（车辆工程专业论文）abs+ecu控制逻辑的研究及测试系统的开发.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文针对防抱制动控制系统( a b s ) 的核心部件电子控制单元( e c u ) 的控制 逻辑进行了研究，建立了基于车轮加减速度门限值的防抱死控制理论的m a t l a b 软件模型，同时对于e c u 的技术指标、详细硬件构成进行了说明，对于整套a b s 系统的控制过程、控制逻辑进行了分析，特别对于基于车轮加减速度门限值的防 抱死控制理论进行了详细的分析与探讨。 本文采用l a b v i e w 可视化编程软件，结合c 语言编制了测试控制程序，设 计了e c u 的台架测试方法和程序。对e c u 各项输入、输出设置了测试项目，包 括控制计算机与e c u 通讯的建立、轮速信号的输入测试、阀信号的输出测试等。 利用车辆a b s 系统的数学模型模拟不同路况下e c u 控制的情况，另外还能人为 制造各种故障，以考核e c u 检测故障的能力。 本文对e c u 测试系统硬件输入、输出信号的调理箱、专用数据采集卡等也都 进行了设计与制作，并最终与工控计算机、机械台架组成了一套完整的e c u 测试 检验设备。利用该套设备能够测试不同接口的e c u 的性能，可以在试验室条件下 模拟各种e c u 的工作条件，特别是可以在试验室条件下进行实时硬件闭环模拟。 经台架进行动态和静态的全面测试后，就可以保证e c u 实际装车的可靠性。它对 于a b se c u 的开发、a b s 逻辑的研究、验证e c u 控制策略的合理性及实用性都 是很有效的工具。同时本系统也可以作为e c u 的出厂检验设备来使用。 关键词：a b s ，e c u ，控制逻辑，m a t l a b ，l a b v i e w ，测试 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i sm a n u s c r i p t ，t h ec o n t r o ll o g i co fa b si sd i s c u s s e d t h ec o n t r o l l e rm o d e l b a s e do nt h et h r e s h o l do fa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ni ss t u d i e di nm a t l a bs o f t w a r e a tt h es a m et i m e t h es p e c i f i c a t i o no fe c ua n dh a r d w 1 r es t r u c t u r ei si n t r o d u c e d t h e p r o c e s so f a b sc o n t r o ll o g i cf o rd e c e l e r a t i o nt h r e s h o l da n d r e f e r e n c es l i pi sa n a l y z e d b yt h ev i s u a ls o f t w a r eo fl a b v i e wa n dc o m b i n e dw i t hcl a n g u a g e ，t h et e s t p r o g r a mi sm a d e t h et e s tm e t h o do fe c u i sd e s i g n e d t h ei n p u ta n do u t p u tt e s tf o r e c ua l s oi sd e s i g n e d i nt h i ss t a n d ，t h ef u n c t i o ni n c l u d e s ：t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc o m p u t e ra n de c u ，t h ec a p t u r eo fw h e e ls p e e dp u l s e ，t h eo u t p u to fv a l v e s i g n a l t a k i n ga d v a n t a g eo fv e h i c l es y s t e mm o d e l ，t h ec o n t r o ll o g i co fe c u u n d e r d i f f e r e n tb r a k i n gc o n d i t i o n si ss i m u l a t e d t h ev a r i o u sf a i l u r eo fe c uc a nb em a d ei n t h i ss t a n di no r d e rt oe x a m i n et h ea b i l i t yo fe c us e l fd i a g n o s t i c s t h ei n p u ta n do u t p u tp o r to fe c uw h i c hi sc o n n e c t e dw i t hs i g n a lc o n d i t i o n a lb o x a n ds p e c i a la c q u i r i n gc a r do fi s ab u sa r em a d e c o m b i n e dw i t hi n d u s t r i a lc o m p u t e r , a r t i n t e g r a t e de c u t e s ts y s t e mi sf o r m e d w i t ht h i se q u i p m e n t ，t h ed i f f e r e n te c up o r tc a l lb ec o n n e c t e df o rt e s t 。i tc a n s i m u l a t ev a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o no fe c uu n d e ri n s i d er o o m e s p e c i a l l ni tc a n s i m u l a t ee c ud y n a m i cw o r k i n gp r o c e s sb yh a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o n t h r o u g h t h ed y n a m i ca n ds t a t i cc h e c ko ft e s ts t a n d ，i te n s u r e st h er e l i a b i l i t yo fe c ui n r e a l v e h i c l e i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pt h ea b se c u ，s t u d yt h ec o n t r o la l g o r i t h mo fa b s ， a n dv a l i d a t ec o n t r o ll o g i co fe x i s t i n ge c u a tt h es a m et i m e ，i tc a nb ea l s ou s e da s c h e c ke q u i p m e n tf o ra b se c u k e y w o r d s ：a b s ，e c u ，c o n t r o ll o g i c ，m a t l a b ，l a b v i e w , t e s t i i 重塞查堂堡圭堂垡堡苎 一一一l 量堕 1绪论 电子控制单元e c u 是a b s 系统的核心部件，而a b s 又是车辆上涉及制动安 全的重要部件，a b s 系统的质量及可靠性是非常重要的，而要保障a b s 的质量最 有效的手段就是对e c u 进行全面的测试。 1 1 问题的提出及研究意义 近几年，对于a b s 系统这种机电一体化的汽车电子产品，在汽车领域几乎到 了家喻户晓的地步，鉴于国内汽车产业整体落后于发达国家的现状，这些高性能 的电子控制系统在汽车上的实际应用也是刚起步，大部分进口车型( 包括合资生产 的汽车) 己将a b s 系统作为基本配置，其a b s 也是早已在国外匹配好的，a b s 系 统主要是采购国际知名品牌的。 e c u 的性能的好坏直接影响到整套a b s 系统的控制效果，由它来控制着a b s 的作动部件掖压控制单元( h c u ) ，以决定输出制动压力的大小，进而决定制动 力矩的大小【1 】。无论其它部件性能如何完好，假如控制核心e c u 出现了问题，则 a b s 系统的防抱制动性能将不会起到应有作用，有时甚至使制动效果恶化。因而 对于生产出的e c u 的检测、检验将是一项必不可少的工作任务。目前，国内生产 的中高挡小型车配备的a b s 系统基本虽然被国外厂商所垄断，但国内汽车配件制 造商也开始对于汽车电子控制系统产品的介入，也可以说a b s 的开发研究在国内 来说已经卓有成效，但无论是研究a b s 系统还是a b s 成型产品的检验，其电子控 制单元e c u 的检验设备都是必不可少的，而本设备市场上很难采购，需要自我开 发，这也就是本文中需要研究解决的主要问题。 1 2 国内外研究现状 对于a b se c u 控制逻辑的研究，其基本控制理论及控制逻辑国内外的研究大 同小异，基本是传统的逻辑门限的控制策略，具体为车轮加减速度门限以及车轮 滑移率门限，设置不同的门限制，以完成a b s 的防抱控制循环，只是具体实施的 方法有些差别；其他的控制理论如最优控制、滑模变结构控制、鲁棒控制等等仅 停留在理论或实验室内进行研究，尚无应用于实际a b s 中的报道【2 j 。这是由于a b s 作为制动安全部件，安全可靠将是第一位的，实践证明基于传统逻辑门限的控制 策略是安全可靠的【3 】。如a b s 系统之类的机电一体化汽车电子控制系统，其检验 手段及设备作为厂家的技术秘密来保护，而且都是自我开发的专用设备，具体的 信息，外人是不可知的。当今的技术进步，如计算机的发展及各类商业软件的升 重庆大学硕士学位论文 绪论 级换代，特别是电子技术的发展，对自行设计开发这类测试系统提供了很好的软、 硬件工具。最终能够保证设计制作的测试系统，其软硬件技术都是比较先进的。 1 3 本文研究的目的和研究内容 本文研究的目的，就是研制开发e c u 检测台架，以更好的研究a b se c u 的 控制逻辑，检验e c u 的性能，最终保障整套a b s 系统在实车上能安全可靠地运 行。其内容主要分为以下几个方面： 1 3 1 控制逻辑分析 本文对e c u 的控制逻辑进行了分析，特别是基于传统的车轮加、减速度门限 的控制逻辑进行了分析探讨，并用m a t l a b s 1 a 1 1 e f l o w 流程逻辑框图编制了控 制流程程序，可以实现对a b s 的制动模拟，同时对基于车轮滑移率的防抱控制理 论进行了深入的分析与探讨。 1 3 2e c u 的硬软件设计 本文对e c u 的硬件构成、技术指标进行了阐述，并针对a b s 系统e c u 的指 标要求、性能特点设计了检测软件。软件采用了l a b v i e w 虚拟仪器编程语言进 行了编制。为便于各种测试信号的旋出与接收，采用了专用的数据采集板卡，设 计了电子电路的信号调理箱，通过输入、输出电缆将工控机与被测e c u 连接起来。 1 3 3 e c u 的室内a b s 模拟 在e c u 测试台架的功能开发过程中，一项主要的功能就是进行室内a b s 道 路模拟试验，可以模拟各种附着系数路面的a b s 试验，以检验e c u 的控制逻辑 是否正确合理。这_ 部分的软件设计结合了c 语言的编程，需要编制车辆模型以 模拟车辆在a b s 制动过程中各种信号的输出与接收，主要是输出车速与轮速信号， 接收e c u 发来的阀信号，与e c u 构成一个实时硬件闭环模拟系统，要求模型尽 可能简捷，并准确反映a b s 制动过程中车辆的运动状态，便于模拟输出合理的信 号供e c u 来控制，这样就可以在室内台架上全面检删a b se c u 的性能。 1 3 4 测试系统台架设计 本文在其他技术人员和台作方的协作下，进行了对相应的计算机软件进行编 程、单片机的运用及采集卡的设计、信号调理箱的设计、整个机械台架的设计以 及各种部件的购置与制作、最终的装配与联调等工作，很好地完成了这一项课题。 1 4a b se c u 的硬件构成1 1 1 1 4 1 a b s e c u 分为六个大的模块，即c p u 、输入、输出、网络、诊断通讯及辅助 电源模块。下面介绍各部功能的实现： 电源模块。下面介绍各部功能的实现： 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 4 1c p u 模块 控制器的设计关键是选择一种适用于特定控制目标的单片机，对车辆防抱系 统来说，它对单片机要求有如下几个特点：抗环境干扰，满足工业级芯片强度 的要求4 0 。1 2 0 。有较多的f o 口，以实现多种控制功能；快速的计算速度， 以满足实时控制要求，一般防抱控制系统的控制节拍在t o m s 以内。采用标准的 通讯接口，以便于诊断功能的实现，同时具有与车辆上其它c p u 进行通讯的能力。 有较好的性能价格比，便于应用于批量装车，成为一种普及型产品。上述要求 带有一定的矛盾性，高性能的单片机必然价位高，所以应选用一种适中的产品， 1 6 位单片机较8 位单片机多出较多的i o 口，而3 2 位单片机价格又较高，性能不 能充分地发挥出来，所以采用1 6 位单片机对防抱系统是一种适中的选择，并且国 外产品目前绝大多数都选用这一档次的单片机。一般1 6 位机具有丰富的y o 接口， 可以实现大量的i o 及模拟控制功能，带有输入捕捉、输出比较，带有串行通讯口， 便于实现诊断功能，带有c a n 控制器，可以实现目前车辆上普遍采用的c a n 总 线协议。c p u 的配置有三种方案：单c p u1 6 b i t ：系统简单，成本低，可靠性高， 失效安全性好：双c p u8 b i t + 1 6 b i t ：系统复杂，成本较高，可靠性高，失效安 全性较好；双c p u1 6 b i t + 1 6 b i t ：系统复杂，成本高，可靠性高，失效安全性最 好。 1 4 2 输入模块 输入采用单片机的事件处理阵列端口的输入捕捉功能，轮速信号来自车轮上 安装的轮速传感器，是随着车速变化的正弦波，为了使其成为c p u 能够接受的方 波信号，必须把信号变换为方波信号。另外为了防止信号的干扰，发生误动作， 需要进行滤波处理。轮速信号处理的好坏，直接影响到控制器的性能，因此需要 反复设计、试验验证。 1 4 3 电磁阀驱动输出模块 由于车辆和a b s 电磁阀的特点，采用高端驱动的驱动模块驱动电磁阀。在这 里可以采用达林顿驱动管及附加保护电路驱动电磁阀，也可以采用一些专用的驱 动模块。专用的驱动模块具有强大的自我保护功能，如过载、过压、限流、过热 关断、e s d 等，而且具有诊断输出功能。c p u 输出采用上拉输出，使系统始终处 于一个稳定的状态，只有在c p u 输出启动信号和电源输出信号有效的情况下，电 磁阀才有可能被驱动。每两路驱动一个电磁阀，当两路输出为高电平时，即1 l f 二 进制) ，电磁阀降压，当两路输出为低电平时，即0 0 ，电磁阀升压，当两路输出为 一高一低电平时，即1 0 ，电磁阀保持压力。 1 4 4 诊断信号的处理模块 由于a b s 系统的高可靠性要求，系统一旦发生故障，应该立即使系统失效， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 转入故障状态，将故障记录在e 2 p r o m 中，并使指示灯按照一定的规则闪亮，显 示故障代码，使驾驶员了解系统状态。系统故障包括电磁阀短路、断路，传感器 短路、断路及信号伏值过低，供电电源不正常，e c u 故障等。通过外接的诊断按 钮操作，可初步了解故障类型，方便排除故障。通过r s 2 3 2 接口与故障诊断仪或 计算机连接，可以进行故障诊断和系统测试。 1 4 5 网络通讯接口模块 鉴于c a n 网络在车辆上的日益广泛应用，为了便于和其他控制系统交换信息， 在系统中使用8 2 c 2 5 0 构造c a n 驱动接口，单片机的片上c a n 功能。 1 4 6 系统电源管理模块 车辆采用的电源电压较集成电路所能承受的电压高很多，必须使用d c d c 模 块。为了使控制器有较大的使用范围，电源模块需要较宽的工作区域和良好的保 护功能。采用一般的低压差开关电源模块就能满足要求，尽量不使用带电感的模 块。在电源模块输出电压下降到一定的程度时，应使c p u 复位。 1 5a b s e c u 性能要求 e c u 试验标准，各个企业都有不同的做法，根据多年的开发经验及参考国外 某些企业及s a e 的有关标准制定相关的试验规范，分为：工作原理、电器工作参 数、环境兼容性等方面的试验规范。 1 5 1 判定控制原理的正确性1 】 4 1 【5 】 通过判定：接通状态、工作状态( 轮速传感器的信号处理、电磁阀控制、a b s 警告灯控制、泵马达输出) 、诊断接口、切断条件、待机、其他信号的连接等信号 来判定工作原理是否正确。 1 5 2 电气工作参数 分别在：常规信号与供电连接( i g n 点火开关、k 3 0 电磁阀供电端) 、信号输入 ( 轮速传感器信号输入、b r l 制动灯开关) 、信号输( w l a s 警告灯信号、电磁阀、 标识线p c c l ，p c c 2 信号) 、环境兼容性( 电磁兼容性) 、击穿强度、机械要求( 疲劳 强度、耐冲击性、保护) 、气候要求( 温度、大气压力) 、耐腐蚀性( 盐雾、腐蚀液、 高压清洗) 有相应的规定和要求。 4 重庆大学硕士学位论文 2 a b s e c u 原理及构成 2a b s e c u 原理及构成 a b s 是在传统的制动系统的基础上采用电子控制技术，在制动时防止车轮抱 死的一种机电一体化系统。图1 - 1 为一个四轮防抱控制系统的原理图。它由控制器、 电磁阀、轮速传感器三部分组成。 过大时，这时轮速传感器及控制 器可以探测到车轮有抱死的倾 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 且地面附着力有减少趋势时，控 制器又控制作动系统增加制动 压力。这样使车轮一直处于最佳 的制动状态，最有效地利用地面 附着力，得到最佳的制动距离和 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，使车辆减速停 在应急制动时，驾驶员脚踏板控制的制动压力 图2 1 四轮防抱控制系统的原理图 f i g 2 1s y s t e mp r i n c i p l ec h a r to f a b s 止的安全装置。在大多数情况下往往要抱死车轮，此时一方面造成车轮轮胎的严 重磨损，另一方面后轮抱死会产生侧滑，前轮抱死会使车辆丧失转向能力，从而使 车辆丧失稳定性，这些状态都容易导致事故的发生。而a b s 系统的引入使制动过程 中车轮处于非抱死状态，可以防止制动过程中后轮抱死导致的车辆侧滑甩尾，防 止前轮抱死丧失的转向能力，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，大大提高制动过程的方向稳定性。同时可使汽车提高制动效 能，制动距离一般要比不带防抱系统的同类型车辆要短。实践证明，a b s 系统是 一种有效的车辆安全装置1 6 】【7 l 口 2 1 防抱控制基本理论分析 2 1 1 车辆的制动过程描述 制动过程是由制动力矩与地面附着力构成的动力学系统来描述的，而地面附 着力是由轮胎与地面相互作用而产生的。附着系数是车轮滑移率的函数。车轮滑 移率定义为：【1 】 s = 1 一掰r y ( 2 1 ) 重庆大学硕士学位论文 2 a b s e c u 原理及构成 式中 s 一车轮滑移率；r _ 一车轮滚动半径 图2 2 为典型的轮胎特性图，和s 分别为纵向附着系数和横向附着系数。 很显然，当滑移率为零时，车轮处于自由 v _ 一车辆速度；一车轮角速度。 滚动状态，这时没有制动力作用。在制 传 动力的作用下，滑移率达到1 0 0 时车轮 抱死。而对大多数情况而言，车轮滑移 率在某个特定值下有最大的附着系数。 某些特殊路面如沙石路面及未压实的新 雪路面，在车轮抱死时其前方堆积物的 增加造成阻力，使附着系数增大。图2 3 为不同路面的附着系数。制动的目的之 一是得到最短的制动距离，根显然使车t 辆滑移率维持在峰值附着系数处就可以 。l 得到最大的地面附着力，也就有最短的i 制动距离。同时在峰值附着系数处的横 。 向力也较大，对维持车辆的制动稳定性 十分有利。而防抱系统具有峰值附着系 统的最佳滑移率点，随轮胎特性路面的 情况而变化，一般其值的变化范围在 5 3 0 之间【8 1 。 在制动过程中，轮胎经常会受到侧向力而 发生侧偏和侧滑现象，如制动时避免障碍物、 转弯制动、在分离附着系数路面( 即一边车轮在 高附着系数，另一边在低附着系数路面) 上制 动。如从制动稳定性的角度来说，在转弯制动 的情况，前轮先抱死时，则车辆受到的横向力 减小，车轮失去转向能力，则车辆将轨迹的切 线方向甩出，使车辆失控。当后轮先抱死时， 车辆将产生较大的横摆力矩，加剧过转向特性， 最后也将导致车辆的失稳。由图2 3 横向力与滑 移率的关系曲线可以看出，非制动状态下的横 向力最大，滑移率越大，则横向力越小，因而 图2 2 轮胎特性曲线图 f i g 2 2c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t i r e ， f 力 s 图2 3 各种路面上轮胎特性曲线 f i g 2 2c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t i r eo i l d i f f e r e n tr o a d l l 咚 隋乏? a 、 、j 车轮减速度 ， l * l a - h j ， 、生垫滑穗衷 图2 4 车轮镥目眩朔呈分祈 f i g , 2 4 a n a l y s i so f b r a k j n g 重庆大学硕士学位论文 2 a b s e c u 原理及构成 在制动状态下要想同时得到最短制动距离和制动稳定性，则应使车辆滑移率保持 在峰值附着系数附近。在实际制动过程中驾驶员是很难做到这一点的，并且应急 制动情况下驾驶员更无精力去顾及这种最佳的操纵，而防抱系统恰恰是为了实现 这一目的【9 1 。 图2 4 为一典型的直线制动过程，车轮上作用有制动力矩和附着力矩，在制动 的初始时，制动压力开始上升，同时附着力矩也增加，由于车轮附着系数在o a 阶段斜率比较大，轮速的下降也比较慢，在o a 制动区域，制动力与滑轮率都是 成正比上升的，车轮制动减速度绝对值逐步增加，制动过程显稳定状态。地面的 最大附着力是附着系数与轮胎正压力之积。当制动器制动力的值达到地面附着力 极限时即a 点，这种稳定的制动状态不再存在。车轮滑移率急剧增加，附着力矩 有些下降，在很短的时间内车轮抱死，滑移率达到1 0 0 ，减速度急剧增加达到b 点即抱死。在以后的制动过程中由于制动器有很大的制动压力，则这种抱死状态 一直维持到制动过程完成。在a b 制动段内，制动状态是一种不稳定的状态，在 a b 制动状态内附着系数或附着力的微小变化都会引起滑移率的很大变化，并且一 般情况下附着力减小，滑移率则增加。与稳定区域内的特性不同，制动力与附着 力不再遵从正比的关系，而是反比的关系。这种敏感性很强，用驾驶员的脚踏板 就很难控制车轮的滑移率，即使用防抱系统来控制滑移率也要求控制作动系统具 有较高的控制程度来实现精细地控制【1 0 1 。 2 1 2 车轮制动模型【6 】【7 】 为研究问题简便，采用单轮车辆系统模型( 图 2 5 ) 。忽略空气，阻力和车轮滚动阻力，单轮车 辆模型有如下方程式： 车辆运动方程肼= 一f f 2 2 ) 车轮运动方程 肠= 豫一瓦 f 2 3 1 车轮纵向附着力 ，= 研。 ( 2 4 1 制动力矩 五= a t f 2 5 ) 式中m 车辆质量；v _ 一车辆速 度： 图2 5 单轮模型 f i g 2 5 m o d e lo f s i n g t ew h e e l 卜车轮附着力；i 车轮转动惯量； r 车轮滚动半径； 车轮角速度： j 一车轮与地面间附着系数； n 一车轮对地面法向反力 一制动器制动因数；t _ 时间； 7 重塞奎堂堡主堂垡笙茎三垒壁生兰竺岁 t 一动施。峭硎姥噼模型来简化轮胎模型( 匮2 6 ) 。轮胎模型甩两 羹姜得一种解析解，采用双线性模型来简化托精楫7 皇。“ 个直线方程孝表达；， s s 澄= 1 丝- s t 一学s s 渴 舯= 茹器 u 一峰值附着系数； _ 篓1 。时的附着 p r 一、滑移率为胡 一 系数4 ，。七稗柏一个非线性方程，利用 岫 。慧翟蕊笔篆翥吴稳 竺然，s 鬻茹磊 定区域( s s t ) 与不槔压匹” “ 艚鬟尝篡死是在较短时间间 。南跫嚣篙嚣薪淼 隔窆苎生黧三芸拿喜翥刚” 度为曩，某鬃，即轮胎的法 、不考露轴荷的转移”“ 稳定 ( 2 6 ) 霪囊基= 篱 不考嚣罨糟删艄艇凇蝴桃麟嚣。 由此可得到关子车轮的运动方裎1 c o = 脚s 一耐 慧荔舢东j 五可得 解此微分方程并代入初始警p “ 亩：一薷( 卜e 。盯 8 ( 2 g ) ( 2 9 ) f 2 1 0 ) 圉甜 慧 特m 胎嘶 轮甜 鼾图撕 重庆大学硕士学位论文 2 a b se c u 原理及构成 背由7 1 一! ! 、 1 一k n r 2 下面对解析式进行进一步分析，以便在后继的内容中理解门限值的确定。达到 峰值附着系数时的角加速度值，是一个典型的一阶环节，其常数值a v k n r 2 决定 于在最佳滑移率处能够达到的最大制动减速度，而达到最大制动减速度快慢的动 态特性则由t 来决定，即常数值i v k n r 2 来决定，其静态和动态特性对确定减速 度门限具有重要的意义，下面逐一讨论各参数对静动态特性的影响。 1 ) 制动速度制动初速大，则能够达到较大的制动减速度，且达到这一制动 减速度的动特性慢，即t 大，因为速度大，系统的惯性就大，所以动特性慢； 2 ) 车辆轴荷轴荷大，则能达到的最大减速度小，动特性快； 3 ) 车轮转动惯量它对静特性无影响，大的转动惯量将使动特性慢： 4 ) 轮胎特性曲线的影响斜率大时则达到的最大减速度小，但动特性好，因 为斜率大，则轮胎提供的附着力大，所以响应快。但在同样的制动压力上升速率 的情况下，由于轮胎的特性曲线的斜率大，比较难于达到较大的制动滑移率，故 车轮的减速度也小。 5 1 制动器增压速率由公式可以看出减速的动特性与此无关，这是由于方程 所作简化所致，静特性则与减速度成正比关系，增压速率愈大，则制动减速度愈 大。 对( 2 9 ) 式进行拉氏变换得传递函数 一 一，口 “( s ) = i 厂( 2 1 1 ) 很显然，特征根s = 一，矿托碍业j 西f 则这一特性系统为稳定的系统，在受到干 扰的情况下，系统能够自动地恢复到平衡状态，是典型的一阶惯性环节。 对防抱控制系统在稳定的区域内都是施加的增压控制，故上面的讨论是在增 压控制中系统所能达到的最大加速度值以及所具有的行为，这对于分析防抱系统 确立合理的控制逻辑是十分必要的。 在非稳区域即s t s 0 ) ，它即为车轮非稳定区域轮胎特性曲线的斜率。可 得车轮的运动方程为 。k n r2a 一矿。7 ( 2 1 2 ) 初始条件假定车轮减速度在s = s ，处达到一个减速度值曲= 一0 3 。，r = 0 ，解得 西= j i i 。! ；j i j _ ( e “7 一1 ) - 西。f “7 ( 2 1 3 ) 9 重庆大学硕士学位论文 2 a b se c u 原理及构成 式中r 2 赢f 在减压过程中，将由减速度负值变为角加速度正值，它由两项来决定的， 上式中的第二项是由减速度的初始值引起的，它的最大值为一a v k n r ，很显然由于 k ， a v k n r ，所以随着时间的增加，方程的解将变为大于零 并趋于无穷，这是一个不稳定过程。超过一定值则就没有物理意义，要达到一定 的加速度值，各个参数的作用与达到减速度的作用基本是相同的，在此不再讨论。 同理，对方程( 2 1 2 ) 取拉氏变换 n | 1 g ( 0 2 面 f 2 1 4 、 卜可 。 则传函数的特征根s = i v k n r 2 0 ，所以系统是一不稳定的系统。 2 2 基本防抱逻辑 2 2 1 防抱控制基本控制策略 成熟的防抱控制产品采用逻辑门限的方法。 其基本的原理是根据车轮加减角速度门限及参考 滑移率，防抱逻辑使滑移率在车轮峰值附着系数 附近处波动，从而获得较大的车轮纵向和横向力， 使车辆同时具有较短的制动距离和制动稳定性。 防抱制动过程如图2 7 ，在制动的初始阶段，制动 压力上升，车轮产生制动减速度【l “。当车轮达到 某一减速度值( 即a 点) ，说明车轮有抱死倾向， _ _ ，- 、 b了、 广 、y 。 - ，一m 图2 7 防抱控制过程示意图 f i g 2 7c o n t r lc u r v eo f a b s 间 车轮状态已处于不稳定的区域，此时则命令制动力矩减小，刘盘力样放。这时车 轮由于惯性仍有一段制动减速度下降，随后制动减速度开始上升，最终产生车轮 角加速度。这表明车轮已恢复到稳定的车轮特性区域，如果继续进行制动压力释 放，就会导致车轮附着力减小，并最终使制动力丧失。而当车轮达到稳定区域时， 希望车辆尽可能多的时间内停留在这一区域内，这样制动力和横向力都较大。所 以，当车轮运动状态达到一定的加速度门限后，保持制动压力，这时车轮由于惯 性的原因加速度会继续上升一段时间，然后呈下降趋势。这时如果不改变制动压 力状态，维持保压，车轮减速度比较小，达不到峰值附着系数，则制动距离长， 所以当加速度下降到某一门限时，制动压力要重新开始增加。为使制动状态能较 长时间地停留在稳定区域内，则采用交替式的增压减压，获得不同的压力增加速 率，得到最优的制动效果。 重庆大学硕士学位论文 2 a b s e c u 原理及构成 门限值控制法大多选择加、减速度门限作为主要门限，以滑移率作为辅助门 限。仅用加、减速度门限有很大的局限性。从式( 2 1 0 ) 可以看出，在初始紧急制动 情况下，减速度取决于车辆初速度v ，制动器制动系数a k ，及肛一s 曲线的斜率k a 在高速、紧急制动及u 一曲线斜率较小的情况下，在图2 6 中的稳定区域，车轮 就可能达到减速度门限，而这时的滑移率很小，防抱控制逻辑在后继的控制中就 有可能失效。对于非驱动轮，如果制动时离合器没有及时脱开，则由于车轮系统 的转动惯量较大，在许多情况下也会造成制动减速度达不到门限值就进入不稳定 区域，最后导致过早抱死，使防抱控制逻缉失效。如果以滑移率作为单独的防抱 控制门限时，由于路况的不同，最佳滑移率s t 将在o 0 8 o 3 之间变化，选择一种 固定的滑移率作为门限，就很难在各种路况下得到最佳的控制效果。因此，需要 将两种门限结合起来，以辨识不同路况，进行自适应的控制。在决定实际滑移率 时，需测车体速度。测车速可用多谱勒雷达测速仪或加速度传感器，但费用高。 欧洲i t t 和b o s c h 等公司的防抱系统，都是用车轮转速，通过设定的车体减速度 值算出参考车速，再求出参考滑移率。这样，设定的车体速度值是否合适，将直 接影响控制系统品质的优劣， 车体速度需用较多的试验才 能测出i l z l 。 在a b s 系统的早期发展 l 过程中，b o s c h 公司做了比 较多的开发工作，目前的大多 数实用的a b s 系统多是以这 l l 一系统发展而来的。因而下面 l 以典型的b o s c h 防抱系统为5 例，说明其工作过程。首先设 l ； 定系统的加、减速度门限和参 考滑移率门限( s l 为下限，s 2l 为上限，且s 2 s 1 ) ，分三种 。 路况进行分析。 2 2 2 高附着系数路亟的 控制 弋襄 j 蛐 。4 ， i 。bb 弋 、 v 、 l m _ i - l - _ _ 一一 。丌。 丑 _ - 图2 8 高附着系数路况下的防抱制动控制 f 逗2 8c o n t r o lc u r v eo f a b so nh i g h i l 高附着系数路面的控制 过程如图2 8 所示。在制动初 始时，如果测得的车轮角减速度低于角减速度门限a 时，取此刻车轮速度作为车 体的初始参考速度v r e f 0 。此后，车体参考速度v r e f 依据车体减速度_ j 计算，即： 重庆大学硕士学位论文 2 a b se c u 原理及构成 v r e f = v r e f 0 - j t ，由此可算出任一时刻的参考滑移率。在制动初始阶段，为使车 辆避免在稳定区域内进入减压阶段，这时还要比较滑移率。如果s s 1 ，确保车轮进入卜s 轮胎曲线峰值附近的不稳定区域。然后，将电磁阀 开启到减压位，进入到第3 阶段。由于减压，车轮角减速度开始回升。当车轮角 减速度高于a 门限时，电磁阀开启到保压位置进入第4 阶段。 由于制动系统的惯性及制动分泵所保持的压力，使此时车轮速度继续上升， 角减速度由负值增加到正值，直至超过角加速度门限值+ a 。为了适应高附着系数 路面附着系数的突然增加，可以设定第二角加速度门限+ a k 。在给定的保压时间内， 如果车轮角减速度不能超过门限值+ a ，则属于低附着系数路面的情况；如果超过 门限值+ a ，则继续保压，此时会出现两种情况，一是出现附着系数突然增加的情 况，角减速度超过+ a k 门限；二是减速度再次低于+ a 门限。对于前者，要进行一 次增压，以适应附着系数的增加，直至角减速度低于+ a k 门限，再次保压至低于 + a 门限。对于后者，说明车轮进入一s 曲线峰值附近稳定区域，并稍有制动不足。 因此，两种情况的角减速度都可低于+ a 门限，进入稳定区域。由于u s 曲线峰值 附近的附着系数比较大，要使在这一区域内的制动时间尽量延长，因此制动压力 采用小的上升梯度，通常较初始压力梯度小得多。电磁阀以增压一保压的方式不 嚣s l 黧1 避| 蒂钎喇 门限，进入下一循环的防 、审s 0 = 一：。f 、1 ：= 一 抱制动，即这一循环结束【1 3 。 t1、k z ，一1 的控制 + a lh| | | u 在低附着系数路面上的? l 下e i 控制情况如图2 9 际其防 硅广碍寻f 市 抱制动过程的第1 、2 阶段与 n jl 在高附着系数路面时相同，在 带蚴压力 户、l u 一_ l 、l p l 重庆大学硕士学位论文 2 a b se c u 原理及构成 车轮减速度再次低于。a 门限，此时就开始进入下一循环的防抱制动了。高、低附 着系数路面的识别，关键在于保压阶段时在给定的时间段里车轮角减速度是否能 达至l j + a 门限值；根据识别出的路况不同，施加不同的防抱控制逻辑【l 。 2 2 4 由高附着系数路面跳跃到低附着系数路面上的控制 在防抱制动过程中，有时会出现路面由高附着系数过渡到低附着系数的情况， 如由干柏油路到结冰路面。在这种情况下进行防抱制动控制，就要考虑其控制可 靠性( 图2 1 0 ) 。假设在防抱制动的 上一循环的最后阶段结束而下一 循环刚开始时，路况突然由高附 着系数变化到低附着系数路面， 此时制动气室的气压仍保持在上 一防抱制动循环中处于高附着系 数路况时的高压。由于本循环中 的附着系数比较小，因而在第2 阶段( 减压阶段) 就会出现车轮滑 移率分别超过s 1 、s 2 门限的情 况。因此，在此阶段车轮角减速 度从低于a 门限变化到再高于a 门限时，要判断一下车轮滑移率 是否超过s 2 。如果超过s 2 ，则说 、j v f 豸 j 。 l 二娑 时 u 、一 一、 _- 二= 姐! p s 1 一 支 醯7 、 厂， 7 r k ： m 蛳l 。一 一苷 一 s i s 2 t 圈2 1 0 附着系数跳跃工况的防抱控制 f i g 2 1 0c o n t r lc u r v eo f a b s0 1 2v a r i o u s u 明车轮处于u s 曲线的不稳定区域，此时不应进行保压而是继续减压，直至车轮角 减速度高于+ a 门限。其后的控制方式与前述相同，即进行保压阶段，直到车轮角 减速度再次低于+ a ；然后用小梯度的压力升高，直至角减速度低于a 门限。至此 这一控制循环结束了。从这一循环可以看出：在高附着系数路面，制动气室保持 较高的气压，通过此循环，就能变化到在低附着系数路面需要的较低的制动气压， 使防抱控制系统具有较强的自适应性【1 7 】。 此外，在低速( 2 0 k i n h ) 、低附着系数工况下，车辆减速度减小，因而可用 滑移率门限作为控制变量，车轮减速度可用作辅助控制变量。 逻辑门限值控制方式的缺点在于，控制系统的各种门限及保压时间都是经反 复试验得出的经验数值，而无充分的理论根据，对系统的稳定性等品质无法评价。 对比高、低附着系数路面上的防抱逻辑可以发现，在第2 阶段减压时高、低 附着系数的不同路面上控制是不同的，高附着系数路面上控制减压时，车轮减速 度只要高于减速度门限就开始保压，而在低附着系数路面上控制减压时，车轮加 速度要达到加速度门限才开始保压，这一差别是因为在高附着系数路面上，增压 重庆大学硕士学位论文 2 a b se c u 原理及构成 阶段所达到的制动压力较高，由于液压或气动系统的非线性，高的初始压力的减 压速率要较低的初始压力减压速率要大的多，如若在高附着系数路面上减压到一 个加速度门限，加上系统压力转换时的滞后，就会使车轮达到一个较大的加速度 门限，这样在保压阶段就会压力过低，可能导致车轮减速度达不到门限值，同时 还会导致压力释放过多、能耗过大，速度波动大等。而在低附着系数路面上，压 力释放时的初始压力较低，则减压速率较慢，而它的增压速率较快，所以达到加 速度门限比较有利，因而当减压速率大，且系统滞后大时，要有较小的加速度门 限，甚至是负的加速度门限，而当减压速率小( 即低压时放气) ，且系统滞后小时， 要有较大的加速度门限。所以防抱逻辑要根据制动作动系统的特性和路面的情况。 作动系统的滞后主要是制动压力与制动力矩的产生不是同步的，即制动力矩要滞 后制动压力的变化。 2 2 5 脉冲步增压控制 在完成第一个a b s 控制循环后，后继的a b s 循环，在开始的增压阶段要有 较小的增压速率，因为这时车轮处于轮胎特性的稳定区域，有较大的纵向力和横 向力，要使得这种运动状态尽量保持久些，增压速度应减小，但太小的增压速率 将会导致过长时间的增压，使车轮处于较小的路面附着系数，导致制动距离的增 加，所以应有一个适当的增压速度。当车轮由保压变换为增压时，第一次增压要 有适当的大小，它取决于制动系统的机械滞后和车轮转动惯量，当系统存在滞后 时，必须用一个初始压力首先克服这个滞后。图2 1 1 为制动压力与制动力矩之间 的滞后，例如，当制动系统 由增压切换为减压时，首先 要由气压a p l 2 来克服制动 系统的滞后，同样，当制动 系统由减压切换为增压时， 首先要由气压z l p 3 4 来克服 制动系统的滞后。系统滞后 大，则需要较大的初始压 力，反之系统滞后小，则需 要较小的初始压力。图2 1 l 即为这两种情况。这样做可 以使系统很快达到最佳附 着系数90 左右。在这时 用小脉冲增压速率就可以 使这一制动状态尽可能长 v p 图2 1 l 制动压力与制动力矩之间的滞后 f i g 2 1 1t h ed e l a y e db e t w e e nb r a k i n gp r e s s u r ea n d b r a k i n gt o r q u e 1 4 重庆大学硕士学位论文 2 a b s e c u 原理及构成 时间地维持住。同样，大惯量时需要大的初始压力增量，小惯量时需要小的初始 后压力增量。但控制系统本身无法预先知道系统的滞后和车轮的转动惯量的大小， 为了使防抱过程控制系统能够自适应上述原则，需要采用变增压次数的原则，图 2 1 2 为自适应的控制过程，例如在第一个循环后，防抱需要六个小脉冲增压控制， 这说明车轮较长时间不是处于最佳的附着系数，也即第一次增压时间t 。较小，没 图2 1 2 脉冲步防抱控制原理 f i g 2 1 2c o n h lc u r v eo f a b sb yp u l s es t e p 有充分地克服系统滞后和转动惯量的影响，因而在下一个循环则需要增加这一时 间，通过增加第一次增压的时间，在下一循环只需2 个增压脉冲步长就可以达到 加速度门限。另一种相反的情况是在第一个防抱循环后，采用较大的时间k ，不 用脉冲增压就可达到加速度门限，这样在下一个循环中减少时间k ，从而可以得 到2 个脉冲步增压，使车轮能够适当长的时间内停留在最佳附着系数附近。由此 可见，上述的自适应方法是通过上一循环脉冲步数来自动地增加或减小增加时间 k ，从而使下一个循环得到适当的脉冲步数。由于这种脉冲步调节使得滞后及惯量 的影响被消除，在压力减少后，车轮会很快地达到最佳的附着系数附近，同时两 个脉冲步增压则意味着达到不稳定区域时有较小的减速度，特别是在低附着系数 路面上的控制，减压时压力往往会达到零，当转换到脉冲步控制时，第一个增压 可以很快地使轮胎达到最佳附着系数利用率( 1 ”。 2 2 6 减