CS-ARAS和CS-A2LAS陀螺在車輛穩定系統中的應用

　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是否先進密切相關。安全氣囊ABS（Anti-lock Break system）系統已是大家十分熟悉的常規安全保護系統。車輛穩定系統是一種更為先進的車輛安全防護系統，據德國調查，加裝車輛穩定系統可減少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。

　　其實車輛穩定系統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的角速率和加速度或傾角。然后通過ECU對某個車輪發出控制指令，以保證正常的安全行駛。

　　車輛穩定系統有很多不同的叫法，其實質大同小異。主要有以下不同的名詞：

ESP：Electronic Stability Program電子穩定程序。
ESC：Electronic Stability Control電子穩定程序控制系統。
VDC：Vehicle Dynamic Control車輛動態控制。
VSC：Vehicle Stability Control車身穩定性控制系統。
RSC：Roll Stability Control防側翻穩定控制
DSC：Dynamic Stability Control 動態穩定控制系統。

　　ESP以ABS制動防抱死系統為基礎，通過外圍的傳感器收集方向盤的轉動角度、側向加速度等信息，這些信息經過微處理器加工，再由液壓調節器向車輪制動器發出制動指令，來實現對側滑的糾正。特別是在轉彎時，即側向力起作用時，ESP使車輛穩定并保持安全行駛。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)、EBD(電子制動力分配)、TCS(牽引力控制系統)、AYC(主動偏轉控制)等多種功能的集合，它能自動更正轉向過度與轉向不足，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，這是技術再高的駕駛者也做不到的。

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

　　VSC會隨時檢測車輛的行駛狀態，當車輛在轉彎過程中處于轉彎過度臨界狀況的時候，系統會自動降低發動機的動力輸出，且前外側車輪會剎車來產生一向外的力量，將車輛拉回正常的行駛狀態；而如果車輛將要出現轉向不足的情形的時候，也是降低發動機動力輸出，根據轉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防翻滾穩定控制系統使用回轉傳感器，駕駛員進行急轉彎或者快速轉向時，以下操作會在瞬間完成：系統記錄車輛傾斜角度變化的速度；根據此速度，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，即激活制動系統以穩定車輛；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的進一步延伸, 能確保車子在轉彎時仍能擁有最佳的循跡性, 以確保行車的穩定性, 該系統為了要使車子在轉彎時仍有好的循跡性, 配有更先進的偵測及控制配備, 如有能偵測車輪轉速外, 還有偵測方向盤轉動的幅度、車速、以及車子的側向加速度, 根據以上所偵測到的資訊, 來判斷車輪在轉彎過程中是否打滑的危險, 如果會有打滑的危險 或已經打滑, 則電腦馬上會命令制動油壓控制系統將打滑的車輪進行適當的制動作用, 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象, 進而使車輛無論在起動加速、再加速、轉彎等過程都能獲得好的循跡性。

　　從上可以看出，這些系統除了已有的轉速傳感器和方向盤轉角傳感器外，均需要一個能測量車體回轉的傳感器來測量回轉的角速度或角速率，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（微機電加工系統）的發展，尤其是它的高性價比給車輛穩定系統帶來了可能和實現。西安中星測控有限公司利用先進的MEMS技術，根據國內外廠商的要求研發了兩款針對車輛穩定控制的車用陀螺和穩定器，以滿足不同客戶的需求。CS-ARAS內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角速率和橫向或縱向線加速度（根據安裝方向）。CS-A2LAS穩定器內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的角速度，并且取得了三個國家專利，產品出口芬蘭、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，也可用于天線穩定﹑攝像﹑機器人等系統。

　　CS-ARAS系列車用傳感器的角速率陀螺儀依據諧振器陀螺原理工作。兩個多晶硅敏感結構，每一個含有一個高頻振動的框架，這個框架被靜電式地驅動而諧振，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構，以敏感有角速率時產生的科里奧利運動并產生電信號，該電信號被輸送到放大級和解調級，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多晶硅結構。多晶硅簧片懸浮在晶片表面的結構，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塊相連的中央板形成的差動電容器機構來測量比例于加速度的多晶硅結構的偏轉，從而產生電壓輸出信號。

　　主要技術條件

　　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 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
外形尺寸及產品圖

　　CS-A2LAS穩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定系統中，同時對于很多多軸自動模式的商業應用也是一個很好的傳感器。

　　技術指標：

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：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：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。同時根據不同的系統要求來滿足客戶的個性化需求。除了模擬信號輸出外，最近還開發了Can總線輸出，外型也可根據客戶要求制作。

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

　　CS-A2LAS穩定器滿足ESP或ESC的要求，正在國內數所高校和研究所測試，相信可以滿足要求。

　　不同的系統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；美國大陸、TRW、德爾福則采用ESC系統；日本豐田公司采用VSC系統，其中廣州豐田09款凱美瑞G系列即是；DSC系統由德國寶馬品牌采用，而沃爾沃則把其稱為DSTC系統。這些系統均可采用西安中星測控有限公司推出的一只CS-A2LAS穩定器或兩只CS-ARAS車用陀螺即可。

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