車身穩定控制系統邏輯及實車測試分析

王振業，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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車身穩定控制系統邏輯及實車測試分析

王振業，儲軍，劉萬喜，高松

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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

車身穩定控制；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

汽車電子技術的快速發展為主動安全技術帶來了全新的理念，各種主動安全控制裝置相繼出現，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]。作為主動安全系統中的重要組成，電子智能化的制動系統勢在必行。

打滑的車輛可以通過對單個車輪的特殊制動、降低發動機扭矩和正確的轉向來保持穩定性，到2003年，自動制動調整和自動降低發動機扭矩已經實現，而自動轉向調節仍處在發展階段。雖然剎車防抱死系統（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定控制系統（ESP/ESC）似乎顯得更加盡職盡責[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。看似五花八門的功能，讓人感覺實用性不強，但是這些功能的應用確實能夠提高我們日常駕駛甚至突發工況下的安全。

1、ESP功能邏輯

ESP檢測轉向角度，橫向加速度，橫擺角速度，判斷車輛實際行駛姿態，同時根據動力學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向還是過度轉向，通過對相應車輪施加合適的壓力和控制發動機扭矩，來避免汽車不足轉向和過度轉向[3]。

1.1IO系統邏輯

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

圖1　ESP模塊IO系統邏輯框圖

1.2ESP系統控制原理

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模型計算出理想的行駛軌跡[5]。

ESC識別車輛的狀態：橫擺角速度+側向力（加速度）= ECU 計算并識別車輛的狀態ESC內置慣量傳感器將車輛當前的橫擺角速度和側向加速度通過計算，得出車輛的當前狀態。ESC將理想行駛軌跡和實際狀態進行對比，判斷車輛是否處于穩定，通過對比進行調整，起到穩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系統液壓單元控制原理

ESP系統在 ABS系統液壓單元的基礎上增加了高壓閥（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，在監測到車輛軌跡偏差后無需進行制動，由內部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鍵信號對ESP系統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測試，可以更加直觀的監測到 ESP系統作用，通過對這些路面的曲線分析，了解 ESP系統功能執行的信號源以及調整方式。

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角從0°發生變化，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，此時由于轉角的明顯變化極易出現甩尾現象。在Trace中我們發現VDC動態信號在轉角由-220°到220°變化期間發生變化：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系統根據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節，糾正車輛當前行駛軌跡，避免出現甩尾和失控的現象。在此過程中我們也能夠發現車輪并沒有出現抱死和明顯變化，說明系統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下開始變道，轉角達到200°，在轉角進行反向變化（200°至-200°）過程中，VDC動態信號開始跳變（由0置1）此時ESP功能啟動。ESP根據橫擺角速度信號變化分別對四輪的輪缸壓力做出調整，在判斷車輛即將出現朝左后方甩尾的現象后，左后輪輪缸壓升高至 20bar，產生一個逆時針的力矩將車尾朝左側糾正；轉角在持續變化過程中右后輪也開始進行增壓調節。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整四輪輪缸壓力，進而控制車身在行駛過程中發生轉向過度引起的甩尾。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，車輛極易出現失控現象，在此路面進行ABS制動的同時進行變道，同樣會觸發 ESP功能。由Trace曲線圖可以看出在觸發ABS防抱死功能后，ESP會控制到車輪的滑移率在10%-35%范圍內，四輪的輪缸壓力不斷進行調整。此時開始進行變道，由轉角變化引起橫擺角速度發生變化時，VDC工作信號由0置1即ESP功能觸發，這時會發現右后輪的輪缸壓力和左后輪的輪缸壓力會出現一個極為明顯的變化，ESP根據橫擺角速度和側向加速度計算出車輛的狀態，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定。在此曲線中也可發現具有 ABS功能的車輛在制動狀態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道駕駛

圖7　壓實雪面下全油門環道曲線圖

環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險存在。我們在轉彎半徑為110的環道雪面進行測試，根據車輛行駛的Trace曲線可以看出，各個信號曲線都很平穩，在監測到縱向加速度和橫擺角速度信號發生變化時，VDC工作信號由0置1即ESP功能開始作用。此時會發現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的兩輪通過調節其輪缸壓力，從而施加一個順時針的力矩，防止車輛由于附著力不足導致的向右側甩尾，。在測試全過程中車輛始終能夠維持穩定狀態，四輪輪速也保持一致，充分的體現出了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，車輛穩定性會比較好，但在全油門的蛇形繞樁過程中由于轉角的不斷改變，車速也未減慢，車輛會有轉向不足或者轉向過度的情況。如若出現此類情況，對于駕駛技術的要求會大大增加，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角同步變化，VDC工作信號也會隨之進行相應的跳變，ESP的作用會在其中體現出來。在每一次ESP起作用的時候，相對應的車輛輪缸壓力會有明顯變化。在ESP的功能干預下，車輛能夠保持良好的循跡性，服從駕駛員的操作意圖。

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

3、總結

隨著社會的不斷發展，汽車已經變為一種生活必需品，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，而在新車型的開發過程中也不斷的將客戶的需求作為產品定型的要素。在經歷了傳統制動、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技術應用越來越多，從開始進口合資品牌的高配車型才能見到逐漸變為幾乎在自主品牌新生代車型上標配，說明客戶和市場已經接受并認可了它，并且在車輛處于危險狀態時能夠及時進行補救，降低了交通事故的發生率，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的成熟應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[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車身穩定控制系統的設計[J].哈爾濱商業大學學報,2014（8）:461-463.

[4] 李亮,宋健,祁雪樂.汽車動力學穩定性控制系統的研究現狀與發展趨勢[J].農業機械學報，2006,37（2）：141-144.

[5] 繞運濤，鄒繼軍，王進宏，等.現場總線CAN原理與應用技術[M].2 版.北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[6] 張巖,劉萬喜,應卓凡,等.淺析轎車自動駐車保持功能開發[J].農業裝備與車輛工程,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，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U467

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1671-7988 （2016）06-136-04