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汽车ABS系统设计毕业论文


汽车 ABS 系统设计毕业论文

汽车 ABS 系统设计毕业论文

题目:汽车 ABS 系统的设计





ABS (Anti-locked Braking System)系统可以显著提高或改善汽车紧急制动时的操控性 和稳定性,缩短了制动距离,是目前汽车上制动效果最佳的制动

装置,并得到了越来越广 泛的应用。 本文以一汽大众速腾汽车为研究对象,展开对汽车 ABS 系统的研究: 通过对单个车轮时的受力分析确定了影响车轮附着系数的主要因素; 通过对控制结构的分析设计了以 INTEL 公司生产的 80C196KC 单片机为核心的实时 控制系统, 包括信号输入电路、 控制输出电路、 驱动电路等硬件部分, 并画出电子线路图; 通过设计液压调节系统,画出液压传动原理图,以及系统图; 经比较各种控制方案,确定了―逻辑门限控制法‖作为控制方案,并选用加速度和滑移 率的组合作为控制参数。采用事件门限来计算车轮的转速; 本文通过学习比较根据所学只是设计了 ABS 控制系统。 从理论上实现了 ABS 的控制 功能,完成了设计要求。在设计过程中对汽车制动理论和制动装置有了较为深入的了解, 扩大了自己的知识面,自己解决问题的能力也得到了提高。 关键词:防抱死制动系统 电子控制单元 门限值滑移率 轮速传感器 液压传动控制统

I

Abstract
ABS (Anti-locked Braking System) system can significantly enhance or improve handling and stability during vehicle control emergency braking, shorter braking distance, braking effect is the best on the brakes, and has been more And more widely used. In this paper, FAW-Volkswagen Jetta cars as the research object, expand the ABS system of the car: By the time the force analysis on a single wheel of the wheel friction coefficient determined the main factors; Through the analysis and design of the control structure produced by INTEL 80C196KC microcontroller as the core real-time control system, including the signal input circuit, the control output circuit, drive circuit and other hardware parts, and draw circuit diagrams; Through the design of the hydraulic control system, hydraulic schematic drawing, and the system diagram; The comparison of different control schemes to determine the "logic threshold control method" as the control program, and use a combination of acceleration and slip rate as the control parameter. Threshold used to calculate the event the wheel speed. By comparison study is designed according to the ABS control school system. Theoretically achieve the ABS control functions to complete the design requirements. In the design process for automotive brake system with brake theory and deeper understanding and expand their knowledge, their problem-solving ability has been improved. Key words: Anti-lock braking system Electronic control unit Slip ratio threshold Wheel

Speed Sensor Hydraulic control system

II






要 ........................................................................................................................................ I

Abstract ...................................................................................................................................... II 第 1 章绪论 ................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ......................................................................................................................... 1 1.2 ABS 防抱死控制系统的发展历史及发展趋势 ............................................................ 1 1.2.1 ABS 系统发展概况 ................................................................................................ 1 1.2.2 ABS 系统发展趋势 .............................................................................................. 3 1.2.3 国内 ABS 系统研究的理论状态和具有代表的 ABS 产品公司 ....................... 4 1.3 本文主要研究任务 ......................................................................................................... 5 第 2 章 防抱死制动系统基本原理 ............................................................................................. 6 2.1 汽车制动时的运动 ......................................................................................................... 6 2.1.1 制动时汽车受力分析 ........................................................................................... 6 2.1.2 滑移率定义 ........................................................................................................... 8 2.1.3 滑移率与附着系数的关系 ................................................................................... 8 2.2 汽车车轮抱死时运动情况 ........................................................................................... 10 2.3 制动时车轮运动方程 ................................................................................................... 11 2.4 采用防抱死制动系统的必要性 ................................................................................... 12 2.5 防抱死制动系统基本工作原理 ................................................................................... 13 第 3 章 速腾汽车 ABS 系统的硬件设计 ................................................................................. 16 3.1 防抱死制动系统的基本组成 ....................................................................................... 16 3.2 防抱死制动系统的布置形式 ....................................................................................... 18 3.3 防抱死制动系统轮速传感器选择 ............................................................................... 20 3.3.1 轮速传感器的分类 ............................................................................................. 20 3.3.2 霍尔式传感器的设计 ......................................................................................... 21 3.4 电子控制单元设计 ....................................................................................................... 22 3.4.1 80C196KC 最小系统简介 ................................................................................. 23 3.4.2 时钟电路和复位电路设计 ................................................................................. 25 3.4.3 EPROM 和 RAM 的扩展 ................................................................................... 26 3.5 ABS 液压调节系统设计 .............................................................................................. 27 3.6 电源设计 ....................................................................................................................... 28 3.7 信号输入电路设计 ....................................................................................................... 29 3.8 电磁阀驱动电路 ........................................................................................................... 30

3.9 泵电机驱动电路的设计 ............................................................................................... 32 3.10 ABS 系统报警 LED 灯设计 ...................................................................................... 33 3.11 故障诊断硬件电路设计 ............................................................................................. 34 3.12 硬件抗干扰设计 ......................................................................................................... 35 第 4 章 速腾汽车 ABS 系统的软件设计 ................................................................................. 36 4.1 控制方案和控制参数的选取 ....................................................................................... 37 4.2 控制参数及其计算 ....................................................................................................... 38 4.2.1 门限角减速度的求取 ......................................................................................... 38 4.2.2 门限角加速度的求取 ......................................................................................... 39 4.2.3 路面识别技术 ..................................................................................................... 39 4.2.4 车身参考速度的确定 ......................................................................................... 40 4.2 程序设计 ....................................................................................................................... 41 第 5 章 结论与展望 ................................................................................................................... 43 5.1 研究工作总结 ............................................................................................................... 43 5.2 防抱死制动系统发展方向 ........................................................................................... 43 致 附 谢 ......................................................................................................................................... 45 录 ......................................................................................................................................... 47 参考文献 ..................................................................................................................................... 46

第 1 章 绪论
1.1 课题背景
汽车 ABS 系统是在车辆制动过程中用来防止车轮抱死造成危险,ABS 系统是英文 Anti-lock Brake System 的缩写,全文的意思是防抱死制动系统。 凡驾驶过汽车的人都有这样的经历: 在积水的柏油路上或在冰雪路面紧急制动时, 汽 车轻者会发生侧滑,严重时会掉头、甩尾,甚至产生剧烈旋转;制动力过大,将使车轮抱 死,汽车方向失去控制后,若是弯道就有可能从路边滑出或闯入对面车道,即使不是弯道 也无法躲避障碍物,产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现 象,此时,车轮相对于路面的运动不再是滚动,而是滑动,路面作用在轮胎上的侧滑摩擦 力和纵向制动力变得很小,路面越滑,车轮越容易。总之,汽车制动时车轮如果抱死将使 制动效率下降,延长了制动距离;轮胎过度磨损,产生“小平面”,甚至爆胎。 ABS 防抱死制动装置就是为了防止上述缺陷发生而研制的装置,它有以下几点作用: ABS 的第一个作用是增加了汽车制动时候的稳定性。汽车制动时,四个轮子上的制 动力是不一样的,如果汽车的前轮抱死,驾驶员就无法控制汽车的行驶方向,这是非常危 险的;倘若汽车的后轮先抱死,则会出现侧滑、甩尾,甚至使汽车整个掉头等严重事故。 ABS 可以防止四个轮子制动时被完全抱死,提高了汽车行驶的稳定性。汽车生产厂家的 研究数据表明,装有 ABS 的车辆,可使因车论侧滑引起的事故比例下降 8%左右。 ABS 的第二个作用是能缩短制动距离。 这是因为在同样紧急制动的情况下, ABS 可以 将滑移率(汽车滑移距离与行驶比)控制在 20%左右,即可获得最大的纵向制动力的结果。 ABS 的第三个作用是改善了轮胎的磨损状况,防止爆胎。事实上,车轮抱死会造成 轮胎小平面磨损, 轮胎面损耗会不均匀, 使轮胎磨损消耗费增加, 严重时将无法继续使用。 因此,装有 ABS 具有一定的经济效益和安全保障。 另外,ABS 使用方便,工作可靠。ABS 的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别, 紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上,ABS 就会根据情况进入工作状态,即使雨雪路 滑,ABS 也会使制动状态保持在最佳点。ABS 利用电脑控制车轮制动力,可以充分发挥制 动器的效能,提高制动减速度和缩短制动距离,并能有效地提高车辆制动的稳定性,防止 车辆侧滑和甩尾, 减少车祸事故的发生, 因此被认为是当前提高汽车行驶安全性的有效措 施。目前 ABS 已经在国内外中高级轿和客车上得到了广泛使用。

1.2 ABS 防抱死控制系统的发展历史及发展趋势
1.2.1 ABS 系统发展概况
ABS 装置最早应用在飞机和火车上,而在汽车上的应用比较晚。铁路机车在制动时
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如果制动强度过大,车轮就会很容易抱死在平滑的轨道上滑行。1908 年英国工程师 J. E. Francis 提出了―铁路车辆车轮抱死滑动控制器‖理论,但却无法将它实用化。接下来的 30 年中, 包括 Karl Wessel 的 “刹车力控制器” Werner Mhl 的 、 “液压刹车安全装置” Richard 与 Trappe 的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。在 1941 年出版的《汽车科技手册》中 写到: “到现在为止,任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功,当这项装 置成功的那一天,即是交通安全史上的一个重要里程碑” ,可惜该书的作者恐怕没想到这 一天竟还要再等 30 年之久。 当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么?首先该装置需要一套系统实时监测轮 胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小, 在那个没有集成电路与计算机的年 代, 没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应。 等到 ABS 系统的诞生露出一线曙光时, 已经是半导体技术有了初步规模的 1960 年代早期。 精于汽车电子系统的德国公司 Bosch(博世)研发 ABS 系统的起源要追溯到 1936 年, 当年 Bosch 申请―机动车辆防止刹车抱死装置‖的专利。1964 年(也是集成电路诞生的一 年)Bosch 公司再度开始 ABS 的研发计划,最后有了―通过电子装置控制来防止车轮抱死是 可行的‖结论,这是 ABS(Antilock Braking System)名词在历史上第一次出现!世界上第一 个 ABS 原型机于 1966 年出现,向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。因 为投入的资金过于庞大,ABS 初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。

电磁柱塞 速度传感器

回流泵

降压器 刹车装置 回流通道 控制单元

K
图 1-1 BOCSH 防抱死控制系统

Teldix GmbH 公司从 1970 年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机 --ABS 1,该系统已具备量产基础,但可靠性不足,而且控制单元内的组件超过 1000 个, 不但成本高也很容易发生故障。1973 年 Bosch 公司购得 50%的 Teldix GmbH 公司股权及 ABS 领域的研发成果,1975 年 AEG、Teldix 与 Bosch 达成协议,将 ABS 系统的开发计划
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完全委托 Bosch 公司整合执行。 “ABS 2”在 3 年的努力后诞生!有别于 ABS 1 采用模拟 式电子组件,ABS 2 系统完全以数字式组件进行设计,不但控制单元内组件数目从 1000 个锐减到 140 个,而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。两 家德国车厂奔驰与宝马于 1978 年底决定将 ABS 2 这项高科技系统装置在 S 级及 7 系列车 款上。 在诞生的前 3 年中, ABS 系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。 1978 到 1980 从 年底,Bosch 公司总共才售出 24000 套 ABS 系统。所幸第二年即成长到 76000 套。受到 市场上的正面响应,Bosch 开始 TCS 循迹控制系统的研发计划。1983 年推出的 ABS 2S 系统重量由 5.5 公斤减轻到 4.3 公斤,控制组件也减少到 70 个。从此以后,欧美日许多的 制动器专业公司和汽车公司相继开始了各式各样的 ABS 系统的研发。 到了 1985 年代中期, 全球新出厂车辆安装 ABS 系统的比例首次超过 1%。

1.2.2 ABS 系统发展趋势
ABS 技术虽然在 20 世纪 90 年代初期就已成熟,但随着电子技术和汽车技术的快速 发展,ABS 技术也得到了不断完善。今后,ABS 技术将沿以下几个方面继续发展。 1.2.2.1 ABS 本身控制技术的提高 现代制动防抱死装置多是电子计算机控制, 这也反映了现代汽车制动系向电子化方向 发展。基于滑移率的控制算法容易实现连续控制,且有十分明确的理论加以指导,但目前 制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车 速传感器的出现,ABS 系统中增加车速传感器成为可能,确定车轮滑移率将变得准确而 快速。全电制动控制系统 BBW (Brake-By-Wire)是未来制动控制系统的发展方向之一。它 不同于传统的制动系统,其传递的是电,而不是液压油或压缩空气,可以省略许多管路和 传感器,缩短制动反应时间,维护简单,易于改进,为未来的车辆智能控制提供条件。但 是,它还有不少问题需要解决,如驱动能源问题,控制系统失效处理,抗干扰处理等。 1.2.2.2 防滑控制系统 防滑控制系统 ASR (Acceleration Slip Regulation)或称为牵引力控制系统 TCS(Traction Control System)是在驱动时防止车轮打滑,使车轮获得最大限度的驱动力,并具有行驶稳 定性, 减少轮胎磨损和发动机的功耗, 增加有效的驱动牵引力。 防滑控制系统包括两部分: 制动防滑与发动机牵引力控制。制动部分是当驱动轮 (后轮)在低附着系数路面工作时, 由于驱动力过大,则产生打滑,当 ASR 制动部分工作时,通过传感器将非驱动轮及驱动 轮的轮速信号采集到控制器中, 控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、 加 速度,当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时,则控制器打开开关阀,气压由储气筒 直接进入制动气室进行制动,由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气

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室,在低附着系数路面上制动时,轮速对压力十分敏感,压力稍稍过大,车轮就会抱死。 1.2.2.3 电子控制制动系统 由于 ass 在功能方面存在许多缺陷,如气压系统的滞后,主车与接车制动相容性问题 等。为改善这些,出现了电子制动控制系统 EBS (Electronics Break System)它是将气压传 动改为电线传动, 缩短了制动响应时间。 最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制。 控制强度则由司机踏板位移信号的大小来决定, 由压力调节阀、 气压传感器及控制器构成 闭环的连续压力控制,这样可以在外环形成一个控制回路,来实现各种控制功能,如制动 力分布控制、减速控制、牵引车与挂车处合力控制等。 1.2.2.4 车辆动力学控制系统 车辆动力学控制系统 VDC(Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基础上通过测量方 向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。VDC 系统根据转向角、 油门、制动压力,通过观测器决定出车辆应具有的名义运动状态。同时由轮速、横摆角速 度和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。 名义状态与实际状态的差值即为控制的 状态变量,控制的目的就是使这种差值达到最小,实现的方法则是利用车轮滑移率特性。 车辆动力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性, 它可以在车辆运动状态处于危险状态 下自动进行控制。 其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态, 使车辆处于稳定的运动 状态,使人能够更容易地操纵车辆。 1.2.2.5 ABS/ASR 与自动巡航系统(ACC)集成 自动巡航控制系统(ACC)的目的是在巡航行驶时自动把车速限制在一个设定的速度, 并且能够根据前方车辆的行驶善,自动施加制动或加速使其保持在一定的安全距离内行 驶。在遇到障碍物时,可以自动施加制动,把车速调整到安全范围内。由于 ABS/ASR 和 ACC 都要用到相同的轮速采集系统,制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置, 因此 ABS/ASR/ACC 集成化系统, 不仅可以大大降低成本, 而且可以提高汽车的整体安全 性能 1.2.2.6 控制系统总线技术 随着汽车技术科技含量的不断增加,必然造成庞大的布线系统。因此,需要采用总线 结构将各个系统联系起来,实现数据和资源信息实时共享,并可以减少传感器数量,从而 降低整车成本, 朝着系统集成化的方向发展。 目前多使用 CAN 控制器局域网络(Controller Area Network)用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

1.2.3 国内 ABS 系统研究的理论状态和具有代表的 ABS 产品公司
我国 ABS 的研究始于 20 世纪 80 年代初,随着我国市场经济的不断发展及汽车保有 量和车速的不断提高,行车安全问题变得越来越突出。ABS 系统的研究在我国成为热门 课题, 许多髙校、 科研单位和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。 国内研制 ABS
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的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安 ABS 有限公司、陕西兴 平 514 厂、西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。东风公司从 80 年 代初就开始研究旭 3, 是较早研究 ABS 的厂家之一, 现研究工作的主要目标是对国 外的产品进行消化吸收。重庆公路研究所相继开发出了两代 ABS 产品,第一代 ABS 的 ECU 采用了 280 芯片。第二代 ABS 产品为 FKX-ACI 型,该装置的 ECU 中的 CPU 微处 理器采用了美国 INTEL 公司的 MCS-96 系列 8098 单片机。 我国前己着手制定有关车辆安 全性方面的法规,并决定首先在重型汽车和大客车上安装 ABS 系统。 清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统(ABS)“九五”国家科技攻关 课题,在 ABS 控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等 关键技术方面均取得了重大成果。 采用的耗散功率理论, 避免了传统的逻辑门限值研究方 法的局限性,取得了理论上的突破,研发 ABS 成功且进入产业化、批量生产阶段。其试 样在南京 IVECO 轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准(GB12676-1999)和欧洲法规 EECR13 的要求。这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义,标志着我国汽 车液压 ABS 国产化已迈出坚实的一步。国内液压 ABS 技术含量与国外虽有一定的差距, 但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下,相信国内可以在较短的时间内在 ABS 技术某些领域达到国际水平。

1.3 本文主要研究任务
根据速腾汽车的主要技术参数,给出了相应的 ABS 设计方案,并进行了初步试验, 理论和试验结果都表明, 此设计方案能够将汽车在制动时车轮的滑移率限制在一定范围之 内,避免车轮抱死,满足了控制耍求。 第二章首先给出了汽车防抱死系统工作原理,分析了 ABS 制动系统的特点、附着系 数与滑移率的关系曲线;通过本章对 ABS 制动系统主耍组成部分的原理和模型进行的研 究,对 ABS 的工作原理有一个初步的了解。 第三章对防抱死制动系统 ABS 的电子控制单元 ECU 的硬件电路和故障诊断电路进行 了设计。对所选用的器件和电路进行了分析。实践表明,控制电路能够满足 ABS 的实时 性控制要求,故障诊断电路能够准确的检测出元器件故障,为维修人员提供便利。 第四章对基于角加减速度和滑移率门限值控制策略进行了深入研究, 该方案能够满足 设计精度,并且成本较低。给出了控制系统流程图,并在模拟试验台上进行试验。 第五章对研究工作进行总结,展望未来 ABS 系统的发展方向。

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第 2 章 防抱死制动系统基本原理
ABS 系统能够通过控制制动过程中车轮的运动状态,使车轮不产生抱死,保证汽车 制动时处于最佳的制动状态,即保持方向稳定性、方向操纵性和缩短制动距离。所以要对 ABS 系统进行研究,就必须先了解汽车制动时的制动特性。

2.1 汽车制动时的运动
2.1.1 制动时汽车受力分析
汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、 风的阻力和自身重力的作用。 汽 车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图(2-1)所 示。其中 Fx 为地面作用在每个车轮上的地面制动力,其大小取决于路面的纵向附着系数 和车轮所受的载荷。所有车轮上所受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的地面制动 力,他是使汽车在制动时减速并停止的主要作用力。Fy 为地面作用在每个车轮上的侧滑 摩擦力,侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷,当车轮抱死时,侧滑 摩擦力将变得很小,几乎为零。汽车直线制动时,若受到横向干扰力的作用,如横向风力 或路面不平,汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向,如图 2-1(a)所示。若汽 车在转弯时制动或在制动时转弯, 也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向, 如图 2-1 (b)所示。 地面制动力决定制动距离的长短, 侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳定性。 这里将 作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力, 将作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向力。 转弯 力和汽车的方向操纵性有关, 它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向; 侧向力和汽车的 方向稳定性有关,它保证了汽车的行进方向。转弯力越大,汽车的方向操纵性越好;侧向 力越大,汽车的方向稳定性越好。

行驶方向

Fx
Fx
Fy
惯性力 Fy
离心力

惯性力

( a) 直 线 行 驶

横向干扰力

( b )转 弯 行 驶

图 2-1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图

汽车单车轮在良好的硬路面上制动时受力状况如图(2-2)所示。图中T?是制动器制动

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盘与制动钳之间的摩擦力矩;Fxb是轮胎与地面之间作用的地面制动力;G是汽车车体作 用于车轮的垂直载荷;Ft是车轴作用于车轮的推力;N是地面对车轮的法向反作用力;ν 是车体速度;ω是车轮转动角速度;r是车轮半径。

ω ν Fμ N
图 2-2 单个车轮在制动时的受力分析

G



Ft Fxb

r

若定义制动器制动力F?为作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩T?所需要的力, 则:
F? ? T? r

(2-1)

制动器制动力仅由制动器结构参数所决定,其大小取决于制动器的形式、结构尺寸、 制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径。 通常制动器制动力与制动踏板力, 即制动系的液 压或气压成正比。 真正直接使汽车减速停止的外力是路面作用于车轮轮胎上的路面制动力, 路面制动力 取决于制动器制动力及车轮轮胎与路面间的摩擦力。 轮胎与路面间的最大摩擦力称为路面 附着力F ? 。

F? ? G?
式中

(2-2)

? – –车轮轮胎与路面之间的摩擦系数,通常称为附着系数。

制动器制动力是生成路面制动力的源泉, 路面制动力的大小, 首先取决于制动器制动 力,只有足够的制动器制动力才能产生足够的路面制动力。但是,路面制动力的最大值受 车轮与路面间的摩擦力的限制,不可能大于路面附着力。路面制动力、制动器制动力及路 面附着力的关系如图(2-3)所示。 从图中可见,当制动管路压力P或制动踏板力Fp较小,未达到某一极限值时,制动器 摩擦力矩不大, 路面与轮胎间的摩擦力(路面制动力)足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转 动, 此时路面制动力的值与制动器制动力的值相等, 且随制动踏板力的增长成正比地增长。 当制动系管路压力P上升到某一足够大的值时,路面制动力达到路面最大附着力,汽车车 轮即抱死停转而出现拖滑现象, 且路面制动力路面附着力之间的关系动力不再增加, 但制 动器制动力随着制动踏板力或制动系统压力的增加而继续增大。
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由此可知, 汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力, 但同时又受地面附着条件的 限制。只有当汽车具有足够的制动器制动力,同时又能提供高的附着力时,才能获得足够 的路面制动力,保证较高的制动效果。

图 2-3 路面制动力、制动器制动力及路面附着力之间的关系

2.1.2 滑移率定义
如果制动系制动力小于轮胎一道路附着力,则汽车制动时会保持稳定状态;反之,如 果制动系制动力大于轮胎一道路附着力, 则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。 由于地面 制动力受地面附着系数的制约, 当制动器产生的制动系制动力增大到一定值(大于附着力) 时,汽车轮胎将在地面上出现滑移。滑移速度(实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差 值)与实际车速的比值,即滑移率。 滑移率S的定义式为:
S? V ? V? r? ? 1? V V

(2-3)

式中 S– –滑移率; Vω– –汽车的理论速度或车轮中心的速度(m/s); ω– –汽车车轮的角速度(rad/s); r– –汽车车轮的滚动半径(m)。 由上式可知:当车轮中心的速度(即汽车的实际车速)Vt等于车轮的角速度ω 和车轮滚 动半径r乘积时,滑移率为零(S=0),车轮为纯滚动;当ω =0时,S=100%,车轮完全抱死 而作纯滑动;当0<S<100%时,车轮既滚动又滑动。

2.1.3 滑移率与附着系数的关系
图2-4给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。当轮 胎纯滚动时,纵向附着系数为零;当滑移率为15%~30%时,纵向附着数达到峰值;当滑
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移率继续增大,纵向附着系数持续下降,直到车轮抱死(S=100%),纵向附着系数降到一 个较低值。另外,随着滑移率增大,横向附着系数急剧下降,当车轮抱死时,横向附着系 数几乎为零。从图中可以看出,如果能将车轮滑移率控制在15%~30%的范围内,则既可 以使纵向附着系数接近峰值,同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样,汽车就能获 得最佳的制动效能和方向稳定性。

附 着 系 数

控制范围

0.8 纵向滑移率

侧向滑移率 20 40 60 滑移率
图 2-5 不同路面纵向横向附着系数与滑移率的关系曲线

图 2-4 滑移率与附着系数关系曲线

实验证明,道路的附着系数受车轮结构、材料、道路表面形状、材料有关。不同性质 道路其附着系数变化很大。图(2-5)给出了不同类型路面上滑移率与附着系数之间的关系。 由图(2-5)可以看出, 各种路面上的变化的总体趋势是一致的。 滑移率和附着系数之间的关 系曲线随路面类型的不同, 出现峰值的滑移率的取值也会不一样, 并且对应不同路面类型 的滑移率一纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同, 在干燥的路面 上下降的快些,在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向 峰值附着系数高达0.8~0.9, 而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.1~0.2。 如果这种差别 随路面类型的不同变化比较明显, 则在设计ABS系统控制方法时, 就必须考虑到随路面类 型的不同而采取不同的控制目标和策略。 若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一 样,车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同,制动时的车速越高,车 轮的纵向附着系数越低。 但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数一滑移 率关系曲线不会有太大变化。 总之, 对于在一种路面上制动的汽车, 车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决 定汽车制动性能的主要因素。 实际上, 汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性 变化过程, 即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程, 所以说汽车的制动过程是 一种非线性的制动过程。 制动时汽车通过制动系统改变车轮的运动状态, 从而改变车轮的
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滑移率,形成整个非线性的制动过程。本设计主要研究纵向附着系数与滑移率的关系,以 下将纵向附着系数简称为附着系数。

2.2 汽车车轮抱死时运动情况
车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小, 这将使汽车制动时保持方向操纵 性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小,使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。 对ABS系统来说,就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯 制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。

图 2-6 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况

图 2-7 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况

(1)汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图2-6所示。图 2-6(a)为只有前轮抱死时,由于前轮的转弯力基本为零,无法进行正常的转向操作。驾驶 员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物, 这时由于汽车后轮不抱死, 所以 汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。图2-6(b)为只有后轮抱死时,后轮的侧向力接近于 零,汽车仍具有方向操纵性,但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。汽车不能保 持原来的行驶方向, 由于离心力和前轮转向力的作用, 汽车将一面旋转一面沿曲线行驶(这 种运动叫外旋转)。 图2-6(c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零, 这种状态很 不稳定,路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时,即使对汽车施加很小的偏转力矩,汽 车就会产生不规则运动而处于危险状态, 在不规则旋转的过程中将制动释放, 汽车就会沿
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着瞬时行驶方向急速驶出,这也是很危险的。 (2)汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图2-7所示。所有这 些运动情况若在制动时出现,都是极其危险的。 从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出, 制动时车轮抱死导致汽车出现 各种危险运动情况, 实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩 擦力而使汽车出现这些运动情况, 即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。 车轮的抱死程 度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系,ABS之所以能防止汽车 制动时出现危险的运动情况,就是根据这个关系来调整车轮的运动状态。

2.3 制动时车轮运动方程
由图(2-2)和图(2-8)知,制动车轮轴和支撑力 N 平衡,该转动惯量为 J,制动力力矩 Tμ 通常与时间成正比系数 K。忽略空气阻力和滚动阻力,则可列出微分方程如下: d? Mr ? J ? T? ? Fx r ? KT ? Fx r dt
Fx ? N? ? ?N1 ? N 2 ??

(2-4) (2-5) (2-6) (2-7) (2-8)

汽车惯性力 对后轮接力点取力矩 前轴载荷

Fj ? m

dV ? Fx ? Fxb1 ? Fxb 2 ? Fxa1 ? Fxa 2 dt
N 1 ? L ? G ? b ? F j ? hg

N1 ?

h dV ? G? ?b ? g ? L? g dt ? ? ? h dV ? G? ?a ? g ? ? L? g dt ? ?

后轴载荷 制动时附加转向力矩 瞬时车速 式中 m– –汽车质量(Kg); G– –汽车重力(N); g– –重力加速度(m/s 2 ); L– –汽车轴距(mm); B– –汽车轮距(mm); hg– –汽车质心高度(mm);

N2 ?

(2-9) (2-10) (2-11)

M s ? ??Fxa1 ? Fxa 2 ? ? ?Fxb1 ? Fxb 2 ??B
V ? V0 ? ? dV dt 0 dt
t

a– –汽车质心至前轴中心线距离(mm); b– –汽车质心至后轴中心线距离(mm);
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dω/dt– –汽车制动减速度(m/s 2 ); Fxb1﹑Fxb2﹑Fxa1﹑Fxa2– –分别为左侧前后轮制动力,右侧前后轮制动力。

图 2-8 汽车制动时受力分析

从式(2-4)可以使车轮角减速度产生变化:从式(2-11)计算制动时的瞬时车速 V, 可计算 各车轮滑移率,从式(2-8)和(2-9)及各轴载荷可以判断道路附着系数,并进行调节,故知 ABS 可以用 dω/dt(角加速度)或滑移率 S,或滑移率与角加速度联合作为控制参数。

2.4 采用防抱死制动系统的必要性
汽车直线行驶过程中,突然紧急制动,汽车车轮一下子抱死,汽车仍然向前行滑,轮 胎和地面之间发出吓人的摩擦声,汽车最后终于停了下来。在日常生活中,大家都可能遇 到过这种现象。 如果汽车发生交通事故, 交通警察来了之后首先总是检查一下汽车制动痕 迹,判断司机在事故中是否采取了制动措施。然后再测量一下制动距离,看一看该车制动 效果好不好。当轮胎的滑移率在 8%~25%时,轮胎和她面的摩擦力(附着力)最大。如果 轮胎的滑移率过大的话,附着力反而要降低。如果司机能控制轮胎的滑移率,使其在制动 期间始终处于 8%~25%范围之内,汽车将在更短的制动距离内停车。 当汽车转向时,如果汽车紧急制动的话,和直线行驶一样会出现车轮抱死现象。汽车 轮胎出现侧向滑动,汽车丧夫了控制方向的能力,这是十分危险的。汽车的侧向附着力和 制动力之间的关系十分紧密。在不制动的时候,轮胎前后方向的滑动为零,这时车轮侧向 附着力最大。司机踏动制动踏板,随着制动力的加大,轮胎的滑移率增加,侧向附着力逐 渐减速小。最后,当轮胎的滑移率达到 100%时,轮胎抱死。这样汽车的侧向附着力几乎 等于零。此时汽车正在转弯中,轮胎开始出现侧向滑动。在车轮抱死之后,方向盘己经不 起作用了, 汽车陷入了不能控制方向的困境。 只有前轮抱死的汽车沿着直线前进最后停车, 只有后轮抱死的汽车发生旋转现象最后停车, 如果前后轮都抱死的话, 汽车一边转一边沿 直线前进最后停车。上述各种状态是极其危险的。为了避免发生这些现象,司机在踏动制 动板时,必须谨慎从事。

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在制动过程中,如果始终能使轮胎的滑移率处于 8%~25%范围之内的话,汽车将在 最短的制动距离内停车并具有良好的控制方向的能力。 为了达到上述目的, 要求司机在操 作时应十分精心,即踏动制动踏板使车轮抱死,然后在轮胎抱死的一瞬间放松制动踏板, 轮胎一旦开始转动再踏动制动踏板使车轮抱死, 如此反复操作。 在摩擦系数小的光滑路面 上,司机在制动时都很小心,唯恐使车轮抱死,但仍很难做到,原因是司机不知道车轮什 么时候抱死。除此之外,汽车行驶的许多条件也都在变化之中,如道路的路面状况时时刻 刻都在变化,轮胎着地状态也每时每刻各不一样,前后轮胎的载荷分配更是如此。要完成 上述制动要求确实难上加难。 上述司机做不到的许多事,利用传感器就能办到。将传感器的数据进行整理、判断、 变成执行机构所必需的信息, 这部分工作对于电脑来说是很简单的, 按照电脑的指令执行 操作,这在机械结构上也不会有什么大问题。ABS 系统调节作用到每个车轮制动缸的制 动液压力, 以防止无论任何时由于制动过猛而可能引起的车轮抱死。 当不再有可能抱死车 轮时,再恢复正常压力。使滑移率控制在一定范围之内。这样不但提高了车辆行驶的稳定 性,增强了车辆方向的可控性,而且缩短了制动距离。

2.5 防抱死制动系统基本工作原理
ABS 系统是通过在制动时按一定规律不断改变制动液压力使车轮不产生抱死状态 的。这种对制动液压力的改变过程实际上就是 ABS 系统控制方法实施的过程。下面以基 于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法对直线单一路面的制动过程的控制为例,说明 ABS 的基本工作原理。 ABS 系统在制动时对制动油压的控制过程如图(2-9)所示。汽车开始制动时,驾驶员 踩下制动踏板,制动管路中油压由零开始上升,制动器使车轮上产生制动力矩,同时产生 地面制动力使汽车和车轮都开始减速。此时 ABS 系统不对制动过程进行干预,所以制动 油压迅速增加,车轮减速度也增大。当车轮减速度的值达到规定的门限值-a 时,产生减 压信号,图(2-9)中 1 点所示,ABS 系统开始工作,降低制动油压。由于液压制动系统的 惯性,车轮减速度仍然下降一段时间,然后开始减小并小于门限值-a 时,图(2-9)中 2 点, 产生保压信号,ABS 保持制动油压不变,车轮由减速状态进入加速状态,车轮速度开始 回升并靠近车速,当车轮加速度值达到设定的门限值 a 时,图(2-9)中 3 点,产生升压信 号,ABS 使制动油压上升,车轮加速度在上升一段时间后开始减小,车轮由加速状态又 进入减速状态,并再次进入另一个控制循环。ABS 通过这样的控制过程可以使车轮的速 度控制在一定的范围内而不产生抱死。 这种控制方法的关键在于对车轮加、 减速门限值的 设定, 合适的门限值可以使车轮的运动状态控制在比较理想的范围内。 但显然门限值的确 定需要大量的试验来确定。 除了设定车轮加减速度门限值之外, 还可以根据控制质量和路 面类型的不同设定不同的门限值来提高控制的质量,如参考滑移率门限值等。
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在 ABS 系统中,每个车轮上各安置一个转速传感器,将各控制装置 ECU。ECU 根据 各车轮转传感器输入的信号对各个测和判定并形成相应的控制指令。 制动压力调节装置主 要动泵总成和储液器等组成一个独立的整体, 通过制动管路与制动主缸相连, 制动压力调 节装置受电子控制装置的控制,对各制动轮缸的制动压力进行调节。 ABS 的工作过程可以分为常规制动、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大 等阶段。在常规制动阶段,ABS 并不介入制动压力控制,调压电磁阀总成中的各进液电 磁阀均不通电而处于开启状态, 各出液压电磁阀均不通电而处于关闭状态, 电动泵也不通 电运转, 制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态, 而各制动轮缸至储液器的制 动管路均处于封闭状态, 各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化, 此时的 制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。

车 a 速 减 速 度-a
控 制 信 号

车 速 与 轮 速

车速 1 2 3 轮速
保压 升压 减压

控 制 油 压

时间

图 2-9 基于车轮加减速度逻辑门限控制方法的 ABS 系统油压控制循环图

在制动过程中, 电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋 于抱死时, ABS 就进入防抱死制动压力调节过程。 例如: ECU 判定右前轮趋于抱死时, 当 ECU 就使控制右前轮制动压力的进液电磁阀通电,使右前进液电磁阀转入关闭状态,制 动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸, 此时, 右前出液电磁阀仍未通电而处于关闭 状态,右前制动轮缸中的制动液也不会流出,右前制动轮缸的制动压力就保持一定,而其 它未趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动轮缸的制动主缸输出压力的增大而增大, 如果在 右前制动轮缸的制动压力保持一定时,ECU 判定右前轮仍然趋于抱死,ECU 又使右前出
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液电磁阀也通电而转入开启状态, 右前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的 出液电磁阀流回储液器, 使右前制动轮缸的制动压力迅速减小, 右前轮的抱死趋势将开始 消除,随着右前轮的抱死趋势己经完全消除时,ECU 就使右前进液电磁阀和出液电磁阀 都断电, 使进液电磁阀转入开启状态, 使出液电磁阀转入关闭状态同时也使电动泵通电运 转,向制动轮缸送制动液,由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转,向制动轮缸泵送 制动液,由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转,向制动轮缸泵送制动液,由制动主 缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的右前进液电磁阀进入右前 制动轮缸,使右前制动轮缸的制动压力迅速增大,右前轮又开始减速转动。ABS 通过使 趋于抱死车轮的制动压力循环往复地经历保持一减小一增大过程, 而将趋于抱死车轮的滑 移率控制在峰值范围内, 直至汽车速度减小到很低或者制动主缸的输出时为止, 制动压力 调节循环的频率可达 3~20Hz。在该轮缸各有一对进液和出液电磁阀,可由 ECU 分别控 制。因此,各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节,从而使四个车轮都不发生制动抱死 现象。

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第 3 章 速腾汽车 ABS 系统的硬件设计
大众速腾(SAGITAR)汽车是于 2006 年 5 月正式在国内投产上市,是唯一一部同步引 进的捷达 A5 车型,经过多年的升级,已有 2006 款﹑2007 款﹑2009 款﹑2010 款﹑2011 款一共五种年款,其配备的 ABS 系统是由德国大陆特维斯公司(Continental Teves)提供的 MK 系列产品。 每一款都配备较好的 ABS 系统, 因此本文主要是对 ABS 系统进行了改良, 本着经济性实用性原则,设计符合中国道路的 ABS 系统。在设计 ABS 系统时,首先要先 了解其现有状态和参数,下表即为速腾汽车主要技术参数。
表 3-1 速腾汽车主要技术参数

项目 总体尺寸 车身结构 轴距 前/后轮距 前/后悬长度 最小离地间隙 轮胎 制动器结构形式 最高时速

参数 4544mm× 1760mm× 1461mm 4门5座3厢 2578mm 2578mm/1539mm 882mm/1084mm 125mm 205/55 R16 盘式 185KM/H

3.1 防抱死制动系统的基本组成
ABS 系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)和电磁阀三部分组成,其系统原理结构 组成图如图(3-1)所示。 传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速, 传感器一般为磁电感 应式。ABS 工作时 ECU 接收传感器送来的车轮信号,一般为符合 ECU 电压要求的矩形 电压波,然后固化在 ECU 中的程序根据各个车轮的速度来决定对各个车轮的制动液压力 如何调节, 并输出相应的控制信号给各个车轮的液压控制单元。 液压控制单元接收到信号 后对车轮分泵的压力进行调节。传感器的作用是为 ECU 提供车轮的运动情况,ECU 是 ABS 系统的控制中心,ECU 中固化的程序实际上是 ABS 的控制方法,而液压控制单元是 ABS 控制方法的执行机构。 轮速传感器是汽车轮速的检测元件, 它能产生频率与车轮速度成正比的近似正弦电信 号,ABS 控制单元根据处理后的信号计算车轮速度。电子控制单元是整个防抱死制动系 统的核心控制部件, 它接受车轮速度传感器送来的频率信号, 通过计算与逻辑判断产生相 应的控制电信号,操纵电磁阀去调节制动压力。定性的来说,就是当车轮的滑移率不在控 制范围之内时,ECU 就输出一个控制信号,命令电磁阀打开或闭合,从而调节制动轮缸
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压力,使轮速上升或下降,将汽车车轮滑移率控制在一定范围之内,实现汽车的安全、可 靠制动。电子控制单元原理图如图(3-2)所示。 电磁阀是防抱死制动系统的执行部件, 在没有控制信号的情况下, 该制动系统相当于 常规制动系统,直接输出最大制动压力;当 ECU 向电磁阀发出控制信号时,电磁阀动作, 对轮缸压力进行调节,从而调节车轮的滑移率,使制动力在接近峰值区域内波动,但又不 达到峰值制动力,实现最佳制动效率。 ABS 就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化,按一定的控制方法,通过电 磁阀调节制动轮缸压力,以获得最高的纵向附着系数,使车轮始终处于较好的制动状态。

1

2

3

4

5

11 10 9 8 7 6

1– –前轮速度传感器 2– –制动轮缸 3– –制动压力调节装置 4– –ABS 电控单元 5– –ABS 警示灯 6– –后轮速度传感器 7– –停车灯开关 8– –制动主缸 9– –比例分配阀 10– –蓄电池 11– –点火开关 图 3-1 ABS 系统的组成图

电源电路 制动信号 轮速传感器 轮速处理电路 故障诊断电路

单片机

功率驱动

电磁阀

液压源电机 80C196KC

故障指示灯

图 3-2 电子控制单元原理结构图

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3.2 防抱死制动系统的布置形式
ABS 系统中,能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮 的制动压力可以进行单独调节,称这种控制方式为独立控制;如果对两个(或两以上)车轮 的制动压力一同进行调节, 则称这种控制方式为一同控制。 在两个车轮的制动压力进行一 同控制时, 如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节, 称这 种控制方式为按高选原则一同控制; 如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则 进行制动压力调节,则称这种控制方式为按低选原则一同控制 按照控制通道数目的不同分类 (1)四通道 ABS 对应于双制动管路的 H 型(前后)或 X 型(对角)两种布置形式,四通道 ABS 有两种布 置形式,见图 3-3(a,b)。为了对四个车轮的制动压力进行独立控制,在每个车轮上各安装 一个转速传感器,并在通往各制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置(通 道)。由于四通道 ABS 可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动,因此汽车的制动 效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路面上制动时,由于同一轴 上的制动力不相等,使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此,ABS 通常不 对四个车轮进行独立的制动压力调节。 (2)三通道 ABS 四轮 ABS 大多为三通道系统, 而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制, 对两后轮的制动压力按低选原则一同控制,其布置形式见图 3-3(c,d,e)。 图(c)所示的按对角布置的双管路制动系统中,虽然在通往四个制动轮缸的制动管路 中各设置一个制动压力调节分装置, 但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一 同控制的,实际上仍是三通道 ABS。由于三通道 ABS 对两后轮进行一同控制,对于后轮 驱动的汽车可在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。. 汽车紧急制动时会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加,后轴荷减小),使得前轮附着力 比后轮的附着力大很多(前置驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的 70%~80%)。对 前轮制动压力进行独立控制, 可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动, 有利于缩短制 动距离,并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。 (3)双通道 ABS 图 3-3(f)所示的双通道 ABS 在按前后布置的双管路制动系统的前后制动管路中各设 置一个制动压力调节分装置, 分别对两前轮和两后轮进行一同控制。 两前轮可以根据附着 条件进行高选和低选转换,两后轮则按低选原则一同控制。对于后轮驱动的汽车,可以在 两前轮和传动系中各安装一个转速传感器。 当在路面上进行紧急制动时, 两前轮的制动力 相差很大,为保持汽车的行驶方向,驾驶员会通过转动转向盘使前轮偏转,保持汽车行驶 方向的稳定性。 但是在附着系数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间, 由于驾驶员无法
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在瞬间将转向轮回正, 转向轮上仍然存在的横向力将会使汽车向转向轮偏转方向行驶, 这 在高速行驶时是一种无法控制的危险状态。 由于双通道 ABS 难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距离等方面得到兼顾,因 此目前很少被采用。 (4)单通道 ABS 所有单通道 ABS 都是在前后布置的双管路制动系统的后制动管路中设置一个制动压 力调节装置, 对于后轮驱动的汽车只需在传动系中安装一个转速传感器, 如图 3-3(h),单通 道 ABS 一般对两后轮按低选原则一同控制, 其主要作用是提高汽车制动时的方向稳定性。 在附着系数分离的路面上进行制动时, 两后轮的制动力都被限制在处于低附着系数路面上 的后轮的附着力水平,制动距离会有所增加。由于前制动轮缸的制动压力未被控制,前轮 仍然可能发生制动抱死,所以汽车制动时的转向操作能力得不到保障。 但由于单通道 ABS 能够显著地提高汽车制动时的方向稳定性,又具有结构简单、成 本低的优点,在轻型货车上得到广泛应用。

图 3-3 ABS 四种通道及其布置形式

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因此针对速腾汽车的主要参数,考虑到其为前轮驱动,制动系统形式为浮动钳盘式, 将 ABS 系统设计为三通道分置式,即四轮速传感器,三通道,前轮独立,后轮低选控制。

3.3 防抱死制动系统轮速传感器选择
转速传感器的功用是检测车轮的速度,并将速度信号输入 ABS 的电控单元。下图图 (3-4)所示为转速传感器在车轮上的安装位置。

图 3-4 传感器在车轮上安装位置

3.3.1 轮速传感器的分类
(1)电磁式转速传感器 它由永磁体、极轴和感应线圈等组成,极轴头部结构有凿式和柱式两种。电磁式轮速 传感器结构简单、 成本低, 但存在下述缺点: 一是其输出信号的幅值随转速的变化而变化. 若车速过慢,其输出信号低于 1V,电控单元就无法检测;二是响应频率不高口当转速过 高时,传感器的频率响应跟不上;三是抗电磁波干扰能力差。目前,国内外 ABS 系统的 控制速度范围一般为 15~160km/h, 今后要求控制速度范围扩大到 8~260km/h 以至更大, 显然电磁感应式轮速传感器很难适应。 (2)霍尔轮速传感器 霍尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。 传感头由永磁体、 霍尔元件和电子电路等 组成,永磁休的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮,如图(3-5)所示。 当齿轮位于图中(a)所示位置时,穿过霍尔元件的磁力线分散,磁场相对较弱;而当 齿轮位于图中(b)所示位置时,穿过霍尔元件的磁力线集中,磁场相对较强。齿轮转动时, 使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化, 因而引起霍尔电压的变化, 霍尔元件将输出一 个毫伏(mv)级的准正弦波电压.此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。霍尔轮速 传感器具有以下优点: 其一是输出信号电压幅值不受转速的影响; 其二是频率响应高口其 响应频率高达 20kHz,相当于车速为 1000km/h 时所检测的信号频率;其三是抗电磁波干 扰能力强。因此霍尔传感器广泛应用于 ABS 轮速检测。
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霍尔式轮速传感器与电磁感应式轮速传感器比较具有以下优点: 随着轮速的变化, 输 出信号的幅值是不变的;频率响应高,响应频率高达 20khz,用于 ABS 系统中可检测到 约 1000Km/h 速度信号,远远满足使用要求;抗电磁干扰能力强,由于输出信号在整个轮 速范围内不变,而且幅值较高,所以抗电磁干扰能力很强。

图 3-5 霍尔轮速传感器示意图

鉴于霍尔传感器的比较优点,本设计采用霍尔轮速传感器。

3.3.2 霍尔式传感器的设计
霍尔轮速传感器要包括开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种。 集成霍尔 传感器是在制造硅集成电路的同时, 在硅片上制造具有传感器功能的霍尔效应器件, 因此 使集成电路具有对磁场敏感的特性。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路, 由稳压器、 霍尔片、 差分放大器、施密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下,当磁感应强度超过导通阀 时,霍尔电路输出管导通,输出低电平之后,B 增加,仍保持导通。若外加磁场的 B 值 降低到 BRP2, 输出管截止, 输出高电平。 我们称 BOP 为工作点, BRP 释放点。 BOP-BRP=BH 称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。 霍尔轮速传感器的关键元件是霍尔元件, 要求它能够输出较大的霍尔电压, 温度漂移 要尽可能小,并且要求它后面的电路尽可能的简单,体积减小,可靠性高。本系统选用南 京中旭微电子公司生产的 CS3120 型霍尔开关电路。这种开关电路由电压调整电路、霍尔 电压发生器、差分放大电路、施密特触发器、反向电压保护器、温度补偿电路及集电极开 关输出极组成能将磁场信号转变成数字电压输出, 对温度和电压的变化更加稳定。 其应用 参数是:电压电源范围宽度 4.5V~30V;工作温度范围宽度-40~125℃;电压极性反向保 护器,无触点、快速响应性好,频率高,寿命长,可直接同 TTL、MOS 等逻辑电路接口, 体积小,安装方便。 霍尔元件与永磁铁封装在一起, 经过 TTL 缓冲电路可以直接传送到单片机的高速输入 端口。如图(3-6)所示。 齿圈安装在随车轮一同转动的部件上,如半轴套筒,转向节,制动底盘。为了保证轮 速传感器无错误信号输出, 安装轮速传感器时应使传感头精确地对准齿圈, 应保证它们之

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间有 1mm 的空气间隙, 并要求安装牢固。 只有这样才能保证汽车在制动过程中的振动不会 干扰和影响传感信号,做到无误的输出。为了避免灰尘和溅泥、水,应适当的密封和润滑 措施。在确定了传感器的安装方案和选择好传感器之后,根据安装的位置,安装的空间的 大小以及所用的传感器的技术参数, 设计转速传感器的目标齿盘。 对齿盘的设计应当有这 样的要求: 齿盘的设计应保证产生的车速信号的频率在传感器的测量范围内; 车速测量的 误差要小;使输出的脉冲信号有合适的占空比;便于加工,稳定性好。为了保证在较低的 车速下,仍然能够准确的测量到轮速的变化情况,齿数不能过小。本系统拟选定齿数 Z 为 100 个。

VCC
稳压

+5V

VCC

+5V

霍尔元件

放大

整形 输出端 传感器

R TTL OUT

图 3-6 霍尔开关型传感器其结构原理图及在 ABS 系统中的接线图

3.4 电子控制单元设计
汽车防抱死制动系统是一个典型的计算机控制系统, 其核心部分是电子控制单元。 它 一方面负责将传感器信号 A/D 转换或将数字输入信号采集到计算机的内存中去进行分析 处理,另一方面要将控制命令通过 D/A 转换或数字输出去驱动作动系统,而电子控制单 元内部 CPU 通过软件编程来实现各种控制算法,所以电子控制单元是控制系统的关键, 它的实现取决于所选取的计算机的类型。相对于 ABS 系统,对基于车轮滑移率的控制方 式而言,输入电子控制单元的信号是速度脉冲,它由传感器采集感应出正弦信号,经过模 拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号,然后通过单片机的定时/计数器端口或数 字输入端口输入到单片机内存中去。 单片机内部的微处理芯片将输入的各个轮速信号按一 定的算法进行计算, 如计算车辆参考速度和车轮角减速度, 根据这些值的大小确定出相应 的控制命令, 即压力增加、 压力减小及压力保持, 然后将控制信号通过数字输出端口输出, 经过模拟电路的驱动功率放大就可以直接驱动电磁阀, 进而控制制动压力; 同时输出的信 号中还包括报警指示等。 就目前而言, 实现汽车的控制系统一般采用单片计算机, 由于单片机体积小, 重量轻, 高可靠性,价格低廉,使用方便,因此十分适用于开发汽车电子系统。早期的汽车控制系 统采用八位单片机,目前已过渡到十六位,有些系统如发动机管理系统己开发采用 32 位

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CPU。目前防抱死系统采用较多的单片机是摩托罗拉(Motorola)、英特尔(Intel)、德州仪器 (TI)公司及西门子(Siemens) 16 位单片机。选用单片机要充分利用各种外部端口的资源, 同时要利用内部的存贮器、中断,充分发挥它的运算速度,应根据 3 个原则选择 ABS 系 统的单片机:CPU 的运算速度,内外部存贮器和输入、输出端口资源。

3.4.1 80C196KC 最小系统简介
本文中单片机选用 MCS 系列产品中的 80C196KC。80C196 高性能 16 位单片机是 INTEL 公司继 8096KC 后最新推出的 CHMOS 型 16 位高性能单片机,它特别适合要求很 高的实时控制场合。目前,已成功地应用于汽车上,诸如点火﹑燃料等控制系统。 CHMOS 芯片耗电少, 除正常工作外还可工作于两种节电方式: 待机方式和掉电方式, 进一步减少了芯片的功耗,MC-96 家族中的全部成员都享用一套指令系统,有一个共同 的 CPU 组织结构。80C196KC 的内部 EPROM/ROM 为 8K 字节,内部 RAM 为 232 字节, 都可作为通用寄存器使用,加上 24 字节专用寄存器,相当于有 256 字节内部寄存器。在 ABS 的主控系统设计的软件编制中,就充分利用了其内部的通用寄存器。因为 ABS 系统 作为一种实时控制, 而整个制动过程在短短的几秒钟内必须完成, 因此它对时间要求非常 高;通过对所需采集数据分析,发现几种参数数量级分布较为集中,只需将每类参数量纲 扩大 100 倍,放入通用寄存器中供分析、计算,这样不但能保证控制参数的准确性(小数 点后 2 位),而且避免调用冗繁的四则运算子程序,使其算法更简洁,实时响应速度更快, 更具合理性。图 3-7 为 80C196KC 单片机引脚图。 (1)高速输入 HSI 部件 HSI 有四个输入端 HSI.0~HSI.3。变换检测器在 HSI_MODE 寄存器控制下,可检测 四种事件变化的方式,并把各输入端的状态寄存在 HSI_STATUS 寄存器中;HSI 用定时 器 T1 作事件记录变化的时间基准源,把各个输入端的变化时刻记录在 FIFO 中。保持寄 存器与 FIFO 相连, 通过 FIFO 把事件的时间值送入 HSI_ TIME 中。 这样, HSI_STATUS 对 和 HSI_TIME 寄存器的访问就能读取事件变化状态和发生时刻。 HSI_MODE 寄存器控制变换检测器检测事件的方式。每两位组成一个方式控制。
7 6 5 4 HSI .2 3 2 HSI .1 1 0 H SI .0

H SI. 3

00: 每 8次 正 跳 变 触 发 01 : 每 次负 跳 变 触 发 10: 每 次 正 跳 变 触发 11 : 每 次正 跳 变 和 负 跳 变 触 发

HSI_STATUS 寄存器表示 HSL.0~HSL.3 的四个输入端的状态, 每两位表示一个输入 端:
23

低位 1:事件出现过;0:没出现。 高位 1:从 HIS_TIME 读取的事件,此时的输入端为高电平; 0:从 HIS_TIME 读取的事件,此时的输入端为低电平。 通常, 对脉冲信号的记数就利用了检测 HSI_STATUSZH 状态变化次数的办法。 ABS 而 系统中,使用了另一种方法:定时器 T2 也可看作一个 16 位的事件计数器,其时钟源来自 引脚 HSI.1,当 HSI.1 引脚有跳变(包括正跳变和负跳变)时,其计数值加 1。定时器 2 与 HSO 单元配合使用,作为事件触发的时间基准,T2 的记数值存放在地址 OCH(低 8 位) 和 ODH(高 8 位)的特殊功能寄存器中。 当由轮速传感器送入的信号经输入级电路处理后, 作为脉冲信号输入时,T2 就能对其进行记数,在中断服务程序中读取记数寄存器的值, 便能测出车轮转速。 在实际应用中,汽车有四个轮速信号同时输入,数字控制器中没有足够多的计数器, 就需要扩展一块 8253 芯片。8253 具有三个功能相同的 16 位减计数器,每个计数器的工 作方式及记数常数分别由软件编程选择。这样,程序初始化时,设定好记数处值和方式控 制字, 在中断服务程序中就能同时读取四轮的轮速信号, 因为每条指令占用时间非常短暂 (以微秒计),相对于中断时间(一般为几十毫秒)几乎可以忽略。因此,采用这种方式能够 做到对四轮信号的同步测速。 (2)中断系统 MCS_96 给用户提供了八种型式的中断源, 每种中断源都有相对应的中断向量与之对 应。中断向量单元中存放的是中断服务程序的入口地址,当允许中断时,任何一个中断源 发出的中断请求, 将迫使程序转至由对应的向 t 地址单元的内容所决定的起始地址去执行 中断服务程序。 CPU 对中断控制是通过对中断的特殊功能寄存器和总中断允许位的控制实现的。当 跳变检测器检测到一个硬件中断时,则置位中断登记寄存器 TNT_PEND 中相应的位,通 过读寄存器 INT_PEND,能确定在任意给定的时间里哪个中断源发出中断;而每个中断 源都可以通过对中断屏蔽寄存器 INT_MASK 相应位的置位和复位而开放或禁止中断。即 某一位为 1 则开放相应的中断源; 0 则禁止相应的中断源。 为 中断登记寄存器和中断屏蔽 寄存器中各个中断源的位置是一样的,其各位定义如下:
7 6 中断登记 /屏蔽寄存器 5 3 2 4 1 0

0:定时器溢 出 4: HSO.0 1:A/D 转换结束 5:软件定时 器 2:HSI 数据有效 6:串行口 3:HSO 事件 7:外 部中断

一个中断请求能被响应,必须具备以下的条件:首先用 E1 指令开放全部中断;中断 登记/屏蔽寄存器对应位置 1。CPU 响应完中断,执行中断服务程序后,用 POPF 或 RET
24

指令将断点地址送回。 (3)高速输出 HSO 部件 高速输出 HSO 的功能是能够在预定的时刻触发某一事件。 这些事件包括:改变 6 条输 出线(HSO. 0~HSO. 5)上的电平信号、启动 A/D 转换、使定时器 2 复位以及触发 4 个软件 定时器中断等。由于 HSO 主要由专门的硬件来实现对事件的触发,因此,与普通输出端 比,具有占用 CPU 开销少、速度高、使用灵活方便等特点。 HSO 的输出引脚共有 6 条即 HSO.0~HSO.5,HSO.4 和 HSO.5 为双向引脚,分别与 HSI.2 和 HSI.3 复用,此两条引线可同时设置为 HSI 输入允许和 HSO 输出允许。与 HSO 相关的特殊功能寄存器有:定时器 T1,定时器 T2,HSO 时间寄存器等。本文,结合上面 介绍的中断原理,利用 HSO 产生软件定时中断,以下将着重介绍命令和时间寄存器的使 用。命令寄存器各位定义如下: CAM LOCK:锁定 CAM 事件 SET/CLEAR:置位/清除 HSO 脚 TMR2/TMR1:定时器 1/定时器 2 INT/INT:中断/不中断

CHANNEL:0000~0101 分别为 HSO.0~HSO.5 输出;0110 为 HSO.0 和 HSO.1 同时输 出;0111 为 HSO.2 和 HSO.3 同时输出;1000~1011 为定时器 T0~T3;1100~1101 保留; 1110 为复位定时器 2;1111 为启动 A/D 转换

7

6

5

4

3

2

1

0

CA M TMR2/ SET/ INT/ LO C K TMR1 CLEAR INT

CHANNEL

HSO 时间寄存器 HSO-TIME 用来放在所设置事件触发时刻值。值得注意的是使用 HSO-TIME 时,即使需立即触发事件,也立考虑硬件执行时间,因此,送往 HSO-TIME 中的立即数最小都应为 0003H。 本文的主控软件程序流程主要就是基于 HSO 产生软件定时中断这一思想。首先确定 中断向量:GSEG AT 200AH;定时器 T1 作为系统实时时钟源。80C196CK 为两分频单片 机, 8 个状态周期, 每 其记数值加 1, 每记数一次时间间隔为(16MHz 晶振): t=(8/16)× 2=1μs; 假定中断时间为 T,那么中断时间初值 X=T/t,程序指令如下: LDB INT_MASK ,#20H ;写入软件定时中断控制字 ;允许软件定时中断 ;赋予中断时间初值 LDB HSO_COMMAND,#38H ADD HSO_TIMB,TIMR1,#0XH

3.4.2 时钟电路和复位电路设计
3.4.2.1 时钟电路设计 时钟频率是单片机器各个部分运行的基准, 它使各部分有条不紊的按节奏工作。 时钟

25

电路直接影响单片机运行的速率,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。 时钟状态周期:
C1 30PF 1 XTAL2
1 T ? 2 ? 16 ? 10 ?6 ? 0.1 2 5 s ?

(3-1)

2 16MHZ

XTAL1

74HC09 Vcc2 R3 2KΩ C 10μ F
图 3-8 复位电路图

RST

C2 30PF

图 3-7 时钟电路图

3.4.2.2 复位电路设计 复位是单片机的初始化操作,在复位引脚 RST 加上大于 2 个机器周期的低电平就可 使单片机复位。单片机复位有 3 种情况:上电复位,定时器溢出和执行复位信号。型单片 采用 74HC09 集电极开路的与门电路(OC 门),其优点是能在脱机状态下依然仍准确输出 高低电平信号;同时输出端可以直接接负载。

3.4.3 EPROM 和 RAM 的扩展
对于 ABS 系统, 由于 80C196KC 本身资源不能满足要求, 须扩展程序和数据存储器。 80C196KC 的存储空间为 64K 字节,因此需要 16 位地址线和 16 位数据线,为减少管脚, 采用了地址与数据线分时复用的方式,同时通过下列专门管脚输出必要的控制信号。 P3 口:作为数据线和地址线低 8 位,复用时必须外加地址锁存器。 P4 口:作为数据线和地址线高 8 位,复用时必须外加地址锁存器。 ALE:提供地址锁存使能信号。 RD :存储器读信号。
WR / WRL :存储器写信号。 WR 在整个写周期内部有效,而 WRL 仅在写偶地址字节

时才有效,系统出现的是 WR 还是 WRL 由结构寄存器 CCR 决定。 选择存储器容量需根据系统的要求来决定, 即由程序量的大小和数据的多少确定, 微 机的存储器系统通常由多个存储器芯片组成, 每一个存储器芯片的容量随型号的不同而相 异本系统需要大量的采集、处理、比较、控制程序,以及需要存储故障编码,故选用了 8K 的程序存储器 2764 和 8K 的数据存储器 6264。 80C196KC 单片机的 P3, 口向片外 EPROM(2764)和 RAM(6264)提供地址总线, P4 而 P3 口又单独提供数据总线,因为 P3 口是一口分时两用,故在单片机与存储器之间要配以 地址锁存器(74LS373)。因为 2764 和 6264 的寻址范围均为 8KB,所以地址总线为 13 根 (A0—A12)。其中,A0—A7 受 74LS373 控制。2764 存放 80C196KC 单片机应用系统的全 部程序,由专用的 EPROM 写入器写入;6264 用于存放数据,一般供数据采集与处理子 系统使用。
26

系统运行时,80C196KC 单片机的 CPU 只能以读的形式访问 2764,当执行读操作作 用 ALE 信号由低电平转成高电平时,74LS373 便有了锁存地址的可能性,当 ALE 又变为 低电平时,地址被锁存,RD =0 期间,2764 中的程序以二进制数据的形式出现在数据总 线上,RD 信号在由 0 到 1 时,数据被 CPU 读取。对于 6264 而言,80C196KC 单片机不 仅可以读它的内容,还可随时写入数据。 由此可得 80C196KC 的 A14=0 时,向 2764 提供片选信号,存储空间的地址变化范 围是 2000H~3FFFH, A14=1 时, 6264 提供片选信号, 当 向 存储空间地址在 4000H~7FFFH 范围内变化,总共有 16KB 的存储空间被利用。

3.5 ABS 液压调节系统设计
1 2 3 4

5

6

7

M
8 9

1– –助力器 2– –主缸 3– –节流阀 4– –2 位 2 通调压电磁阀 5– –单向阀 6– –制动分泵 7– –阻尼器 8– –双联式柱塞泵 9– –低压蓄能器 图 3-9 ABS 液压原理图

ABS 液压系统原理图见图 3-9。 制动总泵采用中心阀式制动总泵。 ABS 的工作过程实 际上是对制动分泵的制动压力不停地循环进行增压、保压、减压的过程。电动液压泵转速 传感器产生的转速信号输入 ECU,供 ECU 监测电动液压泵的运转情况。 (1)常规制动过程 制动系统在常规制动过程中未出现防抱死现象, 调节器中的各个 2 位 2 通调压电磁阀 不通电。其中,3 个进液电磁阀处于流通状态,3 个出液电磁阀处于断流状态,同时,电 动液压泵也不通电运转。 此时, 自制动主缸输出的制动液通过各进液电磁阀直接进入各制 动轮缸,各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的制动压力而变化,即平时汽车常规制动。
27

(2)防抱死制动过程 在制动过程中,如果电子控制单元(ECU)根据车轮轮速传感器输入的车轮转速信号判 定是否有车轮趋于制动抱死倾向。需要调节制动轮缸的压力时,ECU 就使该制动轮缸相 对应的进液电磁阀或出液电磁阀通电换位,并自动按以下情况分别进行判断、处理。 建压过程: 制动时, 通过真空助力器与制动主缸建立制动压力。 所有电磁阀均不通电, 制动压力进入各车轮制动器,车轮转速迅速降低(此时同常规制动),直到电子控制单元 ECU 通过计算得知车轮有抱死倾向为止。 保压过程:当 ECU 通过转速传感器得到信号识别出车轮有抱死倾向时,ECU 发出控 制信号关闭相应车轮的进液电磁阀, 并让出液电磁阀继续保持关闭状态, 该制动轮缸中的 制动液压被封闭而使制动压力保持一定。 减压过程:如果在保压阶段车轮仍有抱死倾向,则 ABS 一系统进入降压阶段。此时 ECU 发出控制指令使该制动轮缸相应的进液电磁阀和出液电磁阀都通电换位(进液电磁阀 处于断流,出液电磁阀处于导通),该制动轮缸中的部分制动液就会通过出液电磁阀流入 低压蓄能器,使制动轮缸的制动压力随之减小。与此同时液压泵也开始工作,把低压蓄能 器的制动液重新回到制动主缸以补偿制动踏板行程损失,此时制动踏板出现抖动(有抬升 或反弹),车轮抱死程度降低,轮速上升。此过程结束液压泵随之掉电停止运行。 增压过程:为了达到最佳制动效果,当车轮转速达到一定值后(与设定定的门限值比 较),ECU 再次发出控制指令使该制动轮缸相应的进液电磁阀和出液电磁阀都断电,使进 液电磁阀处于通流状态, 出液电磁阀处于断流状态, 制动主缸输出的制动液就会通过进液 电磁阀进入制动轮缸,该制动轮缸的制动压力随之增大,轮速再次被制动而下降。 通过保压、降压、增压为一个循环,通常 ABS 系统的压力调节频率为 2~4 个/秒循 环。在 ABS 工作期间,ECU 根据 4 个车轮转速传感器反馈车轮转速信号,可以独立地对 四个制动轮缸的制动压力进行循环调节,将各车轮制动效果控制在最佳状态。 (3)解除制动过程 当解除制动时,制动踏板松开,制动主缸内的制动压力为零。此时出液电磁阀再次通 电处于通流状态,低压储能室的制动液经出液电磁阀返回制动主缸,低压储能室排空,为 下一次工作做好准备。

3.6 电源设计
电子控制单元的核心是单片机, 其对供电电源的要求很高。 而蓄电池的电压是不稳定 的,大电感用电器在断开时会在电路中产生高频振荡电磁波,峰值可达到 280V,同时点 火电路造成的负脉冲电压峰值可达 50~l00V,并在电气系统中以一定频率出现。因此, 设计电源时必须考虑这些问题,图(3-10)为电源电路。

28

Vcc24V INPUT GND C1 0.33μF 汽车蓄电池 H7805 OUTPUT

Vcc1 VIN GND C0 0.1μF B0505S

Vcc2
C2 104μF

图 3-10 为电源电路

它能把蓄电池提供的不稳定的 24V 电压变为可供单片机 80C196KC 使用的高稳定电 压 4.5~5.5V。此电压变换电路采用 H7805 集成三端稳压器和 B0505SDC/DC 稳压模块。 三端稳压电源输出电流为 100mA-3A,稳压系数为 0.005%~0.02%,纹波抑制比为 56~ 68dB,能够较好的满足单片机对电压的需求。C1 可以防止由于输入引线较长带来的电感 效应而产生自激;C0 用来减小由于负载电流瞬时变化而引起高频干扰。B0505S 具有自恢 复过载、短路保护功能,在电路中起滤波作用。

3.7 信号输入电路设计
车轮轮速是 ABS 系统的主要输入信号,该信号的采集、处理对于整个系统的控制至 关重要。 为了使采集到的轮速信号能被单片机正确识别, 本系统采用的霍尔传感器它是将 传感器与信号处理电路制成一体,由于他能直接输出标准方波信号,非常适合于 HSI 高 速通道采集, 80C196KC 的四个 HSI 口可以直接接受四个轮速传感器的脉冲信号, 并可以 同时记录某一时间触发时的状态和时刻。 它们与普通的输入端口有三方面主要差别: (1) HSI 不仅能检测某个输入线上的状态变化,而且能同时记录状态发生的时刻。 (2) HSI 内部设有 FIFO 寄存器,它和保持器一起可同时记录多达 8 个事件由 CPU 在 适当的时候读取和处理。 (3) HSI 可通过它的 4 条输入线检测多种方式的状态变化。 轮速传感器输出的脉冲信号经光电耦合器进行电平转换和信号隔离, 缓冲器整形, 输 入到 80C196KC 的高速输入端,对输入信号进行逻辑运算和处理。 它们之间的信号联系参照下图所示:
轮速传感器 高速光电耦合器 反向缓冲器 器 图 3-11 轮速信号输入电路方框图 单片机

29

输入电路的连线图:

Vcc1 R1 0.2K

Vcc2 R2 1k SN74LS06N HSI

CS3120

6N317

图 3-12 轮速信号输入电路图

3.8 电磁阀驱动电路
CPU 输出的信号非常小,而 ABS 的作动电流则为 1~2A,所以每个输出信号要经放 大后才能驱动相应的电磁阀。目前多采用的方法是利用 P1 口把不占空比的脉冲信号转化 为相应幅值的电压信号用以控制 2 位 2 通电磁阀, 通过 2 位 2 通电磁阀位置的改变接通不 同的管路来达到增压、保压、减压的目的。这种方法动态响应快,操作简便,需专用的 2 位 2 电磁通阀,而且工艺要求高,开发成本高。同时限于现在的知识水平,本文采用另一 种方法达到所需经济适用要求。 本设计使用 P1 口输出高低电平组合成为不同的状态,来控制油路的通断实现增压、 保压、减压的目的。80C196KC 的 P1 口作为准双向的输入输出口,由缓冲器内部口锁存 器,内部寄存器和输出缓冲器和输出缓冲器的构成,输出缓冲器和输出缓冲器构成,输出 缓冲器内部具有上拉电阻结构当端口数据由 0 变 1 时, 它能在短时间内产生更强的上拉作 用以加速转变过程:输出时,具有锁存作用,即对端口重写数据前保持不变。 对压力的控制归结为对 P1.0 和 P1.1, P1.2 和 P1.3, P1.4 和 Pl.5 的输出状态的控制,其 逻辑关系表为:
表 3-2 P1 口与电磁动作逻辑关系表

车轮 左前轮

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 0 1 0 ? 1 0 0 ? ? ? ? ? ? ? 0 1 0 ? ? ? ? 1 0 0 ? ? ? ? ? ? ? 0 ? ? ? ? ? ? 1

压力变化 保压 增压 减压 保压 增压 减压 保压
30

右前轮

? ? ?

后轮

? ?

? ?

? ?

? ?

1 0

0 0

增压 减压

由逻辑关系表可以看到如果系统需要对电磁阀进行不同的控制只要对 P1 口输出不同 的字便可。电磁阀驱动电路如图(3-13)所示。 缓冲单元的设计:图中的 74LS06 是集电极开路六反相缓冲器,添加它的目的是加大 输出电路的带负载的能力,使传输通道与单片机接口的电气匹配为合理。 光电耦合器单元: 输出接口隔离技术在开关量输出通道中, 为防止现场强电磁干扰或 工频电压通过输出通道反窜到控制系统, 一般需采用通道隔离技术, 光电耦合器以光电转 换原理传输信息, 它使信息发生端与接收断电气绝缘电阻可达几百兆欧姆以上, 从而对地 电位差干扰和电磁干扰有很强的抑制能力, 光电耦合的实质是对于干扰噪声的隔离和对有 用信号形成通道,是抗干扰措施的重要方法之一,并且信号传输速度高、价格低、接口简 单,故在输出端设计了光电耦合电路。 光电耦合器有二级管/二级管型、二级管/三级管型、二级管/达林顿管型以及二级管/ 可控制等类型,根据系统要求情况,本设计采用了光电耦合器 4N35,其正向电流编为: 60mA,电流传输比为 100%,电磁阀的驱动电流为 1. 5~3A,晶体管 2SD880 的电流放大 倍数为 60~300,光电耦合器输入端限流电阻,其阻值由下式:

Ri ?
式中 Vcc– –输入电压(V);

VCC ? ?VF ? VCS ? IF

(4-2)

VF– –为输入端发光二级管正向导通压降,一般为 1.5V 左右; Vcs – –为驱动器的压降(V); IF– –为输入端正向工作电流,取 15mA。 经计算取 Ri=50Ω。 光电耦合输出端负载电阻:

Rj ?

VCC ? U C E N IF

(4-3)

式中 UCEN– –三极管饱和时集电极和发射级之间的压降,取 0.3 V。 经计算取 R j=350Ω。

31

P1 . 0

S N 74 L S0 6

V cc 2

Vc c1

R 5 0 .3 K 4 N 35

2 SD 8 8 0 R6 0. 05K

R 4 0 .05K

P1 . 1

S N 74 L S0 6

V cc 2

Vc c1

R 8 0 .3 K 4 N 35

2 SD 8 8 0 R9 0. 05K VC C 24 V 电磁阀

R 7 0. 05K

图 3-13 电磁阀驱动电路

输出通道的隔离及保护措施一方面防止了最小系统干扰信号沿正向通路的传输, 同时 也隔离了驱动电路运行过程中产生的干扰脉冲对前向通道原件的影响, 所以隔离保护作用 是双向的。 驱动电路单元:构成驱动电路的主要器件是功率晶体管、晶闸管、继电器或者是功率 集成电路,从电路结构的复杂性、器件功能、可靠性以及价格等因素考虑,晶体管放大电 路有共基、共集和共射级三种电路形式,其中共射极放大电路具有较好的功率放大能力, 故此采用共射极放大电路作为 ABS 系统的驱动环节的基本形式。 光电耦合器的最大输出电流为 15mA,电磁阀的工作电流为 1. 5~3A。所以每个输出 控制信号要经过功率放大后才能驱动相应的电磁阀。考虑到实际应用中的影响,选择为 1.5 倍,则电磁阀的三极管的电流的放大倍数为: 1.5 K? ? 1.5 ? 1000 ? 150 15 据此本系统选择了 2SD880 三极管来驱动 ABS 电磁阀,其最大允许通过电流为 3A, 放大倍数是 60~300。

3.9 泵电机驱动电路的设计
根据 ABS 系统对电动泵的驱动要求,泵驱动电动机在管路减压时将对蓄能器供油以 保证它的高压状态。系统选用了用直流电磁式继电器来控制电动机的工作与停止。 当 P1.7 端输出高电平时,继电器吸合,P1.7 端输出低电平时,继电器断开。采用这 种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。 继电器的选型:根据泵驱动电动机的工作电压和工作电流的大小,选择了型号为: J2C-21F/012 的继电器,其电参数为:额定工作电压 12V (DC),线圈电阻为 400,吸合电 压为 9. 8V,线圈消耗的功率为 0.36W。接点负荷电压 28V,电流为 3A,其电路图如下, 根据继电器的额定工作电压和额定工作电流,可以确定继电器的工作电流为 3A,74LS06
32

可以向光电耦合器输入 10~15mA,光电耦合器的 TIL117 的电流传输比为 50%,所以它 的输出电流为 5mA~15mA,经过晶体管的电流放大就可以满足电流驱动要求。

12V
泵体 开关

P1.7

SN74LS06

V cc 2

Vc c 1

R 1 1 0. 3 K TI L1 1 7

2 SD 88 0 R12 0.05K

R10 0.05K

图 3-14 泵电机驱动电路

光电耦合器的输入输出电阻的计算同 3.8 章。 二极管 D1 的作用是保护晶体管 T,当继电器 7 吸合时,二极管 D1 截止,不影响电 路工作继电器释放时由于继电器线圈存在电感这时晶体管已经截止, 所以会在线圈的两端 产生较高的感应电压,这个感应电压的极性是上负下正,正端接在 T 的集电极上,当电 感电压与 VC 之和大于晶体管 TD 的集电极反向电压时,晶体管可能会损坏,加入二极管 D 后继电器线圈产生的感应电流由二极管 D 流过,因此不会产生较高的感应电动势,晶 体管得到保护。

3.10 ABS 系统报警 LED 灯设计
LED 是计算机控制系统常用的显示器,一般其正向压降为 1.2~2.5V,通过 LED 的 电流的强弱决定了 LED 的发光强度,其驱动电路图如下:

Vc c 2 SN 7 4L S 06 P 1. 6 R3 2 0 . 3K

图 3-15 LED 报警灯驱动电路

74LS06 为输出反相缓存器,当 Pl.6 为高电平时,74LS06 输出低电平,LED 发光。 当单片机的 Pl.6 为低电平时 74LS06 没有电流流过, LED 不发光, 其限流电阻的计算如下:
R? VCC ? ?VD ? VCS ? ID

(4-3)

33

式中 Vcc– –为电源电压; VD– –LED 正向压降; VCS– –LED 驱动器的压降; ID– –LED 的工作电流。 取 Vcc=5V,VD=2V,VCS=0.3V,ID=10mA。
r? 5 ? ? 2 ? 0.3? 10?3 ? 270?

因此选择 300Ω 以使更有效的限流。

3.11 故障诊断硬件电路设计
汽车电控系统日趋复杂, 给汽车维修工作带来了越来越多的困难, 对汽车维修技术人 员的要求越来越高, 电子控制系统的安全容易错误处理, 汽车不能因为电子控制系统自身 的突发故障导致汽车失控和不能运行。 针对这种情况, 在进行汽车电子控制系统设计的同 时, 增加了故障自诊断功能模块。 它能够在汽车运行过程中不断监测电子控制系统各组成 部分的工作情况, 如有异常, 根据特定的算法判断出具体的故障, 并以代码形式存储下来, 维修人员可以利用汽车故障自诊断功能调出故障码,快速对故障进行定位和修复。因此, 从安全性和维修便利的角度来看,汽车电控系统都应配备故障自诊断功能。 汽车正常运行时,ECU 的输入、输出信号的电压值都有一定变化范围。当某一信号 的电压值超出了这一范围,并且这一现象在一段时间内不会消失,ECU 便判断为这部分 出现故障,ECU 把这故障以代码的形式(此代码为设计时已经约定好的)存入 flash 存储器, 同时,通过故障指示灯提醒驾驶员和维修人员电控系统中出现故障。 (1)传感器的故障 由于传感器本身就是产生电信号的, 因此, 对传感器齿圈的故障诊断不需要专门的线 路,而只需要在软件中,编制传感器输入信号故障识别程序,判断车轮脉冲个数是否基本 相同,即可实现对传感器齿圈故障的诊断。对于传感器断路与短路故障的诊断,就需要附 加额外的电路。 轮速传感器电阻值为 1. 27KΩ,R 标准电阻选为 510Ω,电阻值选的偏低, 电路用于传感器短路故障测量。
C 0 . 01 μ F 传感器 A /D 转 换 接 口 R 0 . 51 K

3 .3 V
图 3-16 传感器故障检测

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由电路图(3-17)可知,在传感器没有断路或短路故障时,送至 A/D 转换入口的电压值 为:
U ? 3.3 ? 1.27 ? 2.35V 1.27 ? 0.51

取 0.9U(2.12V)电压值作为传感器线圈部分短路基准值(完全短路 U 为 0),小于此电 压值即判断传感器有短路故障。 0.9Vcc(2. 97V)电压值作为传感器线圈断路基准值(完全 取 断路 U 为 3. 3V),大于此电压值即判断传感器有断路故障。 (2)电子控制单元 ECU 故障 对于 CPU 内部的程序跑飞这一可能故障,采用内部 CPU 如果发生故障,控制程序就 不可能正常运行常工作状态序进行监测一旦程序跑飞,在 WATCH_ DOG 定时时间到后, CPU 就会复位,重新对自己及其外部电路进行初始化对于由于电压不稳定而造成的 CPU 故障,利用 IMP811 设置了电压监测电路,当 CPU 电压低于 1. 1V 时,产生一次非屏蔽中 断,对故障代码进行存储。外部中断又分为非屏蔽中断和可屏蔽中断。可屏蔽中断产生中 断请求时,CPU 的 IF=0(禁止中断),则 CPU 将不响应这类中断。而非屏蔽中断是不受 IF 限制的,不论 IF 是什么,CPU 一定要响应。

3.12 硬件抗干扰设计
汽车防抱死制动系统的工作环境比较复杂, 其应用的电磁兼容性、 可靠性就成为一个 非常突出的问题。影响系统可靠运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰, 以及系统结构设计、元器件选择、安装和外部环境条件等。这些因素对制动系统造成的干 扰后果主要表现为数据采集误差加大、 控制状态失灵、 数据受干扰发生变化和程序运行失 常等。 对汽车防抱死制动控制盒的设计势必要考虑电磁兼容的设计。所谓电磁兼容性(简称 EMC,俗称抗电磁干扰)是指电子装置在预定的工作环境条件下,既不受周围电磁场的影 响,也不影响周围环境,不发生性能变异或误动作,而按设计要求正常工作的能力。 单片机系统常用的抗电磁千扰的硬件措施有采用 RC 高通滤波器、配置去耦电容、屏 蔽和隔离技术、接地技术和印刷电路板技术等。

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第 4 章 速腾汽车 ABS 系统的软件设计
高性能的 ABS 必须确保汽车在各种路况下制动时,均能使车轮获得尽可能大的纵向 制动力和防侧滑力,同时使车轮的制动力矩变化幅度尽可能小。 经典控制理论主要以单输入/单输出的线性系统作为研究对象,以频率法或根轨迹法 作为系统的分析和设计方法。ABS 控制系统中的被控制对象是汽车的制动过程,它是一 个非线性的多输入输出系统,很难采用以经典控制理论为基础的 ABS 控制方法。1936 年 德国 Bosoh 公司在 ABS 系统所采用的控制方法是一种基于经验和逻辑的控制方法,其基 本原理是,首先观察车轮的运动状态和控制车轮制动的控制量(如油压等)之间的经验关 系,制订出能够使车轮处于最佳运动状态的控制规则,在制动过程中,以车轮的加减速度 值和参考滑移率值及其门限值来代表车轮的运动状态, 并根据所制订的经验控制规则来确 定控制车轮制动的控制量的大小,达到控制车轮运动状态的目的。 除了基于车轮加减速度门限值的控制方法外,还有一种基于经典控制理论的 PID 控 制方法,它也是一种基于经验的控制方式。PID 控制方法以滑移率作为控制目标,直接得 出控制量和控制目标的偏差之间的关系。但 PID 控制方法在控制中需要得到实际的车速 信号,车速信号的获得从目前看还是比较困难的。 现代控制理论能够利用状态空间方法,通过建立被控对象模型来解决复杂的多输入/ 多输出系统控制问题。ABS 控制方法也出现了基于建立制动过程模型的现代理论控制方 法。最具有代表性的是最优控制方法。基本原理是,给出制动过程的数学模型和一个最优 性能指标,找出一个最优控制函数使系统由初始状态到终止状态的过程中性能指标为最 小。现代控制理论对被控对象进行控制,要求建立精确的线性数学模型。但汽车的制动过 程是一个非线性的系统,应用最优控制方法等现代控制理论方法作为 ABS 控制方法,描 述制动过程精确的数学模型难于建立,并且控制算法复杂,应用起来有一定的局限性。 滑模控制是变结构系统的特殊情况, 变结构控制是状态变量在不同的控制区域中采用 不同的控制率, 滑模控制方式则是将控制切换开关定义在滑模表面上, 一是状态到达滑模 表面上,状态将保持在它上面;二是滑向状态的平衡零点,引入开关函数,滑模在滑模表 面上切换,这时与系统的干扰、系统参数不确定性无关。 “PID 控制方式”“最优化控制方式”和“滑模变结构控制方式”等根据对其控制模 、 型的计算分析表明,这些控制方式来实现 ABS 系统,将具有极其优异的防抱制动性能。 然而, 为了获取数学模型中所需的相关控制参数及状态变量, 均需准确实时地确定车体的 运动速度。汽车在运动过程中,车速与轮速并不相等,通过轮速间接求取车速,在准确性 和实时性上都不能满足这些控制方式的要求。目前,能够满足要求的车速传感器(如多普 勒雷达等)由于成本太高而不能采用。另外,实现这些控制方案的电伺服机构也比较复杂。 因而,ABS 产品实际应用上述方案的不多。

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4.1 控制方案和控制参数的选取
防抱死制动系统发展至今, 大多数产品都采用加、 减速度控制, 并附加一些辅助门限, 并不涉及具体系统的数学模型。这对非线性系统的控制,是一种有效的方法,但系统的控 制逻辑比较复杂,波动大。考虑到控制精度、实时性、设计成本等要求,本 ABS 设计方 案拟采用门限控制方法。 在门限控制方案中, 比较量的选择极为重要, 也就是根据什么参数来控制车轮的滑移 率在 20%左右。但是直接以滑移率作为比较对象时的汽车防抱系统是一个时变调节系统, 其处理难度较大,不适于工程应用。经大量试验表明:在制动过程中,车轮抱死总是出现 在相当大的 dω/dt 时刻,因此预选一个角减速度门限值,当实测的角减速度超过此门限值 时,控制器发出指令,开始释放制动轮缸压力,使车轮得以加速旋转。再预选一个角加速 度门限值, 当实测的角加速度超过此门限值时, 控制器发出指令, 开始增加制动轮缸压力, 使车轮减速旋转,以达到控制滑移率的目的。 本设计方案中, 防抱死门限选择角加、 减速度作为主要门限, 以滑移率作为辅助门限。 因为单独的角加、减速度门限有很大的局限性,在初始和高速紧急制动情况下,有可能使 防抱控制逻辑在后继的控制中失效。 对于非驱动轮, 也可能产生过早抱死而使防抱控制逻 辑失效。但如果只以滑移率作为单独的防抱制动门限,则对于不同的路况,很难求得一个 最佳的控制效果。 因此需要将角速度和滑移率这两个门限结合起来, 以识别不同路况进行 自适应控制。这种控制系统在制动时,能将车轮的速度限制在一定范围之内,使车轮的速 度围绕最佳值上下波动。 控制器根据车轮转速传感器信号计算得到角减速度和角加速度比较容易, 但要得到实 际的滑移率,就需要用多普勒雷达或加速度传感器测定车速,这使得 ABS 的结构变得复 杂,成本很高。因此,采用利用车轮转速信号和设定的一个制动减速度值来计算得到参考 滑移率。门限减速度、门限加速度以及车辆制动减速度值通过试验确定。
表 4-1 边界条件

过程 1

状态 增压

参数
d? ? ?a ? dt d? ? a? dt

条件 Y N Y N

下次控制 减压 继续增压 保压 继续减压 增压

2

减压

3

保压

系统控制逻辑采用门限值控制法, 对于比较量(门限值)的选取就显得十分重要, 一般 来说比较量有这么几种:车轮的角加速度、角减速度;角速度的变化率、角加速度与角速 度比值及参考滑移率等。通过选择不同的比较量,就可以得到不同的预选,复选条件。预

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选条件是指当满足这个条件时车轮有抱死的倾向, 应降低制动压力以增加车轮转速, 而复 选条件则是当满足这个条件时车轮可以避免抱死的倾向, 制动压力应再次升高。 由此得到 的逻辑算法如表所示。 本系统的预选条件是角减速度低于门限减速度, 选择的复选条件是角加速度大于门限 加速度。

4.2 控制参数及其计算
4.2.1 门限角减速度的求取
在车轮制动过程的开始,主要是对车轮施加压力,计算出车轮的角减速度值,并集合 滑移率和车轮的制动的制动速度等因素来对其产生的轮减速度值进行修正, 将得出的参数 作为门限值,假定路面的状况一定,则无论车轮的滑移率在任何范围内变化,其路面附着 系数都不会超过某一定值,即制动力总是满足:
Fx ? ?? P mg

(4-1)

当车轮的减速度超过路面所提供的最大附着力, 车轮可能出现抱死倾向, 于是得到的 最简单的 ABS 逻辑:
d? ? P g ? dt r

(4-2)

从这一个最原始的控制逻辑出发,并考虑了对 Φp 值产生影响的主要参数滑移率,制 动过程中的轮速,初始采集到的减速度值进行修正。 附着系数—滑移率关系曲线线性如图(2-4)所示。 由关系图我们得到以下峰值附着系数 随滑移率变化的近似关系函数式:

?P ?

?
S

ST

0 ? S ? ST 1 ? S ? ST

(4-3) (4-4)

?P ?

? ??g
1? S

?1 ? ST ? ? ? g

式中 ST– –最佳滑移率;φ– –附着系数; S– –车轮滑移率;φg– –滑移率为 1 时的附着系数; φp– –峰值附着系数。 轮胎滚动速度对附着系数有较大的影响,一般的近似表达式为:

? ? 0.8 ? 0.005 r?

(4-5)

不同路面应设置不同的减速度门限值, 在高附着系数路面制动时, 所达到的峰值附着 系数的轮角减速度小, 因而在其他条件都相同时高附着系数应具有较大减速度门限值, 而 低附着系数路面应当有较小的门限值, 防抱死控制要形成循环, 则应使防抱死的控制状态 运行到轮胎特性曲线的不稳定区,所以门限值要大于达到峰值附着系数时的角减速度值
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即:
?a ? KST ? 0 Nr? P

0 ? S ? S T (4-6)

?a ?

K ?1 ? S T ?? 0 ?? P ? ? g ?Nr ?? P ?? g ?Nr t ?1? S ? J? ?? P ? ? g ?Nr ? ?1 ? ST ?J?0 e T 0

1 ? S ? S T (4-7)

式中 ω0– –开始制动时的角速度。 同时实际制动时如果减速度门限值取的比较小, 在实际中由于路面不均匀, 传感器误 差等其他误差, 由此产生的减速度不同路面应设置不同的减速度门限值, 在高附着系数路 面制动时, 所达到的峰值附着系数的车辆角速度小, 因而在其他条件都相同时附着系数应 具有较大减速度门限值。 而低附着系数路面应当有较小的门限值, 防抱死控制要形成循环, 则应使防抱死的控制状态运行到轮胎特性曲线的不稳定区, 曲线值如与减速度限值比较接 近则实际中的控制难以实现,ECU 容易产生误动作。

4.2.2 门限角加速度的求取
加速度门限值决定着车辆速度的恢复, 如果设置的门限值太大, 车轮可能无法达到这 以门限值。 在这种情况下就有可能出现失控是车速一直处于恢复的状态, 如果设置的门限 值太小则车轮没有充分恢复就进入下一个循环,这样产生逐渐抱死的趋势。 所以在实际的设定中, 要综合考虑各种因素的影响, 根据不同的车型和路面状况进行 大量的试验来确定所选的加速度和减速度的门限值。

4.2.3 路面识别技术
路面识别在系统的控制中是以个很重要的因素, 因为需要根据路面来确定加减速度门 限, 不同的路面防抱死特征是不同的需要根据路面来确定合适的门限值, 目前在实际中应 用较多的是半经验轮胎模型, 即用通过大量的试验数据分析归纳得到的经验公式来描述轮 胎与路面系统的动力学特性,如郭孔辉教授提出的联合工况下的半经验 e 指数模型、 PACEJK 魔术轮胎模型、 LUGRE 轮胎模型等。 PACEJKA 魔术轮胎模型是一种通过对试验 数据的拟合而得出的纯经验的模型。经过试验证明 PACEJK1 魔术轮胎模型较好的解决了 轮胎一路面系统部分性能实验数据的拟合问题, 拟合系数也具有确切的物理意义, 从而可 以快速直观的了解某些汽车参数对轮胎一路面系统动力学的影响。 本系统路面识别方法是:首先给定一个较高的附着系数,然后计算参考滑移率,给定 两个门限值 S1,S2 (S1<S2),在不同的路面上防抱死系统特征是不同的,在高附着系数路 面上,整个 ABS 的控制过程 S 达不到 S2 门限,而在低附着系数的路面上则可以达到 S2, 由此可以粗略确定路面的状况。
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4.2.4 车身参考速度的确定
目前测定参考速度的方法有两种,一种是使用多普勒雷达,另一种是采用五轮仪。多 普勒雷达价格较高在实际应用中不现实, 五轮仪的外观又不能满足人们的期望, 因此汽车 一般不采用直接测量的方法获得实际的车速, 而是采用简介的方法油车轮的角速度和附加 速度构成车轮的参考速度。 在制动的初始阶段如果测得的角减度值低于角速度门限-a 时,取此车轮速度作为车 身的初始参考速度 Vref0, 此刻的减速度值作为车身的参考减速度, 则此后的车身速度 Vref 为:
Vr e f ? Vr e 0f ? j ? t

(4-8)

轮速采集的计算:高速输入通道 HSI 的设定:80C196KC 是 16 位高性能的单片机,它 有四个高速输入口 HSIO~HSI3,恰好可以用于四个车轮轮速信号的输入,高速输入通道 由端口缓冲器、HSI 选通逻辑、8 分频记数器、输入跳变检测器、FIFO 中断和控制逻辑、 FIFO 寄存器、HSI 时间寄存器、HSI 方式寄存器以及 HSI 状态寄存器组成。 与高速输入通道有关的专用寄存器有:HSI_STATUS,HSI_TIME 和 HSI_MODE,利 用这 3 个寄存器, 高速输入口可以用 4 种方式检验各引脚上有无时间发生, 并能够记下时 间发生时的时刻,利用 HSI 中包含的 FIFO 队列寄存器和保持寄存器,可以同时记录 8 个 时间,供 CPU 适时地读取和处理,从而实现其“高速”采集的功能。 HSI_MODE 寄存器的口地址为:03H 每两位选定一条 HSI 输入引脚的工作方式。 HSI_STATUS 表示四条引脚的状态地址 06H:高位表明引脚当前的状态(1 表示高电 平,0 表示低电平),低位表明 HSI 事件寄存器所记录的时刻该引脚是否有事件发生(1 表 示有事件发生,0 表示没有事件发生)。 HSI_TIME 以定时器 TI 为事件基准地址 04H, HSI_TIME 存放事件发生时定时器 T1 的当前值。 HSI 中断功能:与 HSI 中断有关的中断源有 4 个本系统对轮速信号处理。 采用 FIFO 满四项数据就发生中断的中断方式该中断矢量 2034H,该中断方式同时对 汽车 4 个车轮轮速信号迅速处理,如果采用 FIFO 数据满来中断,在低速测量时占用较长 事件,不利于 ABS 系统的适时性的要求。 为了使 HSI 能够正确的检测引脚上发生的变化必须注意,由于该类单片机每个 T 周 期内对 HSI 引脚采样一次,所以要求输入高低电平持续事件不小于 1 个状态周期,这样 才能检测到引脚的状态的变化。 本系统轮速脉冲输入信号的频率、周期的确定: 轮速计算公式:
V? 2? r ? f Z

(4-9)

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取 r=0.4046m,Z=100,车轮的控制范围为:5Km/h~200Km/h。 则信号频率范围为:
f max ? 2211Hz

f m i n? 5 5 . 2 9 H z Tmin ? 452 ?s

信号周期范围为:
T max ? 18ms

则每个脉冲信号的高低电平持续的最短事件是 226μs,系统采用 16MHz 晶振频率, 由于每 8 个状态周期计数一次,系统每 1μs 对 HIS 引脚采样一次,所以能够满足系统对 脉冲宽度的要求。 因为数据采集的精度将极大影响控制效果。 所以提高轮速信号的采样精度就变得非常 重要。对于车速的测量,有两种方法:(1)直接送计算机的计数电路,从而得到轮速;有 频率法、周期法、多倍周期法、精度自适应法。(2)先进行 F/V 转换,再送计算机的 A/D 转换而得到轮速。 对于轮速低频测量,周期法精度较高;对于轮速低频测量,频率法精度较高。如果把 周期法和频率法结合起来,采用轮速脉冲周期倍乘措施,可以扩展轮速测量范围,提高测 量精度。 但是由于这种方法对低频轮速脉冲信号也进行了倍乘。 所以多倍周期法在提高高 频轮速计算精度的同时, 也拉长了低频轮速计算的时间间隔, 从而降低了低速控制的实时 性。根据以上方法的优点和局限性,本文采用第一种方法中的精度自适应法。 在实际计算过程中,以每个控制周期中的第一个轮速脉冲周期 t,作为求解周期倍乘 数值到下限值,再试算脉冲。由控制周期 Ts 计算出周期倍乘数的上限值,从中取一个合 适的整数值,作为当前控制周期内的轮速脉冲分频值。由于固定轮速计算精度,所以,轮 速越高,周期倍乘数越大;轮速越低,周期倍乘数越小。这样既保证了轮速计算精度,又 提高了低速控制实时性。

4.2 程序设计
轮速采集过程(程序):对于 ABS 轮速信号采集处理模块,其软件设计的主体是在第 四个事件进入 FIFO 时产生中断,进入中断处理程序,中断服务程序,在中断服务程序前 应该先定义与中断相关的寄存器,设置数据采集的变量和常量等。 中断处理程序运行后, 依次检测是哪个通道触发了事件, 如果该通道触发了事件则进 入触发中断程序,进入中断自程序,首先判断是否第一次中断,如果是则将 HIS-TIME 的 内容读到初始事件寄存器中, 作为事件的初始值退出中断子程序, 如果不是则将事件放入 事件寄存器 T2 中,中断次数寄存器加 1,然后计算时间 t1 和 t2 的差值,并将差值存入寄 存器中,调用轮速处理子程序,然后退出该程序。 轮速处理步骤:首先确定在事件 T 内单片机检测到的车轮脉冲的个数,其次计算出 实际测量事件 Td,运用公式(4-9)计算出车轮速度,从速度寄存器中读出前一次的速度值,
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a?

V1 ? V2 Td

(4-10)

来计算车轮的加速度,更新轮速寄存器存入车加速度。先计算车身的参考速度,继而 计算车身滑移率,保存滑移率的值,结束。 主程序控制的主要过程:程序运行后首先进行系统自检有无故障,然后清内存,启动 中断,输入输出端口,启动看门狗,查询是否有中断产生,有中断产生则进行速度、加速 度等控制参数的计算,进行路面识别,进而进行判断车辆运行的状态后,进行逻辑门限值 的比较,判断制动压力控制状态,是增压,减压,还是保压来分别进行控制,并对端口输 出控制参量,循环直到制动结束。总的控制流程图见附录。

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第 5 章 结论与展望
5. 1 研究工作总结
汽车防抱死制动系统是一种汽车安全控制系统, 随着科学技术的不断发展人们对汽车 的安全性能提出了更高的要求,ABS 就是为提高汽车的制动安全性能而诞生的一种新产 品。本文根据现有水平设计了一套三通道四传感器的液压制动防抱死系统。 本文首先分析了防抱死制动系统的构造、原理、分类和逻辑门限控制方法,应用汽车 单轮运动的力学模型, 分析了制动过程中的运动情况, 采用基于车轮滑移率的防抱控制理 论,根据车速、轮速来计算车轮滑移率。以 80C196KC 单片机为核心,完成了电源部分、 信号输入回路、 输出驱动回路及故障诊断等硬件电路设计, 设计方案利用霍尔式车轮速度 传感器。控制信号经过光隔、放大,驱动一功率场效应晶体管,再由晶体管直接驱动电磁 阀,进行防抱死制动控制,对轮速传感器、电磁阀等的故障检测电路进行了设计。阐述了 ABS 系统软件各功能模块的实现思路和方法,依据程序流程对控制及故障诊断软件进行 编制, 给出了设计系统结构原理图。 在此基础上研制了基于逻辑门限值控制的汽车防抱死 制动控制系统样件。 研究结果表明: 汽车防抱死制动控制系统的硬件电路设计正确合理可行, 软件设计所 采用的控制策略正确、有效,系统运行稳定可靠,能够准确测量轮速信号,经过计算、判 断能及时控制电磁阀的输出,调节制动压力和制动力矩,在制动过程中车轮没有抱死,滑 移率基本控制在最佳滑移率附近(20%左右), 达到了防抱死控制的目的和要求, 方法恰当, 控制逻辑选择合理,改善了汽车制动系统性能,基本能够满足汽车安全制动的需要。为继 续研究开发汽车 ABS 和汽车电子制动系统(EBS)打下了基础。 优化控制策略、 克服制动系 统响应滞后问题、以及提高路面识别的准确性以及提高抗电磁干扰能力是 ABS 系统达到 最佳控制效果的前提,今后需要进一步研究。

5.2 防抱死制动系统发展方向
ABS 系统和其他汽车部件的结合是发展方向。汽车控制是一个系统工程问题。例如, 其底盘就包括制动, 转向和悬架等子系统。 这些子系统控制的简单叠加并不能获得良好的 综合性能因为许多性能指标是冲突的, 所以存在整体最优化问题。 防抱死系统的控制成为 汽车综合控制的一个方面。所以,ABS 研究工作需要与其他部件综合起来寻求整体优化。 ABS 系统控制与主动悬架系统(A-SUS)的综合,优点体现在消除干扰。主动悬架系统 不仅能控制车辆转弯时的姿态变化, 而且能调节前后轮的侧偏刚度。 防抱死系统在车辆上 安装附加引起车辆“点头” ,故为了消除 ABS 系统引起的千扰,有必要依靠 A-SUS 系统 里保证较好的舒适性和制动稳定性。 ABS 系统控制与系统转向系统(4WS)的结合既有助于提高车辆的行驶稳定性; 也有利
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于缩短制动距离。众所周知,在车辆紧急制动时 ABS 系统能防止车轮拖地,提高方向可 控性和缩短制动距离。然而在有些情况下,方向稳定性和短的制动距离之间存在矛盾,对 于不同的摩擦系数路面,在 ABS 设计者中普遍存在一种观点:即认为在这种情况下应该 优先考虑方向稳定性,而不是最短距离,这样就会导致制动距离的延长。为了克服以上矛 盾,需要另外增加 A-4WS 系统来保证方向稳定性,而 ABS 系统只解决制动距离的问题。 A-4WS 出现时的车辆横摆角速度,并与控制器内算出的理想车辆横摆角速度相比较,然 后令后车轮产生一转向角,以消除实际与理想横摆角速度之间的偏差。即使在低 P 路面 上制动,也可以获得良好的稳定性能。 ABS 系统控制和牵引力控制(TCS)的结合。牵引力控制是在 ABS 基础上发展起来的, 同时采用牵引力控制和 ABS 系统控制是用来提高响应速度。牵引力控制可以使发动机输 出控制范围扩大, 并能进行连续输出控制。 前后车轮的转速数据经 ABS 系统的 ECU 处理 后输入牵引力控制计算机,并由后者来判断驱动车轮滑移率。如果滑移率太大,牵引力控 制计算机就控制电磁阀动作以效正滑移率到正常值。 即使没有经验的驾驶员在加速和减速 时都能自由地操纵方向盘,或者不转动方向盘而使车辆加速或减速。 汽车的综合控制可以是分系统综合控制,也可以是整车综合控制。例如以电控 4WD 为核心的车辆综合控制, 该系统是把汽车发动机和底盘上各自独立的控制系统以电控四驱 动(4WD)为核心,将主动式四转向(4WS)、防抱死系统(ABS)、电控空气悬架、电控自动 变速器(ECT)、电控燃料喷射((EFI)等系统组合起来,综合地加以控制。 电子稳定系统 ESP (Electronic Stability Program)是对人们熟知的 ABS, TES 系统的进 一步扩展,具有很高的集成度,从而降低了轿车的重量和价格。标准化的接口使用户可以 根据自己的需要选装相应功能, 也使之适用于多种排量的发动机和多种驱动形式。 它不仅 整合了 ABS 和 ASR 的所有功能, 而且还能在车轮自由滑转以及极限操纵下保持车辆的稳 定性;它可以比 ABS 和 ASR 更好地利用轮胎和路面间的附着潜能,在改善车辆转向能力 和稳定性的同时,进一步改善驱动能力和缩短制动距离。 随着电子技术和高速数字通信技术的发展,ABS 己逐步由单一的系统向多种控制一 体化方向发展。 现代制动防抱死装置多是电子计算机控制,这也反映了现代汽车系向电子化方向发 展。ABS 已成为当今世界上公认的提高汽车安全性必不可少的系统。目前在我国生产的 部分车型中己有安装 ABS 系统的, 借助于电子控制技术制动防抱死系方便。 今后的 ABS, 一是技术性能提高,使其更完善;二是进一步简化系统,使其更小型轻量化。可与预计今 后的汽车发展是电子控制的时代。

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谈笑间,四年的大学生活即将过去,三个多月的毕业设计也快要结束了。看着手中厚 重的毕业设计说明书和图纸,回想大学学习生活,感慨颇深。四年的时光,我们从恩师那 里得到充足的滋养,从同学身上寻到纯真的友谊,在母校留下美好的回忆,带着深深的眷 恋, 我们即将离别。 相识即是缘, 为了这份缘分, 不晓得前世我们忍受了多少孤独的等待。 四年的学习生活,有太多的人给予我帮助,此时此刻我要向他们送上我最真挚的谢意。 首先, 我要感谢本次毕业设计的指导老师—孟老师。 选择孟老师使我的大学学习生活 有了一个完美的结局。孟老师的师德令我钦佩不已,也许只有这样的园丁,才能创造桃李 满天下的盛世。他学识渊博、治学严谨,对我们的辅导一丝不苟、细致入微,不让我们留 下一丝疑惑和茫然。同时,对我们严格要求,端正我们的学习态度。再一次深深地感谢孟 老师的浓浓师恩。 其次,我要感谢大学里所有给予我知识的老师。正是有了你们的教导,我学到了丰富 的专业知识,使自己的知识储备得到了升华,自己的心灵得到了洗礼。你们无私的奉献促 使我们尽早的成熟,我们坚实的翅膀源于你们不懈的滋养。等到今秋收获希望时,我们已 各奔东西去实现我们的伟大理想,将你们所授尽数回报社会。 最后,我要感谢我伟大的母校,感谢与我朝夕相伴四年的朋友。四年时光,如梭如 梦,梦醒时分,我们又要各自奔天涯。四年的学习生活,酸甜苦辣一一饱尝,无论是开心 时的愉悦,还是失落时的惆怅:无论是入校时的迷茫,还是毕业时的感伤,都将化作永久 的记忆深深地镌刻在我心里。相信这份缘分,更要珍惜这份缘分。 再一次感谢所有给予我帮助的人,愿你们永远快乐!愿母校明天会更好!

45

参考文献
[01]张月相,赵英君.电控汽车 ABS 培训教程.黑龙江科学技术出版社,2007. [02]冯渊编.汽车电子控制技术.机械工业出版社,2007. [03]付百学.汽车电子控制技术.机械工业出版社,2000. [04]齐晓杰.赵晨光,李延臣.汽车制动系统,化学工业出版社,2005. [05]齐晓杰.安永东,王祥之.汽车液压、液力与气压传动,化学工业出版社,2007. [06]李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,2005. [07]梁合庆,梁韬.MCS-96 系列十六位单片微机使用手册.电子工业出版社,1994. [08] 马明星,毛务本,朱锦兴.车辆防抱死制动系统(ABS)控制算法的研究【J】.城市车 辆,2002, (2):21223. [09]刘昭度、陈思忠.汽车制动系统电子控制技术的发展.汽车电子,1996(8). [10]司利增.汽车防滑控制系统 ABS 与 ASR.人民交通出版社,1996. [11]孟嗣宗,崔艳萍.现代汽车防抱死制动系统和驱动力控制系统.北京理工大学出版社, 1997. [12]李君.车辆 ABS 控制系统快速开发研究.上海:上海交通大学,2002: [13]A.R.Savkoor.The Relation of the Adhesion Friction of Rubber to the Friction Between Tire and Ground.1 Ith FISITA Congress,June 1996. [14] J.L.Harried et al.Measureme of Tire Brake Force Characteristics as Related to Wheel Slip(Antilock) Contro.SAE paper 690214.Detroit,USA,1969. [15]B.Yim,G.R.Olsson,P.G.Fielding.Highway Vehicle Stability in Breking Maneuvers.SAE Trans,79, 1970, 700515. [16]James P,Cook P.Using Rap id Prototyp ing tools for the integration of control System for Comp Lex Technology concept[M].England: Prodrive Ltd,2001. [17]The Mathworks.Simulink user’s guide [M].Michigan: The Mathworks,2001.

46


总流程图:



开始

初始化,清空内存中的输入输出,启动看门狗

N 是否中断
Y

计算加速度,速度

是否超速 Y 改变工作方式 N

与门限值比较, 判断压 力状态

减压控制

保压控制

增压控制

启动泵电机 对端口发出控制信号 N 制动是否停止

返回
47

轮速信号中断处理程序流程图:

开始

开中断,保护现场

N
HSI.0 中断处理

Y
HSI.0 中断?

N
HSI.1 中断处理

Y
HSI.1 中断?

N
HSI.2 中断处理

Y
HSI.2 中断?

N
HSI.3 中断处理

Y
HSI.3 中断?

恢复现场,关中断

返回

48

初始化及轮速信号采集处理程序:
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 MAIN:DI LD SP,#00F0H LDB INT_MAST,#04H LDB IOC0,#55H LD AX,#0001H LD BX,#0001H LD CX,#0001H LD DX,#0001H EI INT1:DI PUSHF LD HXL,08H
49

寄存器名称 SP T01(T01H,T01L) T02(T02H,T02L) T11(T11H,T11L) T12(T12H,T12L) T21(T21H,T21L) T22(T22H,T22L) T31(T31H,T31L) T32(T32H,T32L) HX(HXH,HXL) AX(AXH,AXL) BX(BXH,BXL) CX(CXH,CXL) DX(DXH,DXL) TD(TDH,TDL) EX(EXH,EXL) VX(VXH,VXL) V1(VIH,VIL) V2(V2H,V2L) a (aH,aL)

寄存器地址 18H 20H 22H 24H 26H 28H 30H 32H 34H 36H 38H 40H 42H 44H 46H 48H 52H 56H 60H 64H

用途 存放堆栈指针 存放通道 0 的开始时间 存放通道 0 的终止时间 存放通道 1 的开始时间 存放通道 1 的终止时间 存放通道 2 的开始时间 存放通道 2 的终止时间 存放通道 3 的开始时间 存放通道 3 的终止时间 存放 HSI _STATUSE 的值 存放 HIS.0 的中断次数 存放 HIS.1 的中断次数 存放 HIS.2 的中断次数 存放 HIS.3 的中断次数 存放时间间隔 存放中间变量 存放速度值 存放上个循环的速度值 存放当前循环的速度值 存放加速度值 ;设置堆栈指针 ;允许外部中断 ;允许 HSI 中断

;开中断

JSB HXL.0,I0 JSB HXL.2,I1 JSB HXL.4,I2 JSB HXL.6,I3 POPF El RET 通道 0 轮速信号采集程序 I0:DI PUSHF DEC AX JE I0T2 LD T01,04H I0T2:LD T02,04H INC AX SUB T02,T01 JLT I03 LD TD,T02 I03:LD EX,0FFFFH SUB EX;T02 ADD EX;T01 LD TD;EX SUB TD;#0C350H JIE MAIN SJMP LSCHL0 POPF El LSCHL0:LID EX,#0FH MUL EX,AX DIVU EX,#64H LD VEX LD V2,V SUBC V2,V1 DIVU V2,TD LD a,V2

;判断是哪个通道

;开中断

;判断是否为第一次中断

;判断 T2>T1

;存放时间差

;计算轮速 ;相乘

;计算加速度

50

POPF El RET 通道 1 轮速信号采集程序 I1:DI PUSHF DEC AX JE I1T2 LD T11,04H I1T2:LD T12,04H INC AX SUB T12,T11 JLT I13 LD TD,T12 I13:LD EX,0FFFFH SUB EX,T12 ADD EX,T11 LD TD,EX SUB TD,#0C350H JIE MAIN SJMP LSCHL1 POPF El LSCHL1:LD EX,#0FH MUL EX,AX DIVU EX,#64H LD V,EX LD V2,V SUBC V2,V1 DIVU V2,TD LD a,V2 POPF El RET 通道 2 轮速信号采集程序
51

;判断是否为第一次中断

;判断 T2>T1

;存放时间差值

;计算轮速 ;相乘

I2:DI PUSHF DEC AX JE I2T2 LD T21,04H I2T2:LD T22,04H INC AX SUB T22,T21 JTL 123 LD TD,T12 123:LD EX,0FFFFH SUB EX,T22 ADD EX,T21 LD TD,EX SUB TD,#0C350H JLE MAIN SJMP LSCHL2 POPF El LSCHL2:LD EX,#0FH MUL EX,AX DIVU EX,#64H LD V,EX LD V2,V SUBC V2,V1 DIVU V2,TD LD a,V2 POPF El RET 通道 3 轮速信号采集程序 I3: DI PUSHF DEC AX JE I3T2
52

;判断是否为第一次中断

;判断 T2>T1

;存放时间差值

;计算轮速 ;相乘

;计算加速度

;判断是否为第一次中断

LD T31,04H I3T2:LD T32,04H INC AX SUB T32,T21 JTL 133 LD TD,T12 133:LD EX,OFFFF SUB EX,T32 ADD EX,T31 LD TD,EX SUB TD,#0C350H JLE MAIN SJMP LSCHL3 POPF EI LSCHL3:LD EX,#0FH MUL EX,AX DIVU EX,#64H LD V,EX LD V2,V SUBC V2,V1 DIVU V2,TD LD a,V2 POPF El RET ;计算加速度 ;计算轮速 ;相乘 ;存放时间差值 ;判断 T2>T1

53


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