動調(diào)整和自動降低發(fā)動機扭矩已經(jīng)實現(xiàn)，而自動轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)仍處在發(fā)展階段。雖然剎車防抱死系統(tǒng)（ABS）和牽引控制（ASR）對改善車輛安全做出了突出貢獻，但近幾年興起的車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESP/ESC）似乎顯得更加盡職盡責(zé)[2]，不僅將ABS、TCS以及EBD功能集成進去，更有較為先進的子功能如坡起輔助功能（HSA）、陡坡緩降功能（HDC）、液壓輔助制動功能（HBA）等?？此莆寤ò碎T的功能，讓人感覺實用性不強，但是這些功能的應(yīng)用確實能夠提高我們?nèi)粘ｑ{駛甚至突發(fā)工況下的安全。

1、ESP功能邏輯

ESP檢測轉(zhuǎn)向角度，橫向加速度，橫擺角速度，判斷車輛實際行駛姿態(tài)，同時根據(jù)動力學(xué)模型計算理想行駛軌跡，并對兩者進行比較判斷車輛是不足轉(zhuǎn)向還是過度轉(zhuǎn)向，通過對相應(yīng)車輪施加合適的壓力和控制發(fā)動機扭矩，來避免汽車不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向[3]。

1.1IO系統(tǒng)邏輯

通過IO邏輯圖可以看出ESP系統(tǒng)在接收到四輪的輪速傳感器信號、內(nèi)置的側(cè)向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器信號以及 CAN網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)動機扭矩信號、方向盤轉(zhuǎn)角信號之后，由內(nèi)部ECU對信號做處理，再通過控制液壓單元HCU以及給發(fā)動機 EMS輸出請求信號，最后將由制動器和發(fā)動機來對車輛進行控制[4]。

圖1　ESP模塊IO系統(tǒng)邏輯框圖

1.2ESP系統(tǒng)控制原理

ESP偵測駕駛意圖:方向盤的位置+車輪速度+油門位置+制動壓力= ECU識別駕駛意圖。在駕駛員實際操作過程中，對應(yīng)的傳感器通過硬線或者CAN線將信號傳遞給ESC，利用理想車輛動力學(xué)模型計算出理想的行駛軌跡[5]。

ESC識別車輛的狀態(tài)：橫擺角速度+側(cè)向力（加速度）= ECU 計算并識別車輛的狀態(tài)ESC內(nèi)置慣量傳感器將車輛當(dāng)前的橫擺角速度和側(cè)向加速度通過計算，得出車輛的當(dāng)前狀態(tài)。ESC將理想行駛軌跡和實際狀態(tài)進行對比，判斷車輛是否處于穩(wěn)定，通過對比進行調(diào)整，起到穩(wěn)定車輛理想軌跡的作用。具體邏輯示意圖參見圖2。

圖2　ESP控制原理邏輯示意圖

1.3ESP系統(tǒng)液壓單元控制原理

ESP系統(tǒng)在 ABS系統(tǒng)液壓單元的基礎(chǔ)上增加了高壓閥（圖示中3號元件）和回路控制閥（圖示中4號元件）。ABS系統(tǒng)可以通過控制輸入閥和輸出閥的工作防止車輛抱死，ESP系統(tǒng)功能更加強大，它增加的高壓閥和回路控制閥可以直接控制四輪的輪缸壓力，在監(jiān)測到車輛軌跡偏差后無需進行制動，由內(nèi)部ECU控制閥體對能夠維持期望軌跡的單個車輪輪缸施壓，矯正車輛的實際行駛軌跡，按照駕駛員的意圖行駛。在接下來的實車典型路面測試中，我們將會通過測試記錄（簡稱Trace）的曲線圖來觀測到關(guān)鍵信號對ESP系統(tǒng)的影響和對于車輛單個車輪輪缸壓力的控制。

圖3　ESP模塊液壓控制單元原理圖

2、實車測試分析

針對低附及高附路面的動態(tài)測試，可以更加直觀的監(jiān)測到 ESP系統(tǒng)作用，通過對這些路面的曲線分析，了解 ESP系統(tǒng)功能執(zhí)行的信號源以及調(diào)整方式。

2.1干瀝青路面下自由滾動雙變道

圖4　干瀝青路面自由滾動雙變道曲線圖

通過曲線可以看出，車輛自由滾動情況下方向盤轉(zhuǎn)角從0°發(fā)生變化，即車輛此時開始進行變道，同時橫向加速度和橫擺角速度信號也開始變化，滿足控制邏輯的信號輸入。在轉(zhuǎn)角達到-220°（即車輛朝右行駛）后開始進行反向操作，車輛再次換道，此時由于轉(zhuǎn)角的明顯變化極易出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象。在Trace中我們發(fā)現(xiàn)VDC動態(tài)信號在轉(zhuǎn)角由-220°到220°變化期間發(fā)生變化：由0置1即ESP功能開始啟動，此時左前輪的輪缸壓力升高；隨著轉(zhuǎn)角的再次變化，右后輪的輪缸壓力開始增加。通過對曲線圖4的監(jiān)測，我們可以確定車輛在進行雙變道操作。在這種操作工況下ESP系統(tǒng)根據(jù)實際行駛軌跡與期望軌跡的差異對單一車輪的輪缸壓力進行調(diào)節(jié)，糾正車輛當(dāng)前行駛軌跡，避免出現(xiàn)甩尾和失控的現(xiàn)象。在此過程中我們也能夠發(fā)現(xiàn)車輪并沒有出現(xiàn)抱死和明顯變化，說明系統(tǒng)在整個行駛過程中將保持車輛的滑移率，防止制動性能的下降。

2.2壓實雪面下自由滾動雙變道

壓實雪面下進行的測試也是在自由滾動狀態(tài)下開始變道，轉(zhuǎn)角達到200°，在轉(zhuǎn)角進行反向變化（200°至-200°）過程中，VDC動態(tài)信號開始跳變（由0置1）此時ESP功能啟動。ESP根據(jù)橫擺角速度信號變化分別對四輪的輪缸壓力做出調(diào)整，在判斷車輛即將出現(xiàn)朝左后方甩尾的現(xiàn)象后，左后輪輪缸壓升高至 20bar，產(chǎn)生一個逆時針的力矩將車尾朝左側(cè)糾正；轉(zhuǎn)角在持續(xù)變化過程中右后輪也開始進行增壓調(diào)節(jié)。在整個雙變道過程中，通過對車輛運行軌跡的期望值與實際值對比分析后調(diào)整四輪輪缸壓力，進而控制車身在行駛過程中發(fā)生轉(zhuǎn)向過度引起的甩尾。在Trace中可以看出盡管在壓實雪面這種極易打滑的路況下，四輪的輪速一直趨于一致，期間的左前輪和右前輪會出現(xiàn)短暫性的速度差異，但這不會影響整車的行駛性能。

圖5　壓實雪面下自由滾動雙變道曲線圖

2.3壓實雪面，ABS制動雙變道

圖6　壓實雪面下ABS制動雙變道曲線圖

在壓實雪面這種低附著路面上，車輛極易出現(xiàn)失控現(xiàn)象，在此路面進行ABS制動的同時進行變道，同樣會觸發(fā) ESP功能。由Trace曲線圖可以看出在觸發(fā)ABS防抱死功能后，ESP會控制到車輪的滑移率在10%-35%范圍內(nèi)，四輪的輪缸壓力不斷進行調(diào)整。此時開始進行變道，由轉(zhuǎn)角變化引起橫擺角速度發(fā)生變化時，VDC工作信號由0置1即ESP功能觸發(fā)，這時會發(fā)現(xiàn)右后輪的輪缸壓力和左后輪的輪缸壓力會出現(xiàn)一個極為明顯的變化，ESP根據(jù)橫擺角速度和側(cè)向加速度計算出車輛的狀態(tài)，在判斷車輛有向右甩尾意圖時對右后輪的輪缸進行增壓，給車輛一個順時針力矩來保持車身穩(wěn)定。在此曲線中也可發(fā)現(xiàn)具有 ABS功能的車輛在制動狀態(tài)下依然可以進行方向的控制，并且在ABS與ESP起作用的整個過程中四輪的輪速始終保持一致。

2.4壓實雪面下全油門的環(huán)道駕駛

圖7　壓實雪面下全油門環(huán)道曲線圖

環(huán)道的測試比起變道會緩和很多，角度變化在此路況下并不劇烈，但是由于壓實雪面這種低附路面的特殊情況，依舊會有車輛失控的風(fēng)險存在。我們在轉(zhuǎn)彎半徑為110的環(huán)道雪面進行測試，根據(jù)車輛行駛的Trace曲線可以看出，各個信號曲線都很平穩(wěn)，在監(jiān)測到縱向加速度和橫擺角速度信號發(fā)生變化時，VDC工作信號由0置1即ESP功能開始作用。此時會發(fā)現(xiàn)右前輪和右后輪的輪缸壓力開始增加，也就是說車輛在彎道外側(cè)的兩輪通過調(diào)節(jié)其輪缸壓力，從而施加一個順時針的力矩，防止車輛由于附著力不足導(dǎo)致的向右側(cè)甩尾，。在測試全過程中車輛始終能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)，四輪輪速也保持一致，充分的體現(xiàn)出了ESP功能的重要性。

2.5干瀝青路面下全油門蛇形繞樁駕駛

圖8　干瀝青路面下全油門蛇形繞樁曲線圖

最后對駕駛技術(shù)要求較高的蛇形繞樁進行測試，在干瀝青的路面上不存在附著力不足的情況，車輛穩(wěn)定性會比較好，但在全油門的蛇形繞樁過程中由于轉(zhuǎn)角的不斷改變，車速也未減慢，車輛會有轉(zhuǎn)向不足或者轉(zhuǎn)向過度的情況。如若出現(xiàn)此類情況，對于駕駛技術(shù)的要求會大大增加，駕駛員對車輛行駛軌跡的判斷能力和修正能力會有很高的要求。在測試過程中，根據(jù)Trace曲線圖可以看出，在方向不斷變化的前提下，車輛橫擺角速度會和轉(zhuǎn)角同步變化，VDC工作信號也會隨之進行相應(yīng)的跳變，ESP的作用會在其中體現(xiàn)出來。在每一次ESP起作用的時候，相對應(yīng)的車輛輪缸壓力會有明顯變化。在ESP的功能干預(yù)下，車輛能夠保持良好的循跡性，服從駕駛員的操作意圖。

根據(jù)我們在各種典型路況下對車輛的測試，會發(fā)現(xiàn)ESP功能都會起到較為重要的作用，避免車輛失控現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3、總結(jié)

隨著社會的不斷發(fā)展，汽車已經(jīng)變?yōu)橐环N生活必需品，易駕和智能化也已逐漸成為客戶選購車輛的重要條件之一，而在新車型的開發(fā)過程中也不斷的將客戶的需求作為產(chǎn)品定型的要素。在經(jīng)歷了傳統(tǒng)制動、ABS防抱死功能和TCS牽引力控制功能的介入之后，性能更加突出、功能更加全面的ESP技術(shù)應(yīng)用越來越多，從開始進口合資品牌的高配車型才能見到逐漸變?yōu)閹缀踉谧灾髌放菩律囆蜕蠘?biāo)配，說明客戶和市場已經(jīng)接受并認可了它，并且在車輛處于危險狀態(tài)時能夠及時進行補救，降低了交通事故的發(fā)生率，挽救許多人的生命[6]。相信在未來，隨著科技的不斷進步，駕駛輔助各項先進技術(shù)的成熟應(yīng)用會使我們能夠做出更加智能和安全的車輛。

[1] 劉晶郁,李曉霞.汽車安全與法規(guī)[M].4版.北京:人民交通出版社,2005.8.

[2] 林揚.庖丁解車[M]深圳:海天出版社,2006.

[3] 劉超,何平,顧國磊，等.基于線控4WS車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014（8）:461-463.

[4] 李亮,宋健,祁雪樂.汽車動力學(xué)穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006,37（2）：141-144.

[5] 繞運濤，鄒繼軍，王進宏，等.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].2 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[6] 張巖,劉萬喜,應(yīng)卓凡,等.淺析轎車自動駐車保持功能開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015,53(6):59-62.

Logic of Electronic Stability Program and commissioning test

Wang Zhenye, Chu Jun, Liu Wanxi, Gao Song
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Heifei 230601 )

Electronic Stability Program(ESP)has been widely used in domestic and international automobile market. Based on it, the article is aimed at analyzing and explaining the control logic of the system and IO system. Furthermore, the article also reflect the role and significance of ESP function and cause people to pay more attention to the system, through analysis the vehicle on the typical pavement triggering the function of ESP curve analysis.

Electronic Stability Program(ESP); Desired trajectory; The actual trajectory; Signal; Out of control.

王振業(yè)，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U467

A

1671-7988 （2016）06-136-04