汽车ESP用传感器.doc

1、汽车ESP用传感器的介绍一、汽车传感器概述1. 汽车传感器市场规模大市场研究数据显示，2002年全球汽车传感器的市场规模为70.1亿美元，预计2005年将达到85.2亿美元，年平均增长率为6.7%；全球2002年汽车传感器的市场需求量为10.38亿只，预计2005年将达到12.83亿只，年平均增长率为7.3%。我国的汽车工业发展加快，估计2010年将达600万辆的生产能力，若每辆车用10只传感器，将需6000万套传感器及其配套变送器和仪表。 我国现有汽车2000万辆，并且每年以5%以上的速度递增，但是目前“电喷”汽车还只占10%左右，国家规定停止“化油器”汽车的生产，新出厂的汽车要求全部安装“

2、电喷”系统。上海联合汽车电子现在年产120万套“电喷”系统传感器，约40006000元/套，其中，汽车传感器占60%以上的产值。国内电喷系统应用传感器占系统的70%以上，ABS传感器的成本为50元左右，国内产量为100万套，产值为5000万元；安全气囊的传感器占系统成本的70%以上，安全气囊的传感器售价为2000元左右，需求量为100万套/年，则传感器的产值可达20亿元。2. 汽车传感器举足轻重汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源，是汽车电子控制系统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车传感器对温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。衡量现

3、代高级轿车控制系统水平的关键就在于其传感器的数量和水平。当前，一辆国内普通家用轿车上大约安装了近百个传感器，而豪华轿车上的传感器数量多达200只。近年来从半导体集成电路技术发展而来的微电子机械系统（MEMS）技术日渐成熟，利用这一技术可以制作各种能敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器，这些传感器的体积和能耗小，可实现许多全新的功能，便于大批量和高精度生产，单件成本低，易构成大规模和多功能阵列，非常适合在汽车上应用。微型传感器的大规模应用将不仅限于发动机燃烧控制和安全气囊，在未来5-7年内，包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、ABS、车辆动力的控制、自适应导航、车辆行

4、驶安全系统在内的应用，将为MEMS技术提供广阔的市场。3. 国内汽车传感器生产水平低自20世纪80年代以来，国内汽车仪表行业引进国外的先进技术及与之相配套的传感器生产技术，基本满足了国内小批量、低水平车型的配套需求。由于起步较晚，还没有形成系列化、配套化，尚未形成独立的产业，仍然依附于汽车仪表企业。众多轿车、轻型车及部分载货车中采用新的电子产品，需要大批量、高水平的汽车传感器，但国内现有最高水平的汽车传感器产品比国外同类产品落后10多年，每年要进口50万套以上的高性能汽车传感器。许多传感器厂家为了增强产品的竞争力，采用与国外同行业进行合资经营的方式，消化吸收国外先进的传感器技术，使产品升级换代

5、，从而逐步发展壮大，有的已成为几大“电喷”系统厂家的下游供应商。但绝大多数企业还只是配套生产其它车用传感器，处于利润少、产品单一、产品质量和技术水平低下的状况。伴随着国内汽车产量的迅速增长，今后几年国内汽车工业对传感器及其配套变速器和仪表的需求亦将大大增加，实现汽车传感器国产化势在必行。为适应这一形势，应重点开发新型压力、温度、流量、位移等传感器，尽快为汽车工业解决电喷系统、空调排污系统和自动驾驶系统所需的传感器是十分迫切的任务。汽车传感器对整车厂而言，是二级配套产品，必须以系统形式进入整车厂配套。一级系统配套商的实力关系到主机厂的品牌，所以必须建立系统平台，以系统带动传感器的发展。4. 发展

6、趋势未来的汽车传感器技术的发展趋势是微型化、多功能化、集成化和智能化。20世纪末期，设计技术、材料技术，特别是Mems （微电子机械系统）技术的发展使微型传感器提高到了一个新的水平，利用微电子机械加工技术将微米级的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在同一芯片上，它具有体积小、价格便宜、可靠性高等特点，并且可以明显提高系统测试精度。目前采用Mems技术可以制作检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量的微型传感器。汽车传感器和电子系统将向着采用Mems传感器的方向发展。Philips Electronics公司和Continental Treves公司10年销售1亿只用于汽车ABS系统的传感

7、器芯片，生产上达到了一个新的里程碑。两个公司共同开发有源磁场传感器的前瞻性技术，产品应用在汽车厂家生产的最新的轿车上。Continental Teves公司用这种磁阻式转速传感器制作了轮速传感器，用于ABS系统，防滑系统等。Mems传感器成本低、可靠性好、尺寸小，可以集成在新的系统中，工作时间达到几百万个小时。Mems器件最早的是绝压传感器（Map）和气囊加速度传感器。目前，正在研发和小批量生产的MEMS/MST产品有：轮速旋转传感器，胎压传感器，制冷压力传感器，发动机油压传感器，刹车压力传感器和偏离速率传感器等等。在今后的5-7年Mems器件将大量应用到汽车系统中。随着微电子技术的发展和电子

8、控制系统在汽车上的应用迅速增加，汽车传感器市场需求将保持高速增长，以Mems技术为基础的微型化、多功能化、集成化和智能化的传感器将逐步取代传统的传感器，成为汽车传感器的主流。多功能化是指一个传感器能检测2个或者两个以上的特性参数或者化学参数，从而减少汽车传感器数量，提高系统可靠性。集成化是指利用IC制造技术和精细加工技术制作IC式传感器。智能化是指传感器与大规模集成电路相结合，带有CPU，具有智能作用，以减少ECU的复杂程度，减少其体积，并降低成本。二、ESP概述ESP到底是什么？ESP是车身电子稳定系统。从它的名字来看，与其说ESP是一套系统，倒不如说它是一组程序。ESP以ABS制动防抱死系

9、统为基础，通过外围的传感器收集方向盘的转动角度、侧向加速度等信息，这些信息经过微处理器加工，再由液压调节器向车轮制动器发出制动指令，来实现对侧滑的纠正。因此，ESP整合了ABS和TCS牵引力控制系统，不仅能防止车轮在制动时抱死和启动时打滑，还能防止车辆侧滑。此外，ESP还能以25次/秒的频率对驾驶员的行驶意图和实际行驶情况进行检测，随时待命对车辆的侧滑进行控制，保证驾乘者的行车安全。可以说80年代是ABS的年代，90年代是牵引力控制的年代，而21世纪初这几年则完全是ESP的年代了。ESP对过度转向和不足转向感觉的灵敏度超过了世界上最优秀的赛车运动员。一个晴朗的冬日，两辆宝马轿车拉开一段距离，沿

10、着一条白雪覆盖的山间公路，以中等车速驶过一连串下坡的弯道。第一辆车的司机尽管把转向盘打得飞快，还是没能躲过麻烦，车子一滑扎进了路旁的雪堆里。几秒钟后，另一辆宝马轿车却顺利地通过了。它们之间的差别就在于第二辆车上装了一套电子稳定程序。在不良路况下行车，有ESP就可以化险为夷，处变不惊；没ESP就会危机四伏，保不齐什么时候会出事。图1 有、无ESP的车辆行驶状况对比三、ESP的组成如今，全世界有罗伯特博世、电装（Denso）、Continental Teves、德尔福、Aisin Seiki和TRW等6家汽车零部件供应商在生产ESP。博世公司去年销售了约150万套ESP，今年可望销出210万套；C

11、ontinental Teves公司去年售出了约180万套，2003年的订货量已达到340万套。 ESP的工作以微型电脑的算法为依据。微电脑对来自几个传感器的信息进行评估。虽然各个厂家所用的软件不同，但它们的ESP都有下述硬件，如图2所示。1. 方向盘转角传感器。2. 横摆角速度传感器。3. 纵向/横向加速度传感器。 4. 轮速传感器。5. 带有ECU的液压调节器。增加或减少车轮制动器中的制动压力。6. 与发动机管理系统进行通讯的设备。图2 ESP构成示意图这些传感器还向控制装置提供汽车在任何瞬间的运行状况信息。但ESP无法对抗物理学定律，如果汽车跑得太快，在某些情况下仍可能出事故。其实ESP

12、算不上是新事物，它已经在梅赛德斯奔驰和宝马等品牌的车上用了几年，雪佛兰、考维特、某些凯迪拉克车型和日本豪华车也用了，现在它已普及到了北美一些比较便宜的车型。如奥兹莫比尔的Intrigue、福特、福克斯和许多轻型卡车上。它的价格已不昂贵，消费者只需为之花大约500美元。随着产量的增加，价格会进一步降低。到目前为止欧洲是ESP最大的市场，而且将继续保持几年。四、传感器介绍 如图3所示，ESP用各类传感器如下：图3 ESP常用传感器1. 方向盘转角传感器。ESP通过计算方向盘转角的大小和转角变化速率来识别驾驶员的操作意图。方向盘转角传感器将方向盘转角转换为一个可以代表驾驶员期望的行驶方向的信号，方向

13、盘转角一般是根据光电编码来确定的，安装在转向柱上的编码盘上包含了经过编码的转动方向、转角等信息。这一编码盘上的信息由接近式光电耦合器进行扫描。接通点火开关并且方向盘转角传感器转过一定角度后，处理器可以通过脉冲序列来确定当前的方向盘绝对转角。方向盘转角传感器与ECU的通讯一般通过CAN总线完成。2. 横摆角速度传感器。横摆角速度传感器检测汽车沿垂直轴的偏转，该偏转的大小代表汽车的稳定程度。如果偏转角速度达到一个阈值，说明汽车发生测滑或者甩尾的危险工况，则触发ESP控制。当车绕垂直方向轴线偏转时，传感器内的微音叉的振动平面发生变化，通过输出信号的变化计算横摆角速度。3. 纵向/横向加速度传感器。E

14、SP中的加速度传感器有沿汽车前进方向的纵向加速度传感器和垂直于前进方向的横向加速度传感器，基本原理相同，只是成90夹角安装。ESP一般使用微机械式加速度传感器，在传感器内部，一小片致密物质连接在一个可以移动的悬臂上，可以反映出汽车的纵向/横向加速度的大小，其输出在静态时为2.5V左右，正的加速度对应正的电压变化，负的加速度对应负的电压变化，每1.01.4V对应1g的加速度变化，具体参数因传感器不同而有所不同。 4. 轮速传感器（WSS）。在汽车上检测轮速信号时，最常用的传感器是电磁感应式传感器，一般做法是将传感器安装在车轮总成的非旋转部分（如转向节或轴头）上，与随车轮一起转动的导磁材料制成的齿

15、圈相对。当齿圈相对传感器转动时，由于磁阻的变化，在传感器上激励出交变电压信号，这种交变电压的频率与车轮转速成正比， ECU采用专门的信号处理电路将传感器信号转换为同频率的方波，再通过测量方波的频率或周期来计算车轮转速。 最初的ESP系统中纵向/横向加速度传感器和横摆角速度传感器都是单独实现的，现在基本都使用了传感器总成（Sensor Cluster）的模式，将这3个传感器设计为一体，通过CAN总线与ECU通讯。如图4为SIMENS VDO公司和BEI公司生产的传感器总成。图4 传感器总成（Sensor Cluster）五、传感器参数1. 轮速传感器的工作参数轮速传感器（霍尔效应式）分为前轮（驱

16、动轮）轮速传感器和后轮（从动轮）轮速传感器两种，其性能比较如表1所列。表1 后轮轮速传感器和前轮轮速传感器性能的比较轮速传感器输入参数如表2所列。表2 轮速传感器的输出参数2. 转向角速度传感器和横向加速度传感器的工作模式和参数ESP控制单元提供给传感器的工作电压为5V0.25V，传感器工作启动时间为750ms（指通电至完全发挥作用的时间）。转向角速度传感器工作范围为75/s；输出信号电压范围为0.5V-4.5V。横向加速度传感器工作范围为14.715m/s2（1.5g）；中立位置输出信号电压为2.5V；输出信号电压范围为0.5V-4.5V。传感器工作状态测试参数。用Scanner诊断仪测得的

17、传感器工作状态测试参数对比如图5所示。图5 传感器工作状态测试参数对比六、ESP的工作方式ESP负责恒时监控汽车的行驶状态。在紧急闪避障碍物，或在过弯时出现转向不足、转向过度时，ESP都能帮助车辆克服偏离理想轨迹的倾向。实际上ESP是一套电脑程序，通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，进而向ABS（刹车防抱死系统）、ASR（加速防滑装置）发出纠偏指令，来帮助车辆维持动态平衡。其中最重要的信息由偏航率传感器提供，它负责测定汽车围绕纵轴的旋转运动（偏航率）。其它传感器负责记录偏航角速度和横向加速度。ESP的电脑会计算出保持车身稳定的理论数值，再比较由偏航率传感器和横向加速度传感器所测得的

18、数据，发出平衡、纠偏指令。转向不足，会产生向理想轨迹曲线外侧的偏离倾向，而转向过度则正好相反，向内侧偏离。具体的纠偏工作是这样实现的；ESP通过ASR装置牵制发动机的动力输出，同时指挥ABS对各个车轮进行有目的的刹车，产生一个反偏航扭矩，将车辆带回到所希望的轨迹曲线上来。比如转向不足时，刹车力会作用在曲线内侧的后轮上；而在严重转向过度时会出现甩尾，这种倾向可以通过对曲线外侧的前轮进行刹车得到纠正。ESP能够通过自动地向一个或多个车轮施加制动力，甚至在某些情况下每秒进行150次制动，以把车子保持在司机所选定的车道内。目前它有3种类型：能自动向全体4个车轮独立施加制动力的四通道或四轮系统；只能对两

19、个前轮独立施加制动力的双通道系统；能对两个前轮独立施加制动力而对后轮只能一同施加制动力的三通道系统。微处理器不断比较实际工况和理想工况，一旦车辆表现出跑偏的趋势，微处理器能迅速地进行干预。由于使用了逻辑运算以及专门为该车辆编制的数据，微处理器在不到1秒钟的时间内就能给出必要的解决方案。它适时向制动器发出指令，使得每个车轮上的制动压力都精准可靠，以达到纠正跑偏或侧滑的效果。另外，从车辆动力学角度来说，当车辆的加速度达到临界状况时，ESP还能降低发动机的输出扭矩来抑制跑偏或侧滑。ESP与ABS及牵引力控制系统共同工作，但跟它们不同的是它不需要司机对它进行操作，而是根据实际情况自己作出反应。装上了E

20、SP的汽车不再盲目服从司机，当司机让它干蠢事时它会说“不”。例如，ESP能纠正司机的过度转向和不足转向。比如：一辆汽车行驶在路滑的左弯道上，当过度转向开始使得车子向右甩尾时，ESP的传感器感觉到了滑动，就迅速让右前轮制动，使汽车产生顺时针方向的转矩，而将汽车保持在原来的车道内；当不足转向使前轮驶离路面而丧失对地面的附着力时，四通道的ESP就让左后轮制动，由此产生逆时针方向的转矩使汽车回到正确路线上（如果车上装的是双通道的ESP，则会使左前轮制动）。总结来说，ESP工作过程如下：1. ESP分析：驾驶员通过对方向盘的操作，想向哪个方向行驶？2. ESP检测：车辆的行驶方向是什么？3. ESP干预

21、：有针对性地对各个车轮实施制动。七、ESP的实际作用：1. 行驶工况：在多变的路面上行驶没有装备ESP车辆跑偏（转向不足），即前轮向外偏离弯道，车辆失去控制。一旦驶入干燥的沥青路面，车辆就开始打滑。装备有ESP车辆表现出转向不足的趋势，即将跑偏，增加右后轮制动力的同时降低发动机输出扭矩至车辆保持稳定。2. 行驶工况：避让障碍物没有装备ESP紧急制动，猛打方向盘，车辆转向不足。车辆继续；中向障碍物，驾驶员反复打方向盘，以求控制车辆，车辆避开障碍物。当驾驶员尝试恢复正常行驶路线时，车辆产生侧滑装备有ESP紧急制动，猛打方向盘，车辆转向不足。增加左后轮制动力车辆按照转向意图行驶。恢复正常的行驶路线，车辆有转向过度的倾向上施加制动力至车辆保持稳定。3. 驾驶员转弯过快没有装备ESP出现甩尾，企图通过方向盘来调整方向辆侧滑。装备有ESP车辆有甩尾的倾向，自动在右前轮上施加制动力至车辆保持稳定。车辆有甩尾的倾向，自动在左前轮上施加制动力至车辆保持稳定。图6 ESP对转向过度和转向不足的调整ESP时刻监视着车辆的稳定性，始终对危险情况保持着高度的警惕，让安全变得更为主动。不过，ESP非无所不能，只有驾驶员做出正确的判断以及在轮胎和地面之间有起码的附着力，ESP才能控制车辆保持稳定。因此，谨慎驾驶才是确保安全的最佳措施。10