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汽车专业ABS防抱死制动系统毕业设计


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目录
一、电控防抱死系统的发展及分类??????????????????? 1 1、电控防抱死制动系统(ABS)的发展及应用现状???????? 2、电控防抱死制动系统(ABS)的分类?????????????? 二、电控防抱死制动系统(ABS)的基本组成与工作原理???????? 1、ABS 的基本组

成?????????????????????? 2、传感器?????????????????????????? 3、电子控制单元(ECU)??????????????????? 4、执行器?????????????????????????? 6 6 7 8 1 3 6

5、ABS 警示装置??????????????????????? 10 三、博世(BOSCH)ABS 系统制动调节过程?????????????? 10 1、常规制动(ABS 不工作)时????????????????? 10 2、ABS 工作时???????????????????????? 10 四、电控防抱死制动系统(ABS)的检修??????????????? 11 1、检修 ABS 的注意事项???????????????????? 11 2、ABS 故障检修的一般步骤?????????????????? 12 3、ABS 主要部件的检修????????????????????? 12 五、典型故障案例分析?????????????????????? 13

1、故障案例一:雷克萨斯 RX300 多功能车 ABS 故障??????? 13 2、故障案例二:桑塔纳 2000GSI 轿车 ABS 故障????????? 14 3、故障案例三:别克君威轿车 ABS 故障???????????? 15 六、结束语???????????????????????????? 16 七、参考文献??????????????????????????? 17

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汽车 ABS 的结构与检修
摘要:本文介绍了防抱死制动系统(ABS)的发展及分类,解释了系统基本组成与其 工作原理,并对博世 ABS 系统的控制过程作了详细的阐述,在此基础上总结了检 修 ABS 的一些注意事项,最后选取了日常维修工作中比较典型的几个故障案例进 行评述,希望能为广大维修人员提供点帮助。 关键词:防抱死制动系统;ABS;基本组成;工作原理;案例分析。 ABS(Anti-locked Braking System)防抱死制动系统,它是一种具有防滑、 防锁死等优点的汽车安全控制系统。现代汽车上大量安装防抱死制动系统,ABS 既 有普通制动系统的制动功能,又能防止车轮锁死,使汽车在制动状态下仍能转向, 保证汽车的制动方向稳定性,防止产生侧滑和跑偏,以获得最好的制动效果。

一、电控防抱死系统的发展及分类
1、电控防抱死制动系统(ABS)的发展及应用现状 基于制动防抱理论的制动系统首先是应用于火车和飞机上。1936 年,德 国博世公司(BOSCH)申请一项电液控制的 ABS 装置专利,促进了 ABS 技术在 汽车上的应用。汽车上开始使用 ABS 始于 1950 年代中期福特汽车公司,1954 年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的 ABS 装置,这种 ABS 装置控 制部分采用机械式,结构复杂,功能相对单一,只有在特定车辆和工况下防 抱死才有效,因此制动效果并不理想。机械结构复杂使 ABS 装置的可靠性差、 控制精度低、价格偏高。ABS 技术在汽车上的推广应用举步艰难。直到 70 年 代后期,由于电子技术迅猛发展,为 ABS 技术在汽车上应用提供了可靠的技 术支持。ABS 控制部分采用了电子控制,其反应速度、控制精度和可靠性都 显著提高,制动效果也明显改善,同时其体积逐步变小,质量逐步减轻,控 制与诊断功能不断增强,价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都相继研制 了形式多样的 ABS 装置。 进入 90 年代后,ABS 技术不断发展成熟,控制精度、控制功能不断完善。 现在发达国家已广泛采用 ABS 技术,ABS 装置已成为汽车的必要装备。北美

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和西欧的各类客车和轻型货车 ABS 的装备率已达 90%以上,轿车 ABS 的装备 率在 60%左右,运送危险品的货车 ABS 的装备率为 100%。ABS 装置制造商主 要有:德国博世公司(BOSCH),欧、美、日、韩国车采用最多;美国德科公 司(DELCO),美国通用及韩国大宇汽车采用;美国本迪克斯公司(BENDIX), 美国克莱斯勒汽车采用; 还有德国戴维斯公司 (TEVES) 德国瓦布科 、 (WABCO) 、 美国凯尔西海斯公 (KELSEYHAYES) 等, 这些公司的 ABS 产品都在广泛地应用, 而且还在不断发展、更新和换代。 近年来,ABS 技术在我国也正在推广和应用,1999 年我国制定的国家强 制性标准 GB12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中已把装用 ABS 作为强制性法规。此后一汽大众、二汽富康、上海大众、重庆长安、上 海通用等均开始采用 ABS 技术, 但这些 ABS 装置我国均没有自主的知识产权。 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 赶超国际水平。 根据国内外的一些研究动态和高档轿车的实际应用表明, ABS 技术将沿 着以下几个方面继续发展: 1)ABS 和驱动防滑控制装置 ASR 一体化。ABS 以防止车轮抱死为目的, ASR 是防止车轮过分滑转,ABS 是为了缓解制动,ASR 是为了施加制动。由于 二者技术上较接近,且都能在低附着地面上充分体现它们的作用,所以将二 者有机的结合起来。 2)动态稳定控制系统 VDC(或电子稳定控制 ESP)。VDC 主要在 ABS/ASR 基础上解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。 3)ABS/ASR 与自动巡航系统(ACC)集成。 4)减小体积,降低重量。 5)随着 ABS 与新一代制动系统的结合,如电子液压制动 EHB、电子机械 制动 EMB,使得 ABS 有了更快的的响应速度,更好的控制效果,而且更容易 与其它电子系统集成。 6)在 ABS 系统中嵌入电子制动力分配装置(EBD)构成了 ABS+EBD 系统。

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EBD 的功能就是在汽车开始制动压力调节之前,高速计算出汽车四个轮胎与 路面间的附着力大小,然后调节车轮与附着力的匹配,进一步提高车 辆制动 时的稳定性,同时尽可能地缩短制动距离。 2、电控防抱死制动系统(ABS)的分类 1)按控制方式分可分为单参数控制和双参数控制(ABS) (1)单参数控制(ABS) 它 以 控 制车 轮 的 角减 速 度 为对 象 ,控 制车 轮 的 制动 力 ,实 现防 抱 死 制 动,其结构主要由轮速传感器、控制器(电脑)及电磁阀组成。 (2)双参数控制(ABS) 双参数控制的 ABS,由车速传感器(测速雷达)、轮速传感器、控制装置 (电脑)和执行机构组成。 其工作原理是车速传感器和轮速传感器,分别将车 速和轮速信号输入电脑,由电脑计算出实际滑移率,并与理想滑移率 15%— 20%作比较,再通过电磁阀增减制动器的制动力。 2)控制通道 对能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。 独立控制是指某 个车轮的制动压力占用一个控制通道可以单独进行调节;一同控制是指两个 车轮的制动压力是一同进行调节的。高选原则一同控制是指保证附着力较大 的车轮不发生制动抱死或驱动防滑为原则进行制动压力调节;反之,称为低 选原则一同控制。 按控制通道数分可以分为:四通道 ABS 系统、三通道 ABS 系统、双通道 ABS 系统与单通道 ABS 系统。 (1)四通道 ABS 系统(如图 1)

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图 1 四通道四传感器 ABS (a)双制动管路前后布置(b)双制动管路对角布置

①组成:四个轮速传感器,在通往四个车轮制动分泵的管路中,各设一 个制动压力调节分装置,分别对各个车轮进行独立控制。 ②优点:附着系数利用率高,制动时可以最大限度地利用每个车轮的最 大附着力。 ③适用:汽车左右两侧车轮附着系数相近的路面,不仅可以获得良好的 方向稳定性和方向操纵能力,而且可以得到最短的制动距离。 ④缺点:如果汽车左右轮附着力相差较大,如:行驶在附着系数对分的 路面上或汽车两侧垂直载荷相差较大时,制动时两个车轮的地面制动力就相 差较大,因此会产生横摆力矩,使车身向制动力较大的一侧跑偏,不能保持 汽车按预定方向行驶,会影响汽车的方向稳定性,一般驾驶员修正有些困难。 ⑤结论:在具有驱动防滑转(ASR)功能时采用四通道式。 (2)三通道 ABS 系统(如图 2)

图 2 三通道 ABS (a)三通道四传感器 ABS(对角布置)(b)三通道四传感器 ABS(前后布置)(c) 三通道三传感器 ABS

①结构:四个轮速传感器或三个轮速传感器。一般三通道 ABS 是对两前 轮进行独立控制,两后轮按低选原则进行一同控制,也称它为混合控制。 ②图 2-(a)所示适用前轮驱动汽车及按对角布置的双管路制动系统。该 系统中虽然在通往四个车轮制动分泵(轮缸)的制动管路中,各设置一制动压 力调节分装置,但两个后轮制动压力调节分装置却是由电子控制器按低选原 则一同控制的,因此,实际上仍然是三通道 ABS。 ③图 2-(b)(c)所示适用后轮驱动汽车及按前后布置的双管路制动系统。

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在通往两后轮制动分泵(轮缸)的制动总管路中,只设置一个制动压力调节分 装置,以便对两后轮制动分泵的制动压力进行一同控制。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,也可以在传动系统中 (如主减速 器或变速器中)只设置一个轮速传感器,感测两后轮的平均转速,实现近似低 选原则的一同控制。 ④两后轮按低选原则进行一同控制时,可以保证汽车在各种条件下左右 两后轮的制动力相等,即使两侧车轮的附着力相差较大,两个车轮的制动力 都限制在附着力较小的水平,使两个后轮的制动力始终保持平衡,保证汽车 在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。但也可能出现附着系数大的 一侧后轮的附着力不能充分利用的问题,使汽车的总制动力有所减小。应该 看到,在紧急制动时,由于发生轴荷前移,在汽车的总制动力中,后轮的制 动力所占的比重较小,尤其是小轿车,使前轮的附着力比后轮的附着力大得 多,通常后轮制动力只占总制动力的 30%左右,因此,后轮附着力未能充分 利用的损失对汽车的总制动力影响不大。 ⑤对两前轮进行独立控制,主要考虑到小轿车,特别是前轮驱动的汽车, 前轮的制动力在汽车总制动中所占的比例较大(可达 70%左右),可以充分利 用两前轮的附着力。一方面使汽车获得尽可能大的总制动力,利于缩短制动 距离,另一方面更重要的能在制动中使两前轮始终保持较大的横向附着力, 使汽车保持良好转向控制能力。尽管两前轮独立控制可能导致两前轮制动力 不平衡,但由于两前轮制动力不平衡对汽车行驶方向稳定性影响相对较小 , 而且可以通过驾驶员的转向操纵对由此造成的影响进行修正。因此,三通道 ABS 在小轿车上被普遍采用。 (3)双通道 ABS 系统(如图 3)

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图 3 双通道 ABS (a)二通道三传感器 ABS(b)二通道四传感器 ABS(c)二通道二传感器 ABS(d)二通道 二传感器 ABS

①(a)图中,前轮附着力相差较大时,高选。 ②(d)图中,在后制动管路中设置比例阀或低选择阀。 ③双通道式:难以在方向稳定性、转向操纵性和制动距离各方面得到兼 顾,目前采用很少。 (4)单通道 ABS 系统(如图 4)

图 4 一通道一传感器 ABS

由于前轮无控制,故易抱死,转向操纵性差,制动距离较长。

二、电控防抱死制动系统(ABS)的基本组成与工作原理
1、ABS 的基本组成 ABS 是在普通制动系统的基础上,加装 ABS ECU、传感器、执行器等装置 而形成的制动系统,其基本构成如图 5。其结构形式和控制方法因车而异。

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图 5 制动防抱死系统(ABS)的基本组成

2、传感器 1)轮速传感器 (1)作用:检测车轮运动状态,获得车轮转速信号,并将车轮的减速度 (或加速度)信号送给 ECU。典型轮速传感器外形与基本结构如图 6。 (2)安装:一般在车轮处,但也有设置在主减速器或变速器中。

图 6 轮速传感器的外形与基本结构 (a)轮速传感器外形(b)轮速传感器的基本结构

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2)车速传感器 作用:检测车速,给 ECU 提供车速信号,用于滑移率控制方式。 3)减速度传感器 作用:在汽车制动时,获得汽车减速度信号。因为汽车在高附着系数路 面上制动时,汽车减速度大,在低附着系数路面上制动时,汽车减速度小, 因而该信号送入 ECU 后,可以对路面进行区别,判断路面附着系数高低情况。 当判定汽车行驶在雪地、结冰路等易打滑的路面上时,采取相应控制措施, 以提高制动性能。多用于四轮驱动控制系统 3、电子控制单元(ECU) 接收轮速、车速信号、发动机转速信号、制动信号、液位等信号,分析 判定车轮制动状态,需要时发出调节指令,并具有报警、记忆、存储、自诊 断和保护功能。ECU 控制原理如图 7。

图 7 ABS 控制电脑原理图

4、执行器 1)油泵及储能器 作用:产生控制油压,使制动压力调节装置工作。

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2)制动压力调节器 制动压力调节器是 ABS 系统中最主要的执行器, 一般都设在制动总泵(主 缸)与车轮制动分泵(轮缸)之间。 (1) 作用: 根据 ECU 的控制指令, 自动调节制动分泵(轮缸)的制动压力。 (2)分类 ①根据动力来源分可以分为:气压式与液压式。 气压式:主要用在大型客车和载重汽车上。 液压式:主要用在小轿车和一些轻型载重汽车上。 ②根据结构关系分可以分为:分离式与整体式。 分离式:制动压力调节器自成一体,通过制动管路与制动总泵相连。

图 8 分离式液压调节器组件

整体式 ABS 系统总成

整体式:制动压力调节器与制动总泵构成一个整体。如图 8。 ③根据调压方式分可以分为:流通式与变容式。 流通式:在制动总泵和制动分泵之间串联一个或两个电磁阀,由电磁阀 根据 ECU 的指令,通过控制,使制动分泵的制动液回到制动总泵(或储液器), 或使制动总泵(或储能器)的制动液流入制动分泵,或者使制动分泵的制动液 既不流入也不流出,以实现制动分泵压力的减小、增大或保持。 变容式:如图 9。在原制动管路中,并联一套液压装置,该装置中有一 个类似活塞的装置。工作时根据 ECU 的指令,该装置首先将制动分泵和总泵 隔离,然后通过电磁阀的开闭或电动机的转动等不同方式,控制活塞在调压

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缸中运动,使调压缸工作室至制动分泵的容积发生变化。容积增大,实现 制 动压力减小;容积减小,实现制动压力增大;容积不变,实现压力保持。

1—制动踏板 2—制动主缸 3—储能器 4—电动泵 5—储液室 6—电磁线圈 7—电磁阀 8—柱塞 9—电控单元 10—制动轮缸 11—转速传感器 12—车轮 13—单向阀 14—控制活塞 图 9 可变容积式制动压力调节器常规制动(升压)状态

5、ABS 警示装置 1)作用:报警灯可显示系统工作状态及自诊断报警。 2)黄色的 ABS 灯可显示 ABS 控制系统的故障(如 4 个轮速传感器、4 个 电磁阀、ABS 主继电器、油泵继电器报警灯继电器等),它报警后汽车仍然 能维持常规制动,但 ABS 系统已断电保护,停止工作。 3)红色的 BRAKE 灯亮,显示驻车制动开关、行车制动开关信号、液压高 低信号、液位高低信号等有故障,危险性大,应停车检修。

三、博世(BOSCH)ABS 系统制动调节过程
1、常规制动(ABS 不工作)时: 电磁阀不通电,制动总缸与分缸之间自由连通。踩下制动踏板时分缸持 续制动,离开制动踏板时油液返回主缸,制动结束。 2、ABS 工作时: 1)压力增大:电磁阀和电动泵不通电,制动油液从主缸流入分缸进行制

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动。 2)压力保持:当车轮趋于抱死时,电子控制单元给电磁线圈通小电流, 此时主缸与分缸之间的通道被切断,使车轮压力保持不变。 3)压力减小:当车轮继续趋于抱死时,电子控制单元给电磁线圈通大电 流,此时输出阀开启,分缸与回油道接通,车轮制动力下降,转速上升。 然后 ABS 电子控制单元再给电磁线圈断电,车轮制动力又会上升,如此 反复,ECU 通过执行器不断地控制制动系统完成增压、保压、降压、升压的 过程,使车轮始终处于将要抱死而又未抱死的临界状态,把车轮滑动率控制 在最佳(10%—20%)的范围内,以获得最好的制动效果。具体过程如图 10。

1—低压储液器 2—由电动机驱动的液压泵 3—制动总泵(主缸) 4—进液阀(2/2 常开电磁阀) 5—出液阀(2/2 常闭电磁阀) 6—车轮制动轮缸(分泵) 图 10 制动压力调节过程

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四、电控防抱死制动系统(ABS)的检修
1、检修 ABS 的注意事项 1)ABS 系统与普通制动系统密不可分,普通制动系统一旦出现故障,ABS 系统也就不能工作,故当车辆制动系统出现问题时,应首先判明是 ABS 系统 故障还是普通制动系统故障,而不能把注意力全部集中在传感 器、电控单元 和制动压力调节器上。 2)ABS 电控单元对电压、静电非常敏感,维修时稍有不慎就可能会损坏 电控单元。因此,点火开关接通时不可以拔或插电控单元上的连接器 。 3)维修车轮转速传感器时应特别小心,不要碰伤传感器头,不要用传感 器齿圈做撬面,以免损坏,安装时不可用力敲击,磁隙可以调整的,但要用 非磁性工具调整。 4)装有 ABS 的汽车, 每年应更换一次制动液。 否则, 制动液吸湿性很强, 含水后不仅会降低沸点,产生腐蚀,而且还会造成制动效能衰退。 5)要注意不要让电控单元受碰撞和敲击,不能处在高温环境中。 6)当蓄电池电压过低时,ABS 系统将不能工作,所以特别在汽车停驶长 时间后启动时,应检查蓄电池电压。 7)具有 ABS 系统的制动系应使用专用的管路,因为该系统往往具有很高 的压力。 8)更换制动器或更换液压制动系部件后,应排净制动管路中的空气,以 免影响制动系统的正常工作。 2、ABS 故障检修的一般步骤 1)确认故障情况和故障症状。 2)先对 ABS 系统进行直观检查,检查制动液渗漏、导线破损、插头松脱、 制动液液位过低等情况。 3) 利用自诊断系统进行读取故障码, 然后根据维修手册来寻找故障位置。 4)根据故障情况,利用必要的工具和仪器对故障部位进行具体的检查, 确定故障部位和故障原因。 5)修理或更换部件以排除故障。

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6)清除故障代码。 7)检查故障警告灯是否持续点亮。 8)路试。 3、ABS 主要部件的检修 1)轮速传感器的检修 轮速传感器可能出现的故障有:感应线圈短路、断路或接触不良,传感 器齿圈上的齿有缺损或脏污, 信号探头安装不牢或磁极与齿圈之间有赃物等。 轮速传感器在安装时注意其传感头的额定扭矩,不要拧得过紧或过松, 否则极轴与齿圈的间隙过小或过大,影响轮速信号的产生与输出;检查轮速 传感器与桥壳之间无间隙;传感器齿圈的齿面应无刮痕、裂缝、变形或缺齿 等,严重时应更换转子轴总成。 2)ABS ECU 的检修 首先检查 ABS ECU 线束插接器有无松动,连接导线有无松脱;再检查其 线束插接器各端子的电压、电阻值或波形与标准值进行比较。如果与之相连 的部件和线路正常,则应更换 ECU 再试。 更换 ABS ECU 时,将点火开关关闭,拆下 ECU 上的线束插头,拆下旧的 ECU,固定好新的 ECU,插上所有的线束插头(注意线束不能损坏和腐蚀,插 头应接触良好)对角线拧紧固定螺钉;起动发动机,红色制动灯和 ABS 灯应 显示系统正常。 3)制动压力调节器的检修 制动压力调节器可能会出现电磁阀线圈不良、阀门泄漏等故障。 检测电磁阀线圈的电阻,如果电阻值无穷大或过小等,均说明其电磁阀 有故障;将制动压力调节器电磁阀加上其工作电压,看阀能否正常动作,如 果不能正常动作,则应更换制动压力调节器;如果怀疑是制动压力调节器有 问题,则应在制动压力调节器内无高压制动液时,拆下调节器进一步检查。

五、典型故障案例分析
1、故障案例一:

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故障现象:在日常维护保养过程中,维修人员发现一辆雷克萨斯 05 款 RX300 多功能车仪表板上 ABS 故障灯闪烁。 故障分析: 从工具室借来雷克萨斯专用诊断仪 IT-Ⅱ, 检测结果显示“左 前轮速传感器故障”。清除故障码后,ABS 灯不再闪亮,但车辆开出公司后 不久,车主给服务顾问打来电话,说故障灯又开始闪烁。于是服务顾问劝车 主返回公司,维修人员再次借来专用诊断仪读取故障码,仍然显示是 “左前 轮速传感器故障”。于是便拆下左前轮转速传感器进行检查。目视发现传感 器表面比较破旧且布满泥污,信号齿圈表面也脏污不堪。于是拆下齿圈和传 感器一同进行仔细清洗,吹干后装复。清除故障码后由车间检验员出去试车, 二十分钟后返回。根据反映 ABS 故障灯不再点亮,车主再次开车离开后也未 反映有再次点亮的情况,由此故障排除。 2、故障案例二: 故障现象:一辆桑塔纳 2000GSI 轿车,行驶 8 万公里,该车装备 MK20 —I 型防抱死制动系统,此车 ABS 故障灯亮起,车主开到修理厂进行检修。 故障分析:首先,用元征电眼睛故障诊断仪读取故障码,对 ABS 系统进行检 测,显示“00290”,为左后轮转速传感器 G46 故障。一般情况下,以下三种情况 将会导致 ABS 系统出现这种故障: 1)当车速超过 10 km/h 时,没有转速信号传递给 ABS 控制单元。 2)当车速大于 40 km/h 时候,转速信号超出公差值。 3)传感器存在可识别的断路或对正极、接地短路故障。 根据经验,应该重点检查以下项目: 1)轮速传感器与 ABS 控制单元的线路连接情况。 2)轮速传感器和齿圈的安装间隙、安装位置以及受灰尘或杂质污染的情况。 3)车轮轴承间隙是否过大。 4)传感器本身故障。 在该车故障排除过程中,首先并没有急于检查轮速数据。将发动机怠速运转, 选择阅读数据块功能,进入 001 显示组,用举升机将车升起来,观察各显示数据。 车轮静止时候, 各显示区均显示 0 km/h。 用手转动左后轮, 3 显示区显示 9 km/h。 第

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又转动别的车轮,观察相对应的显示区,发现基本一致。放下车辆,用故障诊断 仪清除故障码。ABS 警示灯随之熄灭,路试一切正常。用诊断仪读取测量数据块功 能,进入显示组 002,观察第 3 显示区左后轮速度。无论在加速、减速、制动、低 速还是高速时,其数值都与其他 3 个轮速基本一致。ABS 警示灯没有亮起,制动时 也能感觉到 ABS 系统在起作用,故障也没有出现。因为再没有发现故障,就准备 让车主将车接走。就在这时,故障再次出现了。在车辆怠速着车静止不动的时候, 故障警示灯亮了。调码发现又产生左后轮的偶发性故障码。根据该车检查状况, 只有一种可能,那就是左后轮转速传感器与 ABS 控制单元之间产生瞬间短路或断 路。根据电路图进行检查时,发现 ABS 控制单元的 25 针插头第 10 针有轻微腐蚀。 清理修复插头之后,清除故障码。车主驾车 2000 多公里也没有出现原来的故障。 经询问车主得知,清洗车辆的时候,经常用高压水冲洗发动机舱,由于高压水溅 入 ABS 控制单元的连接点, 针插头第 10 针被腐蚀, 25 导致有瞬间开路的情况发生。 此故障属于软性故障,故障出现的机率具有很大的随机性,一般用万用表不易测 出,也只有在故障出现时,才能发现故障原因,找到病根,对症下药,将故障排 除。 3、故障案例三: 故障现象:上海别克(BUICK)君威轿车仪表板上的 ABS 故障指示灯点亮,ABS 系统不起作用,制动抱死。 故障检修:由于行驶中仪表板上的 ABS 故障指示灯点亮,说明 ABS 电脑记录 有故障代码。根据别克维修手册中提供的故障代码读取方法,人工调取故障代码 41。查故障代码表得知:故障代码 41 表示右前电磁阀线路开路。 为确认是否电磁阀线路的故障,用万用表测量 ABS 总泵的电磁阀线路,测量 时发现有一根线与其它任何一根线都不相通(正常电磁阀引脚之间是相通的) ,由 此可以判断这根线便是故障代码 41 所指的开路线。为查出具体开路部位,采取以 下方法: 拆下 ABS 总泵(位于发动机室左侧前端) ;分解 ABS 总泵,从其他底部拆开便 看到四个电磁阀(分解时要注意不要损坏密封圈) ,打开 ABS 总泵后,便看到有一 根线端已明显断开,此即故障所在,用一根比较小的电线把电线的开路端焊接起

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来,然后用万用表的欧姆档原来开路的线与其他各线是否相通,结果相通,然后 按照规定顺序对 ABS 系统进行空气排除(注意:一定要按规定放气顺序对各轮进 行放气,否则空气无法排除干净,会影响 ABS 系统的工作效果) 。试车,ABS 系统 功能恢复正常,故障排除。 案例总结:一般情况下,解决 ABS 灯常亮的故障,可以按如下方法进行 逐步排除:清除故障码→清洗或更换有故障的转速传感器、清洗齿圈(用化 油器清洗剂清洗)→调整齿圈间隙→更换刹车油→检查 ABS 控制线束,必要 时更换→检查 ABS 控制器,必要时予以更换。

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结束语
首先,要衷心感谢我的指导老师刘阳老师。在论文的写作过程中,刘老师在 各个环节上进行了耐心的指导。刘老师严谨的治学态度,是我今后学习的榜样, 并将一直激励着我。 这次论文写作,使我了解很多 ABS 等相关的知识,锻炼了自己的写作水平; 通过与同组论文同学的讨论学习,促进了互相的友谊;通过与老师的交流,对论 文的修改使我了解到目前自己的不足,在今后的学习工作过程中要继续锻炼。 再次感谢学院对我培养以及学院老师对我的大力帮助和指导。

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参考文献
[1] 金加龙,宋麓明,等·汽车底盘构造与维修(第二版) [M] ·北京:电子 工业大学出版社,2009 [2] 解福泉,周建平·汽车典型电控系统构造与维修[M]·北京:人民交通 出版社,2009 [3] 王世铮,覃娅娟·汽车故障诊断技术[M]·北京理工大学出版社,2009 [4] 蒲永峰·汽车检测、诊断与维修[M]·清华大学出版社,2008 [5] ABS 防抱死刹车系统[J]·百度百科 [6] 慧聪网 http://info.auto-p.hc360.com/html/001/001/011/44868.htm

1 防抱死制动系统概述
1.1 ABS 的功能
汽车 ABS 在高速制动时用来防止车轮抱死,ABS 是英文 Anti-lock Brake Syetem 的缩写,全文的意思是防抱死制动系统,简称 ABS。 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产生以下不良影响:方向失去控 制,出现侧滑、甩尾,甚至翻车;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的发生而研制的装置,它有以下 几点好处:增加制动稳定性,防止方向失控、侧滑和甩尾;提高制动效率,缩短 制动距离(松软的沙石路面除外) ;减少轮胎磨损,防止爆胎。 现代轿车的 ABS 由输入传感器、控制电脑、输出调制器及连接线等组成。输 入传感器通常包括死个车轮的轮速信号、刹车信号,个别车型还有减速度信号、 手刹车或车油面信号。 ABS 的第一个优点是增加了汽车制动时候的稳定性。汽车制动时,四个轮子

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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 的第二个优点是能缩短制动距离。这是因为在同样紧急制动的情况下, ABS 可以将滑移率(汽车华东距离与行驶的比)控制在 20%左右,即可获得最大 的纵向制动力的结果。 ABS 的第三个优点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, 就会根据情况进入工作状态, ABS 即使雨雪路滑, 也会使制动状态保持在最佳点。 利用电脑控制车轮制动力, ABS ABS 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 防抱死制动系统的发展历史
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。由于车轮 和轨道的摩擦,就会在车轮外圆上磨出一些小平面,小平面产生后,车轮就不能 平稳地行驶,产生噪声和挣动。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”与 Richard 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

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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!世界上第一具 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。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,不但成本过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, ABS 系统的开发计划完全委托 Bosch 将 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。从 1978 到 1980 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。 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%,通用车 厂也决定把 ABS 列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。

图1-1 BOSCH防抱死制动系统

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1.3 防抱死制动系统的发展趋势
(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。目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆 上,采用液压制动和电制动两种制动系统。 (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 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。为此利用 ABS 电磁阀对制动压力进行精细的调节,即用小步长增 压或减压,以达到最佳的车轮滑移的效果 既可以得到最大驱动力,也可保持行驶 的稳定性。 (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、牵引车与挂车处祸合力控制等。 (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

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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。 (5)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。

1.4 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 的研究开始于 80 年代初。从事 ABS 研制工作的单位和企业很多,诸 如东风汽车公司、重庆公路研究所、西安公路学院、清华大学、吉林大学、北京 理工大学、上海汽车制动有限公司和山东重汽集团等。具有代表性的有以下几个。 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室有宋健等多名博导、教授,有很强的科技 实力,他们还配套有一批先进的仪器设备,如汽车力学参数综合试验台、汽车弹射 式碰撞试验台及翻转试验台、模拟人及标定试验台、Kodak 高速图像运动分析系 统、电液振动台、直流电力测功机、发动机排放分析仪、发动机电控系统开发装 置及工况模拟器、计算机工作站及 ADAMS、IDEAS 软件、非接触式速度仪、噪声测 试系统、转鼓试验台、电动车蓄电池试验台、电机及其控制系统试验台等。该实 验室针对 ABS 做了多方面的研究,其中,在 ABS 控制量、轮速信号抗干扰处理、轮 速信号异点剔除、防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位。 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室以郭孔辉院士为代表的研究人员致力 于汽车操纵稳定性、汽车操纵动力学、汽车轮胎模型、汽车轮胎稳态和非 稳态侧偏特性的研究,在轮胎力学模型、汽车操纵稳定性以及人- 车闭环操纵 运动仿真等方面的研究成果均达到世界先进水平。 华南理工交通学院汽车系以吴浩佳教授为代表从事汽车安全与电子技术及汽 车结构设计计算的研究,在 ABS 技术方面有独到之处,能够建立制动压力函数,通 过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速;还可 以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率。另外,在滑移率和附着系数 之间的关系、汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解。 济南程军电子科技公司以 ABS 专家程军为代表的济南程军电子科技公司对 ABS 控制算法研究颇深,著有《汽车防抱死制动系统的理论与实践》等专著几本, 专门讲述 ABS 控制算法,是国内 ABS 开发人员的必备资料之一。另外,他们在基于

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MAT2LAB 仿真环境实现防抱死控制逻辑、 基于 VB 开发环境进行车辆操纵仿真和车 辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究。 重庆聚能公司产品包括汽车、摩托车系列 JN111FB 气制动电子式单通道、 JN144FB 气制动电子式四通道和 JN244FB 液压电子式四通道等类型 ABS 装置及其 相关零部件 30 多个品种,其 ABS 产品已通过国家汽车质量监督检测中心和国家客 车质量监督检测中心的认定,获得国家实用新技术专利,并正式被列为国家火炬项 目计划。 西安博华公司主要产品是适用于大中型客车和货车的气压四通道 ABS 和适用 中型面包车的液压三通道 ABS 及其相关零部件。 其中 BH1203 -FB 型 ABS 和 BH1101 - FB 型 ABS 已通过陕西省科委科技成果鉴定和陕西省机械工业局新产品鉴定,认 为该项技术已达到国内领先水平。 山东重汽集团引进国际先进技术进行的研究也已取得了一些进展。 重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动 FKX - ACI 型 ABS 装置已通 过国家级技术鉴定,但各种制动情况的适应性还有待提高。 清华大学研制的适用于中型客车的气制动 ABS 由于资源价格和性能上的优势, 陶瓷材料的应用将迅速扩展;金刚石和 CBN 超硬材料的应用将进一步扩大;新刀具 材料的研制周期会越来越短,新品种新牌号的推出也将越来越快。人们所希望的既 有高速钢、硬质合金的强度和韧性,又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也 完全有可能出现。 本文主要讲述以 80C196KC 单片机为核心,完成了信号输入回路、输出驱动回 路、电源部分及故障诊断等硬件电路设计,对轮速传感器、电磁阀等的故障检测 电路进行了设计。

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2.防抱死制动系统基本原理
2.1 制动时汽车的运动
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。地面对汽车的作用力又分为:作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车 轮上平行于地面的力。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,他的大小决定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)

图2-1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 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。 如上所述,施加适当的制动,能够有效地使汽车停下。制动强度过大,是汽 车发生各种危险运动状况的主要原因。因此,汽车行驶时,要根据冰路、雪路、

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砂石路、坏路、水湿路、干路、直路、弯曲路等道路条件,根据汽车速度、方向 转角等行驶条件进行制动操作,必须时常注意不能让车轮完全抱死。 2.1.2 车轮抱死时汽车运动情况 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。 (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 2-2 所示。图 2-2 (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。为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意,当 前轮抱死时转弯力为零,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 2-2 (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 2-2 (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 2-3 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,以避免侧滑摩擦力为零。

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图 2-2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况

图2-3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况

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2.2滑移率定义
通常,汽车在制动过程中存在着两种阻力:一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓 或制动盘之间产生的摩擦阻力,这种阻力称为制动系统的阻力,由于它提供制动时 的制动力,因此也称为制动系制动力;另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩 擦阻力,也称为地面制动力。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎- 道路附 着力,大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎- 道路附着系数的乘积。如果制 动系制动力小于轮胎- 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- 道路附着力,则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。 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。汽车的实际车速与车轮滚动 的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移率。 滑移率S的定义式为:
S? V ? V? r? -------------------------------(2-3) ? 1? V V

式中:S —滑移率; Vt —汽车的理论速度(车轮中心的速度) ; ω —汽车车轮的角速度; r —汽车车轮的滚动半径。 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。

2.3 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1 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。ABS 即是 基于这一原理而研制的。

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图2-4 滑移率与附着系数关系 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--纵向附 着系数之间的关系。

图2-5 不同路面上纵向、侧向附着系数与滑移率关系曲线 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。滑移率和纵向附 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,

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并且对应不同路面类型的滑移率--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--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,从而改变车轮的滑移率,形成整个非线性的制动过程。

2.4 制动时车轮运动方程
制动过程单轮受力如图2-6所示。

图 2-6 制动过程车轮受力简图 制动车轮轴荷与支撑力N平衡,该轮转动惯量J,半径r:,轴心平移速度V,转动角 速度 ? ,制动器制动力矩M,通常与车轮制动压力成正比系数K, 则有地面制动力
Fb ,紧急制动不计滑动阻力。则有

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制动时制动力远大于空气阻力和滚动阻力,



,分别为右侧前后轮制动力,

汽车初速为 ,质量为m(重力G),质心c到前后轴距离 , ,轴距L,轮距B,质心高 hg,汽车制动减速为

前轴载荷

后轴载荷

制动时附加转向力矩 --

从式(2-4)可知,调节制动压力可以使车轮角减速度产生变化:从式(2-10)计 算制动时的瞬时车速V,可计算各车轮滑移率,从式 (2-7) (2-8)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dW/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。

2.5 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磨擦声,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。

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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。由于车轮抱死,汽车的侧向附着力变成了零,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。 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。当然技术熟练的司机在某种程度上能根据各种条件合理地操作制动,如 采用点制动。可是一旦遇上紧急状态,大多数人都是一脚踏死制动踏板,使轮胎 抱死为此。 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。

2.6 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,简单说明 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 2-7 所示。汽车开始制动时,驾

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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 2-7 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 2-7 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 2-7 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。 通过这样的控制过程可以使车轮的速度控制在一 ABS 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、减速度门限值的 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。 在 ABS 中,每个车轮上各安置一个转速传感器,将各车轮转速信号输入电子 控制装置 ECU. ECU 根据各车轮转传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监 测和判定并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀总成、电 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和各制动轮 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。

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图 2-7 基于车轮加减速度逻辑门限值控制方法的 ABS 系统油压控制循环图 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。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,当 ECU 判定右前

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轮趋于抱死时,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, 就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断 ECU 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。 通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复地经历保持 ABS 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附着系数滑移率的上 范围内,直至汽车速度减小到很低或者制动主缸的输出压力不再使车轮趋于抱死 时为止,制动压力调节循环的频率可达 3--20Hz。在该 ABS 中对应于每一个制动 轮缸各有一对进液和出液电磁阀,可由 ECU 分别进行控制,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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3 防抱死制动系统硬件设计
3.1 防抱死制动系统的布置形式与组成
3.1.1 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,ABS 系统分为四通道、三通道、双通道和单通道四 种形式,而其布置形式却多种多样。 (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 也 有两种布置形式,见图 3-1(a,b)。

图 3-1(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)。

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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 3-1(c)、(d)、 (e)。

图 3-1(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以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 轮的附着力比后轮的附着力大很多(前置前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。 本设计就是为三通道 ABS。 (3)双通道 ABS

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图 3-1(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 附着系数分离的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,以求用转向轮产生的横向力 与不平衡的制动力相抗衡,保持汽车行驶方向的稳定性。但是在两前轮从附着系 数分离路面驶入附着系数均匀路面的瞬间,以前处于低附着系数路面而抱死的前 轮的制动力因附着力突然增大而增大,由于驾驶员无法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。

图 3-1 (f) (g) 图 3-1(g)所示的双通道 ABS 多用于制动管路对角布置的汽车上,两前轮独立 控制,制动液通过比例阀(P 阀)按一定比例减压后传给对角后轮。 对于采用此控制方式的前轮驱动汽车,如果在紧急制动时离合器没有及时分 离,前轮在制动压力较小时就趋于抱死,而此时后轮的制动力还远未达到其附着 力的水平,汽车的制动力会显著减小。而对于采用此控制方式的后轮驱动汽车, 如果将比例阀调整到正常制动情况下前轮趋于抱死时,后轮的制动力接近其附着 力,则紧急制动时由于离合器往往难以及时分离,导致后轮抱死,使汽车丧失方 向稳定性。 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

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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 3-1(h)。

图 3-1(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,因此在轻型货车上得到广泛应用。

3.1.2 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 3-2 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。

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3-2(a) ABS 系统的组成(分置式) 1、前轮速度传感器 2、制动压力调节装置 3、ABS 电控单元 4、ABS 警告灯 5、 后轮速度传感器 6、停车灯开关 7、制动主缸 8、比例分配阀 9、制动轮缸 10、 蓄电池 11、点火开关

3-2(b)系统原理结构框图 图 3-2 ABS 系统的组成 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

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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 3-3 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。

图 3-3 原理结构框图

3.2 80C196KC 最小系统
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 AID 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

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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,在开发阶段也有采 用通用 CPU 的,采用 CPU 在于可以利用 CPU 强大的软、硬件资源以及网络功能实 现复杂的控制算法、高效的编程手段以及高速的运算速度。但作为研制的最终产 品,无一例外都采用单片机作为电子控制单元的核心。 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已开发采用 32 位 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,应根据以下几个原则选择 ABS 控制的单片机。 (1)CPU 的运算速度 CPU 的时间一般消耗在数学运算过程中,特别是 32 位的浮点数计算,计算时 间成倍的增加,一般情况下应避免采用浮点数计算,因为 ABS 系统要求计算频率 非常高,一般 5 毫秒到 10 毫秒之间,CPU 要完成各种计算,例如加减速度、参考 滑移率等,这种计算都是实时完成的。 (2)内外部存贮器 同样的 CPU 类型其内、外部数据与程序存贮器也是多样的,所以电子控制单 元要根据需要选择不同的内、外部存贮器,同时编程时要提高内存利用率,多用 通用的变量,少定义专用的变量,以节省内存。目前 ABS 系统的程序容量一般在 8K-32K 之间,内存数据储存器在 256 个字节以上。进入 90 年代,已大批量使用带 有 ROM, EPROM, EEPROM, FLASH EEPROM 和一次写入 (OPT 型)的单片机。它真正符 合了单片机的小型、简单、可靠、廉价的设计初衷。 (3)输入、输出端口资源 输入输出端口要充分的利用,如果使用不足则浪费了资源,外部总线 8 位单 片机 u0 资源太少,无法用于 ass 系统,外部总线 16 位基本能满足 ABS 系统的要 求。 3. 2. 1 CPU 简介 本文中单片机选用了 MCS-%系列产品中的 80C196KCo 80C196 高性能 16 位单片 机是 Intel 公司继 80%之后推出的一系列高性能 CHMOS16 位单片机, 它特别适合要

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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 [[52, 53, 55] CHMOS 芯片耗电少,除正常工作外还可工作于 2 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-196 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。根据不同的应用场合,在单片机内部 “嵌入”了以 往被认为是 “外围设备”的各种电路,于是形成了各种不同型号的单片机。 8OC196KC 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 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。 高速输入 HSI 部件: HSI 有四个输入端 HSI.O-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,对 HSI_ STATUS 和 HSIJIME 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 字

HSI_ STATUS 寄存器表示 HSI.O,7HSI.3 的四个输入端的状态,每两位表示一 个输入端:

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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-IME 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。 而 ABS 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 HS 工.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。 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 INT_ 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工 INT_MASK 相应位的置位 和复位而开放或禁止中断。即某一位为则开放相应的中断源;为 0 则禁止相应的中 断源。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:

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一个中断请求能被响应,必须具备以下的条件:首先用 El 指令开放全部中断;中断 登 ia/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 指令将断点地址送回。 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,与普通的输出端口相比,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, HSOA 和 HSO.5 为双向引线, 分别与 HSI.2-HSI.3 复用,此两条引线可同时设置为 HIS 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 命令寄存器,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:

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该命令字节 D7 位为锁定事件;D6 位用以选择 HSO 事件触发的基准时钟源, 1 为 选择 T2,为 0 选择 Ti; D5 位用来设置事件触发时所选中通道 (0-7 通道)的电平 状态 (高或低电平),1 为高电平,0 为低电平;D4 位用来决定事件触发时是否产生 中断,为 1 则申请中断,为 0 不产生中断;D3 至 DO 位用来选择触发事件对应的通 道号。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,也应考虑硬件执行时间,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,每过 8 个状态周 期, 其记数值加 1, 每记数一次时间间隔为 (8M 晶振): ; 假 定中断时间为 T,那么中断时间初值

3.2.2 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

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作。时钟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。

图 3-4 时钟电路连线图

时钟状态周期为: T ? 2 ?

1 ?10?6 ? 0.125?S 16

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 3-5)所示为转速传感器在车轮上的安装位置。

图 3-5 转速传感器在车轮上的安装位置 (1)电磁式转速传感器结构

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传感头的结构如下图(图 3-6)所示,它由永磁体 2、极轴 5 和感应线圈 4 等 组成,极轴头部结构有凿式和柱式两种。

图 3-6

车轮转速传感器剖视图

1.电缆 2.永磁体 3.外壳 4.感应线圈 5.极轴 6.齿圈 齿圈 6 旋转时,齿顶和齿隙交替对向极轴。在齿圈旋转过程中,感应线圈内部 的磁通量交替变化从而产生感应电动势,此信号通过感应线圈末端的电缆 1 输入 ABS 的电控单元。当齿圈的转速发生变化时,感应电动势的频率也变化。ABS 电控 单元通过检测感应电动势的频率来检测车轮转速。 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。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,永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮,如图 3-7 所示。

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图 3-7 霍尔轮速传感器示意图 1、磁体 2、霍尔元件 3、齿圈 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。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 器不仅广泛应用于 ABS 轮速检测,也广泛应用于其控制系统的转速检测。 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: (1)随着轮速的变化,输出信号的幅值是不变的。 (2)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。 (3)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。 鉴于霍尔传感器的比较优点,本设计采用霍尔轮速传感器。

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3.3.1 霍尔传感器的设计 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,又稳压器、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。 本系统采用的是三通道四传感器布置形式,需要四个传感器。霍尔传感器的 组成:传感头,齿圈。传感头由永磁体霍尔元件和电子电路组成。 3.3.2 霍尔开关电路的选择 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,而 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一些,这样可以使体 积减小提 。高可靠性。本系统选用南京中旭电子公司生产的 CS3121 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、差分放大器、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 VCC4.5V~~30V; 工作温度范围宽-40~~125 摄氏度; 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。 经过霍尔元件中的信号变化过程:
霍尔元件 运算放大器 施密特触发器 输出级

本系统选择霍尔开关型传感器其结构原理图为:

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图 3-8 霍尔开关电路原理图 1 引脚接 5v 电源;2 引脚接地; 3 接输出 霍尔传感器在 ABS 系统中的接线图为:

图 3-9 霍尔传感器在 ABS 系统中的接线图 霍尔元件与永磁铁封装在一起,经过 TTL 电路缓冲可以直接传送到单片机的 高速输入端口。 车轮轮速传感器又齿圈和霍尔传感头两部分组成,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,应保证它们之间有适当的 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

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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。 3.3.3 传感器齿盘的设计 (1)齿盘齿数的确定: 根据传感器的测量范围,在设计与其配合的齿盘时应保证产生的轮速信号频 率在这个范围内,而这个频率是由车轮的轮速和齿盘齿数决定的。 ABS 控制转速为:5KM/H~~300KM/H 传感器采集数据频率:1HZ~~100KHZ 车速的计算公式: v ?
2? ? r f z

式中:r---------车轮的半径 z----------齿圈齿数 f----------频率 对于确定的系统, 计算齿数的范围:
2? ? f max 2? ? r ? f min ?z? vmax vmin

2? ? r 为确定的常数。 z

这样我们可以推出齿数的范围,还应考虑到:机械加工过程中,齿数的选择 最好能使机床分度方便,便于加工。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。本系统拟选定齿数为 100 个。 (2)齿高、齿宽的确定: 轮速传感器的齿高主要是由传感器产生的信号的强弱,即传感器的功率,以 及传感器灵敏度决定的。齿盘的齿宽和齿槽宽度直接影响到传感器输出信号的波 形,主要是影响脉冲信号的占空比,占空比过大或过小时,由于汽车行驶过程中, 车轮的振动等原因,有可能使传感器输出的信号漏掉脉冲,或一段时间内没有信

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号输出,使车轮的轮速计算产生误差,因此轮速传感器齿宽的确定十分重要。 在轮速传感器的齿盘的外直径和齿数确定以后,齿盘的齿顶宽和齿槽宽外圆 ? ?d 之和 d n 就可如下计算: d n ? z 再根据实际加工时可加工的齿槽宽度来确定齿宽 d p 和齿顶宽 d t 。

3.4 防抱死制动调压系统工作过程
制动压力调节装置 (简称液压调节器)主要由 8 个 2 位 2 通调压电磁阀、1 个 双联式电动液压柱塞泵、2 个储液室、2 个低压储能室、1 个电动液压泵和几个单 向阀等组成。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。液压调节阀通过管路与制动主缸和各制动轮缸相连。液压调节 器工作原理如图 3-10 所示。

图 3-10 液压调节器工作原理图 1、助力器 2、主缸 3、三位三通电磁阀 4、回液泵 5、限位阀 6、电动机 7、回液过滤器 8、油箱 9、制动器 (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

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调压电磁阀不通电。其中,4 个进液电磁阀处于流通状态,4 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可以 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,即平时汽车进行的常规制动。 (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。如图 3-11a

图 3-11a 建压过程 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。如图 3-11b

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图 3-11b 保压过程 减压过程 如果在保压阶段车轮仍有抱死倾向,则 ABS 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储能室,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,把低压储能室的制动液重新泵回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 (有抬升或反弹感),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。如图 3-11c

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图 3-11c 减压过程 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。如图 3-11a 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减小、保持和增大循环调节,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。

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3.5 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 50~100V,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。系统稳压电源如图 3-9.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 78XX 系列集成三端稳压器。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。图 3-12 中,C1 可以防止由于输入引线较长带来的电 感效应而产生的自激。C2 用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。

图 3-12 电源电路

3.6 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 HIS 高速通道采集,80c196kc 的四个 HIS 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) HIS 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) HIS 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) HIS 可通过它的 4 条输入线检测多种方式的状态变化。

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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

光电耦 合器

缓冲器 74LS06

单片机

图 3-13 轮速信号输入电路方框图 输入电路的连线图:

图 3-14 轮速信号输入电路图

3.7 电磁阀驱动电路的设计
CPU 输出的信号非常小,而 ass 的作动电流则为 1~2 安,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三位三通电磁阀,通过三位三通阀 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,需专用的三位三通阀,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要求。 本设计使用 P1 口输出高低电瓶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又 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

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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 P1.5 的输出状态 的控制:其逻辑关系表为: 表 车轮 左前轮 P1 口与电磁动作逻辑关系表 P1.0 0 1 0 x x x x x x P1.1 1 1 0 x x x x x x P1.2 x x x 0 1 0 x x x P1.3 x x x 1 1 0 x x x P1.4 x x x x x x 0 1 0 P1.5 x x x x x x 1 1 0 压力变 化 保压 增压 减压 保压 增压 减压 保压 增压 减压

右前轮

后轮

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。

图 3-15 电磁阀驱动电路 电磁阀驱动电路如图 3-15 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

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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 I FM 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 ? VCC ? (VF ? VCS ) IF

式中: VCC -----输入电压
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

I F ------为输入端正向工作电流,取 15mA

经计算 Ri 取 50Ω 光电耦合输出端负载电阻:
Rj ? VCC ? U CEN IF

式中: VCC ------电源电压+5V

U C E N 为 三极管饱和时集电极和发射级之间的压降,取 0.3V ----

I F -------15mA

经计算取 Rj=350Ω 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

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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

3.8 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。系统选用了用继电器来控制电动机的工作与停止状态。 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和接点工作 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 定工作电压为:12V(DC) ,线圈电阻为 400Ω ,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,其电路与图如图,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:30mA,7407 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~~10mA,经过晶体管的电流放大就可以满足电流驱动要求。

图 3-16 泵电机驱动电路 光电耦合器的输入输出电阻的计算同 3.6 章。 二极管 D1 的作用是保护晶体管 T,当继电器 J 吸合时,二极管 D1 截止,不影

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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。

3.9 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:

图 3-17 LED 报警灯驱动电路 74LS06 为输出反相驱动器,当 P1.6 为高电平时,74LS06 输出低电平,LED 发 光。当单片机的 P1.6 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
VD 为 LED 正向压降

其中 VCC 为电源电压

VCS 为 LED 驱动器的压降

I D 为 LED 的工作电流



VCC =5V VCS =0.3V

VD =2V

I D =10mA

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5 ? (2 ? 0.3) ? 270? 10 因此选择 300Ω 以使更有效的限流。



R?

3.10 EPROM 和 RAM 的扩展
80C196KC 本身不具备 EPROM 他必须外接程序和数据存储器才能工作。 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
W R / WRL :存储器写信号。 W R 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 W R 还是 WRL 由结构寄存器 CCR 决定。 存储器芯片的标准主要应从存储器类型、容量、速度、价格的高低、功耗的 大小以及对电源的要求等几个方面进行考虑,总的原则是在满足技术指标的条件 下,尽量选用价格低廉、功耗小、电源种类少 ,使用方便的芯片。 一般情况下,一个实际应用系统中大都包括 RAM 和 ROM,ROM 用于存放用户已 调试好的固定应用程序或表格、常数,而 RAM 用于存放需要调试的临时程序、现 场采集的各种信息及处理的中间结果或待输出的最后结果。 本系统须同时扩展 ROM 和 RAM 来存储程序和数据, 选择存储器容量需根据系统的需要来决定,即由程序量的大小及数据的多少 给以确定,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 的程序存储器和 8K 的数据存储器。 存储器速度是指存储器从受到有效地址到输出引脚上出现有效数据的时间间 隔,这一时间间隔又称为存储器的存取时间。速度是选择存储器的重要指标之一。 虽然一般情况下单片机可与任何速度的存储器匹配工作,但对速度慢的芯片需要 插入等待时间 TW,这样就浪费了大量的主机时间,影响了 CPU 的工作速度。在实 际中应尽量选用能与单片机工作速度匹配的存储器芯片,单片机与存储器芯片的

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速度匹配问题实际上是 CPU 与存储器的时序配合问题。 2764EPROM 芯片是容量为 8Kx8 的 EPROM 芯片,紫外线擦除,电编程,采用双 列直插式封装, 28 只引脚。 共 地址线为 A0~~A12,工作电压为+5v, 编程电压为+21v, 最大工作电流为 100mA,标准读出时间为 250ns,也有为 200nns 的 ,2764 引脚图 如图所示。引脚中的 PGM 为编程信号线,当 CE 和 PGM 均为 TTL 低电平时,芯片处 于编程模式。 80C196KC 单片机的 P3,P4 口向片外 EPROM(2764)RAM(6264)提供地址总线,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(A12~~A0)其中,A7~~A0 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。 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, 还可以随时写入数据, 2764 和 6264 的存储空间地址分配: 表 存储器地址分配表:
A 15 0 A 14 0 A 13 1 A 12 0 A 11 0 A 10 0 A 9 0 A 8 0 A 7 0 A 6 0 A A A A A A 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 地址位 EPROM 地 址 低 限 EPROM 地 址 高 限 RAM 地 址低限 RAM 地 址高限

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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,当 A14=1 时,向 6264 提供片选信号,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。

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3.11 故障诊断硬件电路设计
随着汽车控制电子化的发展,一方面,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:另一方面,电 子控制系统的安全容错处理,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。 当今的计算机控制系统非常复杂。为了诊断这些系统而使用计算机控制。以 前的方法将耗费无尽的时间。为此,大多数 ABS 的计算机控制都有自诊断能力。 进入一种自测模式,计算机能够评定本身及整个 ABS 电控系统运行。 故障诊断功能就是利用 ECU 监视轮速传感器、 和电磁阀各组成部分的工作 ECU 情况,发现故障后自动启动故障运行程序,不仅可以保证制动装置在有故障的情 况下可以继续行驶,而且还可以向驾驶员和维修人员提供故障情况。 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 为这一部分出现故障。 把这一故障以代码的形式 (此代码为设计时已经约定好 ECU 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, 电路易于传感器短路故障测量。

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图 3-18 传感器故障检测 由电路图 3-18 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:
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 U ? 3.3 ?

此电压值即判断传感器有短路故障。取 0.9 Vcc (2.97V)电压值作为传感器线圈断 路基准值(完全断路 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 CPU 如果发生故障,控制程序就不可能正常运行,CPU 处于异常工作状态。 对于 CPU 内部的程序跑飞这一可能故障,采用内部 WATCH DOG 对程序进行监测, 一旦程序跑飞,在 WATCH DOG 定时时间到后,CPU 就会重新启动,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=O(禁止中断),则 CPU 将不响应这类中断。而非屏蔽中断是不受工 F 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在下述几个方面。 (1) 数据采集误差加大 干扰侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道,叠加在有用信号之上,会 使数据采集误差加大。 (2) 控制状态失灵

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一般单片机输出的控制信号较大,不易受到外界的干扰,单片机输出的控制 信号依据某些条件的状态输入信号和这些信号的逻辑处理结果。若这些输入的状 态信号受到千扰,引入虚假状态信号,将导致输出控制误差加大,甚至控制失常。 在防抱死制动控制盒中,假如踏板开关检测电路受到千扰,使单片机出现误判断, 可能会刹不了车。 (3) 数据受干扰发生变化 在单片机系统中,由于 RAM 存储器是可读可写的,因此在干扰的侵害下,RAM 中的数据有可能篡改,程序、常数存于程序存储器 EPROM 中,避免了这些数据受 干扰破坏。但是,对于内 RAM,外扩 RAM 中的数据都有可能受到外界干扰而破坏。 例如单片机的复位端 (/RESET)没有特殊抗干扰措施时,干扰侵入该端口,虽然不 易造成系统复位,但会使单片机内特殊功能寄存器状态改变,导致系统工作不正 常。 (4) 程序运行失常 程序计数器 PC 的正常工作,是系统维持程序正常运行的关键所在。若外界干 扰导致 PC 值的改变,则会破坏程序正常运行。由于受干扰后的 PC 值是随机的, 因而导致程序混乱。通常的情况是程序执行一系列毫无意义的指令,最后进入死 循环,这将使输出严重混乱或系统失灵。 从电磁场的观点看, 汽车防抱死制动控制盒所处的环境是个比较复杂的电磁空 间。有来自汽车内部各种电子设备发出的电磁波,也有来自外部空间的电磁辐射。 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,俗称抗电磁千扰或抗干扰)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。电磁兼容性又称电磁相容性。 单片机系统常用的抗电磁千扰的硬件措施有滤波技术、去祸电容、屏蔽和隔离 技术、接地技术等。 (1)滤波技术 滤波器主要采用的是 RC 滤波器,在信号采集电路中采用了 RC 高通滤波器。 (2)去祸电容 数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流, 并在传输线和供电电源 内阻上产生较大的压降,形成严重的千扰。为了抑制这种干扰,在电路中适当配 置去祸电容。在防抱死制动控制盒硬件中,在印制电路板的各个集成电路中配置 了 0.1μ ? 的去耦电容。去祸电容一方面提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充 放电能量,另一方面旁路掉该器件的高频噪声。 (3)屏蔽和隔离技术 屏蔽技术可以抑制外部电磁干扰的作用。屏蔽是用屏蔽体把通过空间进行电 场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来,割断其空间场的耦合通道。良好的屏蔽

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是和接地紧密相连的,因而可以大大降低噪声耦合,取得较好的抗干扰效果。屏 蔽的方法通常是用低电阻材料做成屏蔽体,把需要隔离的部分包围起来。在本系 统中采用了铝盒将内部电路板屏蔽起来,对外只留有两个插座。铝盒盒盖用铣床 铣出槽,并且盒盖和盒体之间、盒体和插座之间使用了导电橡胶,以提高盒体的 密封性。 双绞线有抵消电磁感应干扰的作用,但两线间的分布电容较大,因而对静电干 扰几乎没有抵抗能力。屏蔽线对静电干扰有强的抑制作用,但对电磁感应干扰抑 制能力不及双绞线,尤其在低频情况下,几乎没有屏蔽效果。控制盒与汽车之间 采用屏蔽双绞线连接,这种双绞线综合了双绞线和屏蔽线两者的优点,是较理想 的信号线。 信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来, 使单片机 与现场仅保持信号联系,但不直接发生电的联系。隔离的实质使把引进的干扰通 道切断,从而达到隔离现场干扰的目的。常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔 离、继电器隔离等。控制盒中采用的是光电隔离方式,使用的光耦器件是 TLP521 (4)接地技术 接地技术是抑制噪声的重要手段, 良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部 噪声祸合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。反之,若接地处理得 不好,反而会导致噪声祸合,形成严重干扰。在防抱死制动控制盒研制的前期, 正是由于接地没有处理好,导致了电磁兼容试验始终难以通过。经过改进后,顺 利通过了试验。因此,在抗干扰设计中,对接地方式应予认真考虑。 电气设备中的“地”,通常有两种含义:一种是“大地”,另一种是“工作基 准地”。所谓“大地”,是指电气设备的金属外壳、线路等通过接地线与地球大 地相连接。这种接地可以保证设备和人身安全,提供静电屏蔽通路,降低电磁感 应噪声.而 “工作基准地”是指信号回路的基准导体 (如控制电源的零电位),又 称 “系统地”,这时的所谓接地是指将各单元、装置内部各部分电路信号返回线 与基准导体之间的连接。这种接地的目的是为各部分提供稳定的基准电位。对这 种接地的要求是尽量减小接地回路中的公共阻抗压降,以减小系统中的干扰信号 公共阻抗祸合。 接地的目的有三个:其一是为各电路的工作提供基准电位:其二是为了安全;其 三是为了抑制干扰。 控制盒采用电容接地--屏蔽接地方案。经过电容器将工作地与大地相连。接地 电容主要是为高频干扰分量提供对地通道,抑制分布电容的影响;但电容对低频仍 是开路。选用的电容是 0.1μ ? 的瓷介电容。盒体与汽车+24V 供电电源的零电位相 连,可充分抑制静电磁感应的干扰。接地点采用的并联一点接地。分析如下: 任何导体都有阻抗,当其中流过电流时,导体中便会出现电压梯度。对于两个 分开的接地点,电流越大,两点间的电位差也就越大。此外,这种电位差还与电

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流频率有关,当在高频时由于导线上的分布电感的加大,电位差也就越大。

图 3-19 串联一点接地方式

图 3-20 并联一点接地方式

串联一点接地如图 3-19 所示, 其中 A, B, C 各点的电位为
VA ? ( I1 ? I 2? I ) R 3 VB ? VA ( I 2 ? I 3 ) R2 VC ? VA ? VB ? I 3 R3
1

, ,

,分别表示各地线段的等效电阻,

显然,串联一点接地方式会导致各接地点电位不同,而且还要受其它电路工 作电流的影响。 图 3-20 是并联一点接地方式,各电路的电位仅与本电路的地电流和地电阻有 关。
VA ? I1 R1
VB ? I 2 R2 VC ? I 3 R3

这种接地方式避免了各个工作电路的地电流祸合,减少相互干扰。因此,在低 频电路中采用这种接地方式较为适合。 (5)提高总线的抗电磁干扰能力 当总线处于高阻状态即悬空状态时,比较容易接受外界的电磁干扰。当系统受 到外界干扰而引起程序乱飞,当乱飞空间超出系统程序存储器的地址空间时,程

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序存储器全部关断,致使数据总线处于高阻状态。外界的电磁干扰信号很容易通 过数据总线进入 CPU,引入虚假的程序指令,对程序运行造成更加严重的破坏。 因此在系统中,对数据总线和其它输入口配上了上拉电阻,使总线具有稳定的高 电平,同时有助于抑制静电干扰和削弱反射波干扰。 (6)印刷电路板抗干扰技术 印刷电路板的布局和布线对系统的抗千扰性是至关重要的。 采用以下方式来提 高抗干扰性能。 A. 印制板上的器件应按电路工作顺序排列,减小各级之间的电磁祸合,力 求器件安排紧凑、密集,以缩短引线; B. 数字电路和模拟电路分开布局。 C. PCB 板布线时,信号线和功率线分开布线,不能太近,尽量减小信号线 间的平行部分。

3.13 车轮制动器的选择
汽车用车轮制动器分为鼓式和盘式两种。它们的区别在于前者的摩擦副中的 旋转元件为制动鼓,其圆柱面为工作面;后者的摩擦副中的旋转元件为圆盘状制 动盘,其端面为工作表面。本系统选择盘式制动器,所以仅对盘式进行纤细介绍。 钳盘式车轮制动器 钳盘式车轮制动器广泛地应用在轿车和轻型货车上。它 的优点是散热良好,热衰退小,热稳定性好,最适于对制动性能要求高的轿车前 轮制动器。本系统前后轮均采用钳盘式制动器。 钳盘式车轮制动器分固定式制动钳制动器与浮动式制动钳制动器,本 系统选用浮动式制动钳制动器,图 3-21 为浮动式制动器的示意图。它的特点是制 动钳体在轴向处于浮动状态,轮缸布置在制动钳的内侧,且数目只有固定式的一 半,为单向轮缸。制动时利用内摩擦片的反作用力推动制动钳体移动,使外侧的 摩擦片也继而压紧制动盘,以产生制动力。它的外侧无液压件,不会产生气阻, 且占据的空间也小,还可以利用内侧活塞附装驻车制动机构。但是,其内外摩擦 片的磨损速度不一致,内片磨损快于外片。 根据浮动式制动钳在其支架上滑动支乘面的形式,又可分为滑销式和滑面式 两种。因滑销式制动钳易实现密封润滑,蹄盘间隙的回位能力稳定,故本系统采 用滑销式。

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图 3-21 浮动式制动钳示意图 1、摩擦块 2、密封圈 3、钳体 4、活塞 5、滑销 6、支架 7、制动盘

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4 防抱死制动系统软件设计
汽车防抱死制动系统具有其自身的特点,除汽车本身环境差要求系统抗干扰 能力及可靠性高以外,一个重要的特点是控制过程要求快速,大部分系统的循环 都要求毫秒量级,这样对控制算法有很大的限制,复杂的算法将无法实现。或实 用系统的硬件成本太高,而太简单的算法不能满足控制质量要求。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。 控制系统中的被控制对象是汽车的制动 ABS 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 Bosch 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。 用于 ABS 控制系统的 PID 控制方法并不是通过建立被控对象的数学 模型来进行控制的,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。而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

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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。 根据现代控制理论对汽车电子防抱制动的控制, 可以提出多种先进的优化控制 方案,如“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 (如多卜勒雷达等)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。

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、减速度门限控制,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 d w / d t 的时刻,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辆制动 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

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值通过试验确定.不同车型,不同的 ABS 一般不具有通用性。 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下表所示: 表 4-1 边界条件

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:
Fb ? ?? 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

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得到的最简单的 ABS 逻辑:

? ? ?? p g / r ---------------------------------------------------(4——2)
从这一个最原始的控制逻辑出发,并考虑了对 ? p 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。 滑移率对峰值附着系数的影响: 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关系式:

?p ?
?p ?

?
S

ST
ST ? ?g

S ? ST ------------------(4——3) S ? ST ---------------(4——4)

? ? ?g
1? S

上式中 ST ——最佳滑移率;
S ——车轮滑移率;

? ——附着系数
? ——滑移率为 1 时的附着系数

? p ——峰值附着系数
车轮速度对峰值附着系数的影响: 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 ? 0.005r? ------------------------------------- (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即: 同时实际制动时如果减速度门限值取的比较的小。在实际中由于路面不均匀, 传感器误差等其他噪音,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,值如与减速度门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。

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4.2.2 门限加速度的求取 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---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、PACEJKA 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 PACEJKA 魔术轮胎模型较好的解决了轮胎---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---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,然后计算参考滑以 率,给定两个门限值 S1,S2(S1<S2),在不同的路面上防抱死训话特征是不同,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。

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速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 vref 0 , 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:

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vref ? vref 0 ? j ? t ------------------------------------------------(4——6)

轮速采集的计算:高速输入通道 HIS 的设定:80C196KC 是 16 位高性能的单片 机,它有四个高速输入口 HIS0~~HIS3,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、 选通逻辑、 分频记数器、 HIS 8 输入跳变检测器、 FIF0 中断和控制逻辑、FIF0 寄存器、HIS 时间寄存器、HIS 方式寄存器以及 HIS 状态寄 存器组成。 与高速输入通道有关的专用寄存器有:HIS_STATUS、HIS_TIME 和 HIS_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 HIS 中包含的 FIF0 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。 HIS_MODE 寄存器的口地址为:03H 每两位选定一条 HIS 输入引脚的工作方式。 表 4--2 HIS 通道的四种工作方式: 状态字 00000000 01010101 10101010 11111111 工作方式 0 1 2 3 具体形式 每 8 此正跳变触发一次 事件 每次正跳变触发一次事 件 每次负跳变触发一次事 件 每次跳变触发一次事件

HIS_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 HIS 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) 。 HIS_TIME 以定时器 TI 为事件基准地址 04H, HIS_TIME 存放事件发生时定时器 TI 的当前值。 HIS 不见的中断功能: HIS 中断有关的中断源有 4 个本系统对轮速信号处理 与 采用 FIF0 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 FIF0 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 HIS 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 HIS 引脚采样一次,所以要求输入高低电平 持续事件不小于以个状态周期,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:

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V?

2? r ? f ---------------------------------------------------(4——7) z

取 r=0.3m,z=100,车轮的控制范围为:5Km/h~~300Km/h

则信号频率范围为:
f ? v? z 2? r 300 ?100 ? 4423Hz 2 ? 3.14 ? 0.3 ? 3.6 5 ?100 ? ? 73.7 Hz 2 ? 3.14 ? 0.3 ? 3.6

f max ? f min

信号周期范围为:
Tmax ? 13.5ms Tmin ? 225.6 ? s

则每个脉冲信号的高低电平持续的最短事件是 113 ? s . 系统采用 16MHz 晶振频率,由于每 8 个状态周期记数一次,所以系统每 1 ? s 对 HIS 引脚采样一次。113 ? s 》1 ? s 。所以能够满足系统的对脉冲宽度的要求。 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;对于轮速高频测量,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。 多倍周期法就是把输入信号按固定的分频数进行分频。使被测周期得到倍乘, 计算轮速脉冲频率 f:
f ? m1 m ? 1 ------------------------------------------------------(4——8) T1 N 2? 0

式中

----周期倍乘数; ---- 一个周期累计时标脉冲个数;

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— 时标信号周期。 精度自适应法是以多倍周期法为基础,并结合 ABS 控制的轮速计算精度和控 制实时性的要求设计完成的。此法和多倍周期法的区别在于,后者的轮速脉冲倍 乘数 为固定值,造成了低速计算实时性差的缺点,而精度自适应法则克服了这

一缺点,在保证高速、低速计算精度的同时,很好地保证了低速控制实时性。 为 了充分利用多倍周期法的优点,克服它的缺点,可以在程序中实时调整分频因子 :在低频时 分频数 取较小值, 以提高实时性:在高频时 取较大值, 提高测量精度。

的确定需要考虑两个边界条件,其一是最大控制周期,其二是精度要求

的限制条件。这种方法在实时性方面和测量精度方面都能兼顾。当输入信号低于 最大控制周期时,输入信号的采集则使用中断的方式进行。 首先,为了保证控制的实时性,假设最大的控制周期为 ,由时间限制条件可 以确定 的上限值为:
m1 ? TS -------------------------------------------------(4——9) t1

式中

--------- 实际频率信号的周期

其次,根据精度要求的限制条件,可求出 的下限值。
f ? m1 -------------------------------------------------(4——10) N? 0

d f / f ? dN / N ?

dN m1 ?

?0

t1

??

?0
m ? t1

-----------------------------(4——11)

式 (4-4)为误差计算公式。 若精度要求为 a%,即
df f ? ? a % ------------------------------------------------(4——12)

m1 ?

100? 0 -----------------------------------------------(4——13) at1

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综合式(4-2)和式(4-6),即可确定 值
TS ? ? m1 ? t ? 1 ------------------------------------------(4——14) ? ? m ? 100? 0 ? 1 at1 ?

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 值 到 的下限值,再的试算脉冲。得由控制周期 计算出 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, 越大;轮速越低, 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。

4.3 控制过程
对于该逻辑门限值控制方式,其控制过程如下: (1) 高附着系数路面的制动控制过程 如图 4-1 所示,在制动的初始阶段随着制动压力的上升,车轮速度 v,下降, 车轮的减速度增大。当车轮减速度达到门限值-a 时 (第 1 阶段末),计算得到的滑 移率未达到门限值 s,。因此,控制系统使制动压力进入保持阶段 (第 2 阶段),以 使车轮充分制动。当滑移率大于门限值 s、时,则进入制动压力减小阶段(第 3 阶 段))o 随着制动压力的减小,车轮在惯性力的作用下开始加速,当车轮的减速度减 小至门限值-a 时,又进入制动压力保持阶段 (第 4 阶段)。此阶段由于汽车惯性的 作用,车轮仍在加速,车轮加速度达到加速门限值+a 值时,仍然保持制动压力, 直到车轮加速度超过第二门限值+a (+a 为适应附着系数突然增大设)。这是,制动 压力再次增大(第 5 阶段),以适应附着系数的增大。随着制动压力的增大,车轮 加速度下降,当车轮加速度又低于+a 时,进入制动压力保持阶段 (第 6 阶段), 直到车轮加速度又回落至+a 以下。这时的制动压力稍有不足,对制动压力的控制 为增压、保持的快速转换 (第 7 阶段,制动压力有较小的阶梯升高率),以使车轮 滑移率在理想滑移率上下波动。当车轮减速度再次超过-a 时,又开始进入制动压 力减小阶段 (第 8 阶段),此时制动压力降低不再考虑参考滑移率门限值,进入下 一个控制循环过程。

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图 4-1 高附着系数路面的防抱死控制过程 (2) 低附着系数路面的制动控制过程汽车在低附着系数路面行驶制动时,在较 低压力时就可能使车轮抱死,且需要较长的时间加速度才能走出高滑移率区。因 此低附着系数路面的防抱死控制与高附着系数路面不同。其控制过程如图 4-2 所 示。低附着系数路面防抱死控制的第 1 与第 2 阶段与高附着系数路面控制过程的 第 2 和第 3 阶段相似。当进入制动压力保持阶段(第 3 阶段)后,由于附着系数小, 车轮的加速很慢,在设定的制动压力保持时限内车轮加速度未能达到门限值+a, ECU 由此判定车轮此时处于低附着路面,并以较小的减压率使制动压力降低,直到 车轮加速度超过+a。此后,系统又进入制动压力保持阶段 (第 4 阶段)。当车轮加 速度又低于+a 时,系统以较低的阶梯升压率增大制动压力 (第 5 阶段),直到车轮 减速度又低于门限值-a,进入下一个防抱死控制循环。由于在第一个循坏中车轮 处于较大滑移率的时间较长,ECU 根据此状态信息,在下一个循环中,采用持续减 压的方式使车轮加速度升至+a(第 6 阶段)。这样可以缩短车轮在高滑移率的时间, 使车辆的操纵性和稳定性得到提高。

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图 4-2 低附着系数路面的防抱死控制过程 (3)制动中路况突变的防抱死控制过程在制动过程中会有从高附着系数路面进入 低附着系数路面的清况,比如在沥青或水泥路面制动中驶入结冰路面。这种由高 附着系数路面突变到低附着系数路面的防抱死控制过程如图 4-3 所示。设在上一 个防抱死控制循环结束,下一个循环刚刚开始时, 车轮突然从高附着系数路面进 入低附着系数路面,由于这时制动压力调节器还保持在与高附着系数路面相适应 的较高压力,就会出现车轮的参考滑移率超过门限值 S2 的可能。因此,在车轮的 角减速度从低于-a。到高于+a 变化过程中,还需要对车轮的参考滑移率是否超过 S2 进行判断。如果参考滑移率超过 S2,说明车轮处于滑移率过大状态,系统将不 进行制动压力保持,继续减小制动压力,直至车轮的加速度高于门限值+a(第 3 阶 段)。此后,系统再进入制动压力保持阶段(第 4 阶段),直到车轮的加速度又低于 门限值+a。然后再以较低的阶梯升压率增大制动压力(第 5 阶段),直到车轮的角减 速度再次低于门限值-a,进入下一个防抱死控制循环。 在低附着系数路面,车速低于 20km/h 的情况下,由于车轮角减速度较小,这 时应以滑移率门限作为主要控制门限,而以车轮的角减速度和角加速度作为辅助 控制门限。

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图 4-3 路面附着系数由高向低突变的防抱死控制过程

4.4 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 FIF0 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 2 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——7)计算出车轮速度,从速度寄存器中读出 前一次的速度值,用公式:
a? v2 ? v1 ---------------------------------------------------------(4——15) Td

来计算车轮的加速度,更新轮速寄存器存入车加速度。

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计算车身的参考速度: vref ? vref 0 ? j ? Td --------------------------------------------(4——16) 计算车身滑移率:
s? verf ? v verf

-------------------------------------------------(4——17)

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,循环知道制动结束。总的控制 流程见附录。

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5 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, 就是为提高汽车的制动安全性能而诞生 ABS 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的问 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

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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,TCS 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。目前制动防抱死技术的发展趋势如下.

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① 减小体积和质量,提高集成度以降低成本和销售价格,并简化安装。 ② 开发一种可以使两种系统适应多种车型的回流泵系统。 ③ 改进电磁阀的磁路设计和结构设计,提高电磁阀的响应速度。 ④ABS 的电控单元 (ECU)普遍采用 16 位 CPU 芯片,12kB 以上的 ROM,12MHz 以 上的主频。软件则重视改进算法,提高运算速度。 ⑤ 逐步推广应用 ABS+TC (ASR)相结合的系统。目前已经生产出 ABS 和驱动控 制系统 (ABR)一体化的组合装置,如一种基于 ABS 的驱动滑转率调节装置。 ⑥ 采用计算机进行 ABS 与汽车的匹配、标定技术,同时加强道路试验,提高 在各种不同路面上的适应能力。 ⑦ ABS 与电子主动控制悬架或半主动控制悬架、电控四轮转向、电控自动变速 器、主动制动器等相结合的组合装置,是未来 ABS 研究的方向。 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 统反应更灵敏、成本更低、安装更方便。今后的 ABS,一是技术性能提高,使其更 加完善;二是进一步简化系统,使之小型轻量化。这两项将是汽车 ABS 今后的发展 方向。可以预计 21 世纪汽车的发展将是电子控制的时代,汽车在电子系统控制下 将变得更加清洁、安全与舒适。

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参考文献
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京理工大学出版社,1997 [16] 李岩等,汽车 ABS 和安全气囊面临的挑战和对策,世界汽车,1998 [17] 李岩, 信号采集与处理的试验研究与分析, ABs 北京理工大学学位论文, 1999 [18] 余志生主编,汽车理论,机械工业出版社,1989 [19] 潘旭峰等编著,现代汽车电子技术,北京理工大学出版社,1998 [20] (日)ABS 株式会社,汽车制动防抱装置 (ABS)构造与原理, 李朝禄、刘荣华译,机械工业出版社,1995 [21] 程军. 汽车防抱死制动系统的理论与实践[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 1999. [22] 余志生. 汽车理论[M ]. 北京:机械工业出版社, 2000: 82~85. [23] 肖永清,杨思敏. 汽车制动系统的使用与维修[M ]. 北京:中国电力出版 社, 2003: 110~111. [24] 郑利苗. 轿车 ABS 和 TC[M ]. 广州:广东科技出版社, 1999: 27~28.

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英文翻译:
英文: ABS is in the present world the universal recognition enhances one of automobile secure effective actions, may enhance the automobile to apply the brake in the process operation stability and reduces the stopping distance. Automobile examination profession in recent years along with automobile manufacture technology and examination technology progress, also unceasingly grows strong, is playing the extremely vital role in the automobile movement control section dynamic surveillance automobile technology condition aspect. Specially along with our country highway construction and the path shipping industry rapid development, the road traffic security problem more and more is also prominent, the request further takes and strengthens the motor vehicle security technology condition examination to become the maintenance society stability an important topic. This article involves the ABS performance examination, is divided software and the hardware two parts, complements one another completes the examination together. Equipped the ABS automobile to carry on applies the brake the effect, the ABS performance appraisal and the analysis. Computer based on Visual Basic translation development corresponding application procedure. The examination equipment sensor installs in has ABS in the experimental automobile automobile and debugs, completes goes each kind of information gathering to the vehicles. Software completes the data the collection and processing through the man-machine dialogue, realizes to this ABS performance examination and the appraisal. With increase of public interest in vehicle performance of safety, emission and ride comfort, vehicle electronic control systems have been developed in generations for the purpose of enhancing overall dynamic behaviors by almost all automakers and parts suppliers for decades. The development of anti-lock braking system (ABS), for improving vehicle braking and handling performance, involves mechanism electronics, hydraulics, hardware and software design and field test validation, and also requires repeated field tests on various road conditions, which are not easily available. In the very beginning of product development for vehicle ABS, a huge amount of vehicle field tests are required to investigate the control laws by a great number of repeated modifications. Moreover, even in most repeatable test environments, the road conditions for field tests cannot be controlled exactly to be identical. This inevitably leads to increase of both development cost and cycle time for ABS product. Because of fierce competition in today's business environment automotive industries suffer constantly increasing pressure of reduction in the development cost and time of new vehicle electronic products to meet the demands of market and urgent effective approaches to innovation of sophisticated vehicle electronic products. In this paper, a new rapid development method is proposed to develop and test ABS control system efficiently in laboratory environment, which covers the whole process of

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concept and function design, system modeling, off-line simulation, code automatic generation, real-time hardware-in-the-loop (HiL) simulation and final vehicle test validation. This economical ABS rapid development system characterized by a parallel rather than a serial development process is built up with friendly interface for implementation of the present development procedure. The rapid development system is based on HiL simulation technology, and function of sensors and actuators of the control system are replaced by software to simulate a field test environment in a controllable situation. Therefore, consistently reproducible test conditions are provided and critical safety issues may be solved in the stage of electronic product development prior to in-vehicle tests. The present rapid development system is successfully employed in the ABS control system development and the developed control algorithm has been validated in the vehicle filed test. According to the test measures, the control precise is close to that of the original one. It is proved that the method and the rapid development system are effective and efficient in the laboratory for reduction of expenses in field tests and development cycle. By considering a given precision requirement of real-time simulation, a vehicle system dynamic model for ABS should be presented as one important part of the ABS rapid development system, which has strong effect on the efficiency and effectiveness of the controller to be developed. The vehicle system dynamic model consists of vehicle model, neuro-tire model, brake model and hydraulic system model. The scheme for tests to build up and validate the subsystem model has been drawn up. Further, validation of the vehicle dynamic system model integrated by the sub-system model is made for the future research and the vehicle field test without the ABS has also been performed for verification of the precision of the built-up model under three conditions of pure braking, pure steering and braking while steering, respectively. By experimental results, it is shown that the vehicle system dynamic model for the ABS is correct and accurate, and can be used in the rapid development system. The design of the rapid development system and the way to realize its functions in the real-time simulation environment are presented. Under the direction of the proposed scheme, details of construction process of the ABS rapid development system including the software part, hardware part and interface part are discussed with consideration of its functions extended. The whole procedure of rapid development for ABS, i.e., off-line simulation, generic real-time simulation, real-time hardware-in-the-loop simulation and the validation of the vehicle field test, based on this powerful development system, is further investigated by the ABS rapid development system. Use is made of the present method and the ABS rapid development system for research and development of the ABS controller systematically. The practical algorithm for the ABS control variables is presented, and based on the previous research achievements, the ABS controller is designed and embedded seamlessly in the rapid development system. The development procedure has been carried on according to the

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proposed method, and the developed ABS controller is then applied in the vehicle field test for validation and further modification. The effectiveness of refined ABS control logic is proved to match the original product by results obtained in the vehicle field tests by the two controllers mentioned above. Furthermore, the most advanced vehicle control system, i.e., vehicle stability control system is studied by using the extended ABS rapid development system. By the direct yaw moment control by regulation of braking forces, the vehicle dynamic stability may be improved. The controller makes the vehicle follow the desired dynamic model by feed forward regulation of side slip angle and the state feedback of both the yaw rate and side slip angle. By taking the J-turn and single lane change at the vehicle high speed, for example, the control law has been implemented by the extended ABS rapid development system. By the HiL real-time simulation results it is shown that the present control law is quite effective and robust in keeping the vehicle to follow the desired trajectories quickly and exactly even some parameters changing in the system, such as steering angle input, road friction and vehicle speed. It is demonstrated by theoretical and experimental results that the ABS rapid development system is an extended powerful tool for the development of vehicle electronic controllers. The real-time hardware-in-the-loop simulation technology is becoming increasingly important as a tool for the development of high level and quality vehicle electronic controllers with a lot of complexities and sophistication. In this paper, a rapid and economical development method for the vehicle ABS control system is presented and the development procedure of the vehicle ABS leads to faster development and more efficient parameter adjustment in comparison with the in-vehicle development in the sense of development period and cost. The self-developed control algorithm is testified through vehicle field tests, which is significant and satisfactory vehicle braking performance is observed. Successful application of both the rapid development procedure and the rapid development system established for the ABS control system development has shown that the present research supplies an efficient way to develop vehicle electronic system for local automotive industries.

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中文: ABS 是目前世界上普遍公认的提高汽车安全性的有效措施之一, 可以提高汽车 制动过程中的操纵稳定性和缩短制动距离。汽车检测行业在近年来随着汽车制造 技术和检测技术的进步,也不断发展壮大,在汽车运行管理部门动态监督汽车技 术状况方面发挥着极其重要的作用。特别是随着我国公路建设和道路运输业的飞 速发展,道路交通安全问题也越来越突出,要求进一步重视和加强机动车辆安全 技术状况检测已成为维护社会安定的一个重要课题。 本文涉及的 ABS 性能的检测,分软件和硬件两个部分,相辅相成共同完成检 测。对一台装备了 ABS 的汽车进行制动效果,ABS 性能的评价和分析。计算机基于 Visual Basic 编译开发相应的应用程序。检测装备传感器安装在一台具有 ABS 的 实验汽车汽车里并调试,完成对车辆行驶各种信息的采集。软件完成数据的收集 和处理通过人机对话,实现对该 ABS 性能的检测和评价。 随着高等级公路的不断增加,车辆平均行驶速度有了显著提高。一方面车辆 技术向高速性趋势发展,但另一方面汽车保有量的迅速增加导致了行车密度的加 大。因此,人们对汽车行驶安全性提出越来越高的要求。作为主动安全系统代表 车防抱死制动系统(ABS 是在这种背景提出和发展起来的。这种先进的汽的气塾吻 声盼”动系缤协矍卿是在这种背景提出和发展起来的。这种汽车电子控制制动可 以提高车辆制动过程中的操纵稳定性和制动强度,改善车辆高速行驶的安全性, 减少交通事故的发生。车辆 ABS 电子控制系统的开发,涉及到机械、电子、液压 技术、计算机软硬件开发,以及试验技术等方面。在 ABS 开发的初期,由于受计 算机技术发展的限制,一般靠大量道路试验来摸索控制规律,耗费大量人力、物 力和财力,开发周期比较长。在市场激烈竞争和资金周转困难的情况下系统开发 手段已经不能适应汽车工业,特别是汽车电子工业高速发展的需要。) 针对国内汽车工业发展现状,本文系统提出了一种高质量、低成本、高效率 的车辆电子控制系统快速开发方法,并建立了相应的快速开发系统。该开发系统 可以最大限度的模拟实际车辆在各种工况下的运行状态,在实验室条件下实现对 ABS 控制系统的快速开发。整个开发过程包括控制系统概念设计,系统建模, 系 统离线仿真,代码自动生成,硬件在环实时仿真以及最终产品试验。由于开发平 台是统一的,各个开发阶段之间紧密相连,实现交互式的并行交流,大大克服了 多余的中间环节,节约了时间和成本。 实时仿真需要反映问题本质的 ABS 动力学系统模型, 它是车辆 ABS'决速开发 系统中的最重要的组成部分,直接关系到控制器的开发效率和精度。ABS 动力学系 统模型主要包括整车模型,轮胎神经网络模型,液压系统模型以及制动器模型。 对轮胎神经网络模型的深入研究,为获得轮胎神经网络模型学习样本的实车试验 方案做出了贡献,并进行了相应的试验。为了从纵向、横向和联合工况的动态特 性三个方面来验证 ABS 动力学模型的正确性和准确性,利用试验样车进行了三种 工况下的道路试验,即车辆直线制动试验,纯转向试验和制动转向试验。所有试

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验结果都表明,文中建立的 ABS 动力学系统模型理论上是正确的,基本满足仿真 精度要求及后继研究工作需要。 基于混合仿真技术,本文进行了车辆 ABS 快速开发系统的总体方案和功能设 计,并论述了实时仿真环境的实现方法。以总体方案设计为指导,以 ABS 快速开 发系统功能设计为目标,从软件、硬件和接口三个方面详细论述了车辆 ABS 快速 开发系统的设计和构造。在车辆系统理论建模的基础上,编制了车辆 ABS 系统仿 真模型;同时根据硬件配置的需要, 进行了接口设备、 驱动电路和电气系统的设计。 应用建成的这一快速开发系统,详细阐述了车辆 ABS 快速开发的基本方法和基本 过程,即从非在线数字仿真,实时数字仿真,硬件嵌入式实时混合仿真,以及实 车试验验证整个 ABS 研究和开发过程。 以车辆 ABS 逻辑门限值控制方法研究与控制系统开发为主要目标,利用该车 辆 ABS 快速开发系统,对 ABS 实用化控制逻辑进行了全面研究和系统开发,包括 ABS 控制变量的实用化算法设计,ABS 逻辑门限值实时控制算法设计。把自主研制 的 ABS 逻辑门限值控制器嵌入到快速开发系统之中,进行控制器参数的调整。为 了验证自行开发的 ABS 控制器的有效性和实用性,文中进一步阐述了实车 ABS 的 道路试验。利用实车道路试验对 ABS 控制器参数进行精调,最终完成对 ABS 控制 器的快速开发。实车道路试验结果表明,自行开发的 ABS 控制器控制有效,运行 稳定,达到国外同类产品的控制精度和效果。 利用 ABS 快速开发系统,本文对目前世界上最先进的汽车电子控制系统一— 车辆稳定性控制若干问题进行了研究。利用前馈补偿和模糊控制技术,以方向盘 转角为前馈输入变量,车辆横摆角速度和侧偏角为反馈输入变量,设计了车辆横 向稳定性控制器。通过控制前轴左右车轮制动力动态分配,实现车辆在任何行驶 工况下都能按驾驶员意图跟踪理想控制目标。以变道工况和高速转向工况为例, 进行了车辆横向稳定性控制的实时混合仿真研究。研究结果表明,车辆在高速变 道和转向时,当前设计的基于 ABS 车辆横向稳定性控制器能够有效控制车辆,使 其迅速、准确和安全地图行驶;即使在道路条件和行驶条件改变时,该控制器对参 数非线性和不确定性具有较强的适应性和鲁棒性。文中建立的 ABS 快速开发系统 是一个开放式的车辆电子控制系统快速开发平台。 车辆 ABS 快速开发方法及其系统在 ABS 控制器开发中的成功应用,有力地证 明了本文的研究工作使在投入少和周期短的情况下开发出合格的汽车 ABS 电子产 品成为可能。

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附录 流程图:
开始

关中断,保护现场

中断处理

中断?

中断处理

中断?

中断处理

中断?

中断处理

中断?

恢复现场,开中断

返回

轮速信号中断处理程序流程图

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开始

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初始化清空内存中断输 入输出口,启动看门狗

中断否

计算加速度,速度

超速否

改变工作模式

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

制动停止否

返回

总流程图

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;初始化及轮速信号采集处理程序 序号 寄存器名称 寄存器地址 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 MAIN: 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(V1H,V1L) V2(V2H,V2L) a (aH,aL) DI LD LDB LDB LD LD LD LD EI DI PUSHF LD JSB JSB JSB 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 HSL0 的中断次数 存放 HSL1 的中断次数 存放 HSL2 的中断次数 存放 HSL3 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

SP,#00F0H INT_MAST,#04H IOC0,#55H AX,#0001H BX,#0001H CX,#0001H DX,#0001H

;设置堆栈指针 ;允许外部中断 ;允许 HIS 中断

;开中断

INT1:

HXL,08H HXL.0,I0 HXL.2,I1 HXL.4,I2

;判断是哪个通道

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JSB HXL.6,I3 POPF EI RET ;通道 0 轮速信号采集程序 I0: DI PUSHF DEC AX JE LD LD INC SUB JLT LD LD SUB ADD LD SUB JLE SJMP POPF EI I0T2 T01,04H T02,04H AX T02,T01 I03 TD,T02 EX,0FFFFH EX,T02 EX,T01 TD,EX TD,#0C350H MAIN LSCHL0

;开中断

;判断是否为第一次中断

I0T2:

;判断 T2>T1

I03:

; 存放时间差值

LSCHL0: LD MUL DIVU LD

EX,#0FH EX,AX EX,#64H V,EX

;计算轮速 ;相乘

LD V2,V SUBC V2,V1 DIVU V2,TD LD a,V2 POPF EI RET ;通道 1 轮速信号采集程序 I1: DI PUSHF DEC AX JE I1T2 LD T11,04H

;计算加速度

;判断是否为第一次中断

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I1T2:

LD INC SUB JLT LD LD SUB ADD

T12,04H AX T12,T11 I13 TD,T12 EX,0FFFFH EX,T12 EX,T11 ;判断 T2>T1

I13:

LD TD,EX SUB TD,#0C350H JLE MAIN SJMP LSCHL1 POPF EI 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 EI RET ;通道 2 轮速信号采集程序 I2: DI PUSHF DEC AX JE LD LD INC SUB JLT LD LD SUB ADD LD SUB I2T2 T21,04H T22,04H AX T22,T21 I23 TD,T12 EX,0FFFFH EX,T22 EX,T21 TD,EX TD,#0C350H

; 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

I2T2:

;判断 T2>T1

I23:

; 存放时间差值

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JLE SJMP POPF EI LSCHL2: LD MUL DIVU LD

MAIN LSCHL2

EX,#0FH EX,AX EX,#64H V,EX

;计算轮速 ;相乘

LD V2,V SUBC V2,V1 DIVU V2,TD LD a,V2 POPF EI RET ;通道 3 轮速信号采集程序 I3: DI PUSHF DEC AX JE LD LD INC SUB JLT LD LD SUB ADD I3T2 T31,04H T32,04H AX T32,T31 I33 TD,T12 EX,0FFFFH EX,T32 EX,T31 TD,EX TD,#0C350H MAIN LSCHL3

;计算加速度

;判断是否为第一次中断

I3T2:

;判断 T2>T1

I33:

LD SUB JLE SJMP POPF EI LSCHL3: LD MUL DIVU LD LD SUBC

; 存放时间差值

EX,#0FH EX,AX EX,#64H V,EX V2,V V2,V1

;计算轮速 ;相乘

;计算加速度

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DIVU LD POPF EI RET

V2,TD a,V2

本科生毕业设计

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谈笑间,三个多月的毕业设计快要结束了。看着手中厚重的毕业设计说明书 和图纸,回想三个月来的学习生活,感慨颇深。离别时的心情总是复杂的,离别 时的思绪总是凌乱的,但离别时的心声却是真挚的。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——刘同冈老师。选择刘老师使我 的大学学习生活有了一个完美的结局。刘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。再一次深深地感谢刘老师的浓浓师恩。 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报复,将你们所授尽数回 报社会。 再次,我要感谢和我一起做设计的七位同学。有了你们的欢声笑语,这四个 月才不那么枯燥无味。我们像亲兄弟一样坦诚相待,互相帮助。我想我会永远记 住你们的,你们都是我的好哥们、好兄弟。 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。留恋学校的一草一木,怀念那平凡 的每一天。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!


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