《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 業(yè)界動(dòng)態(tài) > 汽車ESP傳感器及其接口技術(shù)詳解

汽車ESP傳感器及其接口技術(shù)詳解

2008-08-05
作者:于良耀 吳凱輝 宋健
一、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)對這一系統(tǒng)的命名不盡相同,如博世" title="博世">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)" title="控制系統(tǒng)">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,。



圖1所示為汽車ESP的構(gòu)成示意圖,,其電子部件主要包括電子控制單元(ECU)、方向盤傳感器,、縱向加速度傳感器" title="加速度傳感器">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" title="輪速傳感器">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常用的傳感器如下,。

1.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,,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,。

2.橫擺角速度傳感器

橫擺角速度傳感器檢測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,,正的加速度對應(yīng)正的電壓變化,負(fù)的加速度對應(yīng)負(fù)的電壓變化,,每1.0~1.4V對應(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.輪速傳感器

在汽車上檢測輪速信號時(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,。當(dāng)齒圈相對傳感器轉(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,,這種交變電壓的頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比,, ECU采用專門的信號處理電路將傳感器信號轉(zhuǎn)換為同頻率的方波,再通過測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。



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,。

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,,方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號經(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對輪速傳感器信號的實(shí)時(shí)性要求較高,故經(jīng)過信號調(diào)理后,,直接送入ECU(圖4中C),。在圖4的A和B中,需要微處理器對信號進(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,、輸入信號捕捉、正交解碼器,,運(yùn)算速度快,,非常適合ESP的傳感器信號處理。



1.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2路信號的相位關(guān)系可以判斷為順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向,,并據(jù)此對信號進(jìn)行加/減計(jì)數(shù),從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)累計(jì)值,,也即方向盤的絕對轉(zhuǎn)角,,而轉(zhuǎn)角的變化率即角速度,則可通過信號頻率測出,。另外,,方向盤轉(zhuǎn)角傳感器有一個(gè)零位輸出信號,當(dāng)方向盤在中間位置時(shí),,該信號輸出0V,,否則輸出5V,通過該信號,,可對絕對轉(zhuǎn)角進(jìn)行在線校準(zhǔn),。



C164CI與方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的接口電路" title="接口電路">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,,則絕對轉(zhuǎn)角為,。



對(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,。

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特點(diǎn),設(shè)計(jì)接口電路如圖7所示,。



電路采用兩級濾波和整形,,以保證輪速信號在極低轉(zhuǎn)速下不會(huì)丟失,同時(shí)避免因懸架振動(dòng)引起的信號干擾,。圖中由電阻R2引入第一級遲滯比較,,而使用74HC14引入第二級遲滯比較。

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,,由于汽車顛簸造成的信號波動(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,,則通過數(shù)字濾波前的原始信號來識別。微控制器把濾波后的信號,、原始信號,、k的值、路面識別結(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比曲線。



四,、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)及信號特性,,并設(shè)計(jì)了各個(gè)傳感器的信號處理接口,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,。
本站內(nèi)容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外,,轉(zhuǎn)載內(nèi)容只為傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)站贊同其觀點(diǎn),。轉(zhuǎn)載的所有的文章,、圖片、音/視頻文件等資料的版權(quán)歸版權(quán)所有權(quán)人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內(nèi)容無法一一聯(lián)系確認(rèn)版權(quán)者,。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題,,請及時(shí)通過電子郵件或電話通知我們,,以便迅速采取適當(dāng)措施,避免給雙方造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,。聯(lián)系電話:010-82306118,;郵箱:[email protected]