（电力电子与电力传动专业论文）基于xc164cs的汽车防抱死系统分析与硬件设计.pdf

竺耋鎏詈三銮耋：兰墨：茎竺兰兰 h a r d w a r ed e s i g na n d a n a l y s eo f a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e mb a s e do nx c l 6 4 c s a b s t r a c t t h e r ew i l lb em a n yn o n - s t a b l ef a c t o r sa p p e a r i n gw h e nv e h i c l eb r a k e s u r g e n t l y , f o re x a m p l es k i d d i n g o f ft r a c k i n ga n ds t e e r i n ga b i l i t yl o s i n g t r a f n c a c c i d e n ti si n d u c e db yt h e s ef a c t o r s n o n s t a b l ef a c t o r sa r eg e n e r a t e db yt h e l o c k e dw h e e l s t h e s en o n s t a b l ef a c t o r sc 弛b ea v o i d e db ya n t i 1 0 c kb r a k i n g s y s t e m ( a b s ) d u r i n gb r a k i n g ，b r a k i n gd i s t a n c ec a nb es h o r t e na l s o ，a n dt h e s a f e t yb r a k i n gc a nb eg u a r a n t e e d i nm i sp a p e r , t h ep r e s e n ts t a t eo fa b si nt h ew o r l di si n t r o d u c e d i t sb a s i c s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c sa r er e p r e s e n t e dt o o a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f a b sc o n t r o l l e ri sd i s c u s s e dd e t a i l e d l y a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f a b s t h es i n g l ew h e e is i m u l a t i o nm o d e lo fa b sw h i c hm a k eu s eo fp i d a l g o r i t h mi se s t a b l i s h e df o rt h ef o a r - c h a n n e lf o u r - s e n s o rs t r u c t u r e t h em o d e li s s i m u l a t e di nm a t l a b s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h ee x a c t i t u d ea n d f e a s i b i l i t yo ft h i ss c h e m ei sp r o v e db yt h es i m u l a t i n gr e s u l t t h er e s u l th a sh i g h r e f e f e n c em e r i tt 0t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ew h i c hu s e s i n f i n e o nx c l 6 4 c sa si t sc o n t r o l l e rc o r ei sd e s i g n e d ，a n dt h ep e r i p h e r a lc i r u i ti s d e s i g n e da l s o t h es m a r tp o w e rs w i t c hb t s 6 5 l0a n dm c 3 3 3 8 5a r eu t i l i z e d f l e x i b l yi nt h ed e s i g no fd r i v ec i r c u i t t h c s es w i t c h e sm a k et h ec i r c u i ts i m p l e e c o n o m i c r e l i a b l e t h ed r i v ec i r c u i ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i e s o fa b sp e r f o r m e r t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e mh a st h ew i d er a n g ea n dh i g h p r e c i s i o na c q u i s i t i o na b i l i t y , i ta l s oh a st h er e l i a b l er e a l - t i m ea d j u s t i n ga b i l i t yt o t h eh y d r a u l i cp r e s s u r e n l et e s tp r o g r a m m ei sw r i t t e nf o rt h eh a r d w a r e a n da t e s t i n gp l a t f o r mi ss u p p l i e df o ra b sh a r d w a r e ，t h ep o r t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yi s i n c r e a s e db yt h em o d u l a rp r o g r a m m i n go ft h i st e s ts o f t w a r e t h ef i n a ls o f t w a r e o f a b sc a l lb ew r i t t e nb a s e do nt h i st e s tp r o g r a m m e k e y w o r d s a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ；h a r d w a r ed e s i g n ；p i d ；x c l 6 4 c s - i i 1 ： 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于x c l 6 4 c s 的汽车防抱 死系统分析与硬件设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期问独立进行研究工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除已；i = 明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做 “贞献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：互一语 同期：础年；, e l , o n 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于x c l 6 4 c s 的汽车防抱死系统分析与硬件设计系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期f h j 在导师指导下完成的硕七学位论文。本论史的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它瞽位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定。同意学校保留井 向存关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制f 段保存论文，可以公都论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： l 瑷 导师签名： 移锣埠 闩期：年0 月厶闩 同期：乒形年歹j q , 曰q |f|【、 r 。1 。_ _ _ _ _ _ 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ r 。1 。1 。 l 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 第1 章绪论 汽车防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 简称a b s ，是指汽车在制 动过程中能实时判定车轮的滑移率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止 车轮抱死而取得最佳制动效能的电子装置。它是融电力电子技术、微电子技术 和液压控制技术于一体的典型的机电一体化技术。它能把车轮的滑移率控制在 一定的范围内，并充分利用轮胎与路面之间的附着力，有效的缩短制动距离， 显著的提高车辆制动时的可操作性和稳定性，避免车轮抱死时易出现的各种交 通事故，使制动器的效能发挥到最佳状态。故此a b s 是目前世界上普遍公认 的提高汽车安全性的有效措施之一“1 。 1 1 汽车防抱死制动系统的发展概况 2 0 世纪初期，原始的a b s 装置就安装在汽车挂车上。1 9 2 0 年，a b s 技术 由英国人霍纳摩尔研制成功并申请了专利。第二次世界大战以后歼发成功了飞 机用a b s ，并成为飞机标准装置。但是当时技术发展缓慢，电子工业和机械工 业的水平有限，a b s 的性能及可靠性很差，价格也很昂贵，另外当时也没有 a b s 的标准检验方法，无法展示其优点，因此限制了a b s 的发展。 2 0 世纪6 0 年代，电子工业的发展为电气传动领域提供了强有力的功率电 子器件和可靠、廉价、多功能的控制器件，而且随着汽车工业和公路运输的发 展，车速不断提高，因制动抱死而使汽车失去控制所致的恶性交通事故也不断 增加，人们对汽车制动安全性越来越重视，这就促进了a b s 技术的发展和应 用。在国外，美国采用a b s 系统是在6 0 年代末，美国德尔科公司 ( d e l e o ) 1 9 9 1 年研制的新型、低成本a b s 系统已应用在雪佛兰、别克、庞帝克 等车系上，并且还要为我国桑塔纳2 0 0 0 型轿车装配a b s 系统。德国的博世公 司( b o s c h ) 从7 0 年代初就一直从事a b s 技术的研制工作，并获得多项专利， 它是目前世界上最大的a b s 生产厂。我国也于8 0 年代初开始和国外合作研制 a b s ，例如东风汽车现阶段的目标仍是对国外a b s 产品进行消化吸收，并进 行自主开发，重庆公路研究所先后开发了两代a b s 产品，第一代a b s 中的电 子控制单元( e c t j ) 采用了z 8 0 芯片，第二代a b s 产品为f k x - a c i 型适用于中 型汽车，其中央处理器采用了m c s 9 6 系列8 0 9 8 单片机，现己在部分车辆上 试装，陕西兴平5 1 4 厂研制a b s 开始于1 9 8 4 年，它的第一代a b s 电子控制 t 学硕 学位论文 器采用的是模拟电路，传感器由自己研制，压力调节器采用飞机上的气压调节 阀，目前处于试装过程中。到目前为止，清华大学已经开发研制了两代a b s 产品，并在分析b o s c h a b s 和b c n d i c s a b s 的基础上开发研制a b s 软件“。 1 2 汽车防抱死控制系统概述 汽车防抱死制动系统的基本功能就是可感知制动轮每一瞬时的运动状态， 并根据其运动状态相应地调节制动器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。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一 项应用。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。 a b s 装置首先是成功地应用于飞机上，但是由于飞机上安装了昂贵的测速 装置，以及飞机在降落时机场路面的单一性，所以飞机上安装的防抱死制动系 统的性能十分稳定；与此相反，汽车上只安装了测鼍轮速的传感器，没有安装 测量车速的传感器，而汽车行驶的路面却复杂多变。所以，与飞机防抱死制动 系统相比，汽车的防抱死控制的难度很大，不易达到理想的效果。 要把滑移率控制在一定的范围内： 其一，要知道制动过程中每一时刻的轮速和车速，然而能精确测量具体车 速的传感器如多普勒测速仪等都十分昂贵，一般车辆都只安装轮速传感器，测 出轮速，再通过轮速估计出车速。这个估计出来的车速称为参考车速。这个估 计的环节就增加了很大成分的不确定性。这个估计的环节也是汽车防抱死制动 系统设计开发的最大难点之一。 其二，要把滑移率控制在一定范围内，就要把轮速控制在一定范围内。就 必须通过e c u 反复调节制动压力。如何合理地增压( 包括快增和慢增) 、保压 和减压( 包括快减和慢减) ，才能使滑移率更稳定地保持在规定范围内。其中保 压很重要，因为保压多，会使制动更平稳。这个控制压力的环节也是汽车防抱 死制动系统设计开发的最大难点之一。1 。 近几年，针对汽车防抱死制动系统，国际上流行的控制方法有逻辑门限值 控制、p i d 控制、滑模交结构控制、最优控制、模糊控制和神经网络控制等控 制方法。目前国内开发a b $ 用的控制方法还主要是最基本的逻辑门限值控制 方法。 a b s 在国外从2 0 世纪8 0 年代开始得到广泛的应用，9 0 年代初发展到牵 引力控制系统( t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m ，简称t c s ) ，近两年发展到车辆行驶动 t 哈尔滨理t 大学t 学碜七学位论文 学调整系统( v e h i c l ed y n a m i cc o n t r o l ，简称v d c ) ，到目前已是一种较成熟 技术。国内此项技术发展起步较晚，在软硬件方面都与国外有一定差距，在 展方向上首先就是要缩小差距，但总的发展趋势和方向与国外相同。 1 提高硬件技术 在传感器技术方面，可在原来基础上开发和改进传感器，如零频率响应轮 速传感器、横摆动角速度传感器等；在电磁阀方面，应进一步提高电磁阀的响 应速度，并防止卡阀现象的出现。在硬件电路方面，设计的轮速采集处理电 路，更易于去除轮速信号中的毛刺和杂波，更易于低速采集；采用集成驱动电 路，提高电机和电磁阀的驱动速度以及可靠性。 2 提高软件技术 进一步开发适应复杂情况的控制软件，能够对汽车瞬态运动状况进行精确 定量分析、计算和控制。 3 提高集成度 随着微电子技术的发展，采用1 6 位c p u 或3 2 位芯片，并使整个电子控 制系统从分散到集成，减少控制系统的体积和质量。 1 2 1 汽车防抱死控制系统基本构成 一般来说，带有a b s 的汽车制动系统由基本制动系统和制动力调节系统 两部分组成，前者是制动主缸、制动轮缸和制动管路等构成的普通制动系统， 用来实现汽车的常规制动，而后者是由传感器、a b s 控制器、执行器等组成的 压力调节控制系统，在制动过程中用来确保车轮始终不抱死，车轮滑动率处于 合理范围内。如下图卜1 所示。 1 轮速传感器 汽车的每一个车轮上都装有轮速传感器，它的作用是将转速变换为电信号 送给e c u 。轮速传感器的结构为极轴与永磁体相连，且安装于传感器转盘的上 方，因此磁体的磁通延伸到传感器转盘，并与它构成磁路。当传感器转子转动 时，齿顶与齿隙轮流交替的对向极轴，此时磁通迅速变化，磁力线切割传感线 圈，于是在线圈中产生感应电压，该感应电压呈交流正弦波变化，其变化频率 与传感器转盘的齿数和车轮的轮速成正比。若传感器转子齿数为一固定值，则 交流正弦波的变化频率只与车轮的转速成正比“1 。因此可以通过交流正弦波的 变化频率来确定车轮的转速，并由线圈末端通过电缆传输送至a b s 电子控制 单元e c u 。轮速传感器是a b s 系统的关键部分，从传感器传出信号的准确性 图1 - 1 a b s 系统框图 f i g 1 - 1a b ss y s t e mc h a r t 2 a b s 控制器 a b s 的电子控制单元e c u 的主要任务是接收各车轮传感器送来的信号， 进行比较、分析和判别，然后通过精确计算得出制动时车轮的转速和车速。在 制动过程中，尽管车轮的转速下降，但其减速度的大小还随着汽车制动时的车 速以及所行驶的路况( 诸如干沥青路、湿滑或覆盖有冰的路面等等) 的变化而变 化。换句话说，电子控制单元e c u 通过制动过程中车轮转速的变化来判断车 轮与道路表面之间的滑移状况，然后控制a b s 执行器使之产生最合适的制动 液压，传递给各车轮制动分泵，以此来控制各车轮的转速“1 。 a b s 电子控制单元e c u 还包括初始检测功能、故障排除功能，速度传感 器检测功能和失效保障功能。 3 执行器 a b s 执行器又称为制动压力调节器，由电磁阎，储液器和回液泵电动机组 成，安装在制动总泵( 主缸) 与车轮制动分泵( 轮缸) 之问，主要功用是根据a b s e c u 的控制指令，自动调节制动分泵( 轮缸) 的制动压力。 电磁阀是制动压力调节器的主要部件，通过电磁阀动作便可控制制动压力 “升高”、“保持”和“降低”。 1 2 2 防抱死控制系统的特点 防抱死系统的特点主要有以下四点： 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 1 增强制动时的稳定性，以及可操作性； 2 在一定的制动情况下缩短制动距离； 3 减小轮胎的磨损； 4 使用方便，工作可靠； 1 2 3a b s 控制系统的研究方向 迄今为止，a b s 系统的整体结构虽已日渐趋于成熟，但是其控制精确程度 仍有待于进一步的提高，而且我国a b s 控制系统尚处于起步阶段仍有许多问 题亟待解决，今后的研究方向将集中体现在以下几个方面： 1 新的控制理论和方法 近年来，现代控制理论发展迅速，新的控制方法不断涌现，如模糊控制、 神经网络等。模糊控制采用类似于人脑的模糊推理方法，遵循一定的控制规 则，结合实际经验，对系统进行动态调控，具有不依赖对象的数学模型，便于 利用人的经验知识，鲁棒性好，简单实用等优点”，但是其在软件实现上具有 一定的难度，而实现连续控制的最简单算法p i e ) 控制方法，只要适当的整定比 例，积分，微分三个系数即可将控制目标以最快的方式趋近于设定目标，因此 将p i d 控制算法应用于a b s 控制系统不失为一种有益的尝试。随着这些控制 方法的逐步完善和发展，其在工程技术上的应用必将越来越广泛。新的控制方 法在a b s 上的应用，将促进a b s 控制技术的不断完善。目前大多数a b s 产 品基本上是基于车轮加、减速门限值及参考滑移率方法设计的。现在国内外对 以路面附着系数为控制参数的控制算法有了较深的研究，其结果表明：( 1 ) 基于 滑移率的防抱死制动系统控制算法能够适应各种路面变化，把滑移率控制在最 佳值附近，使制动效果改善，是一种全新的a b s 控制算法；( 2 ) 此算法只需 测量车轮转速，不需要测量车身的速度，也不需要做大量试验来获得门限值等控 制参数，具有良好的实用推广前景；( 3 ) 在实际应用时，测量车轮转速和制动管 路压力的办法是切实可行的，信号迅速准确，具有理想的实用价值，是防抱死 产品研究开发的一条新思路”“”。 2 集成电子器件选择 随着现代电子技术的飞速发展，a b se c u 的核心部件也在不断地成熟， 越来越多的a b s 控制系统已经选用功能强、速度快、集成度高的1 6 位微处理 器，把多种功能电路集成在一块芯片上，促进了a b s 控制器的进一步完善和 扩展，缩小了硬件电路的体积，提高了控制器的处理速度和a b s 的控制精度 哈尔滨理t 大学_ 学硕十学位论文 及可靠性，扩大了a b s 的控制范围，并且在集成度提高的同时，a b s 控制器 的成本得以降低。今后在这方面的技术研究还应该有进一步的发展。另外，随 着i t s ( 智能运输系统) 的不断发展和推广应用，因其采用雷达、g p s 等电子技 术，将能准确地采集到车辆的运行速度，a b s 的性能将得到进一步提高”1 。 3 功能结合不断扩展 随着汽车电子技术的发展，很多通过a b se c u 对汽车进行控制的装置 不断地被加以应用。其中驱动防滑系统( a n t i s l i p r e g u l a t i o n ，a s r ) 就是对a b s 的完善和补充。a s r 系统足维持附着条件，充分发挥驱动力的电子装置，其 作用主要是通过控制发动机转矩和汽车的制动系统等手段来控制驱动力，防止 车轮空转打滑，保持最佳驱动力。a b s 保证了汽车制动过程中方向的稳定 性，a s r 则保证了汽车行驶过程( 起步、加速时) 中的方向稳定性和操纵性。 现代的很多轿车中，a b s 电子控制装置设有与a s r 电子控制装置交换信号的 接口，而且其主要部件( 如电子控制器、轮速传感器、制动压力调节器) 可以通 用或共用。因此，a b s 与a s r 结合使用可以充分利用有关部件，并且汽车的 主动安全性将更有保证m 。 1 3 本论文主要研究内容 1 针对汽车防抱死系统的工作原理和控制特点，利用p i d 控制算法，构建 出种基于滑移率的单轮防抱死系统控制模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 环 境下对模型进行仿真分析。 2 设计防抱死控制器的硬件电路，采用1 6 位微控制器x c l 6 4 c s 作为控制 核心，并运用高度集成的功率驱动开关芯片完成硬件电路设计，实现轮速的宽 范围准确采集以及制动电磁阀和泵电机的适时控制。 3 针对设计的硬件电路，编写测试程序，为硬件系统提供软件测试平台， 且采用模块化编程方式，为a b s 控制软件的进一步编写奠定基础。 哈尔泞珲t 大学t 学矽卜学幢论文 第2 章汽车防抱死控制器的工作原理与控制方法 2 1 防抱死系统的工作原理分析 汽车通过轮胎与路面之间的相互作用，把发动机传至车轮的驱动转矩转变 为推动汽车前进的驱动力。在弯道行驶时，由于地面对轮胎的侧向作用力，使 车辆能按照驾驶员的要求改变它的运动方向。路面所能提供的附着力( 即纵 向、侧向作用力) 与附着系数有关，附着系数定义为路面附着力只与作用在 车轮上的垂直负荷f 之比： 专 陆， 与轮胎的结构、材料、花纹、气压以及路面特性等多种因素有关。如子 午线轮胎在干燥路面上附着系数最大。不同路面的附着系数大约在o 0 5 l 的 范围内，在冰面上最小，约为0 0 5 左右，其他路况介于这两者之间。根据汽车 的行驶方向可将附着系数分为纵向附着系数肋和侧向附着系数雎。在车轮制 动时，作用在车轮上的纵向制动力和侧向附着力分别为： 鲁砒? ( 2 - 2 ) f s = p 。f n 附着系数还与车轮的滑移率有关。在分析a b s 制动问题时，把车轮的滑 移率定义为a1 1 0 1 t 式中h 实际车速( b ；t a v r d ) 一车轮有效滚动半径，定义见图2 1 ； 矿一车轮滚动有效角速度； n i ，- 一车轮的切线速度( = 砌) ； 一车轮转动角速度。 滑移率的定义式可以写成另一种形式： 动 动 制 驱 一巧一 哈尔滨理t 大学 学硕士学位论文 l a ：竺生i 二! ! 巴( 铝。动国o ) 1 z ；遗( 驱动删) 【嘶 式中工在一1 0 0 - - - + 1 0 0 范围内变化，l 在。1 0 0 - - 0 区间为驱动工况，其轮 速大于车速，车轮相对于地面滑转；2 在l 0 0 9 6 为制动工况，此时车速大于轮 速，车轮相对于地面滑移。特殊情况，五= o 、五一1 0 0 和扣1 0 0 分别对应车轮 的自由滚动，车轮纯空转和车轮被完全抱死状态。 图2 - 1 车轮有效滚动半径 f i g 2 - 1v i u - t u a lw i i lm l l i n gr a d i 峭 _ 二 歹蓁 。 图2 - 2 一曲线 f 培2 2c u r v eo f 岫 车轮的滑移率与纵向、横向附着系数的关系如图2 2 所示。由图2 2 可以 看出a b s 控制器的控制目标就是将a 控制在阴影部分的稳定区间内，从而使 纵向附着系数和横向附着系数最大，进而使得车轮上的纵向制动力和侧向附着 力最大，保证汽车安全制动1 。 哈尔滨理- 大学_ 学硕十学位论文 2 2a b s 的结构形式和整车制动受力分析 如前所述，a b s 控制技术的本质就是把车轮的滑移率控制在稳定区域内， 因此，在制动时可保证取得最短的制动距离和最佳的转向操纵稳定性( 能提供 与导向轮侧偏角相对应的侧向力) 。对于整车由于a b s 所用的传感器和控制通 道的数目不同，就可得到不同的组合配置方式。 2 2 1a b s 的结构形式 1 四传感器四通道方式 四个传感器和四个液压控制通道a b s 系统如图2 3a ) 、b ) 所示。其中图2 3a ) 是按照前后方式布置，即前后轮缸分别采用不同的液压回路，图2 3b ) 是 按对角( x 形) 方式布置，即处在对角线上的两个轮缸采用同一液压回路。由于 每个车轮都具有一个轮速传感器和一个液压通道，因而可对每一个车轮实现任 意目杯的控制，使a b s 总体性能达到最佳状态。这种结构布置方式在对称路 面上可使制动距离最短，又能保持良好的操纵性和制动安全性。但是其缺点是 在非对称路面，由于将在左右两侧车轮上产生不同的制动力。因此在汽车保持 它原来的行驶方向上存在方向稳定性隐患。 2 四传感器三通道方式 四传感器三通道a b s 的结构方式如图2 3c ) 、d ) 两种所示。图2 3c ) 采用 对角形式布置，由机械方式( 柱塞加压阀) 实现车轮低选控制，图2 3d 1 是采用 电子控制的电控系统实现低选控制。在两种结构布置方式中，两前轮都是采用 独立控制，而后轮将以前两轮中较易抱死的车轮所施加的制动力矩作为标准， 按低选方式对后轮施加相等的制动力矩进行控制。这种布置与低选控制方式组 合的结果改善了汽车在非对称路面制动时的方向稳定性，但是制动距离增加。 由此可以看出，a b s 的某些性能指标，如方向稳定性和制动距离是相互矛盾 的，一项指标的改善可能伴随着另一项指标的降低，所以在设计系统时必须综 合评价。 3 三传感器三通道方式 该系统通常为前后靠置方式如图2 3e ) 所示，两前轮采用独立控制方式， 两后轮取差速器的转速信号，并且由同一液压管路控制。这种布置方式，其后 轮仅适于采用低选控制方式。 4 四传感器二通道方式 哈尔滨理丁大学t 学硕卜学位论文 这是按对角方式布置的a b s 所用的简易系统。前轮一般采用独立控制， 后轮控制有图2 3f ) 、g ) 两种形式。在图2 3f ) 中，前轮的制动液通过一定比 减压阀，按固定的比例减压后传至对角后轮。该结构布鼍方式的a b s 系统， 在不对称的路面上制动时。高附着系数侧路面上的前轮产生的制动高压传至低 附着系数侧的后轮上，会使该后轮抱死：而在低附着系数侧的前轮的输出压力 较低，和它对角的高附着系数侧的后轮不会抱死，但有可能出现制动力不足的 现象。所以，该方式即使在非对称路面上能满足汽车行驶方向的稳定性，但由 于后轮执动压力有可能出现制动压力不足的现象，所以制动距离较长。 a ) 四传感器四通道前后形式 ”四传感器四通道x 型形式 c ) 四传感器三通道机械实现方式 d ) 四传感器二通道电控实现方式 默 一 c ) 三传感器三通道前后形式d 四传感器二通道比例阀形式 g ) 四传感器二通道低选阀形式 图2 - 3 a b s 整车布置形式 f i g 2 - 3a b sl a y o u to f w h o l ev e h i c l e n 控制通道 l 轮速信感器 哈尔滨理t 大学t 学移十学位论文 综上所述，a b s 总体性能与通道数和传感器数目有关，一般而言，传感器 通道数目愈多，则a b s 的性能愈好。四传感器四通道a b s 系统是最完备的 构伟置方式，由于各个车轮均能任意设定它的控制目标，因而可取得最佳的 动效果。但是当汽车在非对称路面时使用此种布置方式需要注意左右制动力 匹配以免使车体失去方向稳定性。如果简单的按照低选方式进行控制，则四 感器四通道a b s 系统就降低到四传感器三通道a b s 系统，甚至四传感器二 道a b s 系统的性能，使部分控制通道的潜力得不到充分的发挥，造成资源 费。所以为了最大限度的利用路面附着力，缩短制动距离，我们采用四传感 器四通道a b s 系统，但是必须分析研究整车的动力学方程，从而确定单轮独 立控制模型，使得四个控制通道在各种路面情况下均能发挥它们的作用，保证 汽车安全制动，而又不失方向稳定性“。 2 2 2 整车制动受力分析 a b 图2 - 4 车辆在非对称路面制动 f i g 2 - 4b r a k i n ga ta s y m m e t r yr o a ds u r f a c e 为分析方便，对整车在非对称路面的制动过程作如下几点假设： 1 制动过程中i ； 轮转角为零； 2 前后轮几何中心在同一条轴线上； 3 横摆过程中各轮的附着系数不变； 图2 - 5 加速度引起车轮载荷的分配 f i g 2 5l o a dd i s t r i b u t i o no f w h e e ld u et oa c c e l e r a t i o n 基于上述假定，由图2 4 可以导出制动过程中车辆整车运动的七自由度动 力学方程“1 ： n ( u x 一。j 。j = 一一磊一一e m ，嗄吩+ 酸c c j j = 二e 甩一+ e 髓+ e 脓 以= ( + 一一黝口2 + ( + 昂妒一( 如十艮加 如= 嘞( 2 - 5 ) 厶嘞= _ 勰。 如啦= 吨编 如= 吨戒。 式中蚣一车辆纵向速度； 以车辆横向速度： 。厂一汽车横摆角速度： 厶一一车轮转动惯量，第一下标x = f 、r ，表示前轮后轮；第二下标 x = l 、r ，表示左右车轮； r d f ，矿一前后轮滚动半径； 死矿吩别表示作用在四个车轮上的制动力矩( 第一个x - - f 、r ，第二个 x = z 、r ) ： 肟一这里表示整车质量； 如，吩别表示作用在四个车轮上的纵向摩擦力，x 的意义同上； = ，略+ 致协，2 + 所酽向，2 r b + m “。h 2 b = 嘲昭一u x h ) 1 2 l - m i a h l 2 r b - m u 】, h 1 2 b f n m = m ( a g + u , , h ) 2 l + m i a h 2 r b + m u y h 2 b 式中r 重力加速度； h 汽车质心高度； 三轴距： 及汽车转向时的离 作用在各个车轮上 ( 2 6 ) 五汽车转向曲率半径； 由于考虑汽车在直线行驶的稳定性，其侧向加速度很小，且转向曲率半径 很大。所以上式中后二项可以忽略不计，于是上式可简化为“： 1 2 m ( b g 一吣功优( 2 7 ) = m ( a g + u ，h ) 2 l j 式中h r 每个前轮的垂直负荷 每个后轮的垂直负荷 不计车辆横摆角度的影响，则前、后轮的侧偏角为“”： 2 3a b s 控制方法的分析比较 ( 2 8 ) 轮胎一道路接触面之间的附着系数和滑移率是影响制动效果的重要参数。 现有a b s 实用技术还不能直接测量轮胎道路附着系数和滑移率，这是因为测 量轮胎一道路附着系数需要使用五轮仪，测量汽车实际速度需要使用价格昂贵 的多普勒雷达或加速度传感器，因此防抱死制动普遍采用一些日j 接方式来实现 近似理想的控制过程。实现a b s 的控制过程目前有几种不同的控制方法1 ； j f “ ， )、， 差、 炒 国 ， 口6 + 一 ， y ” ，l，t l f = f r 窿 盯 rj、【 p ( p o 图2 - 6 逻辑门限值控制方法 f i g 2 - 6l o g i ct h r e s h o l dc o n t r o lm e t h o d 目前车辆上采用比较广泛的一种控制算法是基于车轮加、减速度门限值及 参考滑移率的方法。 虽然轮胎一道路附着系数不同的路面上的控制过程有所不同，但是其控制 原理基本相同，下面以图2 5 中所示的高附着系数路面的制动过程为例说明逻 辑门限值控制方法。 在制动初始阶段，车轮制动分泵的制动液压力随着制动踏板力升高而升 竺垒堡至三銮耋二兰竺二茎竺鎏兰 高，车轮滚动的圆周速度降低、减速度增加，如图第一阶段所示曲线所 示。当减速度增加到设定阀值( 一a ) 时，a b se c u 发出指令使相应的电磁阀转换 到“保持压力”状态，控制过程进入第2 阶段，此时制动分泵压力保持不变。 因为减速度刚刚超过设定阀值时，车轮还工作在“丸曲线的稳定区域，所以滑 移率较小，且小于设定阀值( h ) 。滑移率利用参考车速计算求得，称为参 考滑移率。参考车速由a b se c u 根据存储器中存储的制动开始时的车轮速度 确定，并按设定的斜率( 该斜率略大于纵向附着系数最大值所对应的汽车减速 度值) 下降。 在制动过程中，任意时刻的参考滑移率可由参考车速计算得出。在保压过 程中，参考滑移率会增大，当参考滑移率大于滑移率阀值时，a b se c u 发出 指令使相应的电磁阀转换到“压力降低”状态，控制过程进入第3 阶段。 制动压力降低后，在汽车惯性力作用下车轮减速度开始回升。当减速度回 升到高于减速度阀值( a ) 时，a b se c u 发出指令使相应电磁阀转换到“压力保 持”状态，控制过程进入第4 阶段。在制动部件以及制动液的惯性作用下，车 轮开始加速，减速度由负值迅速增加到正值，直到超过加速度阀值( + a ) 。加速 度继续升高，当加速度超过更大的加速度阀值( + a ) 时，a b se c u 发出指令使 相应电磁阀转换到“压力升高”状态，控制过程进入第5 阶段。 制动压力升高后，车轮加速度降低，当加速度降低到低于加速度阀值( + a ) 时，a b se c u 发出指令使相应的电磁阀转换到“压力保持”状态，控制过程 进入第6 阶段。因为此时车轮加速度高于设定阀值( + a ) ，说明车轮工作在u 氛 曲线的稳定区域，且制动力不足，所以当加速度降低到设定阀值( + a ) 时，a b s e c u 将发出指令使相应的电磁阀在“压力升高”和“压力保持”状态之间交替 转换，控制过程进入第7 阶段，使车轮速度降低，加速度减小，当加速度降低 到减速度阀值( a ) 时，控制过程进入第8 阶段。a b s 的第二个控制周期，控制 过程与上述相同。 综上所述，逻辑控制就是把车轮的加速度分为( - a 、+ a 、+ a 9 几个门限值， 再辅之以滑移率门限值来判定车轮是否工作在附着系数滑移率曲线( u 九曲线) 的稳定区域，并通过调节制动分泵的制动液压力，将车轮滑移率控制在稳定区 域范围内来获得制动性能的。因为a b s 系统的动态特性和路面条件都在较大 范围内连续变化，而逻辑控制把这些变化分为有限的几种状态( 三种状态) 。显 然，不能期望逻辑控制算法在不同路面条件下都能达到最佳制动效果，所有的 门限值都是根据所用车型和路面特性在反复的大量实验的基础上确定的，所以 所用的门限值不能通用，而且反复的路试耗资巨大。但是逻辑控制算法的好处 哈尔淳理t 大学t 学够卜学位论文 是避免了一系列繁杂的理论分析，简化了控制器的设计。 2 基于滑移率的p i d 控制算法 为了进一步提高a b s 的控制性能，许多人都在研究基于滑移率的控制系 统。用滑移率作为控制目标容易实现连续控制，并能提高a b s 在制动过程中 的平顺性，而且也不需要做大量试验来获得门限值等控制参数，因此实用前景 广泛。实现连续控制的最简单算法是p i d 控制( 即比例、积分、微分控制) ，只 要调节适当的整定比例系数( 岛) 、积分系数) 以及微分系数( 鼢即可。 设滑移率的设定目标为，则控制误差为： e = 五一厶( 2 - 9 ) p i d 的控制规律可表示为“”： d “= k p p + k j 【础+ k d 詈 ( 2 - 1 0 ) w “l 比例环节用以校正系统偏差，积分环节用以消除系统静差，微分环节反映 偏差信号变化趋势，用以加快系统动作速度，减小调节时间。因此按照上式， 根据a b s 动态系统特性，确定出一组最佳的控制参数毛、七i 、白，可使车轮的 滑移率以最快的方式趋近设定目标知。 知根据各种不同路况综合进行选取。任意时刻的滑移率由此时车轮转速和 参考车速进行计算。 3 其他控制算法 关于a b s 控制器的设计还有模糊控制、神经网络等。模糊控制采用类似 于人脑的模糊推理方法，遵循一定的控制规则，结合实际经验，对系统进行动 态调控，具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，鲁棒性好，简 单实用等优点“”，但是其在软件实现上具有一定的难度。因此现代控制理论的 一些经典方法有待于人们去进一步探究。 2 4 本章小结 本章详细的讨论了防抱死系统的工作原理，并从宏观上分析了整车a b s 的几种结构形式，认为四传感器四通道的结构布置形式控制简单、控制效果最 佳，适宜采用。本章同时描述了整车制动状态下的动力学方程，并通过几种控 制方法的分析比较，认为在a b s 控制器中采用p i d 控制算法不失为一种有益 的尝试。从而为第三章基于滑移率的防抱死系统单轮模型的建立与仿真，提供 了充分有力的理论依据。 哈尔演理t 大学工学硕十学位论文 第3 章基于滑移率的防抱死系统建模与仿真分析 3 1 引言 汽车防抱死制动系统在车辆制动过程中自动调节制动力，防止车轮因抱死 而产生侧滑甩尾，使车辆制动平稳、可控。由于a b s 控制器的可靠性直接关 系到车辆在制动过程中的安全性，因此在设计实际a b s 控制器之前建立起车 辆制动过程的数学模型，选定相应的控制目标和控制算法构建出a b s 控制模 型，并对其进行仿真对实际工作具有重要意义。 前一章中已经说明以滑移率作为控制目标是一种最为直接有效的a b s 控制 方法，并且对于实现连续控制也更为容易。p i d 控制又是实现连续控制的最简 便方法，而且易于在实际系统中实现。因此构建一种基于滑移率的防抱死系统 p i d 控制模型对于实际系统的实现具有重要意义“”。 3 2 单轮车辆系统的数学模型 前一章已经描绘了整车在制动时的动力学模型，由于选定四传感器四通道 工作方式作为a b s 的整车布置方式，因此有必要根据整车在制动时的动力学 方程，并考虑轮胎和制动器等因素构建出单轮车辆系统制动的数学模型。 3 2 1 轮胎与路面关系模型 车轮纵向附着系数6 与滑移率五之间的关系有不同的经验公式，常用的是 h b p a c e j k a 魔术公式“： 胁( a ) = ，+ a s i n ( b a m ( c a d ( 1 砚一a 协n ( ( 咒) ) ) ) 0 - 1 ) 式中：1 l 旷一车轮在纯滚动状态时的附着系数； 彳峰值因子； 8 一曲线形态因子； c m 轮胎的侧偏刚度因子； d 一曲线曲率因子。 、b 、c ，d 为待定参数，与路面状态等因素有关。通过改变a 、b 、c 、 哈尔谤理- 大学t 学硕士学位论文 d 可以模拟不同的路面情况。 3 2 2 车轮制动的数学模型 车轮在纵向平面的受力特性如图3 1 所示， 分方程分别为： r l ，嘞= 白五一弓 1 h = 咆一昂 由图可知车轮和车体的运动微 式中乃车辆的制动力矩； r 纵向制动力； ，车体受到的迎风阻力； 圪汽车制动时的负加速度； ，单个车轮转动惯量： 其中风= m n ，n 为作用在车轮上的垂直负荷。 兄 图3 1 车轮纵向平面受力特性 f i g 3 一lw h i s t r e s sc h a r a c t e r 鼬l o n g i t u d i n a lp l a n e 3 2 3 制动机构数学模型 钳 图3 - 2 轮缸施加制动力示意图 f i g 3 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f w h e e lc y l i n d e ra p p l i e db r a k i n gf o r c e ( 3 - 2 ) 哈尔滨理丁大学t 学研卜学位论文 建立制动机构的数学模型求解制动力矩。汽车制动回路主要由制动踏板、 制动主缸、电磁控制阀、轮缸等组成。根据液压控制阀的位置可使制动器对应 三种不同状态：当控制阀使油源与轮缸接通，制动缸增压；控制阀关闭，制动 缸保压；控制阀使制动器和回油路相通，制动缸减压“”，见图3 2 。 在制动开始时，进入制动轮缸的油液推动活塞消除制动钳与轮毂之间的间 隙，这样就产生了制动延迟。设q 为进入制动轮缸的流量，假定油源压力为常 数，根据液压流体力学： q = c d a ，三盟生( 3 - 3 ) 式中c 厂阔的流量系数。 4 控制阀过流面积5 p r 油源压力； p 一一制动缸压力； 旷油液密度。 不考虑油液的可压缩性，由流量连续方程，可求得活塞的运动速度为： 砟：孚( 3 - 4 ) p 式中彳厂一油缸作用面积。 设间隙为岛，消除间隙所需时间t d ： 乃= 巧s o = 警( 3 4 ) 消除制动目j 隙后，制动轮缸中的油液被压缩增压，增压变化规律为： 百d p = q 等 ( 3 - 6 ) d f k 。 式中一油缸及管路体积； 院油液的体积弹性模量。 将乃带入上式，简化可得： i d p ：x d - 虿, 一- p ( 3 - 7 ) d f 式