汽车ABS防抱死制动系统设计【含CAD图纸、说明书】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共40页)
编号：22889705
类型：共享资源
大小：3.65MB
格式：ZIP
上传时间：2019-11-03
上传人：机****料
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
河南
IP属地：河南
50
积分
- 关 键 词：
-
含CAD图纸、说明书
汽车
ABS
抱死
制动
系统
设计
CAD
图纸
说明书
- 资源描述：
-
- 内容简介：
-
毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 汽车ABS防抱死制动系统设计 学生姓名：二级学院： 班级：提交日期： II 目录III 摘要VII目 录摘 要IIIABSTRACTIV1 绪 论51.1引言51.2 ABS的功能51.3 制动系统的发展历史61.4 制动系统的发展方向71.5 制动系统工作的基本工作原理82 ABS控制器硬件的设计102.1 硬件设计流程102.2 制动系统轮速传感器选择102.3 电源设计122.4 信号输入电路设计122.5 电磁阀驱动电路的设计132.6 泵电机驱动电路的设计162.7 车轮制动器的选择173 制动系统软件的设计183.1控制方案和控制参数的选取193.2控制参数和相应算法203.3控制的进程243.4程序的设计274 总结32参考文献33致 谢34汽车ABS防抱死制动系统设计摘 要随着汽车产业的高速发展，汽车的行车安全性被摆在了一个更高的位置，制动系统得到越来越多人的关注，ABS防抱死系统相对于其他制动系统具有防滑、防锁死等优点，因此得到了大力发展。本文主要介绍了ABS防抱死制动系统的原理和功用，分别从硬件和软件两方面进行优化设计。硬件方面主要包括设计流程、轮速传感器的选择、制动器的选择以及驱动电路的设计，软件方面主要包含对控制参数以及控制方案的选取、对门限加速度和门限减速度的计算、路面的识别技术、车身参考速度的确定、控制的进程及程序的设计。此次设计在于熟悉设计的一般流程，掌握设计的基本原理。 关键词：防抱死制动系统；硬件；软件；流程 Design of anti lock braking system for automobileABSTRACTWith the rapid development of automobile industry, the driving safety of the vehicle is placed in a higher position, the brake system gets more and more attention, ABS anti lock system compared to other braking system with non slip, anti lock and other advantages, so it has been vigorously developing.This paper mainly introduces the principle and function of ABS anti lock braking system, and optimizes the design from two aspects of hardware and software respectively. The hardware includes the design flow, the selection of wheel speed sensor, the selection of the brake and the design of the drive circuit, the software mainly includes the control parameters and control scheme selection, the threshold acceleration and deceleration threshold calculation, road recognition technology, vehicle reference speed, control process and program design. The design is familiar with the design of the general process, grasp the basic principles of design.Key words：ABS；Hardware ；Software；Process93 第1章 绪论1 绪 论1.1引言在汽车的制动过程中，若要使得汽车在最短的距离内停车并且能够良好控制汽车的运动方向，就应该使得轮胎的滑移率维持在8%-20%的范围中。这就要求在进行制动操作时，司机必须十分小心，首先，司机应该踩动制动踏板让车轮抱死，当车轮刚要抱死的时候松开制动踏板，然后紧接着当车轮胎即要转动的时候再次把制动踏板踩死，让车轮再次抱死，这样的操作需要司机反复不断的进行才能良好的控制汽车的运动方向。然而大多数人在遇到危急情况时，根本就没时间去反应过来，都是一脚直接踩死制动踏板，这样就很容易导致事故的发生。传感器能帮助司机们做到很多他们办不到的事。对于电脑来说，把传感器传输过来的数据进行归集，区分，直至变成执行机构所需要的信息，是很简单的一项工作，并且电脑会下达指令来实施操作，对机械结构来讲也不会有太大的问题。汽车防抱死控制系统（下简称ABS系统）的功能主要是调节在每个车轮制动缸的制动液压力的作用力，如此便能够防止制动过猛从而导致车轮一直维持抱死状态。而当车轮不维持于抱死状态时，就能使车轮处于正常的作用力下。轮胎的滑移率能得到有效的控制，一般控制在安全范围内。汽车防抱死控制系统缩短了制动距离，而且使得汽车在高速行驶时的稳定性和方向的可控性得到了提高，并且司机们的操作变得更加简单和便捷。1.2 ABS的功能 防抱死制动系统是根据英文名Anti-lock Brake System翻译而来的，简称为ABS。有汽车驾驶经验的人都会有这样的体验：在摩擦力小的路面上（如有积水或积雪路面）使用紧急制动时，汽车由于运行速度快，地面的摩擦力小，使得汽车发生甩尾、打滑和侧翻的安全事故。这是因为汽车刹车时一直处于抱死状态，这个时候，汽车车轮不再是滚动的，而是在路面上滑动，因此，轮胎所受到的侧滑摩擦力以及作用在轮胎上的纵向制动力比滚动时小的多，滑移率就变的很低，使汽车越容易产生安全事故。综上所述，如果汽车在制动时车轮处于抱死状态会使得稳定性下降，制动效率变低，久之，车轮还会被过度磨损，最终磨损过度会导致爆胎。ABS是为了防止以上情况发生而去研发的一类控制装置，它有以下优点：提升制动性能的稳定性，防止打滑和侧翻；提高制动效率，缩短制动距离；降低轮胎的磨损，防止过度磨损引起的爆胎。1.3 制动系统的发展历史起初，ABS系统是由于火车和飞机的需要而开发出来的。火车的运行速度很快，在制动时会产生很大的制动力，如果火车在制动时产生的制动强度太大，从而会促使火车沿着车轨滑动，那轨道和车轮间的摩擦力将产生变化，并使得使车轮外圆出现一些小平面，该小平面的出现使得火车在轨道上不能稳定行驶，影响到了它的安全性能。制动控制系统理论被英国工程师J. E. Francis在二十世纪初当先提出，即铁路车辆车轮抱死滑动控制器，却无法将其到实际中去。接下来的三十年里，“刹车力控制器”、“液压刹车安全装置”、“车轮抱死防止器”等尝试也都没有取得成功。 二十世纪六十年代以前，技术相对还比较落后，没有集成电路与计算机，所以要开发出一套实时监控轮胎速度的变化并且通过液压系统调节刹车压力的系统是非常困难的，一般的机械装置无论怎么去进行改造，都无法达到如此敏捷的反应速度。因此直至二十世纪六十年代才出现了第一套防抱死制动系统。世界上第一套ABS原型机在1966年问世，是英国的一家专业汽车电子公司博世生产的，起初由于投入资金高，造价非常昂贵，所以只被应用在了火车以及航空器方面。1975年AEG与博世达成协议，博世公司被委以研发ABS系统的的重任。经过3年的研发，在1978年研发成功了“ABS 2”系统， 而先前应用的ABS 1是以模拟式电子组件为主的，但ABS 2系统完全不同于ABS 1，ABS 2系统完全是以数字式组建的，在数字式的基础上进行研发，使ABS 2系统控制单元数目比ABS 1系统减少了十倍，造价也大幅降低，除此之外，ABS的可靠性也不断上升，运算速度与反应也更加敏捷了。1978年底德国两家世界闻名的汽车公司-奔驰和宝马的高层管理人员决定首先在S级及7系列车上应用ABS 2系统。ABS在1978年到1980年里发展缓慢，主要由于造价成本过于高昂，市场占有率很低。在这三年间，博世公司的ABS系统发展较差，三年间一共才售出ABS系统24000套。而1981年这一年就有了很大的提高，成功售出了76000套，在市场上正式得到认可。同年，Bosch公司又进行了新的研究即“TCS循迹控制系统”的开发。在1983年，改进的 ABS 2S系统性能又有很大的提高，其重量由原来5.5公斤减少到现在的4.3公斤，控制组件只有70个。到八十年代中期，全球的汽车公司在他们的新车型以及刚生产的车辆上开始使用ABS系统，其比例超过了百分之一，此时，通用汽车公司已经把ABS系统应用于雪佛兰车系上，ABS系统成为雪佛兰车的标准配置。1987年欧共体颁布了一项法律，要求从91年开始所有成员国生产的新车型均需装置防抱死制动系统，同时规定凡载重超过16吨的货车必须装备ABS。目前国际上ABS的应用越来越广泛，已成为绝大多数类型汽车的标准配置，北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS装备率达到了90%，轿车的装备率为60%，运送危险品的货车装备率达到了100%。1998年，重庆聚能汽车技术有限公司在国内首家推出适合中国国情的系列电子式ABS防抱装置，现已达到年产50万套的生产能力，是目前我国国内最大的ABS生产基地。进入21世纪以来ABS装置发展速度迅猛，我国轿车ABS的装备率已达到了100%。图1-1 博世制动系统示意图1.4 制动系统的发展方向 ABS在电子计算机的控制下不断提高了它的制动控制能力，从中也能看出现代ABS系统向电子化方向发展。在电子计算机的作用下，能轻松实现基于滑移率的控制算法，容易实现连续的控制，理论的发展对ABS系统的指导也十分明确，现在ABS发展的瓶颈是由于它的造价昂贵，因此市场占有率也比较低。不过在ABS中增加车传感器也将成为可能，因为ABS的体积越来越小，价格越来越低，可靠性也越来越高，所以确定车轮的滑移率也变得更加敏捷和准确。未来制动系统最主流研发方向是全电制动控制系统BBW ，即Brake-By-Wire。这种类型的制动系统传递的是电而非传动液压油和空气。用这种类型的制动系统可以节省很多材料例如传感器以及管路，而且将大大降低制动的反应时间制动的反应时间也将被大大缩短，同时对其保养维护也十分简单，全电制动控制系统是将来车辆实现智能控制的重要基础。但是，该系统还是存在很多缺陷，需要不断的探索和解决，如选用哪种驱动能源，如何防止制动控制系统失效，怎样防止受其他因素的干扰等问题。然而，还存在很多问题需要去解决，比方说驱动能源选哪种的问题，控制系统失效如何解决，抗干扰的处理方式等。车辆混用动力制动系统有电动制动系统和液压制动系统，车辆开始采用的是电动制动系统。由于ABS的功能上有很多缺陷，比如气压系统滞后的问题，主接车的制动兼容性问题，使得电控制动系统发展缓慢。经过不断的改善，产生了电子制动控制系统EBS (Electronics Break System)，它将电力传动代替了气压传动，这样的转变使制动的响应时间有了大幅度的减少。并且可以独立的控制每个车轮，根据具体情况改变每个车轮上的上的制动力。根据司机使用力度的不同，即刹车板踩到不同的位置，此时不同的位置对应踏板传送的位移信号就会使系统输出制动强度值，闭环连续的控制由控制器和传感器会构成，并且形成控制回路，实现控制系统的各种功能，比如减速的控制，分布制动力的控制等。通过对测量方向盘转角、侧向加速度以及和摆角速度来实现对运动车辆的控制，这是基于ABS系统而发展成的更高级控制系统-车辆动力学控制系统(Vehicle Dynamics Control)，简称VDC 。根据制动压力、油门、转向角以及观测器，VDC系统计算出车辆此时的运动状态。与此同时，车辆的实际运动状态可以由传感器测量出来。控制状态的变量为实际状态与名义状态差值的绝对值，控制系统的意义就是把这变量接近于0，该功能的实现一般是利用车轮的滑移率特性。而且VDC系统能改善车辆的稳定性，使操作更稳定，当汽车处于失稳状态时，该系统能使汽车实现自我控制。该系统的主要的功能就是让车辆的运动状态趋于稳定。司机操纵车辆的方式也因此变得简单快捷了。随着近年来汽车科技的不断改进和提升，控制系统的总线技术将成为大量的布线系统。所以，通过总线结构可以实现信息资源共享和数据交换，同时，也将很大程度上减少传感器的数量，使整车的造价降低，系统的另一个方向发展是集成化。目前使用普遍的是CAN控制器局域网络(Controller Area Network)。 1.5 制动系统工作的基本工作原理ABS系统，是在制动时连续调节制动的液压力，防止车轮抱死的一种制动系统。实现ABS系统控制车胎的过程也就是制动液压力的不断改变的过程。下面以对直线路面制动控制为例，通过车轮减速度和加速度逻辑门限值控制的方法来简述ABS的基本工作原理。如图1-2所示，当汽车制动时，ABS系统会对油压实现以下控制。驾驶员要制动时，驾驶员踩下汽车的踏板，让制动管道中的油压持续升高，与之同时将会出现制动力矩，这时候出现的制动力会促使车轮速度减小。该进程中ABS系统不产生具体作用，制动油压持续升高，车轮的减速度也随之升高。当车轮的减速度降低至其极限值-a时，就会释放减压信号，如图1-2中1点所示，在信号的刺激下ABS系统开始工作，从而使制动的油压开始降低。由于液压制动系统具有惯性，车轮减速度还会持续下降一小会，当减速度小于门限值-a时，如图1-2中2点所示，系统将会产生保压信号，制动的油压不变，车轮便开始由减速进入加速状态，车轮速度便开始增加，慢慢接近原来的车速，当车轮的加速度值增加到极限值+a的时候，如图1-2中3点所示，系统就会产生升压信号，油压开始提高，车轮的加速度便会减小，最后车轮维持在减速状态，继而再次循环。通过循环往复的控制过程，ABS使得车轮在制动时有一定的速度，从而不会不产生抱死。若极限值的设定比较适合，则车轮的运动状态就能得到有效的控制，但需要进行大量的实验来确定极限值。还有其他的因素可以影响控制的质量，如滑移率的门限值等。在ABS系统中，每个车轮上都安装了转速传感器，传感器可以收集信号并且将信号输入电子控制装备ECU，然后ECU根据每个传感器传来的信号，能了解每个车轮的运行状态，并可以形成相应控制的指令。制动压力调节装置结构由电动泵总成、储液器、调压电磁阀组成，制动主缸和各缸通过管路相连接，制动压力调节装置由电子控制装置调控，从而可以对各制动缸的制动压力进行有效调节。 图1-2 ABS系统油压控制循环图ABS的工作进程主要有常规制动、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。车轮在这些情况下都不会发生制动抱死现象。29 第2章 ABS控制器硬件的设计2 ABS控制器硬件的设计2.1 硬件设计流程常见的ABS控制器的总体结构由传感器、ECU和执行器组成，其是以单片机为主的一种ABS控制器。 图2.1 ABS控制器的硬件组成结构图本设计的系统中ABS执行器主要是由80C196KC作为控制中枢。图2.2硬件设计流程图2.2 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。下图所示为转速传感器在车轮上的安装位置。 （a）前轮 （b）后轮 图2-3 转速传感器在车轮上的安装位置鉴于霍尔式轮速传感器与其他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。因此本设计采用霍尔轮速传感器。霍尔轮速传感器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2-4所示。 (a) (b)图2-4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。2.3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50100V，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2-5,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4.55.5V。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100mA3A,稳压系数为0.005%0.02%，纹波抑制比为5668dB,能够较好的满足单片机对电压的需求。图2-5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2-5电源电路2.4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。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： 图2-6轮速信号输入电路方框图输入电路的连线图： 图2-7轮速信号输入电路图2.5 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12安培，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口输出高低电平组合成为不同的状态，来控制油路的通断实现增压、保压、减压的目的。80C196KC的P1口作为准双向的输入输出口，由缓冲器内部口锁存器，内部寄存器和输出缓冲器和输出缓冲器的构成，输出缓冲器和输出缓冲器构成，输出缓冲器内部具有上拉电阻结构当端口数据又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 2.1 P1口与电磁动作逻辑关系表车轮P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5压力变化左前轮01xxxx保压11xxxx增压00xxxx减压右前轮xx01xx保压xx11xx增压xx00xx减压后轮xxxx01保压xxxx11增压xxxx00减压由逻辑关系表可以看到如果系统需要对电磁阀进行不同的控制只要对P1口输出不同的字便可。 图2-8电磁阀驱动电路电磁阀驱动电路如图2-8所示：缓冲单元的设计：图中的74LS06是集电极开路六反相缓冲器，添加它的目的是加大输出电路的带负载的能力，使传输通道与单片机接口的电气匹配为合理。光电耦合器单元：输出接口隔离技术在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反窜到控制系统，一般需采用通道隔离技术。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它使信息发生端与接收断电气绝缘电阻可达几百兆欧姆以上，从而对地电位差干扰和电磁干扰有很强的抑制能力，光电耦合的实质是对于干扰噪声的隔离和对有用信号形成通道，是抗干扰措施的重要方法之一，并且信号传输速度高、价格低、接口简单，故在输出端设计了光电耦合电路。光电耦合器有二级管-二级管型、二级管-三级管型、二级管-达林顿管型以及二级管-可控制等类型，根据系统要求情况，本设计采用了光电耦合器4N35，其正向电流为：60mA,电流传输比为100%，电磁阀的驱动电流为1.53A，晶体管2SD880的电流放大倍数为60300，光电耦合器输入端限流电阻，其阻值由下式：式中：输入电压 输入端发光二级管正向导通压降。一般为1.5V左右 驱动器的压降 输入端正向工作电流，取15mA经计算Ri取50光电耦合输出端负载电阻： 式中：电源电压+5V 三极管饱和时集电极和发射级之间的压降，取0.3V 15mA经计算取Rj=350输出通道的隔离及保护措施一方面防止了最小系统干扰信号沿正向通路的传输，同时也隔离了驱动电路运行过程中产生的干扰脉冲对前向通道原件的影响，所以隔离保护作用是双向的 。驱动电路单元：构成驱动电路的主要器件是功率晶体管、晶闸管、继电器或者是功率集成电路，从电路结构的复杂性、器件功能、可靠性以及价格等因素考虑，晶体管放大电路有共基、共集和共射级三种电路形式，其中共射极放大电路具有较好的功率放大能力，故此采用共射极放大电路作为abs系统的驱动环节的基本形式。光电耦合器的最大输出电流为15mA，电磁阀的工作电流为1.53A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: 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60300。2.6 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12V（DC），线圈电阻400，吸合电压9.8V，线圈消耗的功率0.36W,接点负荷电压28V，电流3A。其电路如图，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1015mA，光电耦合器的TIL117的电流传输比为50%，所以它的输出电流为5mA10mA,经过晶体管的电流放大就可以满足电流驱动要求。图2-9泵电机驱动电路光电耦合器的输入输出电阻的计算同信号输入电路设计。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。2.7 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，所以仅对盘式进行详细介绍。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2-10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撑面的形式，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。图2-10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 第3章 制动系统软件的设计3 制动系统软件的设计作为汽车制动系统不仅仅要具有较高的抗干扰性能和可靠性能，同时还要兼具控制过程中能在极短时间内完成运行，当下诸多控制系统的循环要求都提升至毫秒级别，这在很大程度上限制了控制的算法，可能导致无法实现复杂的算法。也有一种可能就是实用系统的造价成本高，简单算法无法实现其具体的质量要求。诸多条件不一的路况下，制动时均能使车轮得到较大的防侧滑力与纵向制动力是高性能ABS的一种体现，并且它能够使得车轮制动力矩变化程度尽量减小。从传统理论角度出发，单输入与单输出的线性体系控制理论是其探究目标，而系统分析和分析方法具体而言就是指轨迹法或频率法。但是在ABS控制系统中，被控制的目标是汽车制动过程，该过程是一个多输入和多输出的非线性体系，因而不能以传统理论为奠基来探究ABS控制方式。关于ABS控制系统的控制模式研究，可以参考于1936年德国博世公司在ABS体系中选用的控制方式，这种控制方式是以经验和逻辑为基础的，其基础机理体现为：当先通过研究车轮运动形态与调控车轮制动的调控量彼此之间相互影响的经验关系，继而车轮最佳运动形态的调控规律被分析确定，而在完整的制动进程当中，可以通过滑移率、门限值以及车轮加减速度值的大小来表现车轮的最佳运动形态，从而依据以此设定的经验调控规律来代替控制量的变化幅度，进一步调控车轮运动形态。另外，以传统控制理论为基础的PID控制方式作为除了利用滑移率值和车轮加减速度门限值控制方式之外的又一种控制方法，并不需要利用建立被控对象的数学模型来实现控制目的，这种方法也是以车轮工作的经验为基础的。通常PID控制方法以滑移率为其调控目标，并求得控制量与控制目标彼此之间的偏差。不过这种方法需获得实际的车速信号，但是车速信号的获得就目前的技术而言存在一定困难。在现代控制理论的研究中，可以通过选用状态空间的方式，设立被控制对象的模型去消除多输入对多输出这一体系控制难题。因此将这种现代控制理论体系引入ABS控制方式里，其代表型的呈现是最优控制方式，这种方法的机理在于通过得出一个最优的性能指标以及制动进程中的数学模型，进而寻求某一最优化的控制函数来体现控制系统自初始状态至最终状态进程中性能指标的最小值。这就要求该控制理论必须以精确的数模来完成针对被控目标的控制。显而易见的是，汽车制动进程乃是一种非线性的体系，而应用最优控制方法等类似的现代控制理论实现ABS控制方式，其数模的建立具有相当难度，并且控制算法的复杂度进一步加深了这种方法的局限性。3.1控制方案和控制参数的选取如今ABS系统发展迅速，而加减速度的门限值调控占据了其中很大一部分产品，同时一些辅助门限也依据具体需求被及时添加，一般而言此类产品中的数学模型不涉及到具体系统。这对于非线性系统的控制而言的确是一种行之有效的方法。但这种系统的控制算法应用起来比较繁琐且稳定性不佳、波动性较大，从控制的精度、设计成本和实时性等角度出发，本次设计综合分析了各方面因素而选用门限控制方法。而门限控制方法设计中，重要的参数是选择的比较量，也就是说选择哪种参数能够将车轮的滑移率控制在20%左右。然而，若以滑移率为比较对象，汽车防抱死制动系统就将变成时变调节体系，其处理难度很大，并且难以满足实际工程应用。纵观诸多试验实例可以发现在制动过程中发生车轮抱死之时总是位于相当大的时刻，因而先行设定一个角减速度的门限值是非常必要的，在实际测量的角减速度大于这个门限值的时，控制器会及时给出命令，制动轮缸中压力也将被完全释放，从而车轮旋转速度持续加速。与此同时预设一个角加速度门限值，一旦实际的门限值大于此门限值时，控制器同样会给出一个命令，制动轮缸里面的压力开始增大，车轮的转速降低，以此来实现达到对滑移率的限制。这个设计里，将加减速度选作主要门限，以滑移率为辅助门限。单一的加减速度门限会产生相对较大的局限性，在遇到突然的高速紧急制动情况时，防抱控制逻辑有可能会在后续控制进程中丧失其效果。此类情况在非驱动轮中也有可能会出现，其成因可能是由于过早的抱死。如果防抱制动门限仅仅选取滑移率时，当处于迥异的路况时最佳的调控效果便很难实现。是以此时应考虑以角加减速度结合滑移率的方式来展开分析。这样就能够实现在不同的路况中体现出自适应的控制效果，在制动时这种控制系统就会将车轮的转速控制在一定范围内，而车轮转速则会在这一最优值左右波动。根据由车轮转速传感器取得角加减速度，于控制器而言可以轻易实现，但若是要得到实际的滑移率，就需要运用多普勒雷达或加速度传感器来实现对车速的测量，这将造成ABS的结构更加繁琐，同时经济成本大幅提高。因此，计算参考滑移率可通过采用设定的一个车辆制动减速度值和车轮转速信号实现，通过实验确定门限加减速度和车辆的制动减速度值，可实现不同的ABS在不同的车型不具有通用性。在系统控制的逻辑中，通常选用门限值这一方法。而比较量的选取是这其中最为重要的部分，一般有如下几种比较量：车轮角加减速度、角速度的变化率、对比滑移率和角加速度与角速度的比值等。比较量不同会产生各种不同的预选和复选的条件。预选条件通常是指车轮在发生抱死倾向之时，需要满足发生的条件。复选条件则是指车轮在有避免发生抱死趋向之时，需要满足发生的条件，但此时也增加了制动的压力。表3.1给出了自这些条件得出的逻辑算法。表3.1 主要的边界条件过程状态参数条件下次控制过程 1 增压w-a?Y减压N继续增压至w+a?Y保压N减压3保压增压 注：在本设计系统中，所选择的预选条件是角减速度小于门限减速度，所选择的复选条件则为角加速度大于门限加速度。3.2控制参数和相应算法3.2.1门限减速度的计算角减速度可通过车轮制动之初车轮上的施加压力进行计算，并在考量制动速度与滑移率等影响因素的基础上对轮减速度予以优化修正，最后得出的参数即为门限值的设定数值，因此若路面状况不曾发生改变，则滑移率的变化对路面附着系数不会产生影响，即附着系数不大于某一固定值，用公式来表达即表示制动力一直满足: （式3-1）车轮在一种情况下可能会出现抱死的倾向，即车轮减速度大于路面的最大附着力，由此能够得出简单的ABS逻辑： （式3.2）从这一控制逻辑点出发，全面地考量对值造成影响的主要影响参数，这些参数具体包括进程中的滑移率、轮速以及对初始测量得出出的减速度予以修正后的数值。而滑移率对最大附着系数的影响关系，可用如下公式表示： (式3.3) （式3.4） 式中是指最佳滑移率，是指附着系数，是指车轮滑移率；是指滑移率为1时的附着系数，是指最大附着系数具体地车轮速度对附着系数的影响关系可用公式近似表示为： （式3.5）在此期间，实际控制时的加速度门值会比较低。并且现实中路况并非理想状态，路况的状态差异以及传感器误差或噪音都会使得减速度大相径庭，因此要根据特定情况设定相应的减速度门值，当路面附着系数较高时，门值达到最大附着角速度较小，因而其余条件统一时，需设定较大的门值；而当路面附着系数较低时设定较小的门值，并且循环控制的产生，需要控制状态运行至轮胎特性曲线的波动区，该值若和减速度门值靠近，则会致使实际控制执行困难，进一步会导致ECU出现错误动作。3.2.2门限加速度的计算车辆的速度恢复主要取决于加速度门限值这个参数，假设门限值被设置的过大，车轮就可能达不到这个门限值。这种情形下的就容易导致失控的情况发生，而此期间车速也会持续维持在恢复的状态，若此门限值设定过小，则车轮会因为没有恢复充分而自动进入下一循环，此时就会产生将要抱死的情况。综上所述，在实际过程中，要对各方面因素进行多方位考量，具体情况具体分析，比如车型不同、路况不同等都需要大量的试验研究基础来对相应地加速度和减速度门限值予以评估。3.2.3路面识别的技术路面识别在系统的控制中是个很重要的因素，因为需要根据路面来确定加减速度门限，不同的路面特征是不同的，需要根据路面来确定合适的门限值。半经验轮胎模型在实际中得到了大量的应用，即利用非常巨量的数据展开分析整理后得出相应的经验公式以评判轮胎-路面状况的动力学性能。这之中PACEJKA魔术轮胎模型有效的解决了路面体系与轮胎试验大量数据的拟合关系，并且该拟合系数具有确定的物理意义，通过该系数可简易明了的获得一些参数对轮胎及路面系统的影响关系。因此在本文的研究中，路面识别方法先选用较大的数值设定为附着系数，继而展开滑移率的计算，求出门限值S1与S2，S1应小于S2，并且路面状况不同，其特性也有不同，例如在附着系数较高的路面上，ABS调控的进程中S小于S2的门限，而附着系数较低的路况中大于等于S2，因而可以利用这一点大概确定路面上的状况。3.2.4车身参考速度的确定当下对于车身速度的测定主要利用五轮仪和多普勒雷达进行，但是多普勒雷达价格较高，高成本使得其无法在现实中应用，五轮仪的观感度又较低，因而在汽车运行中通常对车身速度不进行直接测量，而是通过油车轮上的附加速度和角速度来建立车身的参考速度，如此更为简洁方便。假如初始制动进程中获得的角减速度小于角速度门限-a，这个时候轮速则为初始的参考速度，并且此时的减速度也成为了车身参考减速度，此后车身的速度可用公式表示为： （式3.6）轮速收集的具体计算方式，可通过设置高速输入通道HIS展开，即一项十六位的性能优异的单片机名称为80C196KC，其拥有四个高速输入口，依次为HIS0HIS3，恰恰能作为四个车轮轮速型号的输入端，而高速输入通道由 HIS选通逻辑、HIS时间和方式寄存器、FIF0寄存器、FIF0中断和控制逻辑、HIS状态寄存器、端口缓冲器、8分频记数器和输入跳变检测器等构件组成。有三个专用寄存器与高速输入通道有关，它们分别是HIS_TIME、HIS_MODE、和HIS_STATUS。而高速输入端口通过寄存器可以以四种方式对各引脚上是否有时间发生予以检验，并且具体的时间发生时刻也会得到记录，这种高速输入通道可以对八个时间同时记录，若高速通道选用了HIS包含的维持寄存器和FIFO队列寄存器，则CPU能够及时获取与处理有关的信息，从而完成其高速采集功能。一般而言HIS_MODE寄存器的端口地址即03H，其工作的方式为每两位选定一条HIS输入引脚。表3.2 HIS通道的四种工作方式状态字显示工作的方式具体的形式000000000每8次正跳变触发一次事件010101011每次正跳变触发一次事件101010102每次负跳变触发一次事件111111113每次跳变触发一次事件06H状态地址即为HIS_STATUS表示的四条引脚状态地址，高位表现为引脚目前的状况（1表示高电平，0表示低电平），低位表现为HIS事件寄存器中记录时刻下其引脚是否有具有事件发生（1表示有事件发生，0表示没有事件发生）。04H 基准地址即为HIS_TIME以定时器TI为事件的基准地址, HIS_TIME中储存事件发生时定时器TI的具体数值。 为了使得引脚改变情况被HIS及时准确的检测，需要说明的是在该单片机中，对于每一周期的HIS引脚采样要持续输入高低电平，并且其时间不得超过一个状态周期，如此才能将引脚变化予以测量。在本文的研究中轮速输入脉冲信号的频率及周期可通过下列公式具体求得： （式3-7)式中r=0.3，z=100，轮速范围标准为5-300Km/h，进而求得的信号频率与周期的范围确定值为： 以脉冲信号的高低电平最短维持时间约为11310-3S，而在本文制动系统的研究中，赫兹晶振频率为16MHZ，8个状态周期进行一次计数，是以系统每一微妙发起一次引脚采样，显而易见的是113微秒远大于一微秒，因而这种方法能实现对脉冲宽度的具体需求。在此期间，数据采集精度会为控制效果所影响。因此提高轮速信号的采集精度显得尤为重要。车辆有两种方法能够测量，一种是先进行F/V转换，再进行A/D的转换得到轮速，另一种是直接计数计算机的电路来得到轮速，有多倍周期法、周期法频率法和精度自适应法等。本文的研究中选用精度自适应法。将输入信号按照固定数予以分频即为多倍周期法，从而倍乘了被测周期，而脉冲频率f可通过以下公式进行计算： (式3.8)式中，代表了周期倍乘数，代表了一个周期累计时标脉冲个数，代表了时标信号周期。精度自适法从多倍周期法角度出发，并结合有关ABS对轮速控制的实时性和精确性展开设计研究，此类方法区别于多倍周期法，精度自适应法克服了低速计算实时性差的缺点，因为多倍周期法的轮速脉冲倍乘数m1为固定值。精度自适应法不仅仅确保了高低速计算的精确性，还有效保障了低速度控制的及时性。调整分频因子m1是使用多倍周期法的前提，一般而言，在低频时选用较小的数值增加高实时性，而高频时选用较大值保证测量精度。精度要求的限制条件和最大控制周期是确定分频数的两大边界条件，这种方式能够兼顾测量的精度和实时性，一旦输入信号小于最大的调控周期，便以中断的方式展开有关输入信号的收集。而控制实时性的保障需要预先设置最大的控制周期，其一般表示为Ts，再利用时间限制条件得出m1的上限值为，这一过程可用公式表示为： （式3.9）式中，t1表示实际频率信号的周期，m1的下限值可以利用精度要求的限制条件进一步计算。 （式3.10） （式3.11） (式3.4)是误差计算的公式。如果要求精度是a%，则 （式3.12） （式3.13）综合 (公式3.9)和 (公式3.13)，就能够确定m1的值 （式3.14）如上所述，得到m1上限值到m1的下限值，继而展开脉冲的计算，一般m1的上限值可通过控制周期Ts 求得，控制周期中脉冲分频值可从中选取，计算精度为常数，是以轮速与m2呈正相关关系，从而能够提高低速控制的实时性又保证了轮速的计算上的精度。3.3控制的进程在本文的研究中，将以路面高附着系数的情况进行分析，其它两种情况与此类似，所以不做过多分析，接下来将展开具体的逻辑门限值的控制方法探究。该控制过程相关系数变化如图3.1所示。制动之初，轮速随制动压力升高而减小，而减速度随之升高。第一阶段结尾时，当其低至门限值-a时，求得的滑移率仍旧小于门限值s。故此ABS控制体系会使得制动压力进入第二阶段（即维持阶段），此时车轮将被充分制动。而当滑移率超过门限值s时，便进入了第三阶段（即制动压力降低阶段）。而当制动压力降低时，车轮在惯性作用下继续加速，减速度会降低至门限值-a，此时就会进入制动压力的保持阶段，也即是第四阶段。当然，此时期汽车依旧受到惯性的影响，车轮持续加速，当其加速度达到加速门限+a，制动压力依旧维持，直至车轮的加速度大于第二门限值+a时，即进入乐第五阶段。这时候制动压力又一次升高，车轮的加速度减小，当轮速再一次小于+a，则进入制动压力的保持阶段，此即第六阶段，直至车轮加速度返回到+a之下。如果此时制动压力有所不足，则制动压力的控制通过增压保持的相互转换实施，此即第七阶段，这时候车轮滑移率将会在理想滑移率上下摆动。最后当车轮的减速度再次大于-a时，会进入了制动压力降低的第八阶段，这时候制动压力减小便无需考虑滑移率门限值的影响，也就将进入下一个调控循环的进程。图3-1高附着系数路面的控制过程（2） 低附着系数路面的制动控制过程图3-2低附着系数路面的控制过程（3）制动中路况突变的控制过程 图3.3路面附着系数由高向低突变的控制过程 3.4程序的设计有关采集轮速的过程设计中，第四事件进入FIFO时产生中断将作为ABS轮速信号的采集处理模块软件设计的主体，之后展开中断处理程序，中断服务程序，应首先终止服务程序来定义与中断有关的寄存器，进而设定出数据采集的其它参数。中断处理程序运行后，触发事件的通道可通过依次检测得出，假如某一通道触发该事件，则会展开触发中断程序，进入中断子程序，故此可以评定是否为发生了第一次中断，假如结果显示为是，则会在初始事件的寄存器中读取HIS_TIME内容，并将该值当做初始值的中断子程序；假如结果显示为不是，则将事件存入事件寄存器2中设为事件的最初值并退出中断子程序，而此时中断次数寄存器将会加一，并进而求得t1与t2的差值，将该差值存入寄存器中，并开启轮速处理子程序，最后退出程序。有关轮速处理的具体细节为：首先T事件车轮脉冲个数通过单片机检测确定，继而求得实际测量的事件Td,利用式3.7计算轮速，从速度寄存器里读取前一次速度值，车轮加速度可用如下公式表示为： （式3.15）车身参考速度可用公式表示为： （式3.16）车身滑移率可用公式表示为： （式3.17）滑移率数值确定后计算结束。有关主程序控制过程主要为：运行程序后需要检是否有故障发生，同时对内存进行清理，发起中断，输入和输出端口，发起看门狗，检查是否产生中断，如果有中断出现便展开速度和加速度等控制参数的计算，展开路面的识别，继而评估出车辆的运行状态，将这些值进行逻辑门限值的对比，评估制动压力的控制状态，是保压，增压还是减压，依此分别展开相应地调控，并对端口输出与之匹配的调控参量，循环重复直至制动过程结束。具体控制程序如下表3.3所示。表3.3 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用途1SP18H存放堆栈指针2T01(T01H,T01L)20H存放通道0的开始时间3T02(T02H,T02L)22H存放通道0的终止时间4T11(T11H,T11L)24H存放通道1的开始时间5T12(T12H,T12L)26H存放通道1的终止时间6T21(T21H,T21L)28H存放通道2的开始时间7T22(T22H,T22L)30H存放通道2的终止时间8T31(T31H,T31L)32H存放通道3的开始时间9T32(T32H,T32L)34H存放通道3的终止时间10HX(HXH,HXL)36H存放HSI_STATUSE的值11AX(AXH,AXL)38H存放HSL0的中断次数12BX(BXH,BXL)40H存放HSL1的中断次数13CX(CXH,CXL)42H存放HSL2的中断次数14DX(DXH,DXL)44H存放HSL3的中断次数15TD(TDH,TDL)46H存放时间间隔16EX(EXH,EXL)48H存放中间变量17VX(VXH,VXL)52H存放速度值18V1(V1H,V1L)56H存放上个循环的速度值19V2(V2H,V2L)60H存放当前循环的速度值20a (aH,aL)64H存放加速度值MAIN: DI LD SP,#00F0H ;设置堆栈指针 LDBINT_MAST,#04H ;允许外部中断 LDBIOC0,#55H ;允许HIS中断 LDAX,#0001H LDBX,#0001H LDCX,#0001H LDDX,#0001H EI ;开中断INT1: DI PUSHF LDHXL,08H JSB HXL.0,I0 ;判断是哪个通道 JSB HXL.2,I1 JSB HXL.4,I2 JSB HXL.6,I3 POPF EI ;开中断 RET;通道0轮速信号采集程序I0: DI PUSHF DECAX JEI0T2 ;判断是否为第一次中断 LDT01,04HI0T2: LD T02,04H INC AX SUBT02,T01 JLT I03 ;判断T2T1 LD TD,T02I03: LDEX,0FFFFH SUBEX,T02 ADDEX,T01 LDTD,EX ;存放时间差值 SUBTD,#0C350H JLE MAIN SJMPLSCHL0 POPF EILSCHL0: LD EX,#0FH ;计算轮速 MULEX,AX ;相乘 DIVUEX,#64H LDV,EX LDV2,V ;计算加速度 SUBCV2,V1 DIVUV2,TD LD a,V2 POPF EI RET;通道1轮速信号采集程序I1: DI PUSHF DECAX JEI1T2 ;判断是否为第一次中断 LDT11,04HI1T2: LD T12,04H INC AX SUBT12,T11 JLT I13 ;判断T2T1 LD TD,T12I13: LDEX,0FFFFH SUBEX,T12 ADDEX,T11 LDTD,EX ;存放时间差值 SUBTD,#0C350H JLE MAIN SJMPLSCHL1 POPF EILSCHL1: LD EX,#0FH ;计算轮速 MULEX,AX;相乘 DIVUEX,#64H LDV,EX LDV2,V;计算加速度 SUB
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号