ESP系统原理介绍

车身电子稳定系统(Electronic Stability Program，简称ESP)，是博世（Bosch）公司的专利。10年前，博世是第一家把电子稳定程序（ESP）投入量产的公司。因为ESP是博世公司的专利产品，所以只有博世公司的车身电子稳定系统才可称之为ESP。在博世公司之后，也有很多公司研发出了类似的系统，如日产研发的车辆行驶动力学调整系统（Vehicle Dynamic Control 简称VDC），丰田研发的车辆稳定控制系统（Vehicle Stability Control 简称VSC），本田研发的车辆稳定性控制系统（Vehicle Stability Assist Control 简称VSA），宝马研发的动态稳定控制系统（Dynamic Stability Control 简称DSC）等等。

　　ESP(Electronic Stability Program，电子稳定程序)是汽车电控的一个标志性发明。不同的研发机构对这一系统的命名不尽相同，如博世(BOSCH)公司早期称为汽车动力学控制(VDC)，现在博世、梅赛德斯—奔驰公司称为ESP；丰田公司称为汽车稳定性控制系统(VSC)、汽车稳定性辅助系统(VSA)或者汽车电子稳定控制系统(ESC)；宝马公司称为动力学稳定控制系统(DSC)。

　　尽管名称不尽相同，但都是在传统的汽车动力学控制系统，如ABS和TCS的基础上增加一个横向稳定控制器，通过控制横向和纵向力的分布和幅度，以便控制任何路况下汽车的动力学运动模式，从而能够在各种工况下提高汽车的动力性能，如制动、滑移、驱动等。

　　ESP最早由德国博世（Bosch）公司于1997年研制成功，并首先由奔驰公司应用于其A级轿车上。ESP在国外已经批量生产，在国内尚处于研究阶段，要达到产业化的程度，还有大量的工作要做。其电子部件主要包括电子控制单元(ECU)、方向盘传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、横摆角速度传感器、轮速传感器等。ESP作为保证行车安全的一个重要电控系统，其各个传感器的正常工作是进行有效控制的基础。

1. ESP系统的功能和特点

1.1功能

ESP系统是一种闭环控制的主动安全系统，它可以防止车辆的侧向不稳定性。（如图1-1，ESP提高侧向稳定性）它包含在车辆的制动系和动力传动系中。ABS可以防止车轮制动时抱死，TCS可以防止驱动轮滑转，而ESP系统通过对ABS和TCS的干预，防止转向时车辆被“推离”弯道，或从弯道甩出。（如图1-2，ESP提高转向稳定性）

a) b)

图1-1 ESP提高侧向稳定性

a)没有ESP系统 b)使用ESP系统

图1-2 ESP提高转向稳定性

a）防止被推离弯道 b）防止被甩出弯道

1.2优点

除了ABS和TCS的优点之外，ESP系统最大的优点在于改善了主动驾驶安全性。ESP系统使得车辆即使达到极限状态，仍可以比ABS和TCS更好的利用轮胎与路面的摩擦潜能，从而在改善转向能力和稳定性的同时，进一步改善驱动能力并缩短停车距离。（如图1-3，ESP在车辆极限状态下的作用）

2. ESP系统的原理——车辆操纵性原理

2.1控制对象

通过对图2-1，线性二自由度汽车模型的研究，可得线性二自由度汽车模型的运动微分方程：

（2-1）

其中：k1、k2——前、后轮胎刚度，β—侧偏角，u—车辆切向速度，a、b—前、后轮到质心的距离，ωr—横摆角速度，δ—转向角，m—车辆质量，—质心加速度，Iz—绕车辆z轴的转动惯量，—横摆角加速度。

对于一辆确定的汽车，在匀速转向运动过程中，其k1、k2、u、a、b、δ、m和Iz是不变的，而质心加速度依赖于侧偏角β、横摆角加速度依赖于横摆角速度ωr，因此车辆的转向稳定性取决于侧偏角β和横摆角速度ωr。

所以，ESP系统的控制对象为侧偏角β和横摆角速度ωr。

图2-1 线性二自由度汽车模型

2.2控制方式

通过对“极限工况下前轴侧滑或后轴侧滑的特点”和“横摆力偶矩及制动力的控制效果”（详见附件）的分析可知，为了保持汽车稳定性，当后轴要侧滑发生激转时，应对汽车施加向外侧的横摆力偶矩；当前轴要侧滑而使汽车驶离弯道时，应对汽车施加适当大小向内侧的横摆力偶矩。从而使后轮的侧偏角达到最大侧偏角的角度。此外，还应对汽车施加纵向减速力。如图2-2，ESP控制方式。

a) b)

图2-2 ESP控制方式

a)没有ESP系统 b)使用ESP系统

例如，如图2-2，ESP控制方式所示，当后轴要侧滑发生激转时，显然，对后轴增加制动压力是不恰当的，而应对前轮进行控制。通过对外侧的前轮增加制动压力，并且（或者）对内侧前轮释放部分制动压力，使得车辆获得向外侧的横摆力偶矩，以保持车辆稳定。

3. ESP系统的实现

3.1零组件实现

由式2-1，线性二自由度汽车模型的运动微分方程可知，对于一辆确定的汽车，其k1、k2、a、b、m和Iz是确定的常量。因此，ESP系统所要测量的物理量及相应传感器如表3-1，ESP系统传感器列表所示。

物理量

传感器

用于ESP的传感器型号及形式

布置位置

车速u

轮速

DF6型霍尔效应无源感应式

车轮旁

转向角δ

转向盘位置

LWS 4型磁阻式

转向柱末端

横摆角速度ωr

横摆角速度

MM 2型表面微力学式

作为组件置于驾驶座右侧，与变速器控制手柄等部件相邻

侧偏角β

侧向加速度

霍尔式

制动压力pCirc

制动液压力

金属膜片式高压传感器

ESP的液压单元内

表3-1 ESP系统传感器列表

图3-1，ESP系统组件给出了ESP系统的各个部件的实物照片。

而如前所述，ESP系统的执行器包括：制动压力调节器（ABS）和发动机管理系统（TCS和MSR）

ESP系统各种部件连同它们的电路和机械连接在车上的安装实例，如图3-2，车辆上的ESP系统及其电气连接。图3-3，ESP实例显示了ESP系统在大众GOLF车上的布置情况。

图3-2 车辆上的ESP系统及其电气连接

1-车轮制动器；2-轮速传感器；3-带CAN接口的发动机管理ECU；4-节气门作动器；5-带进气压力传感器的预充气泵；6-转向盘转角传感器；7-带主泵的制动助力器；8-带制动压力传感器并装有ECU的液压系统；9-带集成式侧向加速度传感器的横摆传感器

图3-3 ESP实例

3.2控制实现

图3-4，ESP的完整控制系统显示了分级构成的ESP控制器，包括上面的车辆动力学控制器和下面的侧偏控制器。

利用复杂的计算模型，上控制器读取转向盘传感器、侧向加速度传感器和横摆角速度传感器的测量值，并根据轮速传感器和制动压力传感器的信号估算车速和期望的减速度，从而确定运动状态期望值——名义轮胎滑转λNo。

下控制器按照控制偏差值，来计算为使实际状态变量逼近期望状态变量所需的横摆力矩，并借助执行器实现。

图3-4 ESP的完整控制系统

1-轮速传感器；2-制动压力传感器；3-转向盘传感器；4-横摆角速度传感器；5-侧向加速度传感器；6-压力调节器；7-发动机管理系统；8-供给ESP的传感器信号；α-轮胎侧偏角；δW-车轮转向角；λNo-名义的轮胎滑转

最后，由此改变的运动状态，通过传感器返回到上控制器，实现闭环控制。

3.3 ABS预加压泵

从上文的分析中可以看出，ESP实际上是一套固化在ECU里的程序软件。ESP系统基本上是借助于其它的下层传感器和控制器实现功能的，其自身没有硬件设备。

图3-5 ABS和ESP液压系统（Bosch）

VLP—预供油泵；VLV—预供油阀；REP—回油泵；RVR—止回阀；LKE—供油柱塞单元；USV—换向阀；D—阻尼器；AV—输出阀；EV—输入阀；HZ—制动总泵；S—储压器；VA—前桥；HA—后桥；V前，H后，R右，L左

但是，利用ESP对车辆操纵动力学进行恰当控制，需要充分快速地在制动器内建立制动力。一方面，在低温和低附着系数时ESP用得最多。另一方面，低温时制动液黏度明显增加，因此需要改进以往用于ABS/TCS中得液压概念。图3-5，ABS和ESP液压系统（Bosch）表明，Bosch的ESP系统以Bosch ABS5.3系统为基本系统，接入预供油泵（VLP）保证在寒冷气候下使用ESP时回油泵的传输能力。

4. ESP系统的故障检修实例

根据实践经验，ESP系统由于基本没有自己的重大部件，所以，其故障大多存在于下级执行器，自身的故障主要为传感器和ESP液压单元。例如近期发生的奔驰车缺陷召回事件，其中一个原因就是ESP液压装置内的压力补偿孔存在可能会引起制动液压油外漏的缺陷。

总体上，ESP系统最多的故障出现在转向盘位置传感器。

4.1故障现象

一辆04款帕萨特1.8T，在更换两前轮的悬架支柱止动板后，出现ESP灯常亮，按ESP按钮也关不掉，而且方向盘变得非常轻。

4.2 故障排除

4.2.1检测仪读取故障码

使用1552检测仪，对车辆制动系统故障码进行检测。系统发现故障，代码00778，转向盘位置传感器（G85）。可以确认为转向盘位置传感器故障。

4.2.2检查、调整、匹配转向盘位置传感器

（1）检查传感器

首先，考虑传感器自身是否存在故障，因此对传感器进行检查。

LWS 4型磁阻式转向盘位置传感器为单个AMR（各向异性的磁阻式传感器）角度传感器。它只能测量360°范围。因此，该传感器在转向盘一圈范围内，电阻值线性变化，且经过拆装后需要进行匹配。

拔去转向盘位置传感器的连接插头，用万用表电阻档测量转向盘转动时传感器的阻值变化。实测结果为线性变化，表明传感器正常。

（2）检查传感器线束和ECU

传感器被证明正常，则考虑连接传感器的导线和ECU是否正常。

打开电门，对线束在转向盘位置传感器一端的电压（12V）进行测量，电压正常表明连接线束没有发生故障，线束完好，且ECU完好。

（3）匹配传感器

确定各部件均完好后，考虑进行传感器匹配。

1）将车辆举升起来，把方向打直。

2）拆掉传感器，并对转向机位置进行调整（详见附件）。

3）重新装好传感器，并发动引擎，将方向盘左右打到底，使传感器重新设定转向角度。

（4）检验

清除ECU内的故障码，并将车辆行驶30Km（最好是在高速公路上）。随后清除故障码，并重新读取故障码，发现故障码依旧，故障没有排除。

4.2.3 拆检悬架支柱止动板

此时，忽然想起客户反映车辆方向变轻，又联想到客户刚刚做过前悬架零件的更换，所以怀疑前悬架的装配是否正确？

拆检前悬架，重点对新更换的前轮减震器零件进行检查（详见附件）。检查结果发现左侧新更换的止动板上两个紧固件的压痕有明显的不同，一深一浅。这表明两个螺母的拧紧力矩不同。遂重新更换并仔细安装。

随后重复上一步，对转向盘位置传感器进行匹配，并进行检验。（因为转向机位置先前已经调整好，故本次可以不做。）

4.2.4 四轮定位

经过上述的校验，已经可以确定是减震器装配上的问题。但为了保证维修质量，决定对该车进行四轮定位调整。这是因为在拆装了悬架和转向系之后，车辆的四轮定位值可能发生变化，所以需要进行调整。（详见附件）

注：对于前轮驱动的车辆，其后桥固定，故不能调整。

4.2.5 故障修复

对车辆进行四轮定位校正后，经过路试检验，终于，ESP灯熄灭，故障排除了。