（电力电子与电力传动专业论文）重型卡车电控制动系统（ebs）的研究与开发.pdf

北每菱通大学硕士学位论丈摘要 第二个创新点是充分利用主c p u 的丰富资源，将 故障代码实时地存储在其e 2 p r o m 中，需要时可通过 c a n 总线传送到上位机或车l ：其他电子控制系统，与 传统的闪码显示的方式相比，更有利于数据的保存和 共享，方便故障维修。 论文利用故障诊断的理论对系统叮能发生的故障 点进行了全面分析，针对不同故障提出了相应的诊断 方法。故障点的检测分为汽车起动自检、行驶期间定 时检测两个过程，其中对于数字输入通道的检测采用 输入模拟法，即由安全c p u ( c p l d ) 发出标准方波信 号到主c p u 的输入捕捉端1 2 1 进行测量。然后，文章参 照s a e j l 9 3 9 、s a e j l 5 8 7 等国际代码协议编写了此系 统的故障代码。 本文还在详细论述现代汽车网络技术的基础上开 发了c a n 通讯功能，通过它不仅可传输所存储的故障 代码，还可与车上其他电控单元( 如车身控制、挂车 控制等) 进行通讯，以实现数据共享。 系统的软件设计包括主c p u ( m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b ) 与安全c p u ( c p l d ) 两部分。m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 用c 和汇编语言进行开发，c p l d 采用v h d l 语言设计。 摘要 文中详细介绍r 程序的编写思路和流程图。 调试阶段，在软件仿真的基础i ：，4 i 仪对防抱死制 动、故障诊断、c a n 通讯等功能进行了试验验证，还 在d s p a c e 半实物仿真试验平台上进行了硬件在环试 验，通过对试验结果的分析，验证了所开发的e b s 电 控单元的正确性。 关键词：电控制动系统，防抱死制动系统，故障诊断， c p l d ，c a n 通讯，d s p a c e 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t0 f t r u c k su s e de l e c t r o n i cc o n t r o l b r a n gs y s t e m a b s t r a c t t h ei n c r e a s eo fv e h i c l eq u a n t i t ya n dr u n n i n gs p e e d l e a d st oh i g h e rr e q u i r e m e n to ns a f e t y g r o w nu pi nt h i s b a c k g r o u n d ，e l e c t r o n i c c o n t r o l b r a k i n gs y s t e m ( e b s ) c o m b i n e se l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e mw i t h t r a d i t i o n a la i r b r a k i n gs y s t e m ，c a n s h o r t e nb r a k i n gd i s t a n c ea n di m p r o v e s t a b i l i t y b a s e do nt h ee x i s t e df o u r s e n s o r f o u r c h a n n e l ( 4 s 4 m ) a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ( e c u ) ，t h i se b se c ui m p l e m e n t ss e v e r a l f u n c t i o n ss u c ha s p r e s s u r e c l o s e d l o o p c o n t r o l ， s e l f - c h e c k i n g ，a b sa n d c a n c o m m u n i c a t i o n ，e t c t h e r ea r et w oi n n o v a t i v ei d e a si ns y s t e md e s i g n f i r s t i st h e u n i q u e c p uh a r d w a r es t r u c t u r e ，i n w h i c ha m o t o r o l a1 6 一b i tm c u a st h em a i nc p uu s e df o rl o g i c 北京交通夫学硕士学位论文a b s t r a c t c o n t r o l ，a n dax i l i n xx c 9 5 7 2c p l d f o rd i a g n o s t i c a t i o n t h es e c o n di n n o v a t i o ni se r r o rc o d e sa r es t o r e di n t ot h e m a i nc p u se 2 p r o mi nr e a lt i m e ，a n dw h e nn e e d e d ，c a n b et r a n s f e r r e db yc a n b u s c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l l e d d i s p l a y , i t se a s i e r f o rd a t ac o l l e c t i o na n ds h a r e u s i n gd i a g n o s i st h e o r i e s ，t h i sp a p e ra n a l y s e sp o s s i b l e f a i l u r e ，t h e np r o v i d e s r e l a t e d c h e c k i n g s o l u t i o n st h a t i n c l u d es t a r tc h e c ka n dr e g u l a rc h e c kd u r i n gr u n n i n g a n e wm e t h o di su s e df o rd e t e c t i n gd i g i t a li n p u tc h a n n e l ，i n w h i c ht h ec p l d p r o d u c e s s t a n d a r dp u l s et oe m u l a t ei n p u t s i g n a l t h et h e s i s a l s oc o m p a r e st h es y s t e me r r o rc o d e s w i t hi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r ds u c h a ss a e j l 9 3 9a n d s a e j l 5 8 7 b a s e do nv e h i c l en e t w o r kk n o w l e d g e ，c a nf u n c t i o n i nt h i s s y s t e mn o to n l yt r a n s f e r ss t o r e d e r r o rc o d e s ，b u t a l s oc o m m u n i c a t e sw i t ho t h e re c u f o rd a t a s h a r i n g s o f t w a r ei n c l u d e s t w o p a r t s ，t h e m a i nc p u m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 bd e v e l o p e db yca n da s s e m b l y ，a n d c p l d ，b yv h d l d e t a i l e d f l o wc h a r t sa r es h o w e di nt h e p a p e r s o f t w a r es i m u l a t i o n ，t o g e t h e rw i t ha l lf u n c t i o n a lt e s t s s u c ha s a b s ，d i a g n o s i s ，a n d c a nb u sh a v eb e e n a c c o m p l i s h e d a n dh a r d w a r e i n t h e l o o pd e b u g h a sb e e n d o n ew i t hd s p a c e t h er e s u l t sp r o v et h a tt h i se b se c u c a nw o r k c o r r e c t l y k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cc o n t r o lb r a k i n gs y s t e m ( e b s ) a n t i l o c k b r a k i n gs y s t e m ( a d s ) ， d i a g n o s i s ，c p l d ，c a n ，d s p a c e 北京交通大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着汽车行驶速度的提高，道路行车密度的增大，对于汽车 行驶安全性能的要求也越来越高。汽车的电子制动系统( e b s ： e l e c t r o n i cb r a k i n g s y s t e m ) 就是在这种要求下产生和发展的。 和传统的气压系统相比，e b s 通过缩短制动距离和提高制 动稳定性增加了行驶的安全性，完善的故障监督功能及制动片 磨损显示提供了有效快捷的后勤服务。通常，安装了防抱死制 动系统( a b s ：a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 的气压制动系统可以 让以1 0 0 k m h 速度行驶的重型卡车在7 5 8 5 m 内完全停住，而 安装了e b s 的重型卡车可以将制动距离再缩短1 5 。 目前，在美国的一些载货车上已经应用了此系统，预计在未 来3 年，欧美4 0 的车辆将采用这一技术。困内e b s 的开发尚 处于起步阶段，仍侧重于对部分功能( 如a b s ) 的研究。 1 2 重型卡车电子制动系统( e b s ) e b s 系统主要由气压制动系统和电子控制系统组成。气压 制动系统包括制动踏板、储气筒、气压控制阀、气压制动管路 和制动气室等。电子控制系统主要包括电子控制单元、各种传 感器( 如三维力传感器、制动器摩擦片磨损传感器、隅合力传 北京交通大学硕士学位论文 感器等) 及电子控制线路等。e b s 系统的原理如下图所示。 1 三维力传感器2 摩擦片磨损传感器3 腔制阀4 前轴制动气室5 制动 踏板6 电子控制单元7 后轴制动气室8 至挂车的储气筒软管9 准车电 子控制线路1 0 耦合力传感器1 1 储气筒 图1 - 1 电子制动系统( e b s ) 原理 f i g u r e1 - 1t y p i c a ls t r u c t u r eo fe b s 制动时，制动踏板信号传给电子控制单元，经计算处理后 向气压控制阀输出指令，控制气压制动阀的开度。这时储气筒 与前、后轮制动气室接通，产生相应的制动力，使车轮制动器 制动。装在车轮内的3 d ( z 维) 力传感器和制动摩擦片磨损传感 器把载荷、地面附着力和制动气压等信号，通过网络传递给电 子控制单元，由电子控制单元自动调节制动压力，形成了对制 动压力的闭环控制。系统还可以集中控制驱动防滑系统( a s r ： a c c e l e r a t i o ns l i pr e g u l a t i o n ) ，实现各种不同要求的复杂控制功 能，使电子控制取代了传统的机械传动。 e b s 系统的特点：由于使用了电子系统，减少了制动系统 机械传动的滞后时间，缩短了制动距离，从而增加了交通安全 性。它在低制动强度时，使制动摩擦片磨损最小；在中等制动 北京交通大学硕士学位论丈 绪论 强度时，利用a b s 功能达到最佳的道路附着系数利用率：而在 高制动强度时，则可以施加最大的制动压力，从而获得最佳的 控制制动力。e b s 系统中的制动摩擦片磨损传感器不仅可监测 并显示制动摩擦片磨损情况，同时还可控制各制动器的压力分 配，延长制动器使用寿命。由于使用了载荷传感器及压力传感 器，可根据轴荷分布进行制动力匹配：由制动踏板传感器反映 驾驶员的制动意图，从而只须改动e c u 的控制软件，便可使 e b s 系统适用于各种不同制动要求的车辆。e b s 系统改善了主 车与挂车制动时的相容性，提高了制动安全性：同时具有良好 的诊断功能。e b s 系统可只在a b s 系统的基础上，增加较少的 附加装置来扩展a b s 系统的功能，并可通过网络与未来的驾驶 辅助系统( 如车辆间距控制系统、导航系统、防撞系统等) ，由 一个中央控制器进行集中统一控制。 1 3 电子控制单元( e c u ) 汽车电子控制系统包括硬件和软件两部分，硬件有电子控 制单元( e c u ：e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ) 及其接口、执行机构、 传感器等：软件则存储在e c u 中，支配电子控制系统完成实时 测控功能，包括各种数据采集、计算处理、输出控制、系统监 控与自诊断等。围绕单片机设计组织的e c u 是整个电子控制系 统的核心。 北京交通大学硕士学位论文 重型卡车e b s 的设计实现 第二章重型卡车e b s 的设计实现 2 1 制动压力闭环控制 电子制动系统最主要的特点是具有单独的压力闭环控 制。其硬件由踏板传感器、轮速传感器、压力传感器、控制器、 压力调节阀等组成，工作过程如下：踏板传感器将驾驶员的制 动信号送入控制器，控制器根据信号大小转换为相应的制动压 力要求，以此压力作为基准压力。压力传感器检测制动回路实 际压力，当与基准压力有偏差时，控制器则根据此偏差进行闭 环调节，一般常采用p i d 调节方法，根据控制算法得出控制量， 输入电磁压力调节阀使压力减小或增加，从而消除偏差。除了 这个压力调节回路外，还有一个a b s 围路：轮速传感器检测轮 速，控制器根据控制算法发出命令给电磁阀使压力增加或减小， 从而使车轮不抱死并处于最佳的滑移状态。a b s 回路处于优先 使用的位置，即踏板信号与路面条件满足a b s 工作条件，它就 首先启动；若驾驶员要求的制动强度小，路面附着系数大，则 启动压力调节回路。 2 2 带故障自检的防抱死制动系统( a b s ) 作为e b s 主要组成部分的防抱死制动系统( a b s ) 是以传 北京交通是擘硕士学位论文 重型卡车e b s 的设计实现 统气压制动系统为基础，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，通常由轮速传感器、控制器 ( e c u ) 和电磁阀组成。在紧急制动过程中，当驾驶员脚踏板 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 有抱死的倾向，此时控制器控制作动系统减小制动压力；当轮 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。 根据车辆动力学分析及试验可知：当车轮滑移率s 。= ( 车速 圪一轮速圪) 车速k 在1 0 2 0 范围内时，车辆可得到最大 的制动力和较大的侧向力，从而保证稳定的制动。因此a b s 系 统的关键是在制动过程中通过调节制动气室的制动压力，实时 控制作用于车轮上的制动力矩，使毛一直处于这个理想范围之 内。本系统采用逻辑门限值控制方法，即将车轮的减速度( 或角 减速度) 作为主要控制门限，丽将车轮的滑移率作为辅助控制 门限。其具体的控制原理及算法请参见参考文献 1 3 。 a b s 作为汽车电子安全装置，其可靠性尤为重要。故障诊 断回路应在系统中任何部件出现故障时，通过警告灯通知驾驶 员，同时关闭a b s 功能，恢复为常规制动状态。 带故障自检的a b s 通常在e c u 中包括两个c p u ，现在一 北京交通大学硕士学位论文 重型卡车e b s 的设计实现 般有两种方案：1 ) 一个十六位控制微处理器与一个八位安全微 处理器：前者负责控制后者负责检测，并通过双向通讯对系统 进行对应检测；2 ) 两个相同的十六位微处理器，从输入电路接 收相同的输入信号，按照相同的软件进行运算和处理，并通过 交互式通讯方式对两个微处理器的处理结果进行比较检测。 2 3 辅助制动系统 汽车行驶在矿山或山区公路时经常要下长坡，为不使汽车 在自身重力作用下不断加速到危险程度，应当对汽车进行持续 制动。此时，单靠行车制动器是难以完成的，因为行车制动器 长时间频繁工作将使温度大大提高、制动效能衰退甚至完全失 效。故在这种条件下运行的汽车有必要增设缓速器。缓速器的 作用是在不使用或少使用行车制动器的条件下使车辆速度降低 或保持稳定，但不能将车辆紧急制停。电磁缓速器的主要元件 是由两片箍状的与传动轴相连接的金属转子和若干个固定在底 盘上固定不动的电磁铁组成的定子。两者端面之间留有不大予 o 。5 1 5 r a m 的间隙。当有电流通过定子励磁线圈时，产生的磁场 对旋转的转子造成阻力矩( 制动力矩) ，起到缓速作用。电子控 制系统使电磁缓速的反应时间非常短，能够与a b s 和驱动防滑 控制( a s r ) 等车辆安全系统兼容并能很方便地与其他系统连 北京交通大学硕士学位论文重型卡车e b s 的设计实现 接。 2 4 汽车网络技术 2 4 1概述 现在汽车上的电子装置越来越多，相互之间需要通讯；两 传统的电子系统通讯都是点对点的单一方式，互相很少联系， 这样必然造成庞大的布线系统，因此现代汽车采用网络来连接 各种电子系统以进行通讯。在汽车上引入网络有如下优点： 1 ) 减少了线束的数量和体积，从而减少了重量和造价，提 高了电子系统的可靠性。 2 ) 通过共用传感器( 如发动机、a b s 共用车轮传感器) 达 到数据共享的目的。 3 ) 改善了系统的灵活性，即通过软件可以实现系统功能的 变化。 由于电子系统的增加，各个子系统都有自己的一套传感与 布线系统，势必造成布线及结构的复杂性，丽有些子系统所用 的传感器是相同的；另一方面，一些控制功能的实现要求几个 子系统之间进行协调工作，这就要求用网络结构将各个子系统 连接起来进行数据共享，同时为诊断提供通用的接口。图2 - 1 北京交通大擘硕士学位论文 重型卡车e b s 的设计实现 为汽车集成控制系统总线的原理框图。 图2 - 1 汽车集成控制系统总线 f i g u r e 2 - 1c o n t r o lb u si nv e h i c l e 近几年，在重型汽车上已发展了几代网络通讯协议标准。 其中主要是美国汽车工程协会s a l e ( s o c i e t yo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r s ) 标准，重型汽车控制系统常用的通讯与诊断协议有 五个：s a ej 1 7 0 8 、s a ej 1 5 8 7 、s a ej 1 9 2 2 、i s o9 1 4 1 及i s o 1 ) s a ej 1 7 0 8 ：一种串行通讯协议，定义了硬件连接要求 及基本通讯 办议框架。 2 ) s a ej 1 5 8 7 ：遵循与s a ej 1 7 0 8 类似的数据格式，保持 其硬件协议，但定义了更具体的内容。 3 ) s a ej 1 9 2 2 ：专门用于发动机、缓速器、变速器和 a b s a s r 四种比较常用的控制系统( 它们集成构成汽车的动力 驱动系统) ，采用自己专用的编码系统。 4 ) i s o 9 1 4 1 ：汽车电子控制系统的诊断协议，规定了汽车 北京交通大学硕士学位论文 重型卡车e b s 的设计实现 e c u 与诊断器之间的数字信息变换协议。主要是串行通讯协议。 5 ) i s o1 4 2 3 0 关键字诊断协议：保持i s o9 1 4 1 的硬件基础， 大大丰富了诊断协议内容。 2 4 2c a n 总线在汽车领域的应用 s a ej 1 7 0 8 、s a e j 1 5 8 7 、s a ej 1 9 2 2 、i s o9 1 4 1 及i s o1 4 2 3 0 是主要用于串行通讯的协议，其传输速率比较低，定义代码比 较复杂，同时系统看起来比较庞大、凌乱，对于节点比较多的 网络不便于管理，并无法实现不同控制系统对数据刷新的要求， 因此近几年开始出现c a n 网络通讯协议。其传输速率可达 1 m b i 帕，大大高于传统串行通讯协议。 对于c a n 在汽车上的应用，具有很多行业标准或者是国际 标准，比如国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n f o r s t a n d a r d i z a t i o n ) 的i s o l l 9 9 2 、i s o l l 7 8 3 以及汽车工程协会的 s a ej 1 9 3 9 ( 以c a n 2 0 b 协议为基础) 。c a n 总线已经作为汽 车的一种标准设备列入汽车的整体设计中。 2 4 3l i n 总线 l i n 嘲络( l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ) ，由汽车厂商为汽车 开发，作为c a n 网络的辅助网络，不需要c a n 的性能、带宽 以及复杂性，目标应用在低端系统，如车身控制等。l i n 的： 作方式是一主多从，单线双向低速传送数据( 最高2 0 k 位，秒) ， 北京交通大学硕士学位论文 重型卡车e b s 的设计实现 与c a n 相比具有更低的成本，且基于u a r t 接口，无需硬件协 议控制器，使系统成本更低。 2 5 本课题研究的主要内容 本课题与浙江瑞立汽车制动电子科技有限公司合作，目的 是以原有的四传感器四通道( 4 s 4 m ) a b s 系统电子控制单元 为基础，开发个具有压力闭环控制、故障自检、防抱死制动 和c a n 通讯功能的e b s 控制器，具体内容包括： 1 ) 在深入研究和分析制动控制系统的基础上，将可能产生 的故障进行分类；确定故障点，并根据各故障点的特点设计检 测方案。 2 ) 探讨控制器采用特殊双c p u 结构，并以c p l d 作为安 全检测微处理器方案的可行性。 3 ) 在传统气压制动系统中增加压力传感器，研究进行制动 压力闭环控制的方法。 4 ) 开发c a n 通讯功能，解决现在产品不符合国际标准、 与国外产品不兼容的问题。 其中以开发带故障自检的a b s 功能为主要任务，下面将做 重点介绍。 北京交通大学硕士学位论文 汽车电子控制系统的故障诊断 第三章汽车电子控制系统的故障诊断 3 1汽车电子控制系统的故障诊断简介 在汽车电子控制系统的控制器中，故障自诊断功能也就 是常酷的随车诊断( o n - b o a r dd i a g n o s t i c ) ，可自动诊断系统故障， 将故障码存入储存器中，通过通讯口进行输出。借助于安装在 仪表板上的故障指示灯或专用的故障诊断仪，可方便地读出电 子控制系统的工作状态和发生故障的部位。近年来，随着汽车 电子技术的飞速发展，系统自诊断功能日益增强，专用的故障 诊断仪的功能也变得愈来愈强大。 31 1 汽车电子控制系统故障诊断的发展 汽车电子控制系统故障诊断技术的发展可分为以下三个阶 段： 1 第1 阶段( 7 0 年代- - 8 0 年代) 山于被诊断的电子控制系统的结构简单。故障类型也很少， 故障码也很简单，所用的故障渗断仪也较为简单。它除了可以 读取故障码之外，还可以监视汽车的运行状态，清除故障码和 获取少量的诊断数据。 2 ，第2 阶段( 8 0 年代初一8 0 年代末) 北京交通大学硕士学位论文汽车电子控制系统的故障诊断 为了适应增强的随车诊断系统故障渗断功能，出现了功能 更为强大的故障诊断仪。故障诊断仪配有探头，可以检测汽车 的电子电路和电子器件，还可以与e c u 的随车诊断系统进行交 互式通讯，从而获取更多的汽车或发动机的运行信息，并能通 过故障渗断仪控制汽车和发动机部件的工作和设定其运行状 态。 3 第3 阶段( 8 0 年代末一今) 故障诊断技术向智能化和信息化方向发展是该阶段的特 点。维修手册和诊断手册等被有效地组织成“智能化”的电子 文档，存储于诊断系统内，维修人员在专家故障诊断系统上， 川。以方便地查询所需资料，得到检测故障的步骤和排除故障的 方法。预计未来汽车故障诊断技术将在以下几个方面进一步发 展： 1 ) 采用汽车局部网( n c a n ) 对各子系统模块进行管 理的技术将会得到推广应用。提高子系统的智能化，由专用的 诊断模块对子系统进行监控，提高故障信息和发生故障部位。 外部诊断设备可采用汽车局部网，直接对子系统故障进行诊断 和测试。 2 ) 增强随车诊断系统对汽车运行状态的监视功能，采用大 容量存储器实时记录车辆运行状态，提高随车诊断系统对突发 北京交通大学硕士学位论文汽车电子控制系统的故障诊断 性故障的处理，预测突发性故障的发生。 3 ) 随车诊断和离线诊断系统的结合，包括分工、通讯协议 及标准化规范的完善，故障诊断和容错控制的结合。 4 ) 加强诊断技术的研究，将一些新技术应用于汽车故障诊 断。例如规则系统和专家系统的知识数据库，神经网络和模式 识别技术及动态模型技术等。 312 汽车电子控制系统的诊断方式 1 采用专用检测仪诊断 7 0 年代术，首先出现了专用检测仪，通过这种仪器，技术 人员可以观测控制系统的输入和输出，有助于了解控制系统的 工作过程，并可对系统的工作状态做出判断。这要求操作人员 掌握控制系统的机理和标准的确定，技术水平要求高，应用受 到限制。 2 随车诊断 为了克服专用检测仪的缺陷，8 0 年代初出现了随车诊断系 统。随车诊断是指利用车载计算机对电子控制系统各部件迸行 检测，记录和显示检测结果的诊断方法。它具有一系列功能如： 有严重故障时向驾驶员报警，存储和显示故障代码，采取应急 措施，使系统维持在一定水平下运行等。 北京交通大学硕士学位论文 汽车电子控制系统的故障诊断 3 车外诊断 为了扩展诊断信息和诊断功能，8 0 年代中后期开始研究多 功能车外诊断仪。车外诊断是指利用仪器对电子控制系统进行 检测和诊断，与随车诊断的及时性相比，主要特点是功能齐备。 只有把两者有机地结合起来，相互补充，才能满足维修地需要。 4 集成诊断 随着汽车电子技术的应用和发展，汽车电子控制系统日趋 复杂，传统的诊断方法和诊断设备在诊断精度、使用方便性和 适应性方面难以满足用户要求。而计算机信息处理技术和人工 智能技术为汽车诊断技术的进一步发展创造了有利条件。汽车 集成诊断适应时代发展，通过诊断手段的有机结合，集多种诊 断功能于一体，提高了诊断精度和效率。其内容包括诊断功能 的集成、基于整车的诊断、故障诊断专家系统与故障电子信息 检索技术、诊断网络等。 3 2a b s 故障诊断概述 a 8 s 作为一种先进的电子控制技术，其故障诊断的重要性 不言而喻。通常a b s 容易发生故障的部位除了机械式制动系统 易发生的故障之外，还有压力调节器的电磁阀、速度传感器、 电源、e c u 、继电器等。在a b s 故障诊断系统中，要对稳压电 源、轮速传感器输入放大电路、运算电路和电磁阀控制电路的 北京交通大学硕士学位论文汽车电子控制系统的故障诊断 故障信号进行监视，控制主继电器。出现故障信号时，关闭主 继电器，使a b s 停止工作，返回常规制动状态，同时存储故障 代码。故障代码可以通过不同方式显示出来：由仪表盘的故障 警告灯闪烁故障代码；由仪表盘上的显示屏直接显示故障代码 的数字和信息资料；用专用检测仪连接倒诊断座上，直接读取 故障代码。表3 1 列举了一组实用的故障编码。 表3 - 1 故障编码 故障部位故障编码 左前轮速度传感器 2 5 右前轮速度传感器 2 1 左后轮速度传感器 3 1 右后轮速度传感器 3 5 左前轮电磁阀 4 5 五刖托电豫i f i ；l4 1 左后轮电磁阀5 5 右后轮电磁阀5 1 电磁阀继电器6 5 e c u 故障 7 1 阶段 现代装有a b s 的车辆的故障诊断工作过程一般可分为三卜 1 接通电源时的初始检查 当汽车点火开关、e c u 电源接通时，电子控制装置自动对 车轮转速传感器、制动压力调节装置中的电气原件( 如电磁阉、 北京交通大学硕士学位论文 汽车电子控制系统的故障诊断 电动机) 、继电器等进行静态测试。检测的具体项目有：微处理 器功能检查，继电器功能检查，故障反馈电路功能检查。 2 汽车起步时的检查 汽车起步时，速度达到8 1 6 k m h ，防抱死控制系统的电 子控制装置对系统巾的一些电气原件( 如车轮转速传感器、电 磁阀和电动泵等) 进行动态检测。检查的项目有：电磁阀功能 检查，电动机动作检查，轮速传感器及输入放大电路的信号确 认。 3 行驶中的定时检查 电子控制装置在系统处于工作状态期间特别是在a b s 处于 控制工作阶段时，必须对系统中的电气元件进行监测，以免发 生意外。定时检查项目有：2 4 v 、5 v 电压监视，电磁阀功能检 查，微处理器失控检查，脉冲信号的监视等。 a b s 在上述任一阶段检测如故障都将停止a b s 功能，同 时a b s 报警灯持续点亮，提醒驾驶员。 为完成上述各种检测功能，a b s 系统e c u 的模块图如下。 北京交通大学硕士学位论文汽车电子控制系统的敌障诊断 传 感1 器寸圈 1 ，_ j 厂夏嗣 i 处理p l 一一j 图3 - 1a b s 系统e c u 模块图 f i g u r e3 - 1 b l o c kd i a g r a mo f a b se c u 本设计创新地采用一个十六位微处理器与一个c p l d ( 复杂 可编程逻辑器件) 的结构，十六位微处理器主要完成控制功能： c p l d 主要负责故障检测，充分发挥了其i o 资源丰富的特点。 系统功能完备，内部接口简单，且成本有所降低。 丽壁 卜 北京交通大学硕士学位论文a b s 系统的故障诊断 第四章a b s 系统的故障诊断 4 1a b s 系统的故障点分析 4 1 1a b s 系统的故障分类 a b s 系统故障主要为电磁阀故障、轮速信号采集系统的故 障、制动管路压力信号采集系统的故障、电源故障和控制器故 障。具体分析本系统可能存在故障的位置及原因如下： 1 电磁阀故障 阀开路、对地短路、对电源短路；阀地线短路、开路。 2 轮速信号采集系统的故障 ( 1 ) 传感器静态故障：传感器开路、对电源短路、对地 短路： ( 2 ) 传感器动态故障：齿圈动态短路、齿圈缺齿或有污 物、齿圈杂波、轮速信号不清晰或失常； ( 3 )轮速传感器到电路板输入端线路故障； ( 4 )电路板轮速信号输入端到e c u 电子控制单元主c p u 的输入捕捉端口，即电路板数字输入通道故障。 3 制动管路压力信号采集系统的故障 ( 1 ) 压力传感器信号失常； 北京交通大学硕士学位论文 a b s 系统的故障诊断 ( 2 ) 压力传感器到电路板输入端线路故障； ( 3 )电路板压力信号输入端到e c u 电子控制单元主c p u 的a d 信号输入端，即电路板模拟输入通道故障。 4 电源故障 ( 1 ) 电源开路： ( 2 ) 电压过大； ( 3 ) 电压过小。 5 控制器故障 ( 1 ) 控制c p u 及安全c p u 内部错误； ( 2 ) 阀驱动电路问题。 4 1 2故障点选取及其检测方案 1 轮速信号采集系统的故障 本系统采用凿式电磁感应速度传感器，其技术性能参数如 下 电阻：1 6 5 0 5 0 q 输出电压：当与齿圈距离为o 3 0 r a m 时，频率5 0 h z ： 0 3 v ；频率1 0 0 h z ： o 6 v 。 外形尺寸：中1 6 m m 北京交通大学硕士学位论文 a b s 系统的故障诊断 应用温度范围：一4 0 c 一+ 1 8 0 ；+ 2 0 0 。c ( 1 h ) 。 齿圈为每圈1 0 0 齿。汽车在行驶过程中，可通过测量各车轮 轮速传感器信号判别各车轮传感器工作是否正常。般发生的 故障有传感器内部电感线圈的断路、短路和传感器本身的机械 损坏，另外，实际中由于汽车在行驶过程中的振动等因素而使 与车轮共同旋转的齿圈同传感器之涮的间隙变大或变小，改变 了传感器的最低二r 作转速，影响a b s 的性能。我们将此也归为 传感器故障。所有这几类故障，可以利用传感器的输出信号作 为监测信号，车辆行驶时定时检查各轮速信号，当发现其中某 一个出现异常时便立刻停止a b s 系统工作，恢复为常规制动， 同时亮起故障指示灯，将故障码写入c p u 的存储单元。故障的 传感器输出信号通常有两种状态：一是因为传感器损坏、线路 故障以及与齿圈间隙过大等原因而造成无输出信号。第二种是 因安装不当或振动造成传感器倾斜，传感器在某些位置感应不 到齿圈的转动，称为“丢齿”：或者由于齿圈本身缺齿、有污物 或动态短路发生丢齿，此时采集到的数值就会误差很大，一般 前一个采集时间的数值是当前值的整数倍。基于这两点就可以 进行轮速传感器的动态检测了。当采用上面第二点进行判断的 时候车速应浚大于2 0 k m h ，本系统设定为2 0 k m h 至2 5 k m h 之问，当前一点速度与当前点速度之差超过8 k m h 则认为传感 型望翌! ! 竺竺壁鲎竺堡圭 ! ! ! 墨塾塑苎堕堡堑 器丢齿。 汽车停驶在路面时，轮速传感器无信号输出，也需要准确判 断传感器是否有短路、断路等故障，也就是蜕，不论汽车行驶 与否，都应能判断出各车轮传感器的故障。此时的检测方法是 间接测量出传感器的电阻值，把此电阻值与已知值进行比较。 单路诊断电路如图4 - 1 所示。 传感器 线圈 + 5 v 图4 - 1 单路轮速传感器静态诊断电路 f i g u r e4 - 1 s t a t i cc h e c kc i r c u i tf o rv e l o c i t ys e n s o r 图中r f 点连接到主c p um c 9 s 1 2 d p 2 5 6 b 的a ，d 转换通道 p a d 0 0 ，通过r 1 和车轮传感器分压电阻值的大小判断传感器的 断路和短路故障。考虑到汽车在行驶状态下，轮速传感器输出 信号对a d 转换器的影响，电路中接有滤波电容c 1 。轮速传感 器的实测电阻值为1 7 k q ，r 1 标准电阻选为5 1 0 q ，电阻值选 得偏低，易于传感器短路故障检测。c p u 的a d 转换通道电压 值 - 2 1 、 北京交通大学硕士学位论文 a b s 系统的故障诊断 u p a o = 而1 7 5 = 3 8 y 取0 8 u p a d ( 3 0 v ) 作为传感器线圈部分短路基准值( 完全 短路u p a d 为0 v ) ，小于此电压值即判断传感器有短路故障：取 o 9 u ( o 9 5 = 4 5 v ) 电压值作为传感器线圈部分断路基准值( 完 全断路u p a d 为u = 5 v ) ，大于此电压值即判断传感器有断路故 障。m o t o r o l a h s c l 2 系列m c u 的a i d 模块有8 位、1 2 位两种 转换精度可选，在此因为对精度的要求并不是很高，故选择为8 位。转换结果f f h ( 2 5 6 ) 对应5 v 电压值，则3 0 v 电压对应 a d 转换结果2 5 6 ( 3 0 5 ) = 1 5 4 ( 9 a h ) ，4 5 v 电压对应a d 转换结果2 5 6 x ( 4 5 5 ) = 2 3 1 ( e 7 h ) 。当a d 测量结果小于 9 a h 时，即认为轮速传感器存在短路故障；大于e 7 h 肘，即认 为轮速传感器断路；在9 a h 和e 7 h 之间时认为传感器正常。 2 制动管路压力故障 为检测电磁阀的机械故障，如使用较长时间后阀门被油粘住 而无法动作，或者制动管路的故障，需要在制动系统工作过程 中实时采集制动管路的压力信号，并与此时的控制逻辑状态( 增 压、保压、减压) 进行对比。根据每个制动通道制动压力最大 约为0 8 m p a 的实际情况，本系统选择m o t o r o l a 公司m p x 5 9 9 9 d 型压力传感器，它具有温度补偿和信号校准功能，输出最大值 为5 v 的电压信号，可直接与c p u 的a d 转换通道接口，测量 北京交通犬学硕士学住论文a b s 系统的故障诊断 精度为5 m w k p a ，符合车用条件。 现在市场上的a b s 产品出 于对成本的考虑，很少配置压力传感器，因此，本系统预留了 此端 5 1 ，以便今后进行功能扩展。 3电路板数字输入通道故障 轮速输入信号正确与否直接影响到a b s 工作和研究的正确 性。为此在a b s 上电自检时，采用输入模拟法，即由安全c p u ( c p l d ) 向数字通道发出一组标准方波信号输入到主c p u 的 输入捕捉端口进行测量。具体的检测电路如图4 - 2 。 c d 4 0 6 6 c p l d 图舡2 数字输入通道诊断电路 f i g u r e4 - 2 c h e c k i n gd i g i t a li n p u tc h a n n e l r f 、r b 、l f 、l b 分别代表右前、右后、左前、左后四个 车轮传感器的轮速信号，c p l d 产生d e t e c t 信号控制数字开 关c d 4 0 6 6 的通断。a b sl 二电自检时，d e t e c t 为0 ，开关 断开，r f 等轮速信号被屏蔽，同时c p l d 输出内部产生的标准 方波，主c p u 将实际捕捉到的脉冲进行测量与计算，经与标准 波的频率比较后，如果结果一致则说明数字输入通道正常，否 北京交通太学硕士学位论文a b s 系统的故障诊断 则说明有故障出现；检测完毕，一切正常后，d e t e c t 变为“1 ”， 开关接通，r f 等轮速信号经过信号整形放大单元、由c p l d 输 出至主c p u 。 在此，c d 4 0 6 6 有两个作用：一是如上所述的轮速信号屏蔽， 此功能也可由c p l d 直接完成，但由于系统检测数字输入通道 的同时还在检测轮速传感器的短路、断路故障，所以c d 4 0 6 6 还具有第二个作用屏蔽信号处理电路对轮速传感器电压检 测的干扰。 4 电源故障 a b s 工作时是由汽车蓄电池供电的，可能会存在瞬时短路 压降及由于电路串进来的干扰脉冲造成c p u 误动作、数据丢失 等故障。除了采用抗干扰技术来减少和避免外，处于安全的考 虑，还要有必要的监测和处理方案。本系统采用m o t o r o l a 公司 的m c 3 4 0 6 4 电平监视器，在主c p u 上电阶段，该芯片保证c p u 开始工作电压达到4 6 5 v ；当电源电压低于4 6 5 v 或掉电时， m c 3 4 0 6 4 输出保持低电平，使主c p u 及c p l dn o t 复位，系统 重新开始工作。 5 电磁阀故障及电磁阀驱动故障 本系统以汽车气制动四通道a b s 系统为研究对象，执行器 采用浙江瑞立集团生产的额定电压为d c 2 4 v 、额定电流约为 北京交通大学硕士学位论文 a b s 系统的故障诊断 1 6 a 的电磁阀总成，用四片m o t o r o l a 公司的s m a r t m o s 芯片 m c 3 3 2 8 9 组成其驱动电路。m c 3 3 2 8 9 是m o t o r o l a 公司推出的 高端驱动芯片，主要应用在汽车和工业领域驱动电磁阀等典型 的感性负载，其每路输出都有一个独立的状态管脚s t 报告器件 的内部过温、过流和负载开路等情况，可直接与单片机接口。 这部分的故障检测主要由c p l d 完成。实际应用中，系统 首先需要在汽车点火后进行静态自检，包括阀是否开路、对地 短路、对电源短路等，无故障方可起动，否则通过a b s 指示灯 向驾驶员发出故障警告；在行驶过程中，系统需定时进行动态 自检，除上述电磁阀状态外还要检查阀驱动信号是否与主c p u 的控制逻辑相符。因此安全检测c p l d 的功能可相应分为两块： 对阀状态及其驱动状况的监测。 前者充分利用m c 3 3 2 8 9 的自检功能，s t 管脚直接与负责安 全检测的c p l d 相连，一旦电磁阀出现故障，如短路或断路， s t 即自动置低，c p l d 接收到信号后立刻停止a b s 功能，点亮 故障显示灯，同时将相应的故障代码以中断的形式传输给主 c p u 。对阀驱动状况的检测通过比较m c 3 3 2 8 9 的输出o u t 与 输入i n 来完成。在正常隋况下同一路的两个逻辑值应相等，同 时为“1 ”或0 ，郎o u t i = i n l ，o u t 2 = i n 2 。若i n o u t ， 则说明驱动芯片出现故障，c p l d 即中断a b s 功能，点亮故障 北京交通大学硕士学位论文 a b s 系统的故障诊断 显示灯并传输故障码。由于o u t 的输出电压为2 4 v ，而c p l d i o 管脚要求的v i h 为2 0 v 5 v ，故采用r 1 、r 2 分压，并用 5 v 稳压管d z 将电压箝位，实测电压为4 8 5 v 。 m c 3 3