ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)模擬設計

摘要：為了演示ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用，結合電子專業(yè)的技術知識，通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，并應用相關電手元器件，在玩具小車上模擬ESP的預險警示爭主動控制功能，實物運行效果良好。該設計思路和方法推廣應用可使更多學生受益。
關鍵詞：汽車主動安全；ESP；模擬仿真設計；加速度傳感器

0 引言
    ESP(Electronic Stability Program)是一種主動的智能安全系統(tǒng)，通過高度靈敏的傳感器時刻監(jiān)測汽車的行駛狀態(tài)，及時識別危險情況，使汽車恢復行使的穩(wěn)定。ESP系統(tǒng)最早由德國博世(BOSCH)公司于1997年研制成功，該公司的統(tǒng)計表明ESP在汽車上的應用使乘用車的交通事故率降低了20％～50％。近年來ESP在行車方面的卓越功效越來越得到人們的認可，世界范圍內新車的ESP裝配率顯著的提高，根據德國博世公司的統(tǒng)計，2005年德國新車ESP裝配率約為72％，西歐的新車平均裝配率約為44％，北美約為21％，日本約為15％，在2006年，我們國內的ESP的裝配率只有3％，遠遠低于歐美地區(qū)。而在2012年的今天，國內車輛的ESP裝備情況仍然不容樂觀，只有18％，僅達到韓國2006年的水平。相比于國外，國內汽車行業(yè)對汽車動力學穩(wěn)定性控制的研究起步較晚，國內ESP的裝配率還比較低，由于科學技術水平的差距，大多數學者對ESP的研究也只是停留理論研究和模擬仿真解決ESP系統(tǒng)的設計中所具體遇到的問題。同樣，這部分市場也完全掌握在外資企業(yè)手中，國內企業(yè)幾乎無法涉足，所以，要努力攻克ESP設計的理論與關鍵技術，對提高國產汽車的自主開發(fā)能力、縮短與發(fā)達國家的差距具有重要的現實意義。
    本文正是基于ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，結合電子專業(yè)的技術知識，通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動制動汽車的目的，并且應用相關電子元器件，在玩具小車上模擬ESP系統(tǒng)的預險警示和主動控制功能。該設計演示了ESP在提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用。

1 ESP控制汽車運動流程
    ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)是一種提高車輛曲線行駛穩(wěn)定性的主動安全系統(tǒng)。當出現異常情況時，ESP會根據實際情況作出反應，而不是盲目地服從于駕駛員，使汽車行駛安全性大大提高。ESP電腦計算出保持車身穩(wěn)定的理論值，與偏轉率傳感器和橫向加速度傳感器測的的數據進行比較，發(fā)出平衡糾偏指令，使汽車回到預定的軌道行駛，保持車輛正常行駛系統(tǒng)控制流程如圖1所示。

    基本控制程序如下所述：
    (1)汽車在正常行駛狀態(tài)下，ESP控制單元(圖中的ECU模塊)接受來自轉向盤角度傳感器和輪速傳感器的信號，經過計算和監(jiān)測，獲知駕駛員操縱汽車穩(wěn)定行駛的方向信息，并儲存這些數據。
    (2)ESP控制單元ECU同時接收來自橫擺角速度傳感器和橫向加速度傳感器的信號，經過計算，獲取實際車輛行駛的狀態(tài)。并將數據和(1)中監(jiān)測的數據進行對比，判斷汽車此時是否處于穩(wěn)定行駛狀態(tài)(駕駛員對汽車操控行駛的方向信息和穩(wěn)定行駛的方向信息對比一致則為汽車穩(wěn)定行駛狀態(tài))。
    (3)經過對比，如若兩者信息一致，則ESP控制單元判斷汽車此時處于安全行駛的穩(wěn)定狀態(tài)，ESP系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。如若兩者信息不一致，ESP控制單元判斷汽車此時處于非穩(wěn)定行駛狀態(tài)，ESP控制單元下達控制命令到執(zhí)行器(液壓調節(jié)單元)，通過對發(fā)動機的干涉，利用液壓執(zhí)行器對每個車輪進行制動，及時糾正車輛的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，確保人身安全。

2 ESP電子車身穗定系統(tǒng)的模擬設計
2．1 模擬設計的思路及原理分析
    根據ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的原理，ESP最大的特點在于它的主動性，能夠在發(fā)生危險時及時提醒駕駛員，起到事先提醒的作用。圖2為預警功能模塊電路板的設計流程圖，通過加速度傳感器的取值和預先設定的電壓值(模擬實際ESP系統(tǒng)電子控制單元的穩(wěn)定值)進行比較，根據實際模型小車的行駛情況，來判斷是向左加速還是向右加速，從而通過指示燈的亮滅給駕駛員發(fā)出警告，車輛出現的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)。

2．2 模擬設計的電路原理圖
    在汽車的實際行駛過程中，由于各種原因出現側滑或者轉向過度、躲避障礙物等突發(fā)情況，ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)會主動感知到汽車行駛的不穩(wěn)定狀態(tài)，電子控制單元通過對各個傳感器采集數據的分析和判斷，主動采取干預措施，防止發(fā)生意外事故。但在實際的測試中，由于實驗條件的差異性，無法模擬到真實汽車在遇險時的處理過程，主要是模擬小車在急速轉彎的情況下，實驗小車出現不穩(wěn)定性行駛狀態(tài)，ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)開始由待命狀態(tài)進入工作狀態(tài)。
    圖3是模擬處理采集信號的過程，依次對采集到的傳感器信號進行放大、比較處理，從而通過發(fā)光LED燈來判斷實驗小車的行駛狀態(tài)。

2．2．1 電壓放大模塊
    在該設計的模塊中，由于實驗小車的本身的速度的局限性通過加速度傳感器采集到的電壓信號較弱，需要對電壓信號進行放大。主要采用芯片LM324對模擬信號進行放大，便于后面的電壓比較器處理。由于采用的加速度傳感器芯片的特殊性質，在0 g或者靜止的情況下，輸出模擬電壓大概為1．2 V，經過電壓放大模塊以后，電壓由原來的1．2 V放大到1．8 V左右。由圖3可以看出，采用同相比例電壓放大，由管腳1輸出來的電壓就是1．8 V，根據設計的原理圖，由反饋回路上的兩電阻比值得知，運算放大倍數為3倍，由于實際測試的時候LM324運算放大器采用3 V直流電源供電，所以同相比例放大器沒有按照理論上的3倍進行放大，而僅僅放大了1．5倍，經過放大的1．8 V的模擬電壓信號經過濾波電路，接入到比較器的6管腳，與設定的電壓值進行比較。
2．2．2 電壓比較器模塊
    在電壓比較模塊中，選擇LM324芯片作為比較器，比較器正向輸入設定的電壓值，以此來模擬汽車在穩(wěn)定行駛時的數據，實際小車測到的實驗數據接入比較器負向輸入。理想狀態(tài)下，當實際測得電壓值小于設定的電壓時，比較器邏輯出高電平，則根據電路原理圖可知，LED1不發(fā)光，而LED2發(fā)光，相反，如果實際測得電壓數據大于設定的理論值，則比較器邏輯出低電平，此時LED1燈發(fā)光而LED2燈不發(fā)光。通過LED的亮滅，來判斷此時小車是否是加速度過大，是否是穩(wěn)定行駛的狀態(tài)。
    在測試過程中，由于電壓比較器的供電電壓也是3 V的直流電源，所以模塊一經上電，LED1就會點亮，表示電路工作正常，模擬實際汽車行駛的安全狀態(tài)，此時ESP不工作；當加速度傳感器感應到危險狀態(tài)，輸出模擬電壓較大電壓時，實驗小車不在預定的狀態(tài)行駛，此時LED2點亮，而LED1熄滅，LED2燈點亮發(fā)出警告此時小車處于不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，同時也預示，汽車的ESP系統(tǒng)要從待命狀態(tài)進入工作狀態(tài)。在實際演示過程中，經過多次試驗，設定的電壓值為1．8 V是比較合適的。
2．3 實驗制動模塊的模擬設計
    ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)在工作時，當ECU接收到輪速傳感器傳來的信號時，電子控制單元就會下達相關指令到執(zhí)行器一液壓調節(jié)器。液壓調節(jié)器通過控制各個車輪的制動回路，來主動調節(jié)汽車行駛的不穩(wěn)定狀態(tài)，及時糾正汽車的行駛方向，使汽車主動回到預定的行駛軌道，保證行車安全。
2．3．1 制動模塊模擬設計的原理分析
    考慮到實驗小車的驅動模塊已存在，無法對驅動模塊進行干涉，在模擬設計中，主要采用繼電器對小車的驅動后輪電機進行短暫的制動，繼電器主要起轉換電路的作用，通過三極管NPN9013的導通與截止，來控制繼電器工作，當繼電器工作時，繼電器線圈有電流通過，產生電磁力，吸引繼電器內部銜鐵轉換電路，切斷后輪電機的工作回路，電機停止工作；短暫的時間后，繼電器斷電，內部開關主動回到原來的位置，小車繼續(xù)工作。
2．3．2 制動模塊模擬設計的原理仿真圖
    該設計模塊主要模擬ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)在工作時，對汽車行駛狀態(tài)進行主動干涉效果。由圖4可知，當預險警示模塊得到邏輯高電平時，三極管基極得到高電平。此時三極管導通，繼電器線圈瞬間有電流通過，產生電磁力，吸合銜鐵，圖4中的繼電器內部開關由靜觸點換擋到動觸點，此時，電路導通，LED4燈點亮，表明有信號輸入，且信號為高電平。

    在實驗過程中，無法動態(tài)測試實驗小車制動模塊的電壓，只能通過繼電器的轉換電路功能來控制小車的后輪電機，將繼電器的公共端和靜觸點位置這兩段接入后輪電機的回路，以此來判斷小車是否被制動。而在電路圖的仿真過程中，由于硬件的原因，直觀看不到繼電器的內部開關有所變化，所以，將LED4燈接入電路，測試電路是否工作，LED4燈點亮，說明電路正常工作，見圖5。
    由模擬仿真圖可以看出，當小車出現急速轉彎的情況下，電壓比較器出邏輯高電平，LED2燈發(fā)光，依次警告駕駛員小車的不穩(wěn)定行駛狀態(tài)，高電平約為3．8 V，到達三極管基極電壓約為0．89 V，此時三極管導通，繼電器線圈兩端電壓約為4．9 V，由于繼電器的工作電壓是5 V，繼電器線圈有電流通過，產生電磁力，繼電器內部的銜鐵由靜觸點變換到動觸點，由于公共端接6 V電壓，電路導通，LED4發(fā)光，此時表示繼電器完成制動。當實驗小車正常行駛時，即電壓比較器出低電平，此時，三極管截止，繼電器的線圈無電流通過，繼電器保持原始態(tài)。
2．3．3 實驗小車的實物圖
    實驗小車的實物如圖6所示。

3 結語
    本文介紹了ESP電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理和控制流程，將理論與實踐結合，模擬出ESP系統(tǒng)在行車過程中的功效。通過設計電路圖以及對電路圖的仿真，從理論上達到了ESP系統(tǒng)警示駕駛員和主動制動汽車的目的。在模擬設計的警示模塊中，對加速度傳感器采集到的模擬信號進行放大、比較處理，得到高低邏輯電平，當出現邏輯低電平時，表示ESP系統(tǒng)處于待命狀態(tài)；當出現邏輯高電平時，相應的LED燈點亮，表示ESP系統(tǒng)從待命狀態(tài)進入工作狀態(tài)。此時制動模塊接收到命令，開始對小車的行駛狀態(tài)進行干涉，繼電器轉換電路，內部銜鐵由靜觸點變換到動觸點，切斷小車后輪電機的驅動回路，達到制動目的。
    由于實驗條件的局限性以及理論與實踐的差距，實驗小車在急速轉彎行駛過程中，加速度傳感器捕捉到危險信號的時間較短，LED燈瞬間點亮，繼電器工作切斷驅動回路，制動小車，此時再控制小車運動，只能通過信號指示燈來判斷是想要前行還是后退。
    總之本文利用較簡單的設計思想實現了ESP系統(tǒng)在行車過程中提高汽車操縱穩(wěn)定性方面的作用演示，小車模型軌跡跟隨性較好。希望這一設計思路對電子專業(yè)的理論教學和實踐教學有一定的輔助作用，讓學生在探索的過程中，綜合運用所學知識，理論聯系實際，提高發(fā)現問題分析問題、解決問題的能力。該模擬設計實物運行效果良好，此設計思路和方法推廣應用可使更多學生受益。