汽车工程专业毕业论文汽车制动系驱动机构设计

1 目目 录录 1 绪论6 1.1 ABS 系统发展历程概述6 1.1.1 ABS 系统的概念.6 1.1.2 国内外 ABS 技术的发展历史过程及应用现状6 1.1.3 ABS 制动系统的发展趋势.7 1.2 本课题研究的意义8 2 ABS 系统的构成与工作原理8 2.1 车辆制动时的运动分析.9 2.1.1 车轮的滑移率定义.9 2.1.2 滑移率与附着系数的关系9 2.2 制动调压系统工作过程与原理 10 3 电子控制单元 (ECU)的设计14 3.1 CPU 的选择14 3.2 轮速传感器选择.14 3.3 电源设计15 3.4 信号输入电路设计.16 3.5 电磁阀驱动电路的设计17 3.6 泵电机驱动电路的设计18 3.7 ABS 系统报警 LED 灯设计19 4 控制器软件设计.20 2 4.1 ABS 的控制算法概述20 4.2 逻辑门限值控制方法控制过程 .20 4.3 软件设计22 4.3.1 主程序流程 22 4.3.2 初始化流程 23 4.3.3 轮速处理程序 23 4.3.4 控制算法流程 25 5 液压制动驱动机构的设计计算26 5.1 液压系统工作示意图.26 5.2 制动力的计算.26 5.3 制动轮缸直径与工作容积.28 5.4 制动主缸与工作容积.29 5.5 制动踏板力与踏板行程.29 鸣 谢.31 参考文献.32 附 录.33 3 摘摘 要要 随着汽车工业的发展和汽车保有量的增加，对汽车安全性的要求越来越高，特别是希望汽 车上能有更多的主动安全措施来防止或者减少交通事故的发生。汽车防抱死制动系统（ABS） 就是这样一种主动安全系统，通过制动时自动调节车轮制动力，从而防止车轮抱死以取得最佳 制动效果。该系统可有效缩短制动距离、提高制动时的方向稳定性，对汽车的行驶安全具有重 要意义。 本文对以汽车防抱死制动系统为核心的汽车制动系驱动机构进行了设计，在分析制动需求 的前提下，对防抱死系统的控制量滑移率进行了分析，建立了以单片机为核心部件的控制电 路，还包括电源电路、信号采集、报警电路、电池阀驱动、泵电动机驱动等外围电路设计。最 后还进行了相应的软件程序设计，主要包括主程序设计、采集轮速子程序设计、信号处理子程 序设等。 关关键词键词：防抱死系：防抱死系统统；滑移率；制；滑移率；制动动系系 4 Introduction With the increase of the development of the automotive industry and car ownership, the increasingly high demand for vehicle safety, especially car to have a more active security measures to prevent or reduce traffic accidents. Automotive anti-lock braking system (ABS) is such an active safety system automatically adjusts the braking wheel braking force to prevent wheel lock to get the best braking effect. The system can effectively reduce the braking distance and improve directional stability when braking, and of great significance to the safety of car driving. The drive mechanism for automotive anti-lock braking system as the core of automotive brake design, Under the premise of the analysis of brake demand, the amount of control of the anti-lock braking system - the slip ratio analysis, the establishment of a microcontroller as the core components of the control circuit also includes a power supply circuit, the signal acquisition, alarm circuits, battery valve drive pump motor drives and other peripheral circuits design. Finally, software programming, including the main design, collecting subroutine design of wheel speed signal processing subroutine set. KeyKey words:words: anti-lockanti-lock system;system; slipslip ratio;ratio; brakingbraking systemsystem 5 1 1 绪论绪论 1.11.1 ABSABS 系统发展历程概述系统发展历程概述 1.1.11.1.1 ABSABS 系统的概念系统的概念 汽车防抱死制动系统（Anti-lock Braking System,简称 ABS）是在传统车辆制动系统基础 上采用电子控制技术，在制动时防止车辆抱死的一种汽车主动安全装置。它能在制动过程中实 时测定车辆的速度和滑移率，自动调节各个车轮的制动力矩，防止车辆抱死并取得最佳制动效 能。 当汽车在行驶中遇到紧急情况，驾驶员通常会猛踩制动板施加全制动以期望获得最佳制动 效果，但这样做往往会使个车轮制动力矩过大或者分配不均，导致车轮抱死托滑，并使车辆失 控，如侧滑、掉头、甩尾，甚至产生剧烈旋转，最终很可能就导致交通事故。这就是常规制动 的缺陷如下： 在紧急制动时，如果前轮被抱死，车辆丧失转向能力，不能实现转弯转向，躲避障碍物或 行人；如果后轮抱死，车辆丧失稳定性，出现甩尾、侧滑；车辆抱死导致轮胎局部与地面托滑， 大大降低了车轮的使用寿命。 因此，为了提高安全稳定性，在汽车上安装 ABS 以成为必然趋势。防抱死制动系统能 把车轮的滑移率控制在一定的范围内，可充分利用车轮与路面的附着力，有效的缩短制动距离， 显著提高车辆制动时的可操纵与稳定性，避免车辆背包死而发生交通事故，使制动器的效能发 挥到最佳状态。故此 ABS 技术是目前世界普遍公认的提高汽车安全性的有效措施。 1.1.21.1.2 国内外国内外 ABSABS 技术的发展历史过程及应用现状技术的发展历史过程及应用现状 ABS 装置最早应用于 20 世纪初期的火车上，而在汽车上的应用比较晚。为了防止列车在 制动时车轮抱死在平滑的轨道上滑行，造成车轮因摩擦热量集中而损坏，1908 年英国工程师提 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。 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。 6 1978 到 1980 年底，Bosch 公司总共才售出 24000 套 ABS 系统，第二年成长到 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。到了 80 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。 近年来，随着世界汽车工业的迅猛发展，道路交通条件的不断改善，车辆行驶速度的提高， 汽车制动时的车轮抱死滑移的危害性愈来愈严重。为此，在 1987 年欧共体率先颁布一项法规， 要求从 1991 年起，欧共体成员国生产的汽车都必须装有 ABS。 到 1995 年，美国、德国、日本轿车 ABS 的装有率分别达到 55%、50%、85%。目前世界上已 经有 300 多种汽车装备了 ABS。据估计现今世界范围内 ABS 装有率达 80%，以后将实现全覆盖。 ABS 已经成为全球汽车市场及各国汽车出口的标准。 国内研究开发 ABS 起步较晚，约始于20世纪70年代中期。但我国对 ABS 的系统开发十分重 视，制定相应的法规力促 ABS 的发展。1993年4月1日开始实施的 GB13594-92汽车防抱死制动 系统性能要求和试验方法，为 ABS 成为标准装备提供了试验方法和依据。 目前，国内研究 ABS 机构主要有以下几个：吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室、 北京理工大学汽车动力性与排放测试国家专业实验室、清华大学汽车安全与节能国家重点实 验室、华南理工交通学院汽车系等。这些单位在 ABS 的仿真、控制量、轮速信号抗干扰处理、 轮速信号异点剔除、防抱电磁阀动作响应等方面的研究取得了很多成果。同时对防抱死制动时、 的滑移率的计算、滑移率和附着系数之间的关系及 ABS 的控制算法也有很深的研究。 国内生产 ABS 的公司不少，但大多数公司是和国外著名 ABS 公司合作生产。完全自主生产 开发 ABS 的有代表性的国内公司有：广州市科密汽车制动技术开发有限公司、重庆聚能汽 车技术有限责任公司、东风科技汽车制动系统公司等。他们生产的 ABS 的制动性能指标达到 了国外同类产品的水平，部分试验数据优于国外公司同类产品，在国内占有一定的市场。 1.1.31.1.3 ABSABS 制动系统的发展趋势制动系统的发展趋势 ABS 本身控制技术的提高现代制动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。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 控制 将更加快速、精准和智能，线控制动 BBW(Brake-By-Wire)、防滑控制系统 ASR (Acceleration Slip Regulation)或称为牵引力控制系统、车辆动力学控制系统 VDC (Vehicle Dynamics Control)等都将成为今后制动驱动系统发展的方向。 1.21.2 本课题研究的意义本课题研究的意义 近年来，随着我国汽车行业的大规模发展，汽车数量大幅增加，交通基础设施也得到了全 所未有的发展。但交通事故也极具增加，夺去了许多国人的宝贵生命。为了减少交通事故，保 7 护生命安全，在汽车上加装 ABS 这种主动安全系统就成为了国人的首选。本设计就是基于此背 景下，对制动系的驱动机构进行设计，使其能够有效的防止或者减少交通事故的发生。 2 2 ABSABS 系统的构成与工作原理系统的构成与工作原理 ABS 系统是加装在汽车原有的常规制动系统之上的电子控制系统，一般 ABS 系统由中央控 制器（电控单元）、压力调节器（电磁阀）、轮速传感器、警示灯以及一些控制继电器组成。 图 2-1 是轮轿车防抱死控制制动系统示意图，它通过轮速传感器，计算出汽车实时的速度、减 速度和滑移率，与逻辑门限值比较后，通过电磁阀对制动轮缸减压、保压梦或者增压，控制制 动管路中的压力，防止车轮“抱死”而出现侧滑即后轮先抱死，且使轮胎纵向附着系数达到最 大，制动效果最好。虽然在某些情况下，防抱死装置会使制动距离增加，但其主要作用是保证 汽车制动时的稳定时，保证不侧滑且具有转向可操作性。 图 2-1 ABS 系统的组成 2.12.1 车辆制动时的运动分析车辆制动时的运动分析 2.1.12.1.1 车轮的滑移率定义车轮的滑移率定义 汽车在制动过程中存在着两种阻力:一种阻力是制动钳体与制动盘之间产生的摩擦阻力,被 称为制动系统的阻力,用于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 8 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:-（2-1） S = V - V V = 1 - r V 式中:S 滑移率;V 车度(车轮中心的速度) ; 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) V 等于车轮的角速度和车轮滚动半 径r 乘积时,滑移率为零( S = 0) ,车轮为纯滚动;当 = 0时,S = 100 % ,车轮完全抱死而作 纯滑动;当0 - -2 20 0？ 继继续续增增 压压 Y Y 滑滑移移率率 s s 0 0 0 0. .1 15 5? ? N N 进进入入减减 压压 Y Y 进进入入保保压压 滑滑移移率率 s s 0 0 0 0. .1 15 5? ? 进进入入减减 压压 继继续续保保 压压 N N Y Y 减减速速度度 a a 0 0 - -2 20 0？ 继继续续减减 压压 滑滑移移率率 s s 0 0 0 0. .3 3? ? Y Y N N 继继续续减减 压压 进进入入保保压压 Y Y N N 减减速速度度 a a 0 0 2 20 0？ 继继续续增增 压压 进进入入保保压压 减减速速度度 a a 0 0 1 10 0？ Y Y N N N N Y Y Y Y N N N N N N N N 继继续续保保 压压 进进入入缓缓升升 压压 减减速速度度 a a 0 0 - -2 20 0？ 继继续续缓缓升升 压压 进进入入减减 压压 减减速速度度 a a 0 0 #include unsigned char d4,d004;/*d4存储脉冲数、d004脉冲记数值*/ unsigned int v4,vf4,vc4,vc14;/*实时轮速、上一轮速、最高 轮速、参考车轮角速度*/ unsigned int v04,v14,v24;/*各前轮前一个角速度后轮低选*/ unsigned int i0,f0,f10,f20,f30;/*缓升降压、保压循环控制 字，*/ unsigned int dv4,p8,p04;/*dv4时间间隔、p8、p04定时器值 */ unsigned int t1,t2;/*t1 定时器 1 时间、t2 定时器 2 时间、*/ unsigned int flag2,flag02,flag12,flag22;/*阶段标志位、各轮 前一循环阶段控制字*/ signed int a0,s0;/*角减速度、滑移率*/ unsigned char c8;/*控 制字*/ const unsigned int ccr2=0x20cc,0x20dc;/*芯片配置字内容*/ #pragma locate (ccr=0x2018)/*芯片配置字* stran_ptscb epa_pts0; #pragma locate (epa_pts0=0xe0)/*P1 口特殊功能寄存器地址定位*/ #pragma pts(epa_pts0=4) void initial()/*程序初始化*/ t1control=0xc2; /*定义 t1controlt2control 定时器控制寄存器*/ t2control=0xc2; disable();/*禁止标准中断*/ disable_pts();/*禁止 PTS 中断*/ 33 epa0_con=00a0;/*中断控制字*/ epa1_con=01a0; epa2_con=00a0; epa3_con=01a0; p1_reg=0x01;/*对 P1 口寄存器定义 P1 口为 EPA 方式*/ p1_dir=0x01; p1_mode=0x01; p4_reg=0xff;/*定义 P4 口为 I/O 口*/ p4_dir=0xff; p4_mode=0x00; epa_pts0.ptscount=0xff;/*定义 ptscount 计数初值*/ epa-pts0.ptscon.si=0;/*定义 ptscon.si 位为 0 每个字或字节传递完成 后不增加 PTS 源地址 PTSSRC 的内容*/ epa-pts0.ptscon.di=0;/*定义 ptscon.di 位为 0 每个字或字节传递完成 后不增加 PTS 目标地址 PTSDST 的内容*/ epa-pts0.ptscon.su=0;/*定义 ptscon.su 位为 0 每个字或字节传递完成 后重载原来 PTS 源地址*/ epa-pts0.ptscon.b_w=0;/*定义 ptscon.b_w 位为 0 按字传递*/ epa-pts0.ptscon.mode=4; /*定义 PTS 模式 100 单传递*/ epa-pts0.ptssrc=(void *)/*定义 PTS 单字节转移源地址为 通道 EPA0 定时器计数值地址*/ epa_pts0.ptsdst=/*定义 PTS 单字节转移目地址为 P00*/ enable();/*开放标准中断*/ enable_pts();/*开放 PTS 中断*/ void speed(void)（轮速采集） disable();/*禁止标准中断*/ disable_pts();/*禁止 PTS 中断*/ p1=p00;/*取当前时间计数器值*/d000=epa_pts0.ptscount;/*取脉冲 记数值*/ epa_pts0.ptscount=0xff;刷新脉冲记数值*/ d0=0xff-d000;/*计算脉 冲数*/ dv0=p1-p0;/*计算时间间隔*/ p0=p1;/*将当前时间计数器值符给 P0作为下一次计算的开始时间*/ v0=(2*3.14*d0/48)/(dv0/1000000)*;/*计算车轮角速度 rad/s*/ d0=0;/*刷新脉冲数*/ enable();/*开放标准中断*/ enable_pts();/*开 放 PTS 中断*/ 34 void aacc(void) a0=(vf0-v0)*5;/*计算角速度 rad/s2 */ switch(flag0)/*参考车 速的计算*/ Case 1:vc10=vc0;break; Case 2:vc10=vc10- 6.8/0.319*0.05;break; Case 3:vc10=vc10-6.8/0.319*0.05;break; Case 31:vc10=vc10- 3.92/0.319*0.05;break; Case 32:vc10=vc10-3.92/0.319*0.05;break; Case 4:vc10=vc10- 6.8/0.319*0.05;break; Case 41:vc10=vc10-3.92/0.319*0.05;break; Case 5:vc10=vc10- 6.8/0.319*0.05;break; Case 51:vc10=vc0;break; Case 6:vc10=vc0;break; Case 7:Vc10=vc0;break; Case 8:vc10=vc10- 6.8/0.319*0.05;break; s0=(vc10-v0)/vc10;/*计算滑移率*/ Switch(flag0) case 1:/*查阶段标志位当 1（增压）进入*/ if (a0-20) flag0=1;/*当角减速度大于下限时，继续增压*/ else if (s00.15) flag0=3;/*滑移率大于下限时，进入减压*/ else flag0=2;/*滑移率小于下限时，进入保压*/ break;/*返回*/ case 2: /*查阶段标志位当 2（保压）进入*/ if (s00.15) flag0=3;/*滑移率大于下限时，进入减压*/ else flag0=2; /*滑移率小于下限时，继续保压*/ break; /*返回*/（书 32 页，a0-20) next；/*当角减速度大于下限时，进入 next 判是否保压*/ else flag0=3; /*当角减速度小于下限时，继续减压*/ break; 35 next: if (s00.3) flag0=32;/*滑移率大于第二上限时，继续减压 （判高附突遇低附）*/ else flag0=4;/*滑移率达不到第二上限时，进入保压*/ f0=5;/*初始当前轮保压循环控制字*/ break; case 4: /*查阶段标志位当 4（保压）进入*/ f (f0=0) next; f0 =f0-1; break; next: if (a020) flag0=5; /*角加速度仍超过 20，继续增压*/ else flag0=6; /*角加速度低于 20，进入保压*/ break; case 6: /*查阶段标志位当 6（保压）进入*/ if (a010) flag0=6; /*角加速度仍在 10 以上，继续保压*/ else flag0=7; /*角加速度低于 10，进入缓升压*/ break; case 7: /*查阶段标志位当 7（缓升压）进入*/ if (a0-20) f=7;/*角加速度在-20 以上，继续缓升压*/ else flag0=8;/*角加速度在-20 以下，进入减压*/ break; case 8: /*查阶段标志位当 8（减压）进入*/ if (a010）flag0=41; /*角加速度大于 10，进入保压*/ else flag0=32; /*角加速度小于 10，继续减压*/ break; 36 case 41: /*查阶段标志位当 41（保压）进入*/ if (a010) flag0=41;/*角加速度大于 10，继续保压*/ else flag0=51;/*角加速度小于 10，进入缓升压*/ break; case 51:/* 查阶段标志位当 51（缓升压）进入*/ if (a0-20) flag0=51; /*角加速度大于-20，继续缓升压*/ else flag0=31;/* 角加速度小于-20，进入减压*/ break; void fd(void)/*根据阶段标志位产生控制字*/ unsigned int i1;/*定义缓升/减转换标志*/ if (v01) c0=0x00;/*角速度小于 7 常规制动*/ switch (flag0) case 1:c0=0x00;break;/*进通出闭增压*/ case 2:c0=0x01;break;/* 进闭出闭保压*/ case 3:c0=0x03;break;/*进闭出通减压*/ case 4:c0=0x01;break;/* 进闭出闭保压*/ case 5:c0=0x00;break;/*进通出闭增压*/ case 6:c0=0x01;break;/* 进闭出闭保压*/ case 7: if (i0=1) next;/* 缓升压先保压 i0-1,后增压 i0+1*/ c0=0x00;/*进通出闭增压*/ i0=i0+1; break; next:c0=0x01; /*进闭出闭保压*/ i0=i0-1; break; case 8:c0=0x03;break; /*进闭出通减压*/ case 31: i0=1;/*低附着 系数路面时缓减压*/ if (i0=1) next; c0=0x01;/*进闭出闭保压*/ i0=i0+1; break; next:c0=0x03; /*进闭出通减压*/ i0=i0- 1; break; case 41:p4=0x01; /*低附着系数路面时进闭出闭保压*/ case 51:i0=1;/*低附着系数路面时缓升压*/ if (i0=1) next; c0=0x00;/*进通出闭增压*/ i0=i0+1; break; next:c0=0x01; /*进闭出闭保压*/ i0=i0-1; break; case 32:c0=0x0;break;/*高附着系数突遇低附着系数路面进闭出闭减压 */ 37 void main(void) initial();/*调用子程序 initial()初始化程序*/ flag0=1;/*阶段初值 1*/ p4=0x00; /*初始 P0 口状态/ i0=1; /*初始缓升降压循环控制字状态*/ be0:t1=timer1;/*取定时器计数值*/ if (t1-t2)5000) goto be0；/*时间间隔小于 5ms 时等待*/ int_mask=0x10;/*定义中断屏蔽寄存器控制字为 EPA 捕捉/比较通道 p1.0*/ ptssel=0x10;/*定义 PTS 选择寄存器选择每一个 P1.0 可屏蔽中断请求是 PTS 中断*/ speed();/*调用子程序 speed()计算左前轮 p1.0 角速度*/ flag0=flag00;/*前一控制状态字 to 当前循环*/ vf0=v00;/*左前 轮前一个轮速*/ f0=f10;/*当前轮保压周期数*/ aacc();/*左前轮 p1.0 控制信号处理 子程序*/ fd();/*左前轮电磁阀 p4.01 阀动子程序*/ p4=c0;/*输出控制字给 p4 端口*/ if (c0= 0x03) p3=128;/*减压时泵电动机启动*/ else p3=0; v00=v0; /*保存当前轮速*/ flag00=flag0; /*保存当前轮控制状 态字*/ f10=f0;/*保存当前保压周期数*/ be1:t2=timer1;/*取定时器计数值 */ if (t2-t1)5000) goto be1;/*延时 5ms 计算右前轮角速度*/ int_mask=0x08;