电子稳定控制系统在重型卡车上的应用

2021-12-30王卫翼

汽车电器 2021年12期

赵阳，王卫翼

（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京 101400）

1 车体运动分析

如图1所示，车辆行驶过程中，车体的加速度可分解为纵向加速度（X轴方向）、横向加速度（Y轴方向）、垂直加速度（Z轴方向）3个方面；车体的旋转运动也分解为3个方面：绕Z轴的旋转速率（偏航率），绕Y轴的旋转速率（俯仰率），绕X轴的旋转速率（翻滚率）。

2 基于ABS的ESC系统

2.1 系统电路

应用具有ESC功能的ABS制动系统电路如图2所示，在具有ASR功能的ABS系统基础上增加横摆角速率与侧向加速度传感器、转向盘转角传感器等来检测车身稳定状况。通过增加前桥ASR电磁阀、挂车控制ABS电磁阀等执行器来实现ESC干预过程中对单个或部分车轮实施制动。

图1 车体运动与旋转

2.2 新增传感器

2.2.1 横向摆角与侧向加速度传感器

横向摆角与侧向加速度传感器结构如图3所示，它安装于前轴后的2～3m处，横向位置在车辆中轴线±0.5m位置。

横向摆角与侧向加速度传感器基于电容原理工作（图4）。传感元件是通过弹性轴支撑的一个惯性金属盘，金属盘弹性搭铁与车体连接。

图2 4S4M ABS/ESC 电控系统

当车身绕垂直轴线旋转时，弹性轴扭曲变形，惯性金属盘相对车体逆向旋转，旋转量和车身旋转角速率成正比；当车辆过弯时，金属盘在侧向离心力（惯性力）作用下，克服弹性轴弹力，向转弯方向的反向偏斜。惯性盘系统把复合运动解耦，金属盘旋转量和偏斜量改变了对应的电容参数，经过对两组电容值变化信号加工与处理，便可计算出车辆横摆角速率和侧向加速度值。

图3 横向摆角与侧向加速度传感器

图4 横摆率与侧向加速度传感器测量原理

1）横摆率测量原理：金属盘分为圆盘和摆动环两部分，两者之间通过4个弹性轴连在一起。摆动环外缘分布着4个鱼骨状极板嵌入到静电驱动器的极板a和极板b间的凹槽中。所有a极板连在一起，所有的b极板也连在一起，这样金属盘M和全部极板a形成电容CMa，金属盘M和全部极板b形成电容CMb。

车辆直行时，圆盘和摆动环在弹性轴支撑下，4个鱼骨状极板位于极板a和极板b中间位置，此时CMa=CMb。

车辆左转弯时，车体逆时针旋转，由于惯性作用，摆动环克服4个弹性轴弹力（圆盘与摆动环之间的4个弹性轴产生弹性变形），相对于圆盘（车体）反向（即顺时针）转动（转动量正比于车身偏转角速率），结果使CMa减小，CMb增大，CMa＜CMb，依据两者之差大小即可计算出横摆率。

当车身右转时，摆动环相对车体逆时针转动，结果CMa＞CMb。

系统根据转向盘转角信号计算出驾驶员预期横摆率值，然后与横向摆角与侧向加速度传感器测得的横摆率进行比较，当实际横摆率大于驾驶员预期值时，判定为转向过度；当实际横摆率小于驾驶员预期值时判定为转向不足。

2）侧向加速度测量原理：车辆直行时，弹性轴不受侧向弯矩作用，金属盘M和下部2个半圆盘M1、M2间距离相等，电容也相等，即C1=C2。

车辆左转弯时，圆盘受到离心力的作用克服中央弹性轴弹力偏向右侧，结果C1和C2不再相等，C1＜C2；车辆右转弯时，圆盘受到离心力的作用克服中央弹性轴弹力偏向左侧，结果C1＞C2。C1和C2两者差的大小与车体侧向加速度成正比，通过C1和C2两者之差即可计算出侧向加速度值。

侧向加速度信号用于防侧翻控制。

2.2.2 转向盘转角传感器

转向盘转角传感器结构如图5所示，它安装在转向盘下方的转向管柱上，用于检测转向盘绝对角度，它为非接触式角位移传感器。通过对角位移信号进行处理，即可计算出驾驶员预期的车身横摆率。

图5 转向盘转角传感器

2.3 ESC功能

2.3.1 车行轨迹矫正

车辆在低附着路面高速过弯、变道、急拐时，车轮和地面之间更容易产生滑移。如果前轮滑移，则车辆会按着惯性方向直行，转向角度会小于驾驶员预期（转向不足）；如果后轮滑移，转向角度会大于驾驶员预期（甩尾）。

1）转向不足控制

如图6所示，转向不足的发生，系统通过对单侧后轮进行制动干预来矫正车行轨迹。右转向发生转向不足倾向时，ESC系统通过制动右后轮，使车体受到顺时针方向转矩作用，来完成车行轨迹矫正。左转弯发生转向不足时，则制动左后轮。

图6 转向不足的矫正

2）转向过度控制

如图7所示，转向过度发生时，系统通过对前轮进行制动干预来矫正车行轨迹。右转弯发生转向过度时，通过对左前轮实施制动，使车体受到逆时针转矩作用，抑制车辆甩尾、失控；左转弯发生转向过度时，则制动右前轮。半挂列车发生转向过度时，除了对主车前轮实施制动外，还对挂车实施全轮制动，挂车制动起到了“拉伸”效果（即拖拽制动），有效抑制主、挂车间“折合”等失控情况的发生。