一種esp慣性傳感器組合的製作方法
2023-11-07 18:16:32
專利名稱：一種esp慣性傳感器組合的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於汽車電子產品應用領域，具體地說涉及一種ESP慣性傳感器 組合。
背景技術：
隨著人們對車輛安全性能要求的不斷提高，主動安全裝置起著越來越重要 的位置。吸能車身、安全氣囊、安全帶只能解決意外事故後的問題，因此這些 系統都只是被動安全系統。隨著現代轎車技術的發展，車輛的主動安全性也大 有提高，同時也開闢了汽車電子的新市場。主動安全的作用，就是要最大限度 地防止事故。
ESP (Electronic Stability Program)系統是德國博世公司(Bosch) 1995年推 出的意為"車輛電子穩定系統"，它包含了ABS和TCS，因此它能防止車輪在制 動時抱死(ABS)，在啟動時打滑(TCS)。 ESP系統按照每秒25次的頻率檢測 駕駛員的行駛意圖和車輛的實際行駛情況。如果發現有緊急情況，它迅速反應， 通過液壓調節器，調節每個車輪的制動壓力，如有可能，還會幹預發動機和傳 動系統。ESP能降低車輛側滑的危險，從而降低事故的發生。據統計，有25。％ 導致嚴重人員傷亡的交通事故是由側滑引起的，而更有60%的致命交通事故是 因側面撞擊而引起的，其主要原因就是車輛發生了側滑，因此，能有效降低車 輛側滑危險的ESP系統能顯著降低交通事故的數量從而拯救生命。
到2001年底，博世公司已為全球提供了 500萬套ESP系統，全球共有800 多萬輛車輛上安裝了 ESP系統。目前國外，特別是歐洲，越來越多的車型已將 ESP系統作為其標準配置，歐盟地區的新車ESP裝備率已達35M，在美國，汽車上ESP配置率達到11%;在日本，ESP配置率也達到了 7%。國內一些中高檔 車型也逐漸將其作為標準配置，2004年，中國新車的ESP系統裝備率達到3M。 隨著人們對車輛安全性的要求日益提高，相信ESP將如同今日的ABS系統一樣， 成為車輛的標準裝備。
在ESP系統中使用的傳感器有車輛橫擺角速度傳感器、橫向加速度傳感器、 方向盤轉角傳感器、輪速傳感器等，它們都是ESP中不可缺少的重要部件。提 高他們的可靠性並降低成本一直是這方面的開發人員追求的目標。
傳統ESP系統多採用機電式傳感器，機電式傳感器體積較大，並且成本高。 隨著微機電系統(MEMS)技術的發展，價格低廉的MEMS加速度和角速度傳 感器的出現，為ESP的廣泛應用創造了一定的條件。但目前MEMS傳感器(如 MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器)的性能，特別是精度及批量一致 性還比不上傳統的機械傳感器，限制了其在高性能場合的應用。
實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種ESP慣性傳感器組合，以達到降 低ESP慣性傳感器組合的成本，提高產品一致性，促進ESP系統的廣泛應用的
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為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是一種ESP慣性傳感器組合， 包括與各電路相連接的電源，其特徵在於所述的傳感器組合由MEMS角速度 傳感器、MEMS加速度傳感器、過壓/反壓保護電路、單片機和D/A數模轉換電 路構成；MEMS角速度傳感器的信號輸出端、MEMS加速度傳感器的橫向信號 輸出端和縱向信號輸出端分別與單片機的輸入端相連接，單片機的一輸出端通 過D/A數模轉換電路、過壓/反壓保護電路輸出橫擺角速度信號和橫向加速度信號，單片機另一輸出端選擇性通過D/A數模轉換電路、過壓/反壓保護電路輸出 縱向加速度信號；所述的單片機，用於預燒寫主程序，串口寫調整參數實現標 定測試後的參數裝訂，通過MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器內置的 溫度傳感器採集溫度信息，在單片機內實現-45 °C +85°C全溫度範圍內精度補 償。慣性傳感器組合為ESP系統提供車輛實時的角速度和加速度信息，幫助汽 車穩定控制。
一種ESP慣性傳感器組合，所述的電源通過過壓/反壓保護電路與MEMS角 速度傳感器和MEMS加速度傳感器的電源端相連接。在+5V電源下工作，過壓 保護電路可以在電源出現較大波動時保護慣性傳感器組合損壞，過壓/反壓保護 電路採用美國Tyco Electronics公司的PolyZen微型集成保護模塊——聚合物保 護的齊納二極體，具有價格低、自動復位等特點，使得傳感器組合能承受5V電 源反接和16V過壓而不損壞。
一種ESP慣性傳感器組合，其特徵在於所述的角速度傳感器為MEMS陀 螺儀，加速度傳感器為MEMS加速度計。
一種ESP慣性傳感器組合，所述的單片機採用Microchip公司的PIC16系列。
一種ESP慣性傳感器組合，由於釆用上述結構，與現有技術相比，具有以 下優點；(1)選擇採用MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器，為ESP 系統提供角速度和加速度信息，與傳統的機電式傳感器和壓電式傳感器相比， 具有成本低、體積小、環境適應性好等特點。(2)採用單片機和D/A數模轉換 輸出方案，方便進行批量補償， 一致性好。單片機預燒寫主程序，串口寫調整 參數實現標定測試後的參數裝訂，標定後性能一致性優於1%。 (3)對傳感器組 合的電氣接口採用PolyZen微型集成保護模塊——聚合物保護的齊納二極體實 現過壓/反壓保護，具有價格低、可自動復位等特點，使得傳感器組合能承受5V電源反接和16V過壓而不損壞。以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明；
圖1為ESP慣性傳感器組合提供的角速度和加速度信息； 圖2為ESP慣性傳感器組合結構示意圖； 圖3為MEMS加速度傳感器工作原理； 圖4為MEMS角速度傳感器工作原理； 圖5為圖2所示的過壓/反壓保護電路連接示意圖， 圖6為ESP慣性傳感器組合補償調整方法框在圖2、圖5中，1、單片機；2、 MEMS角速度傳感器；3、 MEMS加速度 傳感器；4、 D/A數模轉換電路；5、過壓/反壓保護電路。
具體實施方式
本實用新型的實施例ESP慣性傳感器組合採用MEMS角速度傳感器和 MEMS加速度傳感器，慣性傳感器組合提供汽車電子穩定程序系統所需要的所 有加速度和角速度信息，與傳統分立的橫向加速度傳感器與角速度傳感器相比, 具有集成度高、可靠性高、成本低、安裝簡單等優點。如圖1所示，採用單軸 MEMS角速度傳感器提供汽車的橫擺角速度信息，採用雙軸MEMS加速度傳感 器提供汽車的橫向(x向)和縱向(y向)加速度信息。
如圖2所示， 一種ESP慣性傳感器組合，包括與各電路相連接的電源，其特 徵在於所述的傳感器組合由角速度傳感器2、加速度傳感器3、過壓/反壓保護 電路4、單片機1和D/A數模轉換電路5構成；角速度傳感器2的信號輸出端、加速 度傳感器3的X向信號輸出端和Y向信號輸出端分別與單片機1的輸入端相連接，單片機1的一輸出端通過D/A數模轉換電路5、過壓/反壓保護電路4輸出橫擺角速 度信號和X向加速度信號，單片機1另一輸出端選擇性通過D/A數模轉換電路5、 過壓/反壓保護電路4輸出Y向加速度信號；所述的電源通過過壓/反壓保護電路4 與角速度傳感器2和加速度傳感器3的電源端相連接。
如圖5所示，對ESP慣性傳感器組合的電氣接口採用PolyZen微型集成保護模 塊——聚合物保護的齊納二極體實現過壓/反壓保護電路4，具有價格低、可自動 復位等特點，使得傳感器組合能承受5V電源反接和16V過壓而不損壞，特別適 合汽車電源使用，汽車電源提供的+5V電源標稱電壓為4.75V 5.25V，但會由於 繼電器等其他電子系統的工作，產生感應尖峰電壓。同時在使用過程中，汽車 供電裝置易受到蓄電池連結錯誤和蓄電池雙倍電壓跳躍啟動操作的影響，要求 汽車電子設備具有過壓/反壓保護功能，並具有較強的瞬態抑制能力。Polyzen器 件是專門設計用來幫助實現對感應式尖峰電壓的鉗位和平滑處理，將過餘的功 率分流至接地點，排除了發生供電錯誤導致電路損壞的可能性。
微機電系統(MEMS)技術是近年來發展的一項高新技術，其加工採用先 進的半導體工藝技術，在體積、質量、價格、功耗及可靠性等方面具有十分明 顯的優勢，在航空航天、軍事、生物醫學、汽車等行業得到了廣泛應用。
本專利實用新型的ESP慣性傳感器組合附圖2中的虛框內為根據系統需求可 選配部分。ESP慣性傳感器組合主要由MEMS角速度傳感器2、 MEMS加速度 傳感器3、過壓/反壓保護電路4、單片機1和D/A數模轉換電路5等五部分組 成，原理簡單可靠。採用單片機補償方案，提高了精度和批量一致性，使得低 成本MEMS加速度傳感器和角速度傳感器能夠應用到ESP系統中，MEMS角速 度傳感器2和MEMS加速度傳感器3可選用常見的商業化產品。MEMS角速度 傳感器2為MEMS陀螺儀，MEMS加速度傳感器3為MEMS加速度計。採用MEMS陀螺儀和MEMS加速度計為ESP系統提出供角速度和加速度信息，成本 較低。
MEMS加速度傳感器的工作原理見附圖3，檢測質量在受到加速度時會產 生形變，可通過測量形變得到檢測質量受到的加速度大小。
MEMS角速度傳感器的工作原理框圖見附圖4， MEMS角速度傳感器一般 有兩個相互垂直的振動模態， 一個是驅動模態方向，另一個是由科裡奧利力引 起的檢測模態方向。工作時，首先驅動檢測質量沿X方向做正弦振動
x(t)=Ax sin( " t) ................................. (1)
其中A,和w分別為驅動振動的振幅和圓頻率，當檢測質量M受到Z方向 角速度Q時，檢測質量將受到Y方向的科裡奧利力的作用。科裡奧利力Fc(t)的 大小為-
Fc(t)=2MAxQw cos("t) ........................... (2)
受此周期性科裡奧利力的作用，檢測質量將沿Y方向作簡諧振動，檢測出振 動的大小即可檢測出角速度Q的大小。
汽車電源提供的+5V電源標稱電壓為4.75V 5.25V，但會由於繼電器等其他 電子系統的工作，會產生感應尖峰電壓。同時在使用過程中，汽車供電裝置易 受到蓄電池連接錯誤和蓄電池雙倍電壓跳躍啟動操作的影響，要求汽車電子設 備具有過壓/反壓保護功能，並具有較強的瞬態抑制能力。因此本專利實用新型 的ESP慣性傳感器組合電路中採用tyco公司的PolyZen微型集成保護模塊——聚 合物保護的齊納二極體實現過壓/反壓保護，其工作見附圖5。 PolyZen器件具有 價格低、可自動復位等優點，使得傳感器組合能承受5V電源反接和16V過壓而 不損壞，特別適合汽車電源使用，Polyzen器件是專門設計用來幫助實現對感應 式尖峰電壓的鉗位和平滑處理，將過餘的功率分流至接地點，排除了發生供電錯誤導致電路損壞的可能性。
ESP慣性傳感器組合對外採用接插件連接，由ESP系統控制電路提供+5V電 源和電源地，同時傳感器組合提供角速度和加速度信息給ESP系統控制電路，信 息提供方式為三路模擬電壓信號。針對低成本MEMS傳感器一致性較差的特點， ESP慣性傳感器組合調整電路採用單片機和D/A數模轉換輸出方案，方便進行批 量補償， 一致性好。採用單片機l預燒寫主程序，串口寫調整參數實現標定測試 後的參數裝訂，未經標定的傳感器性能不一致超過10%，標定後性能一致性優於 1%，完全滿足系統的精度要求。
如圖6所示，為提高ESP慣性傳感器組合的一致性和溫度環境適應性，對ESP 慣性傳感器組合進行靜態測試、動態測試和溫度模型測試後，進行參數補償， ESP慣性傳感器組合中角速度傳感器功能測試由室溫下(25°C)的從-75° /s +75° /s(角速度增量為157s)的轉臺試驗完成。加速度傳感器試驗由室溫下(25 °C)的從-1.7g +1.7g (加速度增量為0.34g)的離心試驗完成。角速度傳感器的 溫度測試由-4(TC、 25。C和85。C三種溫度環境下的從-75。/s +757s (角速度增量 為15。/s)的轉臺試驗完成。加速度傳感器的溫度測試由-4(TC、 25'C和85。C三種 溫度環境下的從-1.7g +1.7g (加速度增量為0.34g)的離心試驗完成。對測試結 果進行線性擬合得到加速度傳感器和角速度傳感器的零位輸出KO、靈敏度K1 、 零位的溫度係數KOt和靈敏度的溫度係數Klt。溫度補償利用MEMS角速度傳感 器內置的溫度傳感器採集溫度信息，在單片機1內實現-45。C +85'C全溫度範圍 內精度補償。以角速度傳感器為例，角速度傳感器的溫度補償公式見公式3， MEMS加速度傳感器的溫度補償方法與MEMS角速度傳感器的溫度補償完全一 致。
Vou屍Ko (l+Kot*t) +K! (1+Klt*t) * Q.................. (3)其中V。ut~—溫度補償後輸出；
Ko "~~角速度傳感器零位輸出；
K,——角速度傳感器靈敏度；
K0t——角速度傳感器零位的溫度係數；
Kit——角速度傳感器靈敏度的溫度係數；
T——溫度傳感器輸出；
Q——輸入角速度。 ESP慣性傳感器組合中使用的單片機l採用MicrocWp公司的PIC16系列單片 機，PIC16系列單片機具有出貨量大、成本低的特點，單片機自帶高精度內部振 蕩器，數據保持時間可超過40年，支持SPI和fC接口。 D/A數模轉換晶片選用 Microchip公司的MCP4921/4922，採用SPI接口，具有12位精度。
ESP慣性傳感器組合，實現了高集成度、低成本、易於調整和批量生產。 上面結合附圖對本實用新型進行了示例性描述，顯然本實用新型具體實現 並不受上述方式的限制，只要採用了本實用新型的方法構思和技術方案進行的 各種非實質性的改進，或未經改進將本實用新型的構思和技術方案直接應用於 其它場合的，均在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種ESP慣性傳感器組合，包括與各電路相連接的電源，其特徵在於所述的傳感器組合由MEMS角速度傳感器(2)、MEMS加速度傳感器(3)、過壓/反壓保護電路(4)、單片機(1)和D/A數模轉換電路(5)構成；MEMS角速度傳感器(2)的信號輸出端、MEMS加速度傳感器(3)的橫向信號輸出端和縱向信號輸出端分別與單片機(1)的輸入端相連接，單片機(1)的一輸出端通過D/A數模轉換電路(5)、過壓/反壓保護電路(4)輸出橫擺角速度信號和橫向加速度信號，單片機(1)另一輸出端選擇性通過D/A數模轉換電路(5)、過壓/反壓保護電路(4)輸出縱向加速度信號；所述的單片機(1)，用於預燒寫主程序，串口寫調整參數實現標定測試後的參數裝訂，通過MEMS角速度傳感器(2)和MEMS加速度傳感器(3)內置的溫度傳感器採集溫度信息，在單片機內實現-45℃～+85℃全溫度範圍內精度補償。
2、 根據權利要求1所述的一種ESP慣性傳感器組合，其特徵在於所述的 電源通過過壓/反壓保護電路(4)與MEMS角速度傳感器(2)和MEMS加速 度傳感器(3)的電源端相連接。
3、 根據權利要求1或2所述的一種ESP慣性傳感器組合，其特徵在於所 述的MEMS角速度傳感器(2)為MEMS陀螺儀，MEMS加速度傳感器(3) 為MEMS加速度計。
4、 根據權利要求1所述的一種ESP慣性傳感器組合，其特徵在於所述的 單片機(1)採用Microchip公司的PIC16系列。
專利摘要本實用新型公開了一種ESP慣性傳感器組合，包括與各電路相連接的電源，其特徵在於所述的傳感器組合由MEMS角速度傳感器、MEMS加速度傳感器、過壓/反壓保護電路、單片機和D/A數模轉換電路構成；MEMS角速度傳感器的信號輸出端、MEMS加速度傳感器的橫向信號輸出端和縱向信號輸出端與單片機的輸入端相連接，單片機的一輸出端通過D/A數模轉換電路、過壓/反壓保護電路輸出橫擺角速度信號和橫向加速度信號。由於採用上述結構，具有以下優點；(1)採用MEMS角速度傳感器和MEMS加速度傳感器，為ESP系統提供角速度和加速度信息，與傳統的機電式傳感器和壓電式傳感器相比，具有成本低、體積小、環境適應性好。(2)採用單片機和D/A數模轉換輸出方案，方便進行批量補償，標定後性能一致性優於1％。
文檔編號G01P15/00GK201405839SQ20092017196
公開日2010年2月17日 申請日期2009年5月11日 優先權日2009年5月11日
發明者群 衛 申請人:群 衛