CS-ARAS和CS-A2LAS陀螺在车辆稳定系统中的应用

CS-ARAS和CS-A2LAS陀螺在车辆稳定系统中的应用

　汽车走进千家万户，安全愈加显的重要。驾乘人员的安全和所用车辆的电子系统是否先进密切相关。安全气囊ABS（Anti-lock Break system）系统已是大家十分熟悉的常规安全保护系统。车辆稳定系统是一种更为先进的车辆安全防护系统，据德国调查，加装车辆稳定系统可减少50%的车辆事故。很多人可能只知道名词，却并不了解其含义。而且由于不同车系的原故，名词也各有不同。

　　其实车辆稳定系统的核心是增加了一个惯性传感器，并且通过惯性传感器测量车辆回转的角速率和加速度或倾角。然后通过ECU对某个车轮发出控制指令，以保证正常的安全行驶。

　　车辆稳定系统有很多不同的叫法，其实质大同小异。主要有以下不同的名词：

ESP：Electronic Stability Program电子稳定程序。
ESC：Electronic Stability Control电子稳定程序控制系统。
VDC：Vehicle Dynamic Control车辆动态控制。
VSC：Vehicle Stability Control车身稳定性控制系统。
RSC：Roll Stability Control防侧翻稳定控制
DSC：Dynamic Stability Control 动态稳定控制系统。

　　ESP以ABS制动防抱死系统为基础，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。特别是在转弯时，即侧向力起作用时，ESP使车辆稳定并保持安全行驶。而ABS和TCS仅仅在纵方向上起作用。ESP 不仅用到了ABS和TCS的所有部件，还包含了一个集成有侧向加速传感器的横摆角速度传感器和方向传感器。

　　ESC从功能上讲相当于ABS(防抱死刹车系统)、EBD(电子制动力分配)、TCS(牵引力控制系统)、AYC(主动偏转控制)等多种功能的集合，它能自动更正转向过度与转向不足，并能通过比较驾驶员行驶方向的意图与汽车的实际方向，使汽车保持在正确路线上行驶。当探测到偏差时，ESC对每个车轮进行独立制动，同时减少引擎扭矩，帮助驾驶员保持对汽车的控制。ESC实际上是一种可分别或同时制动四个车轮的制动系统，这是技术再高的驾驶者也做不到的。

　　VDC是在ABS和TCS的基础上，增加汽车转向行驶时横向摆动的角速度传感器，通过ECU控制内外、前后车轮的驱动力和制动力，确保汽车行驶的横向动力学稳定状态。VDC的开发成功使所有的工作状态下都能对驾驶员提供主动有效的行驶安全保证。该系统主要应用了车轮转速传感器、方向盘转角传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器、车轮位移传感器。

　　VSC会随时检测车辆的行驶状态，当车辆在转弯过程中处于转弯过度临界状况的时候，系统会自动降低发动机的动力输出，且前外侧车轮会刹车来产生一向外的力量，将车辆拉回正常的行驶状态；而如果车辆将要出现转向不足的情形的时候，也是降低发动机动力输出，根据转向不足的程度对后轮施加刹车，让车辆恢复正常的行驶路径。

　　RSC防翻滚稳定控制系统使用回转传感器，驾驶员进行急转弯或者快速转向时，以下操作会在瞬间完成：系统记录车辆倾斜角度变化的速度；根据此速度，计算倾斜的最终角度以确定翻滚的风险程度；若存在翻滚的危险，即激活制动系统以稳定车辆；从而为驾驶者赢得时间，以使其从容应对、处理险情。

　　DSC为加速防滑控制或循迹控制系统的进一步延伸, 能确保车子在转弯时仍能拥有最佳的循迹性, 以确保行车的稳定性, 该系统为了要使车子在转弯时仍有好的循迹性, 配有更先进的侦测及控制配备, 如有能侦测车轮转速外, 还有侦测方向盘转动的幅度、车速、以及车子的侧向加速度, 根据以上所侦测到的资讯, 来判断车轮在转弯过程中是否打滑的危险, 如果会有打滑的危险 或已经打滑, 则电脑马上会命令制动油压控制系统将打滑的车轮进行适当的制动作用, 或着是以减少喷油量、延迟点火的方式来降低引擎力量的输出, 达到了轮胎在各种行驶条件下防止打滑的现象, 进而使车辆无论在起动加速、再加速、转弯等过程都能获得好的循迹性。

　　从上可以看出，这些系统除了已有的转速传感器和方向盘转角传感器外，均需要一个能测量车体回转的传感器来测量回转的角速度或角速率，有些还要补充测量车辆的横向及纵向线加速度。这就引出了惯性传感器的问题。

　　MEMS技术（微机电加工系统）的发展，尤其是它的高性价比给车辆稳定系统带来了可能和实现。西安中星测控有限公司利用先进的MEMS技术，根据国内外厂商的要求研发了两款针对车辆稳定控制的车用陀螺和稳定器，以满足不同客户的需求。CS-ARAS内含一个角速率陀螺和一个线加速度，可以同时测量车体回转角速率和横向或纵向线加速度（根据安装方向）。CS-A2LAS稳定器内含一个角速率传感器和两轴线加速度传感器，可以同时测量横向或纵向加速度及车体回转的角速度，并且取得了三个国家专利，产品出口芬兰、意大利和以色列。

　　CS-ARAS系列车用惯性传感器是西安中星测控有限公司自主研制的，用于测量角速率和加速度。CS-ARAS系列车用陀螺仪属于低精度陀螺仪和加速度计的一种。主要用于高可靠性的汽车电子，也可用于天线稳定﹑摄像﹑机器人等系统。

　　CS-ARAS系列车用传感器的角速率陀螺仪依据谐振器陀螺原理工作。两个多晶硅敏感结构，每一个含有一个高频振动的框架，这个框架被静电式地驱动而谐振，形成了必要的速度元件。框架的两个外端组成一个电容敏感结构，以敏感有角速率时产生的科里奥利运动并产生电信号，该电信号被输送到放大级和解调级，从而输出正比于角速率的电信号。

　　CS-ARAS系列车用传感器的加速度计是建造在硅晶片顶部的表面MEMS多晶硅结构。多晶硅簧片悬浮在晶片表面的结构，并提供一个克服加速度感应力的阻力。用包含两个独立的固定板和一个与运动质块相连的中央板形成的差动电容器机构来测量比例于加速度的多晶硅结构的偏转，从而产生电压输出信号。

　　主要技术条件

　　供电

输入电压   15±0.25 VDC
输入电流   ≤30mA

　　陀螺仪性能

测量范围 ±100°/s；±75°/s
零偏(在25℃时) 2.5±0.1V
输出电压(在25℃时)   0.5 ～4.5V
非线性度  0.5﹪FS
分辨率    ≤0.1°/s
启动时间 ≤35ms
带宽     ≥40Hz
噪声     ≤10mV

　　加速度计性能

测量范围 ±1.8g
零偏(在25℃时) 2.5±0.1V
标度因数 1000±120 mV/g
非线性度 0.5﹪FS
分辨率     1mg
启动时间  ≤35ms
带宽≥40Hz
噪声≤5mV

　　工作环境

使用温度－45℃—＋85℃
储存温度－55℃—＋100℃
冲击    2000g

　　重量体积

重量   150克
尺寸     见外形尺寸图
外形尺寸及产品图

　　CS-A2LAS稳定器由西安中星测控有限公司自行研制，它使用在自动车辆稳定系统中，同时对于很多多轴自动模式的商业应用也是一个很好的传感器。

　　技术指标：

输出形式：模拟输出；
供电电压：5±0.05V；
温度范围：－40℃～85℃；
启动时间：＜35ms;
冲击: 1000g;
角速率传感器主要指标：
量程：±75 °/S
刻度因数：25±2.5（mV∕°/S）；
带宽：＞20Hz；
零偏：2.5±0.1V；
非线性度：≤0.5％FS
零偏的温度变化量：±4°/S；
加速度敏感度：0.2°/S/g;
加速度传感器主要指标：
量程：1.5g；
刻度因数：265 mV∕g；
带宽：＞20Hz；
零偏：2.5±0.1V；
非线性度：≤0.2％FS
外形尺寸:

　　CS-ARAS和CS-A2LAS考虑车辆的电磁干扰情况，均作了抗电磁干扰设计。同时根据不同的系统要求来满足客户的个性化需求。除了模拟信号输出外，最近还开发了Can总线输出，外型也可根据客户要求制作。

　　CS-ARAS车用陀螺和国外公司的同类产品具有相似的功能，已在欧洲某型号的重卡上小量试用，同时在国内某特种车辆上应用并且获得了良好的评价。

　　CS-A2LAS稳定器满足ESP或ESC的要求，正在国内数所高校和研究所测试，相信可以满足要求。

　　不同的系统名称由不同的汽车制造商或汽车电子制造商提出并命名和使用。从功能上讲ESP、ESC、VSC和DSC相差无几。德国博世和奔驰公司采用ESP 系统；美国大陆、TRW、德尔福则采用ESC系统；日本丰田公司采用VSC系统，其中广州丰田09款凯美瑞G系列即是；DSC系统由德国宝马品牌采用，而沃尔沃则把其称为DSTC系统。这些系统均可采用西安中星测控有限公司推出的一只CS-A2LAS稳定器或两只CS-ARAS车用陀螺即可。

　　VDC系统由日本日产公司采用，德国博世早期将该系统也称为VDC；沃尔沃如XCPO越野车和JAGVAR品牌采用RSC系统。这种适合于高附着系数路面，主要用于防侧翻。VDC和RSC系统均可采用西安中星测控公司推出的CS-ARAS车用陀螺即可。