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汽车ESP常用传感器其接口原理论文

浅谈汽车 ESP 常用传感器及其接口原理 0.引言 汽车 esp 是汽车电控的一个标志性发明。是在传统的汽车动力 学控制系统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, 能在各种工况下提高汽车的动力性能,如制动、滑移、驱动等。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。 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 常用传感器介绍 1.1 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。 1.2 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。 1.3 纵向/横向加速度传感器 esp 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 1.0~ 1.4v 对应 1g 的加速度变化,具体参数因传感器不同而有所不同。 1.4 轮速传感器 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。如图为 simens vdo 公司和 bei 公 司生产的传感器总成。 博世公司为了增加新的 esp 功能和为了更 好的控制整车的稳定性系统,如山地保持控制(hhc)和线控(sbw), 提出了模块化的 hw 和 sw 概念,开发了第三代高度灵活和低成的慢 性传感器总成 drs mm3.x。 2.esp 常用传感器接口设计 如框图所示,在图中,方向盘转角传感器信号经微控制器处理 后,通过 can 总线发送给 ecu;横摆角速度传感器、纵向/横向传感 器由于信号特点和安装位置类似,故设计在同一个模块内;由于 esp 对轮速传感器信号的实时性要求较高,故经过信号调理后,直接送 入 ecu。需要微处理器对信号进行处理并通过 can 总线传送数据, 本文选用 infineon 公司的 sak-c164ci。该芯片是专为汽车应用而 设计,内置 ad 转换器、输入信号捕捉、正交解码器,运算速度快, 非常适合 esp 的传感器信号处理。 2.1 方向盘转角传感器接口 方向盘转角传感器的输出为正交编码脉冲。正交编码脉冲包含 两个脉冲序列,有变化的频率和四分之一周期(90°)的固定相位 偏移,如下图所示。通过检测 2 路信号的相位关系可以判断为顺时 针方向和逆时针方向,并据此对信号进行加/减计数,从而得到当 前的计数累计值,也即方向盘的绝对转角,而转角的变化率即角速 度,则可通过信号频率测出。另外,方向盘转角传感器有一个零位 出信号,当方向盘在中间位置时,该信号输出 0v,否则输出 5v, 通过该信号,可对绝对转角进行在线校准。 c164ci 与方向盘转角传感器的接口电路如下图所示。片内内置 增量编码的正交解码器,该解码器使用定时器 3 的两个引脚(t3in、 t3eud)作为正交脉冲的输入,在正确设置相关寄存器后,定时器 3 的数据寄存器的值与方向盘转角成正比,故可方便的计算转角,本 文所使用的方向盘转角传感器每一圈对应 44 个脉冲,设定时器 3 的数据寄存器为 t3,则绝对转角为。 对(1)式进行差分运算,即 可得到转角变化速率。微控制器把计算得到的参数通过 can 发送给 ecu。 2.2 轮速传感器接口 根据前面部分介绍的轮速传感器信号特点,设计接口电路如下 图所示。 电路采用两级滤波和整形,以保证轮速信号在极低转速下不会 丢失,同时避免因悬架振动引起的信号干扰。图中由电阻 r2 引入 第一级迟滞比较,而使用 74hc14 引入第二级迟滞比较。 2.3 横摆角速度、纵向/横向加速度传感器 横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的安装位置基本相同,输 出都是 0v-5v 的模拟量,由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致, 故封装在同一模块中。其硬件接口如上图所示,实现硬件模拟前置 滤波,以抑制来自传感器的模拟信号中的高频噪声成分,防止在采 样过程中出现混叠现象。运放使用满摆幅输出的 lmx324。 调整图 中各个阻容元件的参数,即可设置滤波截止频率和延时大小。汽车 运行过程中,在较好路面上行驶时,由于信号较好,延时尽量要小, 而在颠簸路面