詳解車(chē)輛穩(wěn)定控制系統(tǒng)及典型故障案例(二)

◆文/北京 楊老師

楊老師(楊波）

汽車(chē)維修高級(jí)技師、機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)維修工程師。從事汽車(chē)維修工作近20年，先后擔(dān)任現(xiàn)代、通用4S店技術(shù)總監(jiān)、日德等外資車(chē)企的技術(shù)培訓(xùn)講師。具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，在汽車(chē)電控診斷領(lǐng)域有著豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)到的維修見(jiàn)解。現(xiàn)在某外資車(chē)企擔(dān)任技術(shù)支持工程師。

(接上期)

上期，我們介紹了ABS、ASR、打滑率、車(chē)速來(lái)源等內(nèi)容，接下來(lái)我們?cè)賮?lái)聊聊車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)控制原理。

5.車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)原理

對(duì)于車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的原理，各車(chē)廠或供應(yīng)商的說(shuō)法各異。根據(jù)筆者的理解，簡(jiǎn)而言之：車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)模塊借助方向盤(pán)轉(zhuǎn)向信號(hào)和車(chē)速信號(hào)計(jì)算出合理的車(chē)身慣性目標(biāo)值，根據(jù)慣性、輪速傳感器檢測(cè)到實(shí)際的車(chē)身姿態(tài)，兩者進(jìn)行對(duì)比后，通過(guò)對(duì)動(dòng)力輸出進(jìn)行修正或采取額外的制動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定車(chē)身姿態(tài)的控制。其控制邏輯，如下圖5所示。

圖5　車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制邏輯

從常規(guī)意義來(lái)講，我們常說(shuō)的車(chē)輛不穩(wěn)定的狀態(tài)多是指橫向(側(cè)向)方面的不穩(wěn)定，其常見(jiàn)表現(xiàn)形式有轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過(guò)度兩種。簡(jiǎn)單理解，轉(zhuǎn)向不足就是“轉(zhuǎn)不過(guò)來(lái)了”，轉(zhuǎn)向過(guò)度就是“轉(zhuǎn)過(guò)頭了”。圖6所示為轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過(guò)度的效果圖。

圖6　轉(zhuǎn)向不足與轉(zhuǎn)向過(guò)度效果圖

車(chē)輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，車(chē)身控制模塊將采取不同的控制策略。轉(zhuǎn)向不足時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)增加內(nèi)側(cè)的制動(dòng)力，以減小轉(zhuǎn)向半徑；轉(zhuǎn)向過(guò)度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加外側(cè)的制動(dòng)力，以增大轉(zhuǎn)向半徑。增加向前的扭矩是減小制動(dòng)，增加向后的扭矩是增加制動(dòng)力。圖7所示的是車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制策略。

圖7　轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過(guò)度時(shí)的控制策略

當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)就會(huì)控制相關(guān)的電磁閥對(duì)各個(gè)車(chē)輛的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到車(chē)身行駛穩(wěn)定的目的。

常見(jiàn)的車(chē)身穩(wěn)定系統(tǒng)一般有12個(gè)電磁閥分別控制液壓閥體中的機(jī)械閥，進(jìn)行制動(dòng)油壓調(diào)節(jié)。每個(gè)車(chē)輪上的制動(dòng)分泵分別對(duì)應(yīng)一個(gè)常開(kāi)的進(jìn)口閥(IN)和一個(gè)常閉的出口閥(OUT)，這樣4個(gè)車(chē)輪就需要8個(gè)電磁閥(圖8)。因?yàn)槌Ｒ?guī)的汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)，從總泵分出來(lái)的是兩組制動(dòng)管路，總泵上的每條制動(dòng)管路為兩個(gè)車(chē)輪提供制動(dòng)壓力，或?yàn)榍昂蟛贾眯问健⒒驗(yàn)椤癤”型布置形式。為了實(shí)現(xiàn)壓力保持以及一些輔助功能(如坡道起步)，在總泵后的每條制動(dòng)管路上，又分別設(shè)置了一個(gè)常開(kāi)的吸壓閥和一個(gè)常閉的切斷閥。具體的液壓管路設(shè)計(jì)(僅以剎車(chē)總泵的一條管路為例)，如圖9所示。

圖8　車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的電磁閥

圖9　車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的油壓控制

此外，車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，遠(yuǎn)比ABS和ASR系統(tǒng)復(fù)雜。從上面介紹的控制原理及控制邏輯來(lái)看，對(duì)控制模塊軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的升級(jí)是不可能實(shí)現(xiàn)這些功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，就必需要知道的駕駛員意圖和實(shí)際車(chē)輛姿態(tài)，這樣才能去對(duì)比目標(biāo)和實(shí)際狀態(tài)的差異，以便控制輸出的制動(dòng)壓力。

因此，從系統(tǒng)配置來(lái)講，要想車(chē)輛實(shí)現(xiàn)車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)的功能，除了裝備ABS系統(tǒng)所需的輪速傳感器外，還必須有方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器和慣性傳感器。

(1)輪速傳感器

輪速傳感器為ABS、DSC等各個(gè)子系統(tǒng)提供最關(guān)鍵的基礎(chǔ)信息，控制模塊就是靠這個(gè)傳感器提供的信息來(lái)計(jì)算車(chē)速的。早期的輪速傳感器多為磁感應(yīng)式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是低速時(shí)精度不高。它提供的是交流電壓的模擬信號(hào)，容易受到磁性物質(zhì)干擾。另外，模塊接收信號(hào)后必須整流、濾波才能測(cè)算出輪速。圖10為磁感應(yīng)式輪速傳感器的結(jié)構(gòu)以及信號(hào)波形。

圖10　磁感應(yīng)式輪速傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)

目前，汽車(chē)上使用最多的輪速傳感器是霍爾式的，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、可以識(shí)別輪胎旋轉(zhuǎn)方向，且信號(hào)多為數(shù)字方波信號(hào)。另外，也有一些是電流型霍爾傳感器。圖11為霍爾式輪速傳感器的信號(hào)發(fā)生原理及信號(hào)波形。

圖11　霍爾式輪速傳感器結(jié)構(gòu)及信號(hào)

具體是哪一種輪速傳感器，可查閱各車(chē)型的維修手冊(cè)。需要強(qiáng)調(diào)的是：輪速信號(hào)是現(xiàn)代汽車(chē)控制系統(tǒng)的重要參數(shù)，不僅僅是車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)需要輪速信息，其他控制系統(tǒng)也需要輪速信號(hào)的支持。

(2)轉(zhuǎn)角傳感器

方向盤(pán)轉(zhuǎn)向角代表的是駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。很多車(chē)型的轉(zhuǎn)角信號(hào)是來(lái)自方向盤(pán)下側(cè)的轉(zhuǎn)向角傳感器(圖12所示)。從工作原理來(lái)看，轉(zhuǎn)角傳感器分為滑動(dòng)電阻型、光電型、電磁感應(yīng)型、霍爾型等。限于篇幅，各種類(lèi)型轉(zhuǎn)角傳感器的工作原理在此就不一一贅述。但是，需要特別強(qiáng)調(diào)的是：有些車(chē)廠為了降低配件成本，避免不必要的重復(fù)配件安裝，一些車(chē)型取消了安裝在方向盤(pán)下側(cè)轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向角傳感器，采集的是來(lái)自電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角信號(hào)。

圖12　轉(zhuǎn)向角傳感器

另外，一些高端車(chē)型帶有主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，車(chē)輛的實(shí)際轉(zhuǎn)向角不僅僅是由方向盤(pán)轉(zhuǎn)角所決定的，而是需要疊加一個(gè)主動(dòng)轉(zhuǎn)向修正角。

(3)慣性傳感器

一般常規(guī)車(chē)輛上的慣性傳感器包含三個(gè)信號(hào)：左右橫向加速度G、前后縱向加速度G以及測(cè)量車(chē)輛旋轉(zhuǎn)角速度的偏航速度。早期的慣性傳感器是由加速度計(jì)和角速度計(jì)兩個(gè)部件組成，近些年由于電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，幾乎所有的慣性信號(hào)都集成在一個(gè)傳感器模塊中，甚至有些車(chē)輛的慣性傳感器中還集成了垂直加速度G信號(hào)。如筆者所熟知的BMW車(chē)型，目前大部分的慣性型號(hào)都來(lái)自底盤(pán)集成模塊ICM內(nèi)部，其傳感器檢測(cè)的信號(hào)如圖13所示。

圖13　寶馬集成在ICM模塊中的慣性信號(hào)

絕大部分車(chē)型的慣性傳感器都安裝在車(chē)輛的重心位置，也就是中央儀表臺(tái)的下側(cè)，但也有極個(gè)別車(chē)型(主要是日系)卻慣性傳感器集成到了車(chē)身穩(wěn)定控制模塊中，而這個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)的模塊卻安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的側(cè)面。慣性傳感器不放在車(chē)輛重心位置，系統(tǒng)將如何準(zhǔn)確檢測(cè)車(chē)輛重心偏轉(zhuǎn)角度？對(duì)于這個(gè)疑問(wèn)，筆者曾咨詢(xún)過(guò)該車(chē)型廠商的工程師，得到的答復(fù)是：系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器的位置與車(chē)輛重心位置之間的距離和角度，通過(guò)軟件的計(jì)算，從而準(zhǔn)確測(cè)算出車(chē)身實(shí)際的偏轉(zhuǎn)角度。

另外，由于車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)通訊的日益發(fā)展，許多車(chē)型不再單獨(dú)設(shè)置慣性傳感器，而是把慣性傳感器的信號(hào)功能集成到了氣囊模塊。因?yàn)闅饽夷K需要監(jiān)控車(chē)輛的G信號(hào)，所以就無(wú)需再單獨(dú)設(shè)置慣性傳感器，從而進(jìn)一步降低車(chē)輛的硬件成本。無(wú)論慣性傳感器是以何種形式存在的，都是為了給車(chē)身控制模塊提供反應(yīng)車(chē)輛實(shí)際運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的信號(hào)。

由于不同品牌、不同車(chē)型所采用的慣性傳感器的類(lèi)型各不相同，其結(jié)構(gòu)和工作原理也千差萬(wàn)別，本文就不一一詳細(xì)介紹。

穩(wěn)定控制模塊除了直接獲取上述傳感器提供的信號(hào)外，還會(huì)通過(guò)其他系統(tǒng)獲取交互信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛扭矩進(jìn)行管理及控制。如：車(chē)身控制模塊會(huì)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)獲取油門(mén)踏板信號(hào)、分動(dòng)器的四驅(qū)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)、變速器擋位以及換擋信號(hào)等。也就是說(shuō)：現(xiàn)代汽車(chē)的車(chē)身穩(wěn)定系統(tǒng)，不僅僅是簡(jiǎn)單的側(cè)向、側(cè)滑管理和縱向剎車(chē)、加速控制系統(tǒng)。從廣義的角度來(lái)講，車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)只是整個(gè)車(chē)輛動(dòng)態(tài)行駛管理系統(tǒng)(圖14)中的一部分，它負(fù)責(zé)車(chē)輛在前后方向和左右旋轉(zhuǎn)方向上的動(dòng)態(tài)控制。

圖14　車(chē)輛動(dòng)態(tài)行駛管理系統(tǒng)

當(dāng)然，我們也必須清楚，無(wú)論是高檔車(chē)型還是常見(jiàn)車(chē)型，車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)都算是龐大、復(fù)雜、且包含諸多子系統(tǒng)的主動(dòng)安全系統(tǒng)。

下期我們將重點(diǎn)介紹車(chē)身穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的子系統(tǒng)及其控制邏輯。