（机械电子工程专业论文）基于自寻最优的汽车防抱死制动系统控制方法研究.pdf

摘监 摘要 汽车防抱死制动控制系统( 简称a b s ) 是改善汽车主动安全性的重要装置， 在汽车r 益高速化的今天，它的应用日益广泛。a b s 控制方法是a b s 的核心技 术，掌握控制方法的设计和匹配，对于自主开发a b s 和进一步丌展汽车主动安 全性理论和技术研究有着重要的现实意义，论文在陕西省科技攻关计划项目具 有自主知识产权的车用防抱死刹车系统( a b s ) 控制器的研发的支持下，对汽车 防抱死制动系统控制方法进行了系统而深入的研究，提出了基于自寻最优的防抱 死制动系统控制策略。主要研究内容包括： 1 在详细阐述汽车防抱死制动系统控制机理的基础上，对当今国内外使用 的主要a b s 控制方法进行了讨论和分析，比较了各自防抱死控制性能的优劣。其 中重点介绍了四相控制法，并且详细推导证明了三个基本公式。 2 根据自寻优控制理论连续理解和连续测量的原理，采用步进搜索和步进 探测的方法，将其应用到汽车防抱死制动系统中，提出了自寻优防抱死制动控制 策略。 3 分别建立了基于四相法与自寻优控制法的2 自由度单轮、3 自由度双轮：f f f 7 自由度四轮车体仿真模型。对四相法与自寻优a b s 控制法进行了详细的对比仿真 试验，讨论了自寻最优控制在a b s 的应用效果，为进一步将自寻优控制应用于 实际的a b s 控制器奠定了基础。 通过仿真试验可以看出：在各种路面上，汽车在安装了自寻优防抱制动装置 后，在车速、轮速接近为0 时才抱死，这对提高汽车制动时的操纵稳定性特别有 利，显示了自寻优避免车轮抱死的能力；滑移率的值基本上一直接近并且围绕着 与路面附着系数相对应的滑移率上下变化，说明了该系统充分利用了路面性能， 基本上保持了较大的附着力制动，制动性能较好；制动力随着路面条件的变化而 相应做出调整，实现了路面自动识别的功能。 总之，研究结果证明了自寻优控制用于防抱死刹车系统的可行性，自寻优 a b s 系统是一种简单、方便、具有较好操纵性、制动性和较好适应性的系统。 这不仅具有理论意义，而且还具有实用价值。我们将继续开展进一步的研究工作。 关键词： 防抱死制动系统四相控制法步进搜索 自寻最优控制 堕j ! ! 些：叁堂堡兰堡苎 皇! ! ! ! 竺! ! a b s t r a c t a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sa ni m p o r t a n td e v i c et oi m p r o v et h e a c t i v es a f e t yo fv e h i c l e t o d a yw i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ev e h i c l es p e e d ，a b si s a p p l i e dw i d e l ya n dw i d e l y t h ea b sc o n t r o l s o l u t i o n i st h ec o r eo ft h ea b s t e c h n o l o g y i t i s i m p o r t a n t t om a s t e rt h ed e s i g na n dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r c a l i b r a t i o nm e t h o do ft h ec o n t r o ls o l u t i o ni nt h ea s p e c to fd e v e l o p i n go u ro w u a b sa n dd o i n gf u r t h e rr e s e a r c hi nt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ft h ev e h i c l e a c t i v es a f e t y t h i sp a p e rm a k e ss o m es y s t e m i ca n dd e e pr e s e a r c h e so na b su n d e r t h es u p p o r to fs h a n x i p r o v i n c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gp r o j e c t ，i e ， t h ed e v e l o p m e n to fa b sc o n t r o l l e rw i t hs e l f - i n t e l l e c t u a lr i g h ta n dg i v ea na b s c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns e l f - o p t i m a l i z i n g t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ： 1 o nt h eb a s i so fe l a b o r a t i n gt h ep r i n c i p l eo fa b s ，t h em a i na b sc o n t r o l m e t h o d su s e di ni n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a lf i e l d sh a v eb e e nm a d ed e e pa n d p a r t i c u l a rd i s c u s s i o n a n dc o m p a r i s o n t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eh a v e b e e np o i n t e do u t f o u r - p h a s ec o n t r o lm e t h o dh a sb e e ni n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y a n dt h r e eb a s i c p r i n c i p l ee x p r e s s i o n sa r ep r o v e d 2 a c c o r d i n g t ot h e p r i n c i p l eo fs u c c e s s i v ec o m p r e h e n s i o na n ds u c c e s s i v e m e a s u r e m e n to f s e l f - o p t i m a l i z i n gc o n t r o lt h e o r i e s ，t h em e t h o do fs t e p - s e a r c h i n g a n ds t e p d e t e c t i o nh a sb e e na p p l i e di n a b s s e l f - o p t i m a l i z i n gs t r a t e g yo nt h e c o n t r o lo f a b si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 3 。t w o - f r e e d o ms i n g l ew h e e l t h r e e - f r e e d o md o u b l ew h e e la n d s e v e n f r e e d o m f o u rw h e e lv e h i c l em o d e lb a s e do nt h em e t h o d so f f o u r - p h a s e a n d s e l f - o p t i m a l i z i n g c o n t r o lh a v eb e e n g i v e nr e s p e c t i v e l y d e t a i l e d c o n t r a s t i v e s i m u l a t i o nt e s t so f f o u r - p h a s ea n ds e l f - o p t i m a l i z i n ga b s c o n t r o lh a v eb e e nm a d e a n da p p l y i n ge f f e c t so fs e l f - o p t i m a l i z i n gc o n t r o la r ed i s c u s s e d ，w h i c he s t a b l i s h s t a b l ep r i n c i p l ef o u n d a t i o nf o r s e l f o p t i m a l i z i n gc o n t r o la p p l y i n gt or e a l i s t i ca b s c o n t r o l l e r f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw ec a nf i n dt h a t ：a u t o m o b i l e sw h i c hi n s t a l l f 【f 北t 业人学坝 ：论文 a b s t r a c t s e l f - o p t i m a l i z i n ga b sa p p a r a t u sl o c k o i lt h ea n yr o a ds u r f a c eo n l yw h e nt h e v e h i c l eb o d yv e l o c i t ya n dw h e e lv e l o c i t ya r r i v ea tz e r oa p p r o x i m a t e l y , w h i c hi s b e t t e rf o r i m p r o v i n gd r i v i n gs t a b i l i t yu n d e rb r a k i n g i t s h o w sa n t i l o c ka b i l i t yo f s e l f - o p t i m a l i z i n g ；s l i pr a t i oa p p r o x i m a t e sa n ds u r r o u n dt h ed e s i r e ds l i p ，w h i c h s h o w st h a tt h i sa b s s y s t e m u s e sf u u yr o a ds u r f a c ep e r f o r m a n c ea n dr e t a i n s l a r g ea d h e s i o na n db r a k i n gp e r f o r m a n c ei sg o o d ；b r a k i n gf o r c er e g u l a t e sw i t h v a r i e so fr o a dc o n d i t i o n ，w h i c hr e a l i z e sr o a ds e l f - i d e n t i f i c a t i o n i naw o r d ，t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h e f e a s i b i l i t y o f s e l f - o p t i m a l i z i n g c o n t r o ls t r a t e g y ，s e l f - o p t i m a l i z i n ga b s s y s t e mi s as i m p l e 、c o n v e n i e n ts y s t e m w i t hb e t t e rd r i v i n g s t a b i l i t y 、b r a k i n ga n db e t t e ra d a p t a b i l i t ya ts a m et i m e i th a s n o t o n l y t h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c e b u tr e a l i s t i cv a l u e w ew i l lm a k ef u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：a n i l - l o c k b r a l d n g s y s t e m ( a b s ) s t e p - s e a r c h i n g f o u r - p h a s e c o n t r o lm e t h o d s e l f - o p t i m a l i z i n gc o n t r o ls t r a t e g y 两北t 业人学预十论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 汽车防抱死制动系统概述 1 1 1 汽车防抱死制动系统的发展 随着世界经济和工业化进程的不断发展，对汽车的舒适性与安全性提出了越 来越高的要求。众所周知，汽车是陆地行驶车辆中机动性极强的交通工具，它既 可行驶在高附着系数的干燥路面上，也可行驶于雨、雪气候条件下的湿滑路面上。 当驾驶汽车在潮湿的路面上或是有积雪的道路上，或为了躲避障碍，或为了防止 追尾、碰撞而作紧急制动时，车辆尾部会翘起，严重时车辆会打转。在积雪的路 面上由于出现行驶轨迹，以及部分路面从积雪中露出，这时如果车辆的左右车轮 中的一个在无雪的道路上，而另一个在有雪的路面上行驶时，就极有可能发生车 辆打转的现象。如果在这样的条件下进行紧急制动，就很难掌握方向盘，有可能 闯入其它车道，或无法躲避道路上的障碍物，或滑移出路面，呈现不稳定的失控 状态。 防抱死刹车系统( a n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) 就是为了防止这种 危险状况而开发的装置。它是基于汽车轮胎与路面之间的附着特性而开发的高技 术制动系统，它从防止制动过程中车辆“抱死”的要求出发( 此处所谓“抱死” 是指制动时车轮已停止转动，而车辆因为惯性使车轮仍在路面上滑移这一现象) ， 防止紧急制动过程中出现前述不稳定的工况，从而达到提高汽车行驶稳定性和方 向操纵性为目的的主动安全性装置。 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刹车时，防止车轮 完全抱死的系统，是具有良好制动效果的刹车装置。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，因此被认 为是当前提高汽车行驶安全性的有效措旌之一，目前在国外高级轿车和客车上已 广泛使用。 现在a b s 技术已日趋完善，其制造成本不断降低，普及率不断提高。据统计 第一章绪论 1 9 9 5 年美围、德国、r 本在轿车上装备a b s 的比率分别达到5 0 、5 0 、4 5 。 目前，通用、奔驰、宝马和保时捷等公司生产的轿车上己1 0 0 装备7 a b s 。许 多国家已经立法将a b s 装置作为某类型汽车的必须装备，如1 9 8 7 年欧共体颁布法 规规定：成员国汽车厂儿申请新车型许可证时该车型必须装备a b s ，并自1 9 9 1 年起重型车必须装备a b s ，禁止束装备a b s 的车辆进口。目前估计全球已有9 0 以上的车辆装备了a b s 。 我国对a b s 的研究始于上世纪8 0 年代初，并逐步制定了一些刹车和安全性方 面的法规。国家已将车辆装备a b s 系统作为强制性要求在“十五”期间推。， 19 9 9 年1 0 月1 曰实施的国家标准g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 明确规定：2 0 0 3 年重量在1 2 吨以上 的客车、重量在1 6 吨以上的重型汽车，以及重量在l o 吨以上的0 4 类挂车必须安装 a b s 。但是，由于我国a b s 的研发工作起步较晚，技术水平与先进国家相比还有 较大的差距，实际上还处于研制、试验阶段，远未能达到大批量生产的阶段，不 少汽车所用的a b s 仍然采用进口产品，这一现状亟待改进。 1 1 2a b s 系统的优点及种类 以提高汽车行驶性能为目的的各种a b s 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的方法，给各车轮施加适当的制动力。它具 有咀下优点： 1 a b s 系统的第一个优点是能缩短汽车在恶劣路面上的制动距离。这是因 为在同样紧急制动情况下，a b s 系统可以将滑移率控制在最佳点附近，即可获得 较大的纵向制动力的结果。 2 a b s 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， 四个轮子的制动力可能是不一样的，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， 甚至使汽车整个调头等严重事故。a b s 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a b s 系统的车辆，可使因车轮侧 滑引起的事故比例下降8 左右。 3 a b s 系统的第三个优点是改善了车轮的磨损状况。事实上，车轮抱死会 造成轮胎杯型磨损，轮胎面磨损也会不均匀，使轮胎磨损消耗增加。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，已超过套防抱死制动系 第一章绪论 统的造价。因此，装用a b s 系统具有一定的经济效益。 4 a b s 系统的最后一个优点是使用方便，工作可靠。a b s 系统的使用与普 通制动系统的使用几乎没有区别。如遇雨、雪路面，制动时只要把脚踏在制动踏 板上，a b s 系统就会根据情况自动进入工作状态，驾驶员也没有必要用一连串 的点刹车方式进行制动，a b s 系统会使制动状态保持在最佳点附近。 a b s 系统从目前看可以分为以下几种：博世( b o s c h ) a b s 系统、坦孚( t e v e s ) a b s 系统、达科( d e l c o ) a b s 系统和本迪克斯( b e n d i x ) a b s 系统。这四种系 统都是目前广泛应用的系统，而且还在不断的发展、更新和换代。如果说还有其 它种类的a b s 系统，基本上也是上述四种系统中某一种的变型。 德国搏世公司早在上世纪7 0 年代末就将自己研究生产的a b s 系统应用在梅 塞德斯奔驰系列车上；8 0 年代末、9 0 年代初广泛应用于通用公司生产的各种车 酗上。 尽管不同公司生产的a b s 系统的类型不同，但它们都有相同的基本组成和基 本工作原理，它们的重要区别是电子控制模块( 电脑) 及控制线路不同。 1 1 3 世界各大公司的a b s 装置 现在实用化的四轮控制防抱死制动装置有博世、阿尔法列德梯维思 ( a t e ) 、本n 4 w a l b 、丰田的e s c 、露卡斯柯林的s c s 。按控制通道和执 行元件分类，各公司的a b s 装置大体情况如下： 1 控制通道 博世、梯维斯公司的防抱死制动系统与丰网的e s c 是在各个前轮中分别独立 装有传感器、执行元件的液压系的2 通道控制方式，即前二轮独立控制方式。此 外，还有后轮传感器在各个车轮中的2 通道方式，或在驱动系中装设的单通道方 式( 这时，形成后二轮的平均车轮速度) ；执行元件的液压系统也是有双通道与 单通道- - ；f e e 方式。在使用后轮2 通道传感器中，这是一般以易于抱死的车轮速度 为基准进行的低选择方式，属于具备2 通道的油压系并不是经常独立控制的方式， 是与后二轮同时控制的一种方式。 本刚4 w a l b 则采用前二轮同时、后二轮同时的2 系统控制方式。前轮采用 以较难抱死的车轮为基准进行控制的高选择方式：后轮则采用低选择方式。露卡 斯柯林的s c s 则采用左前轮与右后轮同时控制，右前轮与左后轮同时控制的2 第一章绪论 系统控制方式。 2 执行元件方式 博世、梯维斯的防抱死制动系统、丰田的n d 的e s c 与本罔4 w - a l b 都具有专 用的电动泵；露卡斯柯林的s c s 贝e j 具有由驱动轴驱动的专用泵。以该泵为驱动 源，使执行元件工作，制动液是动力转向油。本m 4 w a l b 、露一 斯柯林s c s 、 丰田一爱信e s c 等采用使车轮分泵一侧的油压管路的容积增加或减压的间接控制 方式，而博世、梯维斯的防抱死制动系统和丰田一n d 的e s c 贝t 采用使车轮分泵油 压直接循环进行减压的直接控制方式。 1 2 论文研究的背景及意义 近年来，随着汽车工业的发展，汽车速度的提高，汽车的制动性能越来越重 要。尤其是制动过程中的方向稳定性和转向能力，已经成为人们关注的焦点。研 究显示，在道路交通事故中，大约1 0 的事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定 轨道或甩尾造成的，因此完善制动性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重 要措施。目前在提高车辆制动性能的各种技术中，最有效的并且得到广泛应用的 是a b s 。一方面随着我国对汽车工业的大规模投资，以及国内汽车工业与国外 汽车工业的合资，汽车工业得到了迅速的发展，产量大幅度增加；另一方而，虽 然公路建设得到了各级政府的重视，总里程数也在迅速增加，但总的趋势是车流 及车辆密度不断增加，道路交通事故也随之增加。为了有效地减少交通事故，装 用a b s 是极为有效的手段之一，这已为国内外的大量经验所证明。目前a b s 研 究正成为国内外汽车界研究的热门话题，各高等院校、汽车集团及汽车研究所都 开始进行积极的研究工作。 a b s 的发展主要是控制技术的发展，一方面是扩大控制范围、增加控制功 能；另一方面是采用最优控制理论，实施伺服控制和高精度控制。本文的研究重 点是后者。目前，a b s 已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的 应用，由于汽车制动过程具有变化快、非线性明显、轮胎一路面相互作用关系复 杂的特点，使得a b s 的控制问题成为突出的难点。 为了实现汽车制动过程中较大的制动力和方向稳定性，需要控制滑移率在某 个范围内，例如0 1 0 3 ，因此如果设计的a b $ 控制算法( 或控制率) 能够有 1 ) g j t t 业人学硕l ：论文 第一章绪论 效地控制滑移率，那么a b s 的性能就可以在各种路面条件下更具鲁棒性。从理论 上来说，整个控制过程中车轮滑移率不是保持在最佳滑移率点上，因此并未达到 最佳的制动效果。而在实际制动过程中这个最佳滑移率点很难找到，a b s 控制 算法的目的实际上就是希望能够找到这样一个滑移率，它尽可能的无限逼近最佳 滑移率点或者在这个最佳点附近不断循环，以求达到尽可能好的控制效果。到目 前为止，由于车轮滑移率很难测量，因此a b s 控制率很少设计成直接控制滑移率， 而轮速和车轮角加速度则是最常用到的控制变量。在实用的a b s 系统中普遍采用 的基于经验的逻辑门限控制方法，即根据车轮角加、减速度与估计的车轮滑移率 来调节车轮制动力矩，达到防止车轮抱死的目的。由于缺乏足够的理论指导，逻 辑门限方法在选择门限值、车速估计以及路面识别上存在一些困难，因此还需要 针对不同车型进行大量的参数匹配试验，不仅耗资巨大，而且延长了产品的开发 周期。 由于编制逻辑门限a b s 有许多局限性，所以近年来在a b s 的基础上发展了 车辆动力学控制系统( v d e ) 。结合动力学控制的最佳a b s 是以滑移率为控制目 标的a b s ，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率， 理论上是一种理想的a b s 控制系统。滑移率控制的难点在于确定各种路况下的 最佳滑移率，另一个难点是车辆速度的测量问题，它应是低成本可靠的技术，并 最终能发展成为使用的产品。对以滑移率为目标的a b s 而言，控制精度并不是 十分突出的问题，并且达到高精度的控制也比较困难；因为路面及车辆运动状态 的变化很大，多种干扰影响较大，所以重要的问题在于控制的稳定性，即系统鲁 棒性，应保持在各种条件下不失控。防抱制动系统要求高可靠性，否则会导致人 身伤亡及车辆损坏，因此，发展鲁棒性的a b s 控制系统成为关键。现在多种鲁 棒控制系统应用到a b s 的控制逻辑中来。 除传统的逻辑门限方法是以比较为目的外，增益调度p i d 控制、滑模变结 构控制和模糊控制都是常用的鲁棒控制系统，是目前所采用的以滑移率为目标的 连续控制系统。模糊控制法是基于经验规则的控制，与系统的模型无关，具有很 好的鲁棒性和控制规则的灵活性，但调整控制参数比较困难，无理论而言，基本 上是靠试凑的方法，控制精度略差；滑模变结构与模糊控制相类似，精度有所提 高，但以系统的高速切换为代价，对制动系统的要求较高：p i d 简单实用，精度 西北工业大学硕沦义 较好，但鲁棒性要差些，实施成本也高些。 针对以上这些问题，论文在2 0 0 3 年陕西省科技攻关计划项目“具有自主知识 产权的车用防抱死刹车系统( a b s ) 控制器的研发”的支持下，依据汽车制动过程 的物理实质及受力分析，对a b s 控制器的结构原理、控制方法等方面进行研究和 分析，并在此基础上提出了一种新型a b s 控制策略，即基于自寻最优的汽车防抱 死制动控制方法。白寻优方法与其它方法不同，前面讨论的一些方法，它们需要 我们在整个控制系统设计之前，就确定控制系统的性质和特性，但自寻优方法采 用的是连续“理解”和连续测量的控制设计原理，根据这种原理，控制设计时就 不需要有关控制系统性质的确切知识，这样就能使我们的控制系统具有较好的控 制性能。另外自寻优a b s 系统不需要设定任何门限值，控制过程比较简单；系统 围绕着附着力矩幔曲线的峰值附近很小的区域内工作，滑移率的值基本上一直 接近并小于，只曲线峰值对应的滑移率，充分利用了路面性能，基本保持了较大 的附着力制动，因而制动性能较好；自寻优控制法算法简单、计算量也较小，而 控制精度和鲁棒性却比较好。因此方法本身具有明显的物理意义，预计具有良好 的应用前景。 1 3 论文研究的主要内容 论文主要完成了以f 工作： 1 在收集、消化国内外机动车防抱制动方面的资料基础上，介绍了a b s 的 基本工作原理和目前常用的控制方法，论述了制动控制系统的发展方向。 2 对目前汽车a b s 控制领域中常用的控制方法进行了分析比较，特别对四 相控制方法进行了深入研究，证明了该方法中的三个基本公式，这三个公式是四 相控制法的研究基础，并针对其控制思路给出了四相控制法的流程图。 3 提出了基于自寻最优的a b s 控制策略，重点对其进行了单轮和双轮车辆 模型仿真研究，并* n l n * t l 控制方法的控制效果进行了对比研究，显示出了自寻优 方法的优越性。在论文的最后，对整车车辆模型进行了初步的分析和m a t l a b 仿真。 6 叫北t 业大学预卜论文 第一章a b s 系统t 作原理和运动分析 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 2 1a b s 系统工作原理介绍 防抱死制动控制系统是在传统的制动系统的基础上采用电子技术，在制动时 防止车辆抱死的一种机电一体化系统。图2 1 、2 2 为一个四轮车辆防抱死控制系 统的模型示意图及原理框。 图2 1 防抱死制动系统模型示意图 电子控制单元 液压调节器 图2 - 2 防抱，e 制动原理框图 阿北工业火学硕七论文第二章a b s 系统丁作原理和运动分析 从上面两图可以看出，a b s 是由控制器( 电子控制单元，简称e c j ) 、电磁阀、 轮速传感器三部分组成。在应急制动时，司机脚踏板控制的制动压力过大时，轮 速传感器及控制器可以探测到车轮有孢死的倾向，此时控制器控制作动系统减小 制动压力；当车轮轮速恢复并且地面摩擦力有减小趋势时，控制器又控制作动系 统增加制动压力。这样就使车轮一直处于较好的制动状态，有效地利用地面附着 力，得到理想的制动距离和制动稳定性。 传统的汽车制动系统功能是使行驶的汽车车轮受制动力矩的作用，使车辆停 止，在雨、雪和路面湿滑等情况下车轮往往会抱死。这样一方面会造成车轮轮胎 的严重磨损，另一方面后轮抱死会产生侧滑，容易使车辆丧失稳定性，而前轮抱 死会使车辆丧失转向能力。这些状态都容易导致事故的发生。a b s 系统的引入 使制动过程中车轮处于非抱死状态，这样不仅可以防止制动过程中后轮抱死而导 致的车辆侧滑甩尾，大大提高制动过程的方向稳定性，同时可以防止前轮抱死而 丧失转向能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的操纵性和弯道制动时的轨迹保持 能力，而且最终的制动距离往往要比同类车型不带防抱死系统的车辆的制动距离 要短，因而a b s 系统是一种有效的车辆安全装置。 2 2a b s 装置的基本组成 2 2 1 车轮转速传感器 车轮转速传感器( 简称为轮速传感器) 是a b s 中最主要的一个传感器，其作 用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速( 速度) 信号。目前用于a b s 系统的轮速传感器主要有磁电式轮速传感器和霍尔式轮速传感器两种类型。磁电 式传感器是利用电磁感应原理，将物体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度 的。在电控防抱制动系统中使用的传感器，多数为磁电式轮速传感器。它虽然结 构简单、成本低，但存在以下缺点： 1 输出信号的大小随转速的变化而变化，若车速过慢，其输出信号低于l v ， 电脑就无法检测。 2 频率响应不高，当转速过高时传感器的频率响应跟不上，容易产生错误 信号。 3 抗电磁波干扰能力差，尤其是输出信号幅值较小时。 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 现在国内外a b s 的控制速度范围一般为1 5 1 6 0 k m h ，今后要求控制速度 范围扩大到8 2 6 0 k m h 甚至更大，这就对轮速传感器和处理控制信号的微电脑 都提出了更高的要求。 霍尔式车轮速度传感器克n t 磁电式轮速传感器的上述缺点，并且具有f 列 优点： 1 输出信号幅值不变。在工作电压为1 2 v 时，输出幅值保持1 1 5 1 2 v 不 变，车速再慢甚至到零，幅值都不变。 2 频率响应高( 可达2 0 k h z ) ，用于a b s 系统中可检测1 0 0 0 k m h 的信号， 故可满足使用要求。 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，且幅值较高， 所以抗电磁能力很强。 目前霍尔式轮速传感器越来越广泛地应用在a b s 系统中。 2 2 2 电子控制单元( e c u ) a b s 的电子控制单元( e l e c t r o n i cc o m m lu n i t ) ，常用e c u 表示，简称a b s 电脑。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车 轮减速度、滑移率等，并进行判断、输出控制指令，控制制动压力调节器等进行 工作。另外，a b s 电脑还有监测等功能，如有故障时会使a b s 停止工作并将 a b s 警示灯点亮。一般的电子防抱制动系统只有一套运算电路，但为了更保险， 以及在装有多个轮速传感器的情况下，常需装用两套运算电路，同时进行运算和 传递数据，利用各自的运算结果互相比较，相互监控，确保可靠性。 如图2 - 3 所示，电子控制单元一般有以下几个基本构成电路： 1 轮速传感器的输入放大电路 安装在各车轮上的轮速传感器根据轮速的变化输出交流信号，并输入放大电 路中，将交流信号放大成矩形波，整形后送往运算电路。 2 电脑控制运算电路 其作用是连续地检测来自四个车轮传感器的脉冲电信号，并将它们处理、转 换成与轮速成正比的数值，从这些数值中区别哪个车轮速度快，哪个车轮速度慢。 根据四个轮子的速度实施防抱死制动控制，向液压调节器输出幅值为1 2 v 的脉 冲控制电压，以控制分泵上油路的通、断，分泵上油压的变化就调节了轮上的制 西北t 业人学硕卜论文 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 动压力，使车轮的滑移率保持在目标滑移率丑附近，获得比较理想的制动效果。 3 输出级( 电磁阀控制电路) 该电路接受来自运算电路的减压、保压或增压信号，以控制电磁阀的电流。 4 电脑的故障保护控制电路( 稳压电源、电源监控电路、故障反馈电路和 继电器驱动电路) 。 a b s 系统出现故障或受到暂时的干扰，电脑会自动关闭a b s ，让普通制动 系统继续工作，以确保行驶安全性。 图2 3四传感器四通道系统e c u 框图 2 2 3 制动压力调节器 制动压力调节器是a b s 中的主要执行器。其作用是接受a b s 电子控制单元的 指令，驱动调节器中的电磁阀动作( 或电机转动等) ，调节制动系的压力，使之 增大、保持或减小，实现制动系压力的控制功能。由于a b s 是在原来传统制动系 统基础上增加一套控制裟置形成的，因此a b s 也是建立在传统的常规制动过程的 b 器 源 两北工业 学硕l 论文 第二章a b s 系统t 作原理和运动分析 基础上进行工作的。在制动过程中，车轮还没有趋于拖死时，其制动过程与常规 制动过程完全相同：只有车轮趋于抱死时，a 1 3 s 才会对趋丁：抱死的车轮的制动压 力进行调节。通常，a b s 只有在汽车速度达到一定程度( 如5k m h 或8k m h ) 时，才会对制动过程中趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。当汽车速度降到一 定程度时，因为车速很低，车轮制动抱死对汽车制动性能的不利影 l j j l p j , ，为了 使汽车尽快制动停车，a b s 就会自动终止防抱死制动压力调节，其车轮仍可能被 制动抱死。在制动过程中，如果常规制动系统发生故障，a b s 会随之失去控制作 用。若只是a b s 发生故障、常规制动系统正常时，汽车制动过程仍像常规制动过 程一样照常进行，只是失去防抱死控制作用。现代a b s 一般都能对系统的工作情 况进行监测，具有失效保护和自诊断功能，一旦发现影响a b s 正常工作的故障时， 将自动关掉a b s ，恢复常规制动，并将a b s 警示灯点亮，向驾驶员发出警示信号， 提醒驾驶员及时进行修理。 全电制动b b w 是未来制动控制系统的发展方向，全电制动不同于传统的制动 系统，因为其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感 器，制动反应时间缩短。其中的电制动器结构和液压制动器基本类似，有盘式和 鼓式两种，作动器是电动机，这就省去了传统制动系统中的制动油箱、制动主缸、 助力装置、液压阀、复杂的管路系统等部件，使整车重量降低；无制动液，维护 简单；采用电线连接系统耐久性能良好；制动响应时间短，提高了制动性能。 但是b b w 的全面推广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。所以全电制动系统要全面代替传统的以液压为主的制 动控制系统还有很长的路要走。本论文主要涉及液压式制动压力调节器。 2 3 汽车制动时的运动分析 2 3 1 汽车制动时的受力分析 1 ) 制动产生的力 对行驶着的汽车施加适当的制动时，它会慢慢的停下来，这是因为在轮胎和 地面之间产生了与行进方向相反的摩擦力。图2 - 4 中车轮中心的箭头表示摩擦 力，把这个力叫做地面制动力，与地面制动力相关的摩擦系数叫做制动附着系数。 附着系数越大地面制动力越大，能在较短距离内停下。 西北 配( 学硕1 论文 第二章a b s 系统工作凉理和运动分析 岛 q - g o 转谑弘 七一惯蛙力一圆 制矾 一洲 蛩枸。：塞一气煮p 均蛊路面 小叫刈峙凹 用在车轮横向上，这个力是侧滑摩擦力( 也叫侧向力或转弯力) ，汽车转弯时， 车轮抱死后，像后面所要介绍的那样，侧滑附着系数基本为零，保持方向稳 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 当只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作， 当只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，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 所有的车轮全部抱死时，转弯力、侧向力均接近于零。汽车完全失去操纵性 和方向稳定性，兼有前、后轮单独抱死时的两种运动。即一面作与驾驶无关的不 西北工业人学硕【论义第一章a b s 系统t 作原理和运动分析 规则运动，面沿曲线的切线方向 t p s 行。 如卜所述，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、 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 _ 3 2 载荷转移 汽车重量是靠各个车轮来支撑的。在轮胎和路面的接触面上有一个垂直方向 的作用力，这个力叫做轮胎载荷。轮胎载荷随着制动力和转弯时的惯性力( 质量 加、减速度) 而变化，该惯性力是由转弯时的离心力引起的，并作用在汽车质 心上。 1 ) 制动力引起的载荷变化 汽车制动时根据总制动力的大小做减速运动。制动时所产生的地面制动力等 于车轮载荷与附着系数之积。制动时所产生的惯性力与总制动力大小相等、方i 向 相反、指向行驶方向，并作用在汽车质心上。这两个力将使汽车产生一个前倾力 偶距，使前轮载荷增加a g 。，后轮载荷减少a g 。假定附着系数为。、车重g 、 轴距三、质心高度h 。，则 a g b = , u h 2 g 上h 盟 ( 2 1 ) 质心越高、轴距越短，载荷转移的幅度越大。 2 ) 离心力引起的载荷变化： 汽车转弯时，由汽车质量、速度v 、曲率半径，所决定的离心力g 乡刍作 用在汽车的质心上。侧倾力偶矩产生后，使外侧轮胎载荷增加g ，内侧轮胎减 少a g ，。假定轮距为c 、离心力所产生的力偶距对每个车轮平均分配，则 矿：盟( 2 - 2 )矿= ) 。 2 9 r c 4 上述这种车轮载荷的变化叫做动载荷转移，由于载荷的转移，汽车转弯使前 外车轮的制动力最大，后内车轮的制动力最小。 两北，r 业大学硕_ 论叟 第二章a b s 系统工作原理和运动分析 2 3 3 滑移率 2 331 滑移率的定义 首先对地面制动力所产生的滑移率作一简要说明。如前所述，汽车是利用地 面与轮胎之间的摩擦力来减速的。制动时车轮速度减小，在车速和车轮之涮存在 着速度差，如图2 5 所示，两者之差称为滑移现象。滑移的程度用滑移率表示， 即： 滑移率= ( 车速一轮速) 车速) 1 0 0 ( 2 - 3 ) 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。停车之前车轮抱死时，轮速为零，滑移率达到1 0 0 。从丌始制动 到滑移率达到某数值，在这个过程中附着系数是随滑移率的增加而增大的。 剌勘压力 一一 _ 时间 图2 - 5 车速与轮速对照曲线 2 3 3 2 滑移率与附着系数的关系 制动附着系数( 纵向附着系数) 段、侧向附着系数“、滑移率s 之间存在着 密切的关系，通常具有图2 6 所示的特性。即：非制动状态下( s = 0 ) ，制动附 着系数肌= o ；制动状态下，滑移率达到某个数值时制动附着系数最大，之后随 着滑移率的增大制动附着系数反而减小。制动附着系数以最大时的滑移率叫做 s 。：n 两- 4 tl ：业大学硕j 沦义 第一章a b s 系统t 作原堙和运动分析 糕 懈 啪 芒 o 1s 图2 6 附着系数与滑移率关系曲线 当s = 0 时，侧向附着系数。最大，之后随着s 的增大而减小，当汽车车轮完 全抱死，s = 1 ，t 。* 0 ，如前所述汽车方向稳定性和转向能力将完全丧失。 2 3 4 减速度和加速度 如图2 7 所示，对正在旋转的车轮施加制动，随着制动压力的升高，在车轮 旋转的相反方向上将产生制动力矩，轮速减小并产生滑移。制动完全解除时，制 动力矩消失，车轮从滑移状态恢复到滚动状态。即车轮速度逐步增加到汽车速度， 这种在单位时间内轮速增加或减少的变化量叫做车轮的加速度或减速度。 竺i 么i 图2 7 车轮的减速度和加速度 一般讲，制动强度越大，车轮减速度越大；在滑动状态下，解除制动越快 车轮加速度越大。 第三章a b s 控制策略分析及系统建模 第三章a b s 控制策略分析及系统建模 本章旨先介绍了目前斟内