CS-ARAS和CS-A2LAS陀螺在車輛穩(wěn)定系統(tǒng)中的應用

　汽車走進千家萬戶，安全愈加顯的重要。駕乘人員的安全和所用車輛的電子系統(tǒng)是否先進密切相關(guān)。安全氣囊ABS（Anti-lock Break system）系統(tǒng)已是大家十分熟悉的常規(guī)安全保護系統(tǒng)。車輛穩(wěn)定系統(tǒng)是一種更為先進的車輛安全防護系統(tǒng)，據(jù)德國調(diào)查，加裝車輛穩(wěn)定系統(tǒng)可減少50%的車輛事故。很多人可能只知道名詞，卻并不了解其含義。而且由于不同車系的原故，名詞也各有不同。

　　其實車輛穩(wěn)定系統(tǒng)的核心是增加了一個慣性傳感器，并且通過慣性傳感器測量車輛回轉(zhuǎn)的角速率和加速度或傾角。然后通過ECU對某個車輪發(fā)出控制指令，以保證正常的安全行駛。

　　車輛穩(wěn)定系統(tǒng)有很多不同的叫法，其實質(zhì)大同小異。主要有以下不同的名詞：

ESP：Electronic Stability Program電子穩(wěn)定程序。
ESC：Electronic Stability Control電子穩(wěn)定程序控制系統(tǒng)。
VDC：Vehicle Dynamic Control車輛動態(tài)控制。
VSC：Vehicle Stability Control車身穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。
RSC：Roll Stability Control防側(cè)翻穩(wěn)定控制
DSC：Dynamic Stability Control 動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

　　ESP以ABS制動防抱死系統(tǒng)為基礎，通過外圍的傳感器收集方向盤的轉(zhuǎn)動角度、側(cè)向加速度等信息，這些信息經(jīng)過微處理器加工，再由液壓調(diào)節(jié)器向車輪制動器發(fā)出制動指令，來實現(xiàn)對側(cè)滑的糾正。特別是在轉(zhuǎn)彎時，即側(cè)向力起作用時，ESP使車輛穩(wěn)定并保持安全行駛。而ABS和TCS僅僅在縱方向上起作用。ESP 不僅用到了ABS和TCS的所有部件，還包含了一個集成有側(cè)向加速傳感器的橫擺角速度傳感器和方向傳感器。

　　ESC從功能上講相當于ABS(防抱死剎車系統(tǒng))、EBD(電子制動力分配)、TCS(牽引力控制系統(tǒng))、AYC(主動偏轉(zhuǎn)控制)等多種功能的集合，它能自動更正轉(zhuǎn)向過度與轉(zhuǎn)向不足，并能通過比較駕駛員行駛方向的意圖與汽車的實際方向，使汽車保持在正確路線上行駛。當探測到偏差時，ESC對每個車輪進行獨立制動，同時減少引擎扭矩，幫助駕駛員保持對汽車的控制。ESC實際上是一種可分別或同時制動四個車輪的制動系統(tǒng)，這是技術(shù)再高的駕駛者也做不到的。

　　VDC是在ABS和TCS的基礎上，增加汽車轉(zhuǎn)向行駛時橫向擺動的角速度傳感器，通過ECU控制內(nèi)外、前后車輪的驅(qū)動力和制動力，確保汽車行駛的橫向動力學穩(wěn)定狀態(tài)。VDC的開發(fā)成功使所有的工作狀態(tài)下都能對駕駛員提供主動有效的行駛安全保證。該系統(tǒng)主要應用了車輪轉(zhuǎn)速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、橫擺角速度傳感器、側(cè)向加速度傳感器、車輪位移傳感器。

　　VSC會隨時檢測車輛的行駛狀態(tài)，當車輛在轉(zhuǎn)彎過程中處于轉(zhuǎn)彎過度臨界狀況的時候，系統(tǒng)會自動降低發(fā)動機的動力輸出，且前外側(cè)車輪會剎車來產(chǎn)生一向外的力量，將車輛拉回正常的行駛狀態(tài)；而如果車輛將要出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足的情形的時候，也是降低發(fā)動機動力輸出，根據(jù)轉(zhuǎn)向不足的程度對后輪施加剎車，讓車輛恢復正常的行駛路徑。

　　RSC防翻滾穩(wěn)定控制系統(tǒng)使用回轉(zhuǎn)傳感器，駕駛員進行急轉(zhuǎn)彎或者快速轉(zhuǎn)向時，以下操作會在瞬間完成：系統(tǒng)記錄車輛傾斜角度變化的速度；根據(jù)此速度，計算傾斜的最終角度以確定翻滾的風險程度；若存在翻滾的危險，即激活制動系統(tǒng)以穩(wěn)定車輛；從而為駕駛者贏得時間，以使其從容應對、處理險情。

　　DSC為加速防滑控制或循跡控制系統(tǒng)的進一步延伸, 能確保車子在轉(zhuǎn)彎時仍能擁有最佳的循跡性, 以確保行車的穩(wěn)定性, 該系統(tǒng)為了要使車子在轉(zhuǎn)彎時仍有好的循跡性, 配有更先進的偵測及控制配備, 如有能偵測車輪轉(zhuǎn)速外, 還有偵測方向盤轉(zhuǎn)動的幅度、車速、以及車子的側(cè)向加速度, 根據(jù)以上所偵測到的資訊, 來判斷車輪在轉(zhuǎn)彎過程中是否打滑的危險, 如果會有打滑的危險 或已經(jīng)打滑, 則電腦馬上會命令制動油壓控制系統(tǒng)將打滑的車輪進行適當?shù)闹苿幼饔? 或著是以減少噴油量、延遲點火的方式來降低引擎力量的輸出, 達到了輪胎在各種行駛條件下防止打滑的現(xiàn)象, 進而使車輛無論在起動加速、再加速、轉(zhuǎn)彎等過程都能獲得好的循跡性。

　　從上可以看出，這些系統(tǒng)除了已有的轉(zhuǎn)速傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器外，均需要一個能測量車體回轉(zhuǎn)的傳感器來測量回轉(zhuǎn)的角速度或角速率，有些還要補充測量車輛的橫向及縱向線加速度。這就引出了慣性傳感器的問題。

　　MEMS技術(shù)（微機電加工系統(tǒng)）的發(fā)展，尤其是它的高性價比給車輛穩(wěn)定系統(tǒng)帶來了可能和實現(xiàn)。西安中星測控有限公司利用先進的MEMS技術(shù)，根據(jù)國內(nèi)外廠商的要求研發(fā)了兩款針對車輛穩(wěn)定控制的車用陀螺和穩(wěn)定器，以滿足不同客戶的需求。CS-ARAS內(nèi)含一個角速率陀螺和一個線加速度，可以同時測量車體回轉(zhuǎn)角速率和橫向或縱向線加速度（根據(jù)安裝方向）。CS-A2LAS穩(wěn)定器內(nèi)含一個角速率傳感器和兩軸線加速度傳感器，可以同時測量橫向或縱向加速度及車體回轉(zhuǎn)的角速度，并且取得了三個國家專利，產(chǎn)品出口芬蘭、意大利和以色列。

　　CS-ARAS系列車用慣性傳感器是西安中星測控有限公司自主研制的，用于測量角速率和加速度。CS-ARAS系列車用陀螺儀屬于低精度陀螺儀和加速度計的一種。主要用于高可靠性的汽車電子，也可用于天線穩(wěn)定﹑攝像﹑機器人等系統(tǒng)。

　　CS-ARAS系列車用傳感器的角速率陀螺儀依據(jù)諧振器陀螺原理工作。兩個多晶硅敏感結(jié)構(gòu)，每一個含有一個高頻振動的框架，這個框架被靜電式地驅(qū)動而諧振，形成了必要的速度元件?？蚣艿膬蓚€外端組成一個電容敏感結(jié)構(gòu)，以敏感有角速率時產(chǎn)生的科里奧利運動并產(chǎn)生電信號，該電信號被輸送到放大級和解調(diào)級，從而輸出正比于角速率的電信號。

　　CS-ARAS系列車用傳感器的加速度計是建造在硅晶片頂部的表面MEMS多晶硅結(jié)構(gòu)。多晶硅簧片懸浮在晶片表面的結(jié)構(gòu)，并提供一個克服加速度感應力的阻力。用包含兩個獨立的固定板和一個與運動質(zhì)塊相連的中央板形成的差動電容器機構(gòu)來測量比例于加速度的多晶硅結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電壓輸出信號。

　　主要技術(shù)條件

　　供電

輸入電壓?? 15±0.25 VDC
輸入電流?? ≤30mA

　　陀螺儀性能

測量范圍 ±100°/s；±75°/s
零偏(在25℃時) 2.5±0.1V
輸出電壓(在25℃時)?? 0.5 ～4.5V
非線性度? 0.5﹪FS
分辨率??? ≤0.1°/s
啟動時間 ≤35ms
帶寬???? ≥40Hz
噪聲???? ≤10mV

　　加速度計性能

測量范圍 ±1.8g
零偏(在25℃時) 2.5±0.1V
標度因數(shù) 1000±120 mV/g
非線性度 0.5﹪FS
分辨率???? 1mg
啟動時間? ≤35ms
帶寬≥40Hz
噪聲≤5mV

　　工作環(huán)境

使用溫度－45℃—＋85℃
儲存溫度－55℃—＋100℃
沖擊??? 2000g

　　重量體積

重量?? 150克
尺寸???? 見外形尺寸圖
外形尺寸及產(chǎn)品圖

　　CS-A2LAS穩(wěn)定器由西安中星測控有限公司自行研制，它使用在自動車輛穩(wěn)定系統(tǒng)中，同時對于很多多軸自動模式的商業(yè)應用也是一個很好的傳感器。

　　技術(shù)指標：

輸出形式：模擬輸出；
供電電壓：5±0.05V；
溫度范圍：－40℃～85℃；
啟動時間：＜35ms;
沖擊: 1000g;
角速率傳感器主要指標：
量程：±75 °/S
刻度因數(shù)：25±2.5（mV∕°/S）；
帶寬：＞20Hz；
零偏：2.5±0.1V；
非線性度：≤0.5％FS
零偏的溫度變化量：±4°/S；
加速度敏感度：0.2°/S/g;
加速度傳感器主要指標：
量程：1.5g；
刻度因數(shù)：265 mV∕g；
帶寬：＞20Hz；
零偏：2.5±0.1V；
非線性度：≤0.2％FS
外形尺寸:

　　CS-ARAS和CS-A2LAS考慮車輛的電磁干擾情況，均作了抗電磁干擾設計。同時根據(jù)不同的系統(tǒng)要求來滿足客戶的個性化需求。除了模擬信號輸出外，最近還開發(fā)了Can總線輸出，外型也可根據(jù)客戶要求制作。

　　CS-ARAS車用陀螺和國外公司的同類產(chǎn)品具有相似的功能，已在歐洲某型號的重卡上小量試用，同時在國內(nèi)某特種車輛上應用并且獲得了良好的評價。

　　CS-A2LAS穩(wěn)定器滿足ESP或ESC的要求，正在國內(nèi)數(shù)所高校和研究所測試，相信可以滿足要求。

　　不同的系統(tǒng)名稱由不同的汽車制造商或汽車電子制造商提出并命名和使用。從功能上講ESP、ESC、VSC和DSC相差無幾。德國博世和奔馳公司采用ESP 系統(tǒng)；美國大陸、TRW、德爾福則采用ESC系統(tǒng)；日本豐田公司采用VSC系統(tǒng)，其中廣州豐田09款凱美瑞G系列即是；DSC系統(tǒng)由德國寶馬品牌采用，而沃爾沃則把其稱為DSTC系統(tǒng)。這些系統(tǒng)均可采用西安中星測控有限公司推出的一只CS-A2LAS穩(wěn)定器或兩只CS-ARAS車用陀螺即可。

　　VDC系統(tǒng)由日本日產(chǎn)公司采用，德國博世早期將該系統(tǒng)也稱為VDC；沃爾沃如XCPO越野車和JAGVAR品牌采用RSC系統(tǒng)。這種適合于高附著系數(shù)路面，主要用于防側(cè)翻。VDC和RSC系統(tǒng)均可采用西安中星測控公司推出的CS-ARAS車用陀螺即可。