（农业工程专业论文）汽车防抱死制动系统信号采集电路的设计和轮速信号处理.pdf

摘要 汽车舢弧防抱死制动系统足一套能在制动过程中随时监控车轮滑转程度，并依此自动 调节作用在车轮上的制动力矩防止车轮抱死的电子控制装置。它主要采用控制制动液 压压力的方法，给各车轮旅加最合适的制动力，以达到提高汽车制动能力的目的。 目前，国内外许多a b s 系统车轮轮速传感器在轮速较低时信号处理不理想。为了解决 这一问题，本文进行了汽车防抱制动系统电子控制器设计的研究。 本文的研究是在实验的基础上进行的。 本文设计开发了防抱制动系统的电子控制器，包括电源、c p u 、轮速传感器信号处理 以及电磁阀控制电路。在轮速传感器信号处理方面，增加了频率，电压转换电路。试验证 明该电子控制器工作可靠，在车轮转速较低情况下可保证测量准确，解决了轮速较低 时采用计数方法误差较大的问题。 关键词：防抱死制动系统，轮速信号，测量 m a b s t r a c t a n t i l o c kb r a k es y s t e m ( a b s ) i sa l le l e c t r o n i cc o n t m lu n i tw h i c hc a nm o n i t o r t h es l i p p i n ge x t e n to ft h ew h e e l sd u r i n gb r a k i n g ，a n dc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s t b r a k i n gm o m e n to nt h ew h e e la c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n gs y s t e mt op r e v e n tt h e w h e e lf r o ml o c k i n gu p i tm a i n l ya d o p t st h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt h eb r a k i n go f h y d r a u l i cp r e s s u r e ，a n de x e r t st h em o s ta p p r o p r i a t eb r a k i n gf o r c et oe a c hw h e e li n o r d e rt oi m p r o v et h ea u t o m o b i l eb r a k i n gp e r f o r m a n c e s n o wa th o m ea n da b r o a dm a n ya b ss y s t e m ss e n s o ro fw h e e ls p e e di sn o ti d e a l w h e nd e a l i n gw i t hq u i t ew e a ks i g n a l f o rt h ep u r p o s eo fs o l v i n gt h i sp r o b l e m ，t h i s a r t i c l cd o e sr e s e a r c hi na b se l e c t r o n i c a lc o n t r o l l e r t h eo n et h a tt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e ro fa u t o m o t i v ea u f i - l o c kb r a k es y s t e m ， i n c l u d i n gt h ep o w e rs u p p l y ，t h e w h e e ls p e e ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h es o l e n o i d v a l u ec o n t r o lc i r c u i t ，a r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d i nt h ew h e e ls p e e ds i g n a l p r o c e s s i n g ，ac r i t i c a lf r e q u e n c yv o r a g ec o n v e r s i o nc i j c u i ti sa d d e d i ti sp r o v e db y l e s t st h a tt h ec o n t r o l l e rw o r k sr e l i a b l y ，a n dt h em e a s u r e dr e s u l t sa tl o ws p e e da r e s t i l ls u f f i c i e n t l ya c c u r a t e ，w h i c hs o l v e st h ep r e c i s i o np r o b l e mo ft h ec o u n t i n g m e t h o d k e yw o r d s ：a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，w h e e lr o t a t i o ns p e e d ，m e a s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 ! 导中国农业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：上 土爰时间：卫口。5 年占月s 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留遴交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式 在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：互久镬时间：2 0 。6 年舌月j 日 导师签名： 时间：扩6 年6 月厂日 第一章绪论 1 1 研究的意义及目的 1 1 1 研究的意义 汽车行驶在湿滑路面上实行紧急制动时，会发生侧滑，甚至会出现旋转掉头现象 相当多的交通事故便由此产生。 有经验的司机都知道：在很滑的路面上行驶或车速很高时，汽车制动必须连续地轻 踩踏板，让车轮不抱死拖滑，车辆才不会跑偏、甩尾，同时具有转向能力。 研究表明，车辆制动过程中： 1 制动抱死时在车轮前进方向和左右方向上的路面摩擦力大大下降，此时滑移率 为1 0 嘛且制动力变小，这是因为当车轮完全抱死后，轮胎与地面摩擦产生高温，使轮胎“稀 化”，地面附着系数变小，车轮就会造成跑偏、甩尾、丧失转向能力等现象，它不仅会延 长汽车的制动距离，还会使汽车丧失方向稳定性和失去转向操纵能力； 2 车轮纯滚动状态下滑移率为0 ，即不产生制动： 3 在常见的路面上当滑移率为2 哦左右时，制动力最大： 4 当车轮处在半滚动半滑动的不完全抱死状态时，路面对地面的摩擦力为最佳。 另一方面汽车制动过程中的方向稳定性及转向能力与制动过程中的侧向附着力有 关； 1 当车轮在纯滚动状态下时滑移率为0 ，侧向附着力最大，但制动力为0 ，即不产生 制动i 2 当滑移率为1 0 0 j 6 时。侧向附着力很小，也就是说当车轮完全抱死时，稍有横向力 ( 如横风、左右轮制动力不相等、装载不均形成一旋转惯性力矩等) 汽车就可产生侧滑， 同时由于侧向附着力很小，汽车在制动抱死时失去转向能力； 3 当滑移率为2 0 9 左右时，有一定的侧向附着力。 由此可知：要使汽车在缴向产生最大制动力，侧向又具有一定的附着力，要求紧急 制动时车轮的滑移率为2 0 左右，此时，既能使汽车获得较高的制动效能，又可保证汽车 在制动时的方向稳定性，还可减少轮胎的磨损。汽车理想的制动特性是在制动时将车轮 滑移率控制在1 5 - 3 0 之间。 汽车a b s 防抱死割动系统便是一套能在制动过程中随时监控车轮滑转程度，并依此自 动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮自动抱死的装置。在制动系统中附设防抱制 动系统的目的就是在车速较高情况下，进行制动时防止车轮发生制动抱死并将车轮滑移率 中国农业大学工程硕士学位论文 第一章绪论 控制在最佳范围内使车轮既能产生撮大的制动力，又具有较高的抗横向滑移的能力。”1 防抱死制动系统主要采用控制制动液液压压力的方法，给各车轮施加最合适的制动 力，以达到提高汽车制动能力的目的。它用传感器代替司机的眼睛检测出每个车轮的转 速，送入控制器内，控制器相当于司机的大脑，对送入的转速信号加以分析处理。当它 发现某个车轮要抱死时，立即让调节器适量排放制动空气，减少制动毂与错8 动蹄问的摩 擦力，让车速适当上升；当控制器发现轮速过快，说明制动蹄片摩擦力不足。立即让调 节器停止放气，压缩空气通过调节器进入制动气室，让车速慢下来，在这里调节器的作 用相当于司机点制动的动作。按上述过程，控制器反复调控制动压力，让车轮滑移率始 终保持在理想的范围内，使制动力达到最佳。控制器会根据四个车轮的不同情况或路面 的不同情况分别给予不同的处理方式，调节器调节过程很快，一秒钟可多达2 6 个调节循 环。 1 1 2 研究的目的 据欧洲国家统计：a b s 技术的应用使得摩托车交通事故减少1 0 、轿车和轻型车交 通事故减少8 嘣、重型车减少1 0 。 自上世纪7 0 年代以来，随着a b s 技术的成熟，国外汽车新车的安装率超过5 0 ，其中 重型车、大客车安装率达1 0 0 ，国内也开发出具有独立知识产权的a b s 系统，有些产品接 近国际先进水平，某些性能超过国外产品但目前，国内外许多a b s 系统的车轮轮速传感 器( 也称轮速传感器) ，在轮速较低时信号处理不理想，尤其在国内许多轮速传感器都存 在低速界限速度过低时，测量误差大，精度低。 本课题设计的目的是在设计防抱死制动系统电子控制器相关元件的基础上，处理好 低速时传感器信号弱的问题，以便准确地测量制动过程中的轮速信号，将滑移率控制在 最佳滑移率附近。从而提高农用车的安全性。 1 2 国内外研究现状“m n m a b s 系统的发展可追溯到上世纪韧期，距今已有七十多年发展史。早在1 9 2 8 年制动防 抱理论就被提出，在3 0 年代机械式制动防抱死系统就开始在火车和飞机上获得应用；进 入5 0 年代，汽车制动防抱系统开始受到较为广泛的关注；到y 6 0 年代，虽然电子技术的 发展已解决了复杂的逻辑控制难题，但a b s 的功能和性能受到机械制造、成本和可靠性等 的限制，应用范围受到了影响：2 0 世纪7 0 年代末，在计算机技术高速发展的推动下，欧 = i l 研制成由数字计算机与电磁阀调节器组成的电控防拖死制动系统。从此，a b s 技术在汽 车上得到了推广应用。 随着a b s 技术的成熟，国外汽车新车的安装率超过5 0 其中重型车、大客车安装率达 l 0 0 9 6 。a b s 防抱死制动系统在欧洲几乎所有车辆上，甚至非常恶劣的路面条件下。如在冰 2 中国农业大学工程硕士学位论文 第一章绪论 上或雪地上行驶时，即使驾驶员处在反应过度的情况下，车轮也不会拖死，从而使车辆 保持其操纵性，保证列车在其车道上行驶的方向稳定性和最短的制动距离。在发达国家 a b s 已成为汽车标准配置，不少欧美国家的制动法规都规定：在一定吨位的载重车和客车 ( 1 0 吨以上) 强制装用防抱制动系统。 a b s 体积不断减小、重量逐渐减轻、动作更快、控制和诊断功能不断增强，液压a b s 系统己将e c u 与压力调节装置集成为一体，可作为一个附加系统增加到常规制动系统中 去，e c u 已普遍采用1 6 位单片机或数字信号处理器作为c p u ( 中央处理器) 。同时采用通用 的诊断协议接口，并和其它的汽车电子控制系统用总线结构联接起来，达到资源共享， 向系统集成化的方向发展。 我国的 b s 开发起步晚，经过几年研究，已开发出具有独立知识产权的a b s 系统，有 些产品接近国际先进水平，某些性能超过国外产品在我国r b s 已逐渐批量地应用到各种 轿车及丈中型客车上它不仅极大地提高了汽车制动装置的制动安全效能，而且能有效 地提高汽车制动时的转向稳定性，防止汽车制动时发生侧滑和甩尾，大大增加了驾驶员 行车时的安全性随着a b s 在我国逐渐得到广泛应用，国家有关部门于1 9 9 9 年重新修订颁 布了汽车制动系统结构、性能和试验方法) 强制性标准。该标准规定：2 0 0 0 年l o 月1 日 起，有关制动性能必须在车轮不抱死的条件下获得；2 0 0 3 年1 0 月1 日起，大型旅游客车和 重型载货汽车及其挂车必须装备符合汽车防抱制动系统性能要求和试验方法中规定 的a b s 。虽然我国a b s 开发已取得阶段性成果，但与国外相比总体水平仍有一定差距试 验及检测设备也较落后，被圆人认可还需一定的时间。 近年来，国内车辆激增，交通事故也里上升趋势，所以交通安全受到社会各界的广 泛关注。而防拖系统对减少交通事故具有很重要的意义，国内许多科研机构及院校都投 入人力、物力进行研究开发，国家也把它列为“九五”科技攻关项目、将其列为重点开发内 容，所以开展对防抱死制动系统的研究具有十分重要的现实意义。 1 3 课题的研究目标及研究内容 安全、环保和节能是现代汽车发展的三大技术主题，其中又以安全居于首位，由于 防抱死制动系统能显著提高汽车的主动安全性而备受关注。a b s ( a 1 1 t i - l o c kb r a k i n g s y s t e m ) 防抱死制动系统作为一种提高汽车主动安全性的有效措施，在一些发达国家已 得到广泛应用。在我国应用技术还不完全成熟。它可使汽车在紧急制动过程中具有最大 的制动力、良好的方向稳定性和转向性。 1 3 1 本课题的主要目标是： l 设计电子控制器中的电源电路、看门狗电路、轮速传感器信号处理电路( 电子控 制器包括电源电路、中央处理器、看门狗电路、轮速传感器信号处理电路和电磁阀控制 电路。) ； 2 使a b s 装置的电子控制器能准确测量制动过程中的轮速信号。 1 3 2 本课题主要研究内容是： l 设计直流稳压电源，将蓄电池提供的不稳定电压转变为可供e c u ( 电子控制器) 使 用的高稳定电压； 2 设计为防止程序运行中进入死循环的电路，确保控制程序能够正常运行； 3 设计轮速传感器信号处理电路来解决低速时传感器信号弱的问题。 1 4 本章小结 本章主要阐述了本课题的研究目的、意义和内容，以及防抱死制动系统的国内外研 究现状。防抱死制动系统作为提高汽车主动安全性的有效装置，受到了国内外有关专家 的高度重视，我国也把它列为“九五”重点攻关项目，而_ b s 防抱死制动系统的普遍问题是车 轮转速较低时信号处理不理想，本课题主要针对这一现象展开实验、研究。 4 第二章防抱死制动系统控制 2 1 信号与系统【1 1 】【1 2 】1 1 3 】f 1 4 j l l 5 1 1 1 6 】 2 1 1 信号 广义地说，信号是带有信息的随时问变化的物理量或物理现象。例如机械振动产生 力信号、位移信号及噪声信号；雷电过程产生的声、光信号等。本文只讨论应用广泛的 电信号，它通常是随时间变化的电压或电流。由于信号是随时间变化的，在数学上可以 用时间t 的函数f ( t ) 来表示。 信号的特性可以从时间特性和频率特性两方面来描述，由于信号有各自不同的时间 特性和频率特性，故信号的形式不同。但信号的时间特性和频率特性有着对应的关系， 不同的时间特性将导致不同的频率特性出现 按时间函数的确定性划分，信号分为确定信号和随机信号两类。 确定信号是指信号随时间的变化服从于某种确定规律能用确定的数学函数表达， 对任一确定时刻，信号有确定的函数值；随机信号不能预知信号随时阔变化韵规律，不 是时间的确定函数，即不能用数学关系式描述 确定信号又可以进一步分为周期信号、非周期信号和准周期信号。周期信号是指按 某一固定时间重复出现的信号；非周期信号在时间上不具有周而复始的特性，往往具有 瞬变性，也可以看作是一个周期趋于无穷大时的周期信号；准周期信号是周期与非周期 的边缘情况，是由有限个周期信号合成，但各周期信号的频率相互间不是公倍关系，其 合成信号不满足周期条件。 无论周期信号还是非周期信号，若从对闯变量的取值是否连续出发，又可分为连续 时间信号与离散时间信号，简称为连续信号与离敬信号。连续信号是指在所讨论的时间 间隔内，除了若干个第一类间断点外，对于任意时嘉都可给出确定的函数值，此类信号 称为连续信号或模拟信号；离散信号是指在所讨论的时间间隔内，只在某些不连续规定 的时翔给出函数值，而在其它时刻没有给出函数。 数字信号处理的三大变换是傅里叶变换、拉普拉斯变换和z 变换。 1 广义傅里叶级数的形式为： ，( f ) ：融p 】+ c 织+ + 碱( 0 ：善侧( “ ( 2 一1 ) 2 拉普拉斯变换的形式为： 双边拉普拉斯变换： 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章防抱死制动系统控制 _ i _ _ 量曼曼曼晕量曩_ _ 量皇量曼暑吕e 量_ 量| 皇皇曼舅量皇曼| _ 目篁兰墨 ，( ，) 一c 巾k 一0 单边拉普拉斯变换： f ( s ) - f 巾) e “d 。 3 离散系统的z 变换定义式：f ( z ) 一+ ，【一1 z l + i o z 。 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ， 1 ”小”一羔小p 协。) 2 1 2 系统 系统是由若干相互联系、相互作用的单元组合而成的具有一定功能的有机整体。通 常将施加于系统的作用称为系统的输入激励，将要求系统完成的功能称为系统的输出响 应。 根据系统处理的信号形式的不同，系统可分为三大类：连续时间系统( 简称连续系 统) 与离散时间系统( 简称离散系统) 、混合系统。若系统中各个子系统的输入和输出信 号均为连续时间信号，则称为连续系统：若系统中各个子系统的输入和输出信号均为离 散时间信号，则称为离散系统：若系统中有的子系统为连续系统，有的子系统为离散系 统，这样的系统称为混合系统。 2 2 防抱死制动系统控制 2 。2 1 自动控制n 刀咖叫 就是在没有人直接参与的情况下，使生产过程或被控制对象的某些物理量准确地按 照预期规律变化。它们都是一个或一些被控制的物理量按给定的变化而变化，给定量可 以是具体的物理量，也可是数字量。 一般地说，如何使被控制量按照变化规律而变化，这就是控制系统所要解决的基本 任务。 2 2 2 反馈控制 2 0 3 叫2 。” 1 反馈控制系统的基本组成 图2 - 1 是一个典型的反馈控制系统，该图表示了这些元件在系统中的位置和其相互间 的关系。由圈可以看出，作为一个典型的反馈控制系统应该包括反馈元件、给定元件、 比较元件( 或比较环节) 、放大元件、执行元件及校正元件等。 给定元件：主要用于产生给定信号或输入信号，例如，调速系统的给定电位计。 6 中国农业大学工程硕士学位论文第二章防抱死制动系统控制 反馈元件：它测量被调量或输出量，产生反馈信号，该信号与输出量存在确定的函 数关系( 通常为比例关系) 。例如，调速系统的测速发电机。 比较元件：用来比较输入信号和反馈信号之间的偏差，可以是个差接的电路它往 往不是一个专门的物理元件，有时也叫比较环节。而自整角机、旋转变压器、机械式差 动装置却是物理的比较元件。 放大元件：对偏差信号进行信号放大和功率放大的元件，例如侍服功率放大器、电液 侍服阀等。 执行元件：直接对控制对象进行操作的元件，例如执行电机、液压电机等。 控制对象：控制系统所要操纵的对象，它的输出量即为系统的被调量( 或被控制奄) ， 例如机床、工作台等。 校正元件：或称校正装置，用阻稳定控制系统，提高性能，有反馈校正和串联校正两 种形式， 圈2 - l 典型的反馈控制系统方框脚 2 反馈控制的目的 反馈控制的目的是：在存在外部扰动和内部参数变化的条件下，也能使系统的输出 准确地跟踪参考输入。 2 2 3 防抱死制动系统控制 7 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章防抱死制动系统控制 圈2 - 2a b s 系统俺田 1 制动踏扳，2 真空助力器，3 制动主缸，4 储液室，5 电机，6 柱塞泵，7 低压储液室， 8 单向栩，9 单向阀，1 0 储能器，1 1 单向阀，1 2 进油电磁阀，1 3 出油电磁阀， 1 4 压力调节嚣，1 5 制动管路，l6 制动器，1 7 车轮 电子控制防拖死制动系统如图2 2 所示防抱死制动系统一般由车轮转速传感器、e c u ( 电子控制器) 、压力调节装置、a b s 警告灯和一些继电器等组成。车轮转速传感器一般 安装在被控车轮上；压力调节装置对制动压力进行调节可以采用流通方式或变容方式； 电子控制器主要接收车轮转速传感器和制动灯开关等输入的信号，对制动过程中被控车 轮的运动状态进行监测根据需要对压力调节装置进行控制，使压力调节装置对被控车 轮的制动压力进行保持、减小和增大等调节，并根据反馈的信号修正控制指令，另外它 还具有对防拖死制动系统的工作状态进行监测的功能，a 酷警告灯在防抱死系统发生故障 时点亮，向驾驶员发出警告信号。 防抱死制动系统的控制过程如下： 车辆实行紧急制动时制动踏板1 所受到的制动力经过真空助力器2 的“放大”。推动 制动主缸3 ，使制动力经制动管路1 5 输送到车轮1 7 上的制动器1 6 产生制动，从而使车轮滑 移率逐渐增大在车轮的滑移率未达到最佳滑移率下限值时，进油电磁阀1 2 柱塞打开 制动液液压不断升高；当车轮的滑移率达到最佳滑移率下限值时，进油电磁阀1 2 柱塞关 闭，制动液液压不再升高，但由于惯性原因，车轮的滑移率仍逐渐增大；当增人到超过 最佳滑移率s o p t 时，出油电磁阀1 3 柱塞打开，制动液液压不断降低车轮的减速度v w 将 以一定的斜率迅速上升，车轮滑移率不断下降，使制动车轮不致于抱死，从而保证了车 辆的行车安全性。 8 2 3 本章小结 本章主要介绍了信号与系统、自动控制系统与反馈控制以及防抱死制动控制系统的 控制过程，为本文试验研究的展开做铺垫。 9 中国农业大学工程顽士学位论文 第三章防抱死制动系统的构成 第三章防抱死制动系统的构成 3 1 防抱死制动系统的组成 汽车a 8 s 系统由控制器、电磁阀、轮速传感器三部分组成，其系统原理框图如图3 - 所示( 以气压制动为例) 。 雷3 4跨轮车辆防拖死控制系统的原理结构框圈 3 1 1 控制器“”“1 a b s 控制器是整个防抱死刹车系统的核心控制部件，它接受车轮速度传感器送来的速 度信号，通过计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，控制电磁阀去调节制动压力。当 车轮滑移率不在控制范围之内时，控制器就输出一个控制信号，使电磁阀打开或关闭， 从而调节轮缸压力，使轮速上升或下降，将汽车车轮滑移率控制在一定范围内，实现汽 车的安全、可靠制动。 电子控制器主要有输入电路、微处理器( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、随机存储器( r a m ) 1 0 中国农业大学工程硕士学位论文第三章防抱死制动系统的构成 和输出电路等组成。电子控制器的作用是在制动过程中通过对四个车轮轮遮传感器输入 的信号进行运算处理。对四个车轮的运动状态进行监测，并根据设定的控制逻辑对压力 调节装置的三个三位三通电磁阀和一个电动回液泵进行控制，另外，电子控制器还对防 抱死系统的工作状态进行检测，当判定系统存在故障时，将防抱死系统自动关闭退出控 制过程，使制动系统恢复为常规的制动系统，并将a b s 警告灯点亮向驾驶员发出警告信 号( 以波许i i 型a b s 为例) 。 1 一制动主缸：2 一比例旁通网：3 一制动压力调节 嚣：4 一三位重电磁阀：5 阐油褒：_ 储压嚣：7 一 电控单元：8 一后右制动轮缸：9 一詹左制动轮缸： lo 一莳右制动轮缸：1 l 一前左制动轮缸：12 一单向 鼹：13 - 一各类俸感墨：14 橱向加谴度开关 图3 屹波许i i 型 b s 防抱死制动系统 3 1 2 轮速传珐器 车轮速度( 即车轮绕轮轴旋转的线速度) 传感器( 简称轮速传感器) 信号可供发动 机控制模块、防抱死制动系统( a b s ) 控制模块及仪表控制模块共享，使车辆在制动过程 中，防抱死制动控制模块和发动机控制模块联合控制达到最佳制动效能。【1 j f 拍j 电磁感应式转速传感器安置在车轮上，齿圈固定在车轮上与车轮同步转动，传感器 将产生的频率与车轮转速成正比的交变电压信号输入电子控制器供电子控制器对车轮 的运动状态进行监测。 由于磁电式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素的影响，所以目 中国农业大学工程硕士学位论文第三章防拖死制动系统的构成 前汽车中使用的轮速传感器广泛采用变磁阻式电磁传感器。 变磁阻式轮速传感器由定子和转子组成。定子包括感应线圈和磁头( 为永久磁铁构 成的磁极) 两部分，转子可咀是齿圈或齿轮两种形式。齿轮形式的转子如图3 _ 3 所示，磁头 固定在磁投支架上，支架固定在长轴上，齿圈通过轮毂、制动毂连为一体。长轴穿过车 轮与内部的轴承配合，如图3 4 所示。 图3 3轮速传感器 田3 _ 4 轮速传感嚣安装示意圈 转子的转速与车轮的角速度成正比。转鼓带动车轮转动，传感器转子的齿顶、齿间 的间隙交祷地与磁极接近、离开，使定子感应线圈中的磁场周期性的变化，在线圈中感 应出交流正弦波信号，控制试验台使车轮运转在各种工况。对传感器输出信号进行测量。 实验结果表明了变磁阻式轮速传感器产生的信号具有如下特征：o 1 1 传感器产生的信号为接近零均值的正弦波信号； 2 正弦镀信号的幅值受气隙间隔( 磁头与齿圈间的气隙一般在1 o 左右为最理想) 和车轮转速的影响，气隙间隔越小，车轮速度越高正弦波信号的幅值越大： 3 正弦波信号的频率受齿圈的齿数和车轮转速的影响。为每秒钟经过磁头线圈的齿 数，即等于齿圈齿数乘以每秒钟的转速。 中国农业大学工程硕士学位论文第三章防抱死制动系统的构成 变磁阻式轮速传感器产生的信号如图3 5 所示。 墨 - 车速较高时传感器的输出信号 b 车速较低时传感器的输出信号 圈3 - 5不同车速时轮遗传感嚣的输出信号 实验模拟的是b j 2 1 2 车型的前轮，用转鼓转速模拟车速。当控制转鼓转速为3 k m h 时，明齿的传感器产生正弦波信号的幅值约为l v ，其频率为3 1 h z ；当控制转鼓转速为 1 0 0 k m h 时，传感器产生正弦波信号的幅值约为7 v ，其频率为1 0 3 7 h z 。由于齿轮加工产 生的毛刺和其它环境因素的影响实际信号位在上述信号中叠加了一定频率成分的干扰信 号，见圈3 _ 5 中b 圈所示。 汽车车轮速度传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生频率与车轮速度成正比的近 似正弦波信号，a b s 控制器根据处理后的信号计算车轮速度。 发达国家虽已普遍使用a b s 系统，但对轮速信号的处理方法以硬件和软件的形式作为 a b s 系统的电子控制器( e c u ) 的一部分而制成专用的电路和芯片加以保护。 3 1 3 电磁阀 电磁阀是防抱死刹车系统的执行部件，当控制器输出控制信号时电磁阀动作，对轮 缸压力进行调节以使制动力在接近峰值制动力区域内波动，实现汽车制动效果最佳：当 中国农业大学工程硕士学位论文第三章防抱死制动系统的构成 无控制信号输出时电磁阀不动作，相当于常规制动系统，直接输出最大制动压力。 3 2 防抱死制动系统的工作原理 控制单元 圈3 - 6 u g i2 0 0 型轿车制动防抱死系统 如图3 - 6 所示为a u d i2 0 0 型轿车所用的防抱死制动系统。每个车轮上均装有一个车轮 转速传感器( 电磁式) ，它将关于车轮轮速的信号输给电子控制单元。电子控制单元根据 车轮轮速信号对各车轮的运动状态进行检测和判断，并形成相应的指令，控制由电磁阀 总成、电动泵总成和储液器等组成的制动压力调节装置，通过制动管路对各制动轮缸实 施制动压力的调节。它的工作分两种情况：即常规制动过程和调压过程。 汽车制动时，若滑移率在设计范围内，常规制动过程和调压过程完全相同，电磁阀 的电磁柱塞被弹簧压到最低位置( 圈3 7 中8 图所示) ，主缸中的制动液可顺利流向制动轮 缸，于是迅速产生制动压力，车轮转速随之下降。 当电控单元由车轮转速信号中判断某一轮速达到滑移率设计上限时，系统则进入调 压制动过程，具体如下： 1 压力保持阶段 当滑移率接近设计上限2 5 时，即车轮趋于抱死时，电控单元便发出“保持压力”的 指令。这时，即将抱死的车轮上的电磁阀被通以有限电流而使电磁柱塞提起( 图3 7 中b 1 4 ( h ) 无 元 单元 ( c ) 田3 7 制动压力调节过程 图所示) 。使主缸输出的制动液不再进入轮缸而使制动压力保持不变。 2 压力减小阶段 如在“保持压力”的指令发出后，车轮轮速传感器继续传来即将抱死的危险信号 控制单元便发出“降低压力”的指令此时控制单元提供强电流，电磁柱塞迸一步提起， 通往回流泵的通路被打开( t i t 3 7 中c 图所示) ，制动轮缸中的一部分油液被强行送入制 动主缸，使轮缸中的制动压力下降。以避免车轮抱死。 3 压力上升阶段 当车轮滑移率下降到a b s 工作下限8 时，控制单元切断通往电磁阀和回流泵继电器的 电流，电磁柱塞在弹簧力作用下回位。打开进油通道，关闭出油通道。制动液由主缸流 向轮缸( 豳3 7 中a 图所示) ，使轮缸中的制动压力上升 这种压力波动式调节，每秒钟可循环扛_ 6 次，以保证备车轮经常处于被抱死状态的 边缘，发挥最大制动效能。 3 3 本章小结 本章主要讲述了防抱死制动系统的组成：电子控制器、电磁阀、轮速传感器，并讲 述了各组成部分的功用原理；同时阐述了a b s 的工作原理，为下面对防抱死制动系统的进 一步研究做了铺垫。 1 6 第四章防抱死制动控制系统信号采集电路设计 4 1 电子控制单元的组成 电子控制单元即电子控制器( 以下简称e c u ) 是a b s 装置的关键。它由电源电路、中 央处理器、看门狗电路、传感器信号处理电路、电磁阀放大驱动电路等组成。 汽车正常运行时，电子控制单元( e c u ) 的输入、输出信号的电压值都有一定的变化 范围，当某一信号的电压值超出范围一段时间后，e c u 即判断该部分出现故障。当某电路 产生了故障后，防拖死制动系统a b s 就不会在制动时工作。由于传感器产生的是电信号， 因此，对传感器齿圈的故障诊断不需专门线路，只需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。【”】 4 2 防抱死制动信号采集系统的硬件设计 4 2 1 电源电路 电子控制器的核心是单片机，它要求供电电源的电压必须是高稳定电压，但蓄电池 提供的电压是不稳定的，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2 8 0 y 同时点火电路造成的负脉冲电压( 浪涌电压) 峰值可达到5 0 - 1 0 0 v ，并在电 器系统中以一定的频率出现，本设计的目的就是为了解决此类问题。3 本课题设计的直流稳压电源如图4 _ l 所示，它能把蓄电池提供的不稳定的1 2 y 电压变 为可供e o j 使用的高稳定电压。它由滤波器、稳压管、直流隔离转换器d c d c 等组成。可 提供三种不同的电压： i 、y g g 和g n g ( + 1 2 v ) 是将蓄电池的电压经过二级电感及多次电容滤波后得到的， 它已将蓄电池电源中的大部分干扰滤去。用它作为一些对电压要求不高的电路，如磁电 式传感器和放大器的电源； i i 、v d d 和g n c ( + 5 y ) 是在￥g g 、g n g 后面加l - 7 8 0 5 ( 1 ) 稳压得到的。如频率电压转 换电路的供电电源； i i i 、v c c 和g n d ( + 5 v ) 是i x ：d c 输出的电压再经过第= 个7 8 0 5 稳压后得到的最稳定的 电压，供给单片机和与其紧密相关的元器件使用，以保证单片机在很稳定的电压下工作。 中国农业大学工程硕士学位论文 第四章防抱死制动控制系统信号采集电路设计 ( 8 ) ( b ) 田4 1 直流稳压电源图 4 2 2 看门狗电路 设置看门狗( w a t c h d o g ) 电路是为了防止程序运行中进入死循环，它随时检测中央 处理器是否正常工作当需要中央处理器工作时任何一个模块都可通过中断将其唤醒， 从而使系统以最低功耗进行运行。若看门狗电路输入在1 6 秒内未被触发时，计数器将保 持清零，并不计数一旦触发信号产生，计数器将又开始计数，5 0 纳秒脉冲信号即可被 检测到。 本次设计的看门狗电路如图4 2 所示。c p u 工作正常时，给看门狗电路输出一频率为 1 0 0 h z 的脉冲序列，若看门狗电路接收不到此信号，则点亮故障指示灯，使电源继电器断 电t 电控单元e c u 停止工作。当起动汽车，点火开关转到点火位置时，首先应监钡9 看门狗 电路是否工作正常。 氍 斜 c f啦 一 c o 订 呻 舶 蔚o m o n o b q l , t 一 圈4 - 2 看门狗电路 4 2 3 防抱死制动系统轮速信号处理 一、轮速的测量原理及方法 , n 4 3 为目前a 陷产品轮速测量装置原理图在汽车行驶过程中，车轮旋转使齿圈相 对于传感器运动，传感器产生一系列频率与车轮转速成正比的伪正弦信号，轮速计算正 是基于传感器这种特性进行的。信号经过轮速处理装置的滤波环节，滤除轮速信号中的 高频噪声，经过放大环节使轮速信号的幅值增大，便于整形处理，放大后的轮速信号通 过整形，得到“纯净”的轮速脉冲信号，送给单片机进行轮速计算。p 【3 3 】f ，q 田4 3轮速测量装置原理圈 二、轮速的计算方法与精度分析 1 、 目前，常用的轮速计算方法有以下几种：频率法、周期法、多倍周期法。下面 介绍3 种方法的计算原理、分析计算误差原因及实际使用过程中的局限性，并提出另一种 轮速计算方法轮速计算精度自适应方法。这种方法在保证各频带轮速计算精度的同 时，兼顾控制的实时性，较好地克服了以上计算方法的局限性。 2 、下面对各种方法作详细分析2 7 1 ” 1 ) 轮速计算频率法 a 原理 1 9 所谓频率法就是测量单位时间内轮速脉冲信号的个数，以此求得轮速值y ： ，- ( 驯z ) x ( 卅出) ( 3 - i ) 式中： y 一一 车轮半径 z 齿圈齿数 n 一一 频率信号输出脉冲个数 址一一 测量时间间隔 对于确定的系统，z , v i z 为常数，所以轮速y 的计算误差主要在后一项，即：f = n a ( f 为频率) 。 其测量原理如下图4 _ 4 所示： 频率信号脉冲 测量时间间隔| = 二二二二二二二二二二二二二二二二二 t 采样脉冲个数 圈4 4 频率法测量原理圈 b 精度分析 由式f = n i a 得；a , 1 7 = d 7 一d 血，由此可知频率测量误差来自于两部分：一 部分是测量时间间隔的相对误差，即时基误差d - ：另一部分为计数误差d 。，。 计数误差即所谓1 字误差，下图为1 字误差示意图。时基误差是一种常值误差， 通常用微机石英晶体振荡器定时精度可以相当高，保证时基误差在1 0 1 以下， 所以此项误差可以忽略。 测量时间间隔j _ ： 输入信号1 输入信号2 | 几n 厂1n 厂 厂 厂 几r 1 ： m 4 - 5 脉冲计数的1 字误差 采用频率法测量，误差主要来自脉冲个数的1 9 误差，因此当轮速较低时，该方法 计算误差较大定量的计算还要考虑传感器的齿圈数和速度的影响，所以防拖制动系统 中很少单独采用频率法 2 ) 轮速计算周期法 a 原理 所谓周期法就是用时标充填的方法测量轮速脉冲周期( 如图4 6 ) ，然后计算出轮速 大小矿 y ( 2 ) ( 尉 同样。对于确定的系统 误差分析。 f ：7 删 ( 3 - 2 ) 知么为常数，所以轮速的计算误差分析换算成对频率的 式中， s 一 时标信号周期 n 一一 时标信号脉冲个数 t 一一被测周期 ( 3 - 3 ) 频率脉冲 时标脉冲 周期计算脉冲 卜三一 广 厂一 h ； 厂 厂 r 厂 厂 厂 厂 j卜i - - - - - - - - - - - - - 叫 田4 6周期法测量原理田 b 耪度分析 由式f - 髟得，) ，- 臼，) t - 忙肌) 。：仁。伽。( 3 _ 4 ) 与频率法相同，时标精度误差l d “伽。也可以忽略，这种计算方法的误差主要是时 标信号脉冲计数产生的土1 字误差。一般地，当轮速较低时，利用周期法进行轮速计算误 差较小定量的计算还要考虑传感器的齿圈数和速度的影响，也就是说，周期法只能保 证低速时的轮速计算保证低速时的计算精度，所以，a b s 轮速计算时很少单独采用周期法。 脚】【别【删 3 ) 轮速计算多倍周期法 对于轮速低频测量，周期法有较高精度；对于轮速高频测量，频率法有较高精度。 因此如果把周期法与频率法接合起来，采用轮速脉冲周期倍乘的措施，可以展宽轮速测 量范围，提高测量精度，这就是多倍周期法。 a 原理 轮速脉冲信号按固定的分频数进行分频，使得被测周期得到倍乘，计算轮速脉冲频 中国农业大学工程硕士学位论文 第四章肪抱死制动控制系统信号采集电路设计 率，： ，：m t - ，l ，( ，t o ) 式中m 一一 周期倍乘数 n ， 一一一 m s 个周期累计时标脉冲个数 t o 一一 时标信号周期 具体测量原理如下图所示： ( 3 - 5 ) 冲厂 厂 厂 厂 厂 分频脉冲广 i 时标脉冲 计数脉冲 b 精度分析 由于采用轮速周期倍乘措施，这样测得的n - 。n ，m 。为m 个轮速脉冲周期的平均 值由于每个轮速脉冲周期都存在着t 的误差，并且有正有负所趴取m 个轮速周期的 平均值的误差必然小于单个周期的误差，从而提高了轮速测量的精度。 轮速计算多倍周期法对于不同轮速频率范围都能达到很高的测量精度，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。 分析以上3 种方法的优点和局限性，本文提出了一种新的轮速计算方法一精度自 适应方法，下面对这种方法加以说明： 4 ) 轮速计算精度自适应方法 a 原理 中国农业大学工程硕士学位论文帚四章防抱死制动控制系统信号采集电路设计 此方法是以多倍周期法为基础，并结合a b s 控制的轮速计算精度和控制实时性的要求 设计完成的。它与多倍周期法的区别在于。后者的轮速脉冲倍乘数i l l s 为固定值，而精度 自适应方法则固定轮速计算精度。 轮速计算精度自适应方法的关键是式，= m ，t , - m ( n ，t 。) 中m ，值的选取，须根 据精度要求和时间限制两个条件来确定m ，。 首先，为保证控制的实时性假设最大的控制周期为t ，由时间限制条件可以确定批 的上限值为 m st , t ( f i 一一实际频率信号的周期) ( 4 7 ) 其次，根据精度要求的限制条件。可求出m 的下限值，。m , i ( n o t , j 妇，) ，- ，) - 协一) k 。“ t ) 。t r j m ，f ，此式为误差计算公式。( 4 _ 8 ) 若精度要求为4 ，即 c d ，) ， o 口r ) a t 即可确定m ，之值。 ( 4 9 ) ( 4 - 1 0 ) 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f ，作为求解值m ，的试 算脉冲得到m 的下限值，再由控制周期t 计算出m 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。 b 精度分析 多倍周期法的轮速脉冲倍乘数册为固定值，造成了低速计算实时性差的缺点，而 精度自适应方法则克服了这一缺点，由于固定轮速计算精度，所以轮速越高，m ，值越大； 轮速越低，小，值越小，即在保证高速、低速计算精度的同时，很好地保证了低速控制实 时性。这样，既保证了轮速计算精度，又提高了低速控制实时性 3 、轮速计算的实例 为了研究4 种轮速计算方法的计算效果，利用编制的a b s 数据采集及计算仿真专用软 件，对各种算法进行了运算，图4 - 9 一一图4 1 1 为部分处理结果圈。原始数据来自南汽i v e c o a 3 0 一1 0 车上匹配博世a b s2 s 的实验，该组数据的实验工况为高附着系数路面，制动初速 度为8 0 k m h 的a b s 制动情况。【2 7 1 嚣 o m ( 中国农业大学工程硕士学位论文第四章防抱死制动控制系统信号采集电路设计 图4 8 为制动过程中一车轮轮速信号波形图 整形前 整形后 i 川，。 a 、 yyy yyyy 0vvvvvv 、j 讥v i u ! 图4 8整形前后的原始轮速信号波形圈 其最初的信号是轮速传感器输出的伪正弦波，经过整形，变为方波信号，送入电子 控制器( e c u ) 进行轮速处理。电子控制器对输入的方法进行采样，按照一定的轮速计 算方法进行轮速计算。前面已经分析过，单纯的周期法或频率法有其局限性只能适应 于低频或高频脉冲信号。对于频率较宽的信号应采用多倍周期法和精度自适应方法。图 4 - i 图4 - 1 1 是三种方法的仿真计算结果图，从计算结果曲线看周期法计算结果衄线 “毛刺”最多，采用多倍周期法( 周期数= 4 ) 后，计算精度明显提高，但高速时，结果 曲线仍然不光滑。 精度自适应方法( 精度设为2 ) 的计算曲线在高速段比多倍周期法计算曲线要光滑， 在中速和低速计算精度相