毕业设计（论文）-ABS控制逻辑设计.doc

专科生毕业设计（论文）摘 要ABS系统可以显著提高或改善汽车紧急制动时的操控性和稳定性，缩短了制动距离，是一种新型的汽车电子控制产品，并得到了越来越广泛的应用。本文以轿车为研究对象，展开对汽车ABS的研究。主要完成了以下的工作：通过对单个车轮时的受力分析确定了影响车轮附着系数的主要因素；通过比较电磁感应式轮速传感器和霍尔效应传感器的性能优缺点，采用并设计了霍尔效应式轮速传感器；通过对控制结构的分析设计了以INTEL公司生产的80C196KC单片机为核心的实时控制系统，包括信号输入电路、控制输出电路、驱动电路等硬件部分；经比较各种控制方案，确定了“逻辑门限制法”作为控制方案，并选用加速度和滑移率的组合作为控制参数。采用事件门限来计算车轮的转速。本文通过学习比较根据所学只是设计了ABS控制系统。从理论上实现了ABS的控制功能，完成了设计要求。在设计过程中对汽车制动理论和制动装置有了较为深入的了解，扩大了自己的知识面，自己解决问题的能力也得到了提高。关键词：防抱死制动系统；电子控制单元；门限值滑移率；轮速传感器；AbstractAnti-lock braking system(ABS) can significantly increase or improve the vehicle at the time of emergency braking and stability control, reducing the braking distance, is a new type of vehicle electronic control products, and has been more and more widely. This paper studies car to start the study of automotive ABS. Completed the following major tasks： Through a single wheel at the time of stress analysis to determine factors affecting the wheels attached to the main factors; Electromagnetic induction by comparing the wheel speed sensors and Hall-effect sensor performance advantages and disadvantages of using the Hall effect and design-type wheel speed sensor; Through the analysis of control structures designed to INTEL company 80C196KC single-chip microcomputer as the core of the real-time control system, including the signal input circuit, output control circuit, drive circuit and other hardware; Comparison of various control programs to determine the logic gate limit law as a control program, and select the rate of acceleration and slip as the control parameter combinations. Threshold used to calculate the event of wheel speed. In this paper, the study compared the school is designed in accordance with the ABS control system. In theory the achievement of the ABS control functions, the completion of the design requirements. During the design process for automobile brake brake theory and has more depth of understanding, expand their knowledge, their problem-solving abilities have been improved.Key words： Anti-lock braking system(ABS);slip ratio;contorl strategy; miero poreessor目 录第1章 绪 论51.1 ABS系统的简介51.1.1 ABS系统的提出51.1.2 ABS的优点51.1.3 ABS的发展史61.1.4 国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品71.2 主要研究工作8第2章 防抱死制动系统基本原理92.1 制动时汽车的运动92.1.1 制动时汽车受力分析92.1.2 车轮抱死时汽车运动情况112.2 滑移率和路面附着系数的关系132.3 制动时车轮运动方程162.4 采用防抱死制动系统的必要性172.5 ABS的分类182.6 防抱死制动系统基本工作原理202.7 防抱死制动调压系统工作过程23第3章 防抱死制动系统硬件设计253.1 防抱死制动系统的基本组成253.2 MSP430F149最小系统263.3 电源设计273.4 系统输入调理电路283.5 故障诊断硬件电路设计31第4章 防抱死制动系统软件设计334.1 控制方案和控制参数的选取344.2 控制参数的计算354.2.1 车轮速度的求取354.2.2 滑移率的计算354.3 控制器的软件设计374.3.1 防抱死控制部分软件设计374.3.2 故障诊断部分软件设计37图4.9防抱死控制程序流程图384.4 防抱死制动系统发展方向42第5章 总 结44参考文献45致 谢4649第1章 绪 论1.1 ABS系统的简介1.1.1 ABS系统的提出凡驾驶过汽车的人都有一些经验，在被雨淋湿的柏油路上或在积雪道路上紧急制动时，汽车会发生侧滑，严重时会调头旋转。如果是在有车辙的雪路上行驶，左右车轮分别行驶在爱雪地上或露出的地面上，产生剧烈旋转的危险性更大。在这种路面上行驶时，若紧急制动，汽车方向就会失去控制。若是弯道就有可能从路边滑出或闯入对面的车道及时不是弯道也无法躲避障碍物。防抱死制动装置就是为了防止这些危险状况的发生而研制的装置。汽车防抱死制动系统是汽车在任何路面上进行较大制动力制动时防止车轮完全抱死的系统，是具有良好制动效果的制动装置，简称ABS（Anri-Lock Brake Sysrem）系统或ABS。这种系统利用电子电路自动控制车轮制动力，可以充分发挥制动器的效能，提高制动减速度和缩短制动距离并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，因此被认为时当今提高汽车行驶安全性的有效措施之一。1.1.2 ABS的优点以提高汽车行驶性能为目的而开发的各种ABS装置，其原理是充分利用轮胎和地面的附着系数，主要采用控制制动液压压力的方法，给各车轮施加最合适的制动力。其具有以下优点。 ABS系统的第一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系统可以将滑移率控制在20%左右，即可获得最大的纵向制动力的结果。 ABS系统的第二个优点是增加了汽车制动时的稳定性。汽车在制动时，四个轮子上的制动力是不一样的，如果汽车的前轮抱死，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向，这是非常危险的；倘若汽车的后轮先抱死，则会出现侧滑、用尾，甚至使汽车整个调头等严重事故。ABS系统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。资料表明，装有ABS系统的车辆，可使因车轮侧滑引起的事故比例下降8%左右。 ABS系统的第三个优点是改善了轮胎的磨损状况。事实上，车轮抱死会造成轮胎杯型磨损，轮胎面磨耗也会不均匀，使轮胎磨损消耗费增加。经测定，汽车在紧急制动时，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费，已超过一套防抱死制动系统的造价。因此，装用ABS系统具有一定的经济效益。 ABS系统的最后一个优点是使用方便，工作可靠。ABS系统的使用与普通制动系统的使用几乎没有区别。制动时只要把脚踏在制动踏板上，ABS系统就会根据情况自动进入工作状态，如遇雨雪路滑，驾驶员也没有必要用一连串的点刹车方式进行制动，ABS系统会使制动状态保持在最佳点。注意：ABS系统工作时，驾驶员会感到制动踏板有颤动，并听到一点噪音，这些都属于正常现象。ABS系统工作十分可靠，并有自诊断能力。如果它发现系统内部有故障，就会自动记录，并点燃琥珀色（黄色）ABS故障指示灯，让普通制动系统波继续工作。此时，维修人员可以根据记录的故障（以故障码的形式输出）进行修理。1.1.3 ABS的发展史ABS系统的发展可以追溯到本世纪初期，早在1928年制动防抱理论就被提出，在30年代机械式制动防抱系统就开始在火车和飞机上获得应用，博世（BOSCH）公司在1936年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权。进入50年代，汽车制动防抱系统开始受到较为广泛的关注。福特（FORD）公司曾于1954年将飞机的制动防抱系统移置在林肯（LINCOIN）轿车上，凯尔塞海伊斯（KELSEHAYES）公司在1957年对称为AUTOMATIC的制动防抱系统进行了试验研究，研究结果表明制动防抱系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离；克莱斯勒（CHRYSLER）公司在这一时期也对称为SKID CONTROL的制动防抱系统进行了试验研究。由于这一时期的各种制动防抱系统采用的都是机械式车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置，因此，获取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证，控制效果并不理想。随着电子技术的发展，电子控制制动防抱系统的发展成为可能。在60年代后期和70年代初期，一些电子控制的制动防抱系统开始进入产品化阶段。凯尔塞海伊斯公司在1968年研制生产了称为SURE TRACK两轮制动防抱系统，该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转速信号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动的制动压力调节装置对后制动轮缸的制动压力进行调节，并在1969年被福特公司装备在雷鸟（THUNDERBIRD）和大陆马克III（CONTINENTALMKIII）轿车上。克莱斯勒公司与本迪克斯（BENDIX）公司合作研制的称为SURE-TRACK的能防止4个车轮被制动抱死的系统，在1971年开始装备帝国（IMPERIAL）轿车，其结构原理与凯尔塞海伊斯的SURE-TRACK基本相同，两者不同之处，只是在于两个还是四个车轮有防抱制动。博世公司和泰威士（TEVES）公司在这一时期也都研制了各自第一代电子控制制动防抱系统，这两种制动防抱系统都是由电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对各制动轮以电子控制压力进行调节。别克（BUICK）公司在1971年研制了由电子控制装置自动中断发动机点火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱转系统。瓦布科（WABCO）公司与奔驰（BENZ）公司合作，在1975年首次将制动防抱系统装备在气压制动的载贷汽车上。这一时期的各种ABS系统都是采用模拟式电子控制装置，由于模拟式电子控制装置存在着反应速慢、控制精度低、易受干扰等缺陷，致使各种ABS系统均末达到预期的控制效果，所以，这些防抱控制系统很快就不再被采用了。进入70年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为ABS系统向实用化发展奠定了技术基础。博世公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的制动防泡系统-博世ABS2，并且装置在奔驰轿车上，由此揭开了现代ABS系统发展的序幕。尽管博世ABS2的电子控制装置仍然是由分离元件组成的控制装置，但由于数字式电子控制装置与模拟式电子控制装置相比，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，因此，博世ABS2的控制效果己相当理想。从此之后，欧、美、日的许多制动器专业公司和汽车公司相继研制了形式多详的ABS系统。1.1.4 国内ABS系统研究的理论状态和具有代表的ABS产品我国ABS的研究始于20世纪80年代初，现刚刚进入产品试制和装车试验阶段。随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高，行车安全问题变得越来越突出。ABS系统的研究在我国成为热门课题，许多高校、科研单位和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。国内研制ABS的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。东风公司从80年代初就开始研究ABS，是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收。重庆公路研究所相继开发出了两代ABS产品，第一代ABS的ECU采用了280芯片。第二代ABS产品为FKX一ACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国NITEL公司的MCS一96系列8098单片机。我国前己着手制定有关车辆安全性方面的法规，并决定首先在重型汽车和大客车上安装ABS系统。从1998年起，国产的奥迪、桑塔纳和富康等轿车，已普遍装上了ABS。预计不久的将来，我国自己生产的汽车上都会装用ABS。1.2 主要研究工作根据西安艾韦机电科技公司提出的具体要求，给出了相应的ABS设计方案，并进行了初步试验，理论和试验结果都表明，此设计方案能够将汽车在制动时车轮的滑移率限制在一定范围之内，避免车轮抱死，满足了控制要求。第二章首先给出了汽车防抱死系统工作原理，分析了ABS制动系统的特点、附着系数与滑移率的关系曲线；通过本章对ABS制动系统主要组成部分的原理和模型进行的研究，对ABS的工作原理有一个初步的了解。第三章对防抱死制动系统ABS的电子控制单元ECU的硬件电路和故障诊断电路进行了设计。对所选用的器件和电路进行了分析。实践表明，控制电路能够满足ABS的实时性控制要求，故障诊断电路能够准确的检测出元器件故障，为维修人员提供便利。第四章对“PID控制方式”、“最优化控制方式”、“滑模变结构控制方式“基于门限值的控制策略”等进行了比较与研究，最终采用基于车轮角加、减速度和滑移率门限值的控制策略，该设计方案能够满足设计精度要求，并且设计成本较低。本章对该控制策略进行了深入研究，给出了控制系统流程图，并在模拟试验台上进行了试验。第五章对研究工作进行了总结，并展望了汽车ABS制动系统发展方向。第2章 防抱死制动系统基本原理ABS系统能够通过控制制动过程中车轮的运动状态，使车轮不产生抱死，保证汽车制动时处于最佳的制动状态，即保持方向稳定性、方向操纵性和缩短制动距离。所以，要对ABS系统进行研究，就必须先了解汽车制动时的制动特性。 2.1 制动时汽车的运动2.1.1 制动时汽车受力分析图2.1 为制动车轮的受力分析。在回转方向上，车轮的力学平衡方程为：地面制动力Fx制动力距Tb车轮角速度前进速度Vx图2.1制动车轮受力图 （2-2）式中：Fx地面制动力(轮胎纵向力)；Tb 制动器制动力矩；I车轮转动惯量； 车轮角速度。由上式可知，车轮的运动状态由制动器制动力矩Tb和地面制动力Fx共同决定。轮胎与路面之间的作用力(包括纵向力Fx和侧向力Fy )是受附着极限限制的，所以当制动器制动力Tb过大时，车轮会出现抱死的趋势。 制动时，轮胎制动力Fx、侧向力Fy与车轮的滑移状态有直接的关系。通常定义车轮纵向滑移率Sb =(车速Vx-轮速V)/车速Vx来描述制动时车轮的滑移状态。轮胎制动时的制动力Fx、侧向力Fy和制动滑移率Sb之间的关系如图 2-2 所示。从上式可以看出，当车速等于轮速时滑移率为零。汽车制动时两者差别越大，滑移率越大，车轮抱死时，车速为零，滑移率达到100%，从开始制动到滑移率达到某一个数值，在这个过程中附着系数是随滑移率增加而增大的。ABS 系统就是通过自动调节车轮的制动力矩，以达到上述目标而采用的机构。ABS 的优越性表现在以下几个方面：1) 有效地利用轮胎与路面间的附着条件，提高制动效能，缩短制动距离。这一点对于在潮湿和冰路面上制动尤为突出。2) 制动过程中保持转向能力，防止侧滑发生。有效地减少了事故的发生，保证了制动安全。3) 避免轮胎的抱死拖滑，减少胎面磨损，提高了轮胎的使用寿命。汽车制动防抱死装置可感知制动轮每一瞬间的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动力矩的大小，避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环制动系统，可使得汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高了行车的安全性。其系统控制框图为：驾驶员制动意识轮缸压力调节器路面状况交通状况气候状况制动踏板动作管道流体压力控制指令车轮转速信号车轮电子控制装置制动器轮缸压力图2.3控制框图根据ABS的控制原理，理想的制动过程是使纵向滑移率始终控制在boptS上。但在制动时工况的变化范围很大，影响制动效果的因素也很多，这种理想的控制要求难以实现。因此，目前的ABS都是将先进的机械和电子技术结合起来，最大限度地发挥机电一体化的优势，开发出较好防抱制动系统，使实际制动过程接近于理想的制动过程。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2.4所示。图2.4(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2.4(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魄线行驶(这种运动叫外旋转)。图2.4(c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这状态很不稳定，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2.5所示。所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。(a)前轮抱死(b)后轮抱死(c)前后轮同时抱死图2.4汽车直线制动车轮抱死时的运动情况(a)前轮抱死 (b)后轮抱死 (c)前后轮同时抱死图2.5汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况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。2.2 滑移率和路面附着系数的关系制动时道路作用于车轮上的纵向附着力就等于汽车制动力。道路给予汽车转向轮的侧向附着力就是使汽车转向的侧向力。定义纵向附着力为。侧向附着力，车轮的垂直载荷N，则纵向附着系数叭和侧向附着系数叭可以用下式表示： （2-6） （2-7）汽车在制动的过程中出现车轮抱死时，车轮的运动状态并不是从旋转状态突然进入到相对于汽车停止的抱死状态，即车轮从旋转状态进入抱死状态要经历一个过渡过程。在此过渡过程中，车轮相对于汽车的转速慢慢降低，直至为零时车轮抱死。若以车轮抱死时的抱死程度为最大，则在过渡过程时车轮的抱死程度就较小，在不对车轮进行制动时，车轮抱死的程度为最小。车轮滑移程度用滑移率S表示： （2-8）式中：V：车轮中心的速度，单位m/s；。：车轮制动时转速，单位弧度/s；r：没有地面制动力时的车轮滚动半径，单位m；这里=，车轮中心的速度v即为车速。显然，滑移率S的取值范围为0-1。当不对车轮进行制动时，车轮随汽车的运动而滚动，由车轮轮速计算出的车轮中心速度和汽车的速度大小相等，滑移率为0。若对车轮施加制动，车轮的旋转将减速，这时由轮速计算的车轮中心速度比车速小，使汽车开始拖动车轮使车轮中心的速度汽车速度一样，造成车轮相对路面产生滑动，车轮既做滚动又做滑动，滑移率介于0和1之间。当制动增强时，车轮的转速逐渐变小，最终为零，这时汽车拖带车轮相对于路面做纯滑动，滑移率为1。可见，滑移率能够定量表示车轮抱死的程度。车轮滑移率和车轮的纵向及侧向附着系数之间有如图2.7所示的关系。显然它们之间的关系是一种非线性关系。图2.9滑移率和附着系数之间的关系滑移率为零时，纵向附着系数为零，侧向附着系数为最大。滑移率增大时，车轮与地面之间开始出现滑动，纵向附着系数近似呈线性增长，同时侧向附着系数减小。当滑移率继续增大时，纵向附着系数在滑移率S为20%左右时达到峰值后开始迅速减小。达到峰值时的纵向附着系数称为峰值附着系数，侧向附着系数继续减小。车轮抱死时，滑移率为最大，纵向附着系数降至某一数值后不再变化，侧向附着系数在车轮抱死时几乎为零。实质上车轮通过轮胎的胎面与地面接触，轮胎是弹性体，有很强的非线性，车轮滑移率和附着系数之间的非线性是轮胎的非线性及轮胎与地面之间接触的非线性所造成的。由于制动时地面作用在车轮上的地面制动力。：和侧滑摩擦力。与车轮的附着系数之间存在式(2.6)、(2.6)所示的线性关系，所以在制动过程中汽车所受到的地面制动力。和侧清摩擦力。，与车轮的滑移率S之间也存在同样的非线性关系。并且，从图2.9中纵向附着系数与车轮滑移率之间的关系还可以得出，制动时车轮由转动到抱死的过程中，地面制动力F。将会在车轮的运动状态处于滑移率S在20%左右的区域时，达到一个最大值，车轮抱死时，地面制动力反而会减小，减小的程度示路面种类的不同而不同。所以，制动时车轮抱死不仅影响到汽车制动的方向稳定性和方向操作性，还通过地面制动力的变化影响到汽车的制动距离。如果能在制动时把车轮的运动状态控制在车轮滑移率S为20%左右，即在图2.9中的带状区域内，既能获得最大的纵向附着系数又能获得较高的侧向附着系数，使得汽车具有最大的地面制动力和较大的侧滑摩擦力。这样能够在保证汽车的方向稳定性和操作性的前提下使汽车有更短的制动距离。这就是ABS系统的基本控制目标。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2.10给出了不同类型路面上滑移率一纵向附着系数之间的关系。图2.10不同路面上滑移率和纵向附着系数关系由图2.10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，并且对应不同路面类型的滑移率一纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达0.80.9，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.1一0.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计ABs系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的纵向附着系数越低。但在同一路面上以不同制动初速度制动时车轮的附着系数一滑移率关系曲线不会有太大变化。总之，对于在一种路面上制动的汽车，车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决定汽车制动性能的主要因素。实际上，汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性变化过程，即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程，所以说汽车的制动过程是一种非线性的制动过程。2.3 制动时车轮运动方程图2.11制动过程单轮受力简图制动车轮轴和与支撑力N平衡，该轮转动衡量J，半径r，轴心平衡速度V。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地面制动力，紧急制动不计滑动阻力。则有 （2-12）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Vo，质量为m(重力G)，质心c到前后轴距离，I1，I2轴距L轮距B，质心高h汽车制动减速度为： （2-13）前轴载荷 （2-14）后轴载荷 （2-15）制动时附加转向力矩（2-16） （2-17）从式(2-13)可知，调节制动压力可以使车轮角减速度产生变化；从式(2-17)计算制动时的瞬时车速V，可计算各车轮滑移率，从式(2-14)(2-15)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/dt(角加速度)或滑移率S，或滑移率与角加速度联合作为控制参数。2.4 采用防抱死制动系统的必要性汽车直线行驶过程中，突然紧急制动，汽车车轮一下子抱死，汽车仍然向前滑行，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%825%时，轮胎和地面的摩擦力(附着力)最大。如果轮胎的滑移率过大的话，附着力反而要降低。如果司机能控制轮胎的滑移率，使其在制动期间始终处于8%25%范围之内，汽车将在更短的制动距离内停车。当汽车转向时，如果汽车紧急制动的话，和直线行驶一样会出现车轮抱死现象。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，汽车丧失了控制方向的能力，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，方向盘已经不起作用了，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。2.5 ABS的分类(1)按控制方式分目前ABS按控制方式可分为两种：模仿控制方式和预测控制方式。模仿控制方式是在控制过程中，记录前一控制周期即从制动减压到增压过程中的参数，在按照这些参数规定出下一控制周期的控制条件。此种控制方式更接近理想的制动控制，它能对制动过程中各种因素（如制动时的路面条件、使用的挡位等）的影响及时修正，在各种路面或行驶条件下紧急制动时，使车轮滑移率的变化范围更窄。预测控制方式是预先规定控制参数和设定值等控制条件，然后再根据检测的实际参数设定值进行比较，对制动过程进行控制。根据控制参数不同，采用预测控制方式的ABS有可分为下列四种形式：1、以车轮减速度为控制参数的ABS。此种形式的ABS通过轮速传感器检测轮速，并对其进行微分计算求的车轮减速度，然后与ABS电脑中预先设定的车轮减速度限制进行比较，根据比较结果想执行机构发出指令以增加或减小制动压力，对制动过程进行控制。2、以车轮滑移率为控制参数的ABS。此种形式的ABS通过传感器见此的车速和轮速计算求的车轮的滑移率，然后与ABS电脑中预先设定的车轮滑移率限值进行比较，根据比较结果向执行向执行机构发出指令以增加或减小制动压力，对制动过程进行控制。轮速传感器可标准检测轮速，而准确检测车速比较困难，目前ABS中应用较多的检测车速的方法是根据车轮速度近似计算车速。3、以车轮减速度和加速度为控制参数的ABS。此种形式的ABS通过轮速传感器检测轮速，并计算求得车轮减速的或加速度，在ABS电脑中预先设定有车轮减速的限值和加速度限值，ABS电脑对车轮减速度或加速度与设定值进行比较，对制动过程惊醒控制。当车轮减速度差超过其设定值时，ABS电脑执行机构发出指令减小制动压力，此后车轮将加速旋转；当车轮加速度查过器设定值时，ABS电脑向制动机构发出指令增加制动压力，此后车辆将减速旋转；如此反复实现ABS控制。4、以车轮减速度、加速度和滑移率为控制参数的ABS。(2)按ABS的布置形式分类ABS的布置形式是指轮速传感器的数量、制动压力调节器控制的通道数和对各车轮制动器制动压力的控制方式。以下分类仅对双轴四轮汽车而言，不包括汽车、列车。 四传感器、四通道、四轮独立控制的ABS。此类ABS适用于双制动管路为前、后轮独立布置形式的汽车，具有四个轮速传感器和四个控制通道、系统根据各轮速传感器的信号分别对各车轮进行单独控制。采用此类ABS汽车，制动效能和制动时的操作性最好，但在左、右车轮所处的路面条件不同时，汽车制动时的方向稳定性较差，主要原因是在此种路面上同轴左、右车轮的制动力不等，易造成汽车制动跑偏。 四传感器、四通道、前轮独立-后轮低选择控制的ABS。此类ABS适用于双制动管路为交叉形式（X形）布置得汽车，具有四个轮传感器和四个控制通道，系统根据各轮速传感器的信号分别对两前轮进行单独控制，而对两后轮按选择方式控制，且一般采用低选择控制，即以易抱死的后轮为标准对两后轮进行控制。采用此类ABS的汽车，制动时的操纵性和方向稳定性均较好，但制动效能稍差。器原因是在各种路面上，两后轮获得的制动力均相等，但制动力的大小以易抱死的后轮为标准，另一侧后轮不能获得最大的制动力。 四传感器、三通道、前轮独立-后轮低选择控制ABS。此类ABS适用适用于双制动管道为前、后轮独立布置形式的汽车，采用四个轮速传感器实现两前轮的单独控制和两后轮的低选择控制。 三传感器、三管道、前轮独立-后轮低选择控制的ABS。此类ABS仅适用于双制动管路为前、后轮独立布置形式且采用后轮驱动的汽车，后轮的速度信号由装在差速器上的一个测速传感器检测，按低选择方式对两后轮进行制动控制。 四传感器、两通道、前轮独立控制的ABS。此类ABS事一种简易的防抱死制动系统，两前轮独立控制，通过PV阀（比例阀）按一定比例将制动压力传至后轮。 四传感器、两通道、前轮独立-后轮低选择控制的ABS。此类型ABS的布置形式的类型和基本相同。 一传感器、一通道、后轮近似低选择控制的ABS。此类ABS适用于制动管路为前、后轮独立布置形式且采用后轮驱动的汽车，通过一个装在差速器上的轮速传感器和一个通道，只对两后轮进行近似低选择控制。此类ABS不对前轮进行制动控制，其制动效能和制动时的操纵性均较差，应用较少。(3)按ABS的结构及原理 液压制动系统ABS。 气压制动系统ABS。 气顶液制动系统ABS。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2.18所示。汽车开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动管路中油压由零开始上升，制动器使车轮上产生制动力矩，同时产生地面制动力使汽车和车轮都开始减速。此时ABS系统不对制动过程进行干预，所以制动油压迅速增加，车轮减速度也增大。当车轮减速度的值达到规定的门限值-a时，产生减压信号，图2.18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2.18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2.18中3点，产生升压信号，ABS使制动油压上升，车轮加速度在上升一段时间后开始减小，车轮由加速状态又进入减速状态，并再次进入另一个控制循环。ABS通过这样的控制过程可以使车轮的速度控制在一定的范围内而不产生抱死。这种控制方法的关键在于对车轮加、减速度门限值的设定，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。EUC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。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EUC判定右前轮趋于抱死时，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，EUC判定右前轮仍然趋于抱死，EUC又使右前出液电磁阀也通电图2.18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而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动液就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小，右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前轮的抱死趋势己经完全消除时，ECU就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转，向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵通电运转，向制动轮缸泵送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的右前进液电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开始减速转动。ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复地经历保持一减小一增大过程，而将趋于抱死车轮的滑移率控制在峰值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。2.7 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。图2.19液压调节器工作原理图1-低压储能器；2-液压柱栓泵；3-电动机；4-制动主缸储液室；5-制动主缸；6-储液室；7-进液电磁阀；8-出液电磁阀；1、常规制动过程制动系统在常规制动过程中(未出现防抱死现象)，调节器中的各个2位2通调压电磁阀不通电。其中，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)，直到电子控制单元但CU)通过计算得知车轮有抱死倾向为止。保压过程当ECU通过转速传感器得到信号识别出车轮有抱死倾向时，ECU发出控制信号关闭相应车轮的进液电磁阀，并让出液电磁阀继续保持关闭状态，该制动轮缸中的制动液压被封闭而使制动压力保持一定。减压过程如果在保压阶段车轮仍有抱死倾向，则ABS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。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。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周返回制动主缸，低压储能室排空，为下一次工作做好准备。第3章 防抱死制动系统硬件设计3.1 防抱死制动系统的基本组成ABS系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)和电磁阀三部分组成，其系统原理结构框图如图3.1所示。传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速，传感器一般为磁电感应式。ABS工作时EUC接收传感器送来的车轮信号，一般为符合EUC电压要求的矩形电压波，然后固化在EUC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，EUc是ABS系统的控制中心，EUC中固