ABS汽车防抱死制动系统设计（三维建模CAD图纸）.pdf

ABSABS 汽车防抱死制动系统设计 汽车防抱死制动系统设计 1 1 防抱死制动系统概述 防抱死制动系统概述 1 1 1 1 ABS ABS 的功能的功能 汽车 ABS 在高速制动时用来防止车轮抱死 ABS 是英文 Anti lock Brake Syetem 的缩写 全文的意思是防抱死制动系统 简称 ABS 凡驾驶过汽车的人都有这样的经历 在积水的柏油路上或在冰雪路面紧急制 动时 汽车轻者会发生侧滑 严重时会掉头 甩尾 甚至产生剧烈旋转 制动力 过大 将使车轮抱死 汽车方向失去控制后 若是弯道就有可能从路边滑出或闯 入对面车道 即使不是弯道也无法躲避障碍物 产生这些危险状况的原因在于汽 车的车轮在制动过程中产生抱死现象 此时 车轮相对于路面的运动不再是滚动 而是滑动 路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小 路面越滑 车轮越容易 总之 汽车制动时车轮如果抱死将产生以下不良影响 方向失去控 制 出现侧滑 甩尾 甚至翻车 制动效率下降 延长了制动距离 轮胎过度磨 损 产生 小平面 甚至爆胎 ABS 防抱死制动装置就是为了防止上述缺陷的发生而研制的装置 它有以下 几点好处 增加制动稳定性 防止方向失控 侧滑和甩尾 提高制动效率 缩短 制动距离 松软的沙石路面除外 减少轮胎磨损 防止爆胎 现代轿车的 ABS 由输入传感器 控制电脑 输出调制器及连接线等组成 输 入传感器通常包括死个车轮的轮速信号 刹车信号 个别车型还有减速度信号 手刹车或车油面信号 ABS 的第一个优点是增加了汽车制动时候的稳定性 汽车制动时 四个轮子 上的制动力是不一样的 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 车整个掉头等严重事故 ABS 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 汽车生产厂家的研究数据表明 装有 ABS 的车辆 可使因车论侧 滑引起的事故比例下降 8 左右 ABS 的第二个优点是能缩短制动距离 这是因为在同样紧急制动的情况下 ABS 可以将滑移率 汽车华东距离与行驶的比 控制在 20 左右 即可获得最大 的纵向制动力的结果 ABS 的第三个优点是改善了轮胎的磨损状况 防止爆胎 事实上 车轮抱死 会造成轮胎小平面磨损 轮胎面损耗会不均匀 使轮胎磨损消耗费增加 严重时 将无法继续使用 因此 装有 ABS 具有一定的经济效益和安全保障 另外 ABS 使用方便 工作可靠 ABS 的使用与普通制动系统的使用几乎没有 区别 紧急制动时只有把脚用力踏在制动踏板上 ABS 就会根据情况进入工作状态 即使雨雪路滑 ABS 也会使制动状态保持在最佳点 ABS 利用电脑控制车轮制动力 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 减少车祸事故的发生 因此被认为是 当前提高汽车行驶安全性的有效措施 目前 ABS 已经在国内外中高级轿和客车上 得到了广泛使用 1 2 1 2 防抱死制动系统的发展历史防抱死制动系统的发展历史 ABS 装置最早应用在飞机和火车上 而在汽车上的应用比较晚 铁路机车在 制动时如果制动强度过大 车轮就会很容易抱死在平滑的轨道上滑行 由于车轮 和轨道的摩擦 就会在车轮外圆上磨出一些小平面 小平面产生后 车轮就不能 平稳地行驶 产生噪声和挣动 1908 年英国工程师 J E Francis 提出了 铁路 车辆车轮抱死滑动控制器 理论 但却无法将它实用化 接下来的 30 年中 包括 Karl Wessel的 刹车力控制器 Werner Mhl的 液压刹车安全装置 与Richard Trappe 的 车轮抱死防止器 等尝试都宣告失败 在 1941 年出版的 汽车科技手 册 中写到 到现在为止 任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未 成功 当这项装置成功的那一天 即是交通安全史上的一个重要里程碑 可惜 该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等 30 年之久 当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么 首先该装置需要一套系统实 时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小 在那个没有集成 电路与计算机的年代 没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应 等到 ABS 系 统的诞生露出一线曙光时 已经是半导体技术有了初步规模的 1960 年代早期 精于汽车电子系统的德国公司 Bosch 博世 研发 ABS 系统的起源要追溯到 1936 年 当年 Bosch 申请 机动车辆防止刹车抱死装置 的专利 1964 年 也是 集成电路诞生的一年 Bosch 公司再度开始 ABS 的研发计划 最后有了 通过电子 装置控制来防止车轮抱死是可行的 结论 这是 ABS Antilock Braking System 名词在历史上第一次出现 世界上第一具 ABS 原型机于 1966 年出现 向世人证明 缩短刹车距离 并非不可能完成的任务 因为投入的资金过于庞大 ABS 初期的 应用仅限于铁路车辆或航空器 Teldix GmbH 公司从 1970 年和奔驰车厂合作开发 出第一具用于道路车辆的原型机 ABS 1 该系统已具备量产基础 但可靠性 不足 而且控制单元内的组件超过 1000 个 不但成本过高也很容易发生故障 1973 年 Bosch 公司购得 50 的 Teldix GmbH 公司股权及 ABS 领域的研发成 果 1975 年 AEG Teldix 与 Bosch 达成协议 将 ABS 系统的开发计划完全委托 Bosch 公司整合执行 ABS 2 在 3 年的努力后诞生 有别于 ABS 1 采用模拟式电子组 件 ABS 2 系统完全以数字式组件进行设计 不但控制单元内组件数目从 1000 个 锐减到 140 个 而且有造价降低 可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优 势 两家德国车厂奔驰与宝马于 1978 年底决定将 ABS 2 这项高科技系统装置在 S 级及 7 系列车款上 在诞生的前 3 年中 ABS 系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场 从 1978 到1980年底 Bosch公司总共才售出24000套ABS系统 所幸第二年即成长到76000 套 受到市场上的正面响应 Bosch 开始 TCS 循迹控制系统的研发计划 1983 年 推出的 ABS 2S 系统重量由 5 5 公斤减轻到 4 3 公斤 控制组件也减少到 70 个 到了 1985 年代中期 全球新出厂车辆安装 ABS 系统的比例首次超过 1 通用车 厂也决定把 ABS 列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备 图1 1 BOSCH防抱死制动系统 1 3 1 3 防抱死制动系统的发展趋势防抱死制动系统的发展趋势 1 ABS 本身控制技术的提高现代制动防抱死装置多是电子计算机控制 这 也反映了现代汽车制动系向电子化方向发展 基于滑移率的控制算法容易实现连 续控制 且有十分明确的理论加以指导 但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的 成本问题 随着体积更小 价格更便宜 可靠性更高的车速传感器的出现 ABS 系 统中增加车速传感器成为可能 确定车轮滑移率将变得准确而快速 全电制动控制系统 BBW Brake By Wire 是未来制动控制系统的发展方向之 一 它不同于传统的制动系统 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 缩短制动反应时间 维护简单 易于改进 为未来的车 辆智能控制提供条件 但是 它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 抗干扰处理等 目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆 上 采用液压制动和电制动两种制动系统 2 防滑控制系统防滑控制系统 ASR Acceleration Slip Regulation 或称 为牵引力控制系统 TCS Traction Control System 是驱动时防止车轮打滑 使车 轮获得最大限度的驱动力 并具有行驶稳定性 减少轮胎磨损和发动机的功耗 增加有效的驱动牵引力 防滑控制系统包括两部分 制动防滑与发动机牵引力控 制 制动部分是当驱动轮 后轮 在低附着系数路面工作时 由于驱动力过大 则 产生打滑 当 ASR 制动部分工作时 通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号 采集到控制器 中 控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减 加速度 当滑移率或减 加速度超过某一设定阀值时 则控制器打开开关阀 气压由储气 筒直接进入 制动气室进行制动 由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮 的制动气 室 在低附着系数路面上制动时 轮速对压力十分敏感 压力稍稍过大 车轮就会抱死 为此利用 ABS 电磁阀对制动压力进行精细的调节 即用小步长增 压或减压 以达到最佳的车轮滑移的效果 既可以得到最大驱动力 也可保持行驶 的稳定性 3 电子控制制动系统由于 ass 在功能方面存在许多缺陷 如气压系统的滞 后 主车与接车制动相容性问题等 为改善这些 出现了电子制动控制系统 EBS Electronics Break System 它是将气压传动改为电线传动 缩短了制动响应时 间 最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制 控制强度则由司机踏板位 移信号的大小来决定 由压力调节阀 气压传感器及控制器构成闭环的连续压力 控制 这样可以在外环形成一个控制回路 来实现各种控制功能 如制动力分布 控制 减速控制 牵引车与挂车处祸合力控制等 4 车辆动力学控制系统车辆动力学控制系统 VDC Vehicle Dynamics Control 是在 ABS 的基础上通过测量方向盘转角 横摆角速度和侧向加速度对车 辆的运动状态进行控制 VDC 系统根据转向角 油门 制动压力 通过观测器决定 出车辆应具有的名义运动状态 同时由轮速 横摆角速度和侧向加速度传感器测 出车辆的实际运动状态 名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量 控制 的目的就是使这种差值达到最小 实现的方法则是利用车轮滑移率特性 车辆动 力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性 它可以在车辆运动状态处于危险状 态下自动进行控制 其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态 使车辆处于 稳定的运动状态 使人能够更容易地操纵车辆 5 控制系统总线技术随着汽车技术科技含量的不断增加 必然造成庞大的 布线系统 因此 需要采用总线结构将各个系统联系起来 实现数据和资源信息 实时共享 并可以减少传感器数量 从而降低整车成本 朝着系统集成化的方向 发展 目前多使用 CAN 控制器局域网络 Controller Area Network 用于汽车内部 测量与执行部件之间的数据通信协议 1 4 1 4 国内 国内 ABS ABS 系统研究系统研究的理论状态的理论状态和具有代表的 和具有代表的 ABS ABS 产品公司产品公司 我国 ABS 的研究开始于 80 年代初 从事 ABS 研制工作的单位和企业很多 诸 如东风汽车公司 重庆公路研究所 西安公路学院 清华大学 吉林大学 北京 理工大学 上海汽车制动有限公司和山东重汽集团等 具有代表性的有以下几个 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室有宋健等多名博导 教授 有很强的科技 实力 他们还配套有一批先进的仪器设备 如汽车力学参数综合试验台 汽车弹射 式碰撞试验台及翻转试验台 模拟人及标定试验台 Kodak 高速图像运动分析系 统 电液振动台 直流电力测功机 发动机排放分析仪 发动机电控系统开发装 置及工况模拟器 计算机工作站及 ADAMS IDEAS 软件 非接触式速度仪 噪声测 试系统 转鼓试验台 电动车蓄电池试验台 电机及其控制系统试验台等 该实 验室针对 ABS 做了多方面的研究 其中 在 ABS 控制量 轮速信号抗干扰处理 轮 速信号异点剔除 防抱死电磁阀动作响应研究等方面的研究处于国内领先地位 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室以郭孔辉院士为代表的研究人员致力 于汽车操纵稳定性 汽车操纵动力学 汽车轮胎模型 汽车轮胎稳态和非 稳态侧偏特性的研究 在轮胎力学模型 汽车操纵稳定性以及人 车闭环操纵 运动仿真等方面的研究成果均达到世界先进水平 华南理工交通学院汽车系以吴浩佳教授为代表从事汽车安全与电子技术及汽 车结构设计计算的研究 在 ABS 技术方面有独到之处 能够建立制动压力函数 通 过车轮地面制动力和整车动力学方程计算出汽车制动的平均减速度和车速 还可 以通过轮缸等效压力函数计算防抱死制动时的滑移率 另外 在滑移率和附着系数 之间的关系 汽车整车技术条件和试验方法方面也有独到见解 济南程军电子科技公司以 ABS 专家程军为代表的济南程军电子科技公司对 ABS 控制算法研究颇深 著有 汽车防抱死制动系统的理论与实践 等专著几本 专门讲述 ABS 控制算法 是国内 ABS 开发人员的必备资料之一 另外 他们在基于 MAT2LAB 仿真环境实现防抱死控制逻辑 基于 VB 开发环境进行车辆操纵仿真和车 辆动力学控制的模拟研究等方面也颇有研究 重庆聚能公司产品包括汽车 摩托车系列 JN111FB 气制动电子式单通道 JN144FB 气制动电子式四通道和 JN244FB 液压电子式四通道等类型 ABS 装置及其 相关零部件 30 多个品种 其 ABS 产品已通过国家汽车质量监督检测中心和国家客 车质量监督检测中心的认定 获得国家实用新技术专利 并正式被列为国家火炬项 目计划 西安博华公司主要产品是适用于大中型客车和货车的气压四通道 ABS 和适用 中型面包车的液压三通道ABS 及其相关零部件 其中BH1203 FB 型ABS 和BH1101 FB 型 ABS 已通过陕西省科委科技成果鉴定和陕西省机械工业局新产品鉴定 认 为该项技术已达到国内领先水平 山东重汽集团引进国际先进技术进行的研究也已取得了一些进展 重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动 FKX ACI 型 ABS 装置已通 过国家级技术鉴定 但各种制动情况的适应性还有待提高 清华大学研制的适用于中型客车的气制动 ABS 由于资源价格和性能上的优势 陶瓷材料的应用将迅速扩展 金刚石和 CBN 超硬材料的应用将进一步扩大 新刀具 材料的研制周期会越来越短 新品种新牌号的推出也将越来越快 人们所希望的既 有高速钢 硬质合金的强度和韧性 又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也 完全有可能出现 本文主要讲述以 80C196KC 单片机为核心 完成了信号输入回路 输出驱动回 路 电源部分及故障诊断等硬件电路设计 对轮速传感器 电磁阀等的故障检测 电路进行了设计 2 防抱死制动系统基本原理 2 防抱死制动系统基本原理 2 1 2 1 制动时汽车的运动制动时汽车的运动 2 2 1 1 制动时汽车受力分析1 1 制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力 风的阻力和自身重力的 作用 地面对汽车的作用力又分为 作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车 轮上平行于地面的力 汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所 受到地面给汽车的力如图 2 1 所示 其中 Fx 为地面作用在每个车轮上的地面制动 力 他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷 所有车轮上所受地 面制动力的总和作为地面给汽车的总的地面制动力 他是使汽车在制动时减 速并停止的主要作用力 Fy 为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力 侧滑摩 擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷 当车轮抱死时 侧滑摩擦力 将变得很小 几乎为零 汽车直线制动时 若受到横向干扰力的作用 如横向风 力或路面不平 汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向 如图 2 1 a 图2 1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 所示 若汽车在转弯时制动或在制动时转弯 也将产生侧滑摩擦力使汽车能 够转向 如图 2 1 b 所示 地面制动力决定制动距离的长短 侧滑摩擦力则决定 了汽车制动时的方向稳定性 这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力 将 作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向力 转弯力和汽车的方向操纵性有关 它保 证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向 侧向力和汽车的方向稳定性有关 它保证了 汽车的行进方向 转弯力越大 汽车的方向操纵性越好 侧向力越大 汽车的方向 稳定性越好 如上所述 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 1 2 车轮抱死时汽车运动情况2 1 2 车轮抱死时汽车运动情况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小 这将使汽车制动时保持 方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小 使汽车在制动时出现一些 危险的运动情况 对 ABS 系统来说 就是要防止这些危险情况的出现 下面从汽 车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情 况 1 汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 2 2 所示 图 2 2 a 为只有前轮抱死时 由于前轮的转弯力基本为零 无法进行 正常的转向操作 为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意 当 前轮抱死时转弯力为零 驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障 碍物 这时由于汽车后轮不抱死 所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性 图 2 2 b 为只有后轮抱死时 后轮的侧向力接近于零 汽车仍具有方向操纵性 但 会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑 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 这种运动叫外旋 转 图 2 2 c 为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零 这种状态很不 稳定 路面不均匀 左右轮地面制动力不相等时 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速驶出 这也是很危险的 2 汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 2 3 所 示 所有这些运动情况若在制动时出现 都是极其危险的 从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出 制动时车轮抱死导致 汽车出现各种危险运动情况 实质上是汽车因失去相应的维持本身方向稳定性方 向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况 即车轮抱死导致汽车的侧滑 摩擦力为零 车轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在 一定的关系 ABS 之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况 就是根据这个关 系来调整车轮的运动状态 以避免侧滑摩擦力为零 图 2 2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况 图2 3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况 2 22 2滑移率定义滑移率定义 通常 汽车在制动过程中存在着两种阻力 一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓 或制动盘之间产生的摩擦阻力 这种阻力称为制动系统的阻力 由于它提供制动时 的制动力 因此也称为制动系制动力 另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩 擦阻力 也称为地面制动力 地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎 道路附 着力 大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎 道路附着系数的乘积 如果制 动系制动力小于轮胎 道路附着力 则汽车制动时会保持稳定状态 反之 如果制 动系制动力大于轮胎 道路附着力 则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移 地面制动力受地面附着系数的制约 当制动器产生的制动系制动力增大到一 定值 大于附着力 时 汽车轮胎将在地面上出现滑移 汽车的实际车速与车轮滚动 的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移率 滑移率S的定义式为 1 VV r S VV 2 3 式中 S 滑移率 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 4 接地技术 接地技术是抑制噪声的重要手段 良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部 噪声祸合 防止外部干扰的侵入 提高系统的抗干扰能力 反之 若接地处理得 不好 反而会导致噪声祸合 形成严重干扰 在防抱死制动控制盒研制的前期 正是由于接地没有处理好 导致了电磁兼容试验始终难以通过 经过改进后 顺 利通过了试验 因此 在抗干扰设计中 对接地方式应予认真考虑 电气设备中的 地 通常有两种含义 一种是 大地 另一种是 工作基 准地 所谓 大地 是指电气设备的金属外壳 线路等通过接地线与地球大 地相连接 这种接地可以保证设备和人身安全 提供静电屏蔽通路 降低电磁感 应噪声 而 工作基准地 是指信号回路的基准导体 如控制电源的零电位 又 称 系统地 这时的所谓接地是指将各单元 装置内部各部分电路信号返回线 与基准导体之间的连接 这种接地的目的是为各部分提供稳定的基准电位 对这 种接地的要求是尽量减小接地回路中的公共阻抗压降 以减小系统中的干扰信号 公共阻抗祸合 接地的目的有三个 其一是为各电路的工作提供基准电位 其二是为了安全 其 三是为了抑制干扰 控制盒采用电容接地 屏蔽接地方案 经过电容器将工作地与大地相连 接地 电容主要是为高频干扰分量提供对地通道 抑制分布电容的影响 但电容对低频仍 是开路 选用的电容是 0 1 的瓷介电容 盒体与汽车 24V 供电电源的零电位相 连 可充分抑制静电磁感应的干扰 接地点采用的并联一点接地 分析如下 任何导体都有阻抗 当其中流过电流时 导体中便会出现电压梯度 对于两个 分开的接地点 电流越大 两点间的电位差也就越大 此外 这种电位差还与电 流频率有关 当在高频时由于导线上的分布电感的加大 电位差也就越大 图 3 19 串联一点接地方式 图 3 20 并联一点接地方式 串联一点接地如图 3 19 所示 其中 分别表示各地线段的等效电阻 A B C 各点的电位为 1231 A VIIIR 232 BA VVIIR 33 CAB VVVI R 显然 串联一点接地方式会导致各接地点电位不同 而且还要受其它电路工 作电流的影响 图 3 20 是并联一点接地方式 各电路的电位仅与本电路的地电流和地电阻有 关 11 A VI R 22 B VI R 33 C VI R 这种接地方式避免了各个工作电路的地电流祸合 减少相互干扰 因此 在低 频电路中采用这种接地方式较为适合 5 提高总线的抗电磁干扰能力 当总线处于高阻状态即悬空状态时 比较容易接受外界的电磁干扰 当系统受 到外界干扰而引起程序乱飞 当乱飞空间超出系统程序存储器的地址空间时 程 序存储器全部关断 致使数据总线处于高阻状态 外界的电磁干扰信号很容易通 过数据总线进入 CPU 引入虚假的程序指令 对程序运行造成更加严重的破坏 因此在系统中 对数据总线和其它输入口配上了上拉电阻 使总线具有稳定的高 电平 同时有助于抑制静电干扰和削弱反射波干扰 6 印刷电路板抗干扰技术 印刷电路板的布局和布线对系统的抗千扰性是至关重要的 采用以下方式来提 高抗干扰性能 A 印制板上的器件应按电路工作顺序排列 减小各级之间的电磁祸合 力 求器件安排紧凑 密集 以缩短引线 B 数字电路和模拟电路分开布局 C PCB 板布线时 信号线和功率线分开布线 不能太近 尽量减小信号线 间的平行部分 3 13 13 车轮制动器的选择3 车轮制动器的选择 汽车用车轮制动器分为鼓式和盘式两种 它们的区别在于前者的摩擦副中的 旋转元件为制动鼓 其圆柱面为工作面 后者的摩擦副中的旋转元件为圆盘状制 动盘 其端面为工作表面 本系统选择盘式制动器 所以仅对盘式进行纤细介绍 钳盘式车轮制动器 钳盘式车轮制动器广泛地应用在轿车和轻型货车上 它 的优点是散热良好 热衰退小 热稳定性好 最适于对制动性能要求高的轿车前 轮制动器 本系统前后轮均采用钳盘式制动器 钳盘式车轮制动器分固定式制动钳制动器与浮动式制动钳制动器 本 系统选用浮动式制动钳制动器 图 3 21 为浮动式制动器的示意图 它的特点是制 动钳体在轴向处于浮动状态 轮缸布置在制动钳的内侧 且数目只有固定式的一 半 为单向轮缸 制动时利用内摩擦片的反作用力推动制动钳体移动 使外侧的 摩擦片也继而压紧制动盘 以产生制动力 它的外侧无液压件 不会产生气阻 且占据的空间也小 还可以利用内侧活塞附装驻车制动机构 但是 其内外摩擦 片的磨损速度不一致 内片磨损快于外片 根据浮动式制动钳在其支架上滑动支乘面的形式 又可分为滑销式和滑面式 两种 因滑销式制动钳易实现密封润滑 蹄盘间隙的回位能力稳定 故本系统采 用滑销式 图 3 21 浮动式制动钳示意图 1 摩擦块 2 密封圈 3 钳体 4 活塞 5 滑销 6 支架 7 制动盘 4 防抱死制动系统软件设计防抱死制动系统软件设计 汽车防抱死制动系统具有其自身的特点 除汽车本身环境差要求系统抗干扰 能力及可靠性高以外 一个重要的特点是控制过程要求快速 大部分系统的循环 都要求毫秒量级 这样对控制算法有很大的限制 复杂的算法将无法实现 或实 用系统的硬件成本太高 而太简单的算法不能满足控制质量要求 高性能的 ABS 必须确保汽车在各种路况下制动时 均能使车轮获得尽可能大的纵向制动力和防 侧滑力 同时使车轮的制动力矩变化幅度尽可能小 经典控制理论主要以单输入 单输出的线性系统作为研究对象 以频率法或 根轨迹法作为系统的分析和设计方法 ABS 控制系统中的被控制对象是汽车的制动 过程 它是一个非线性的多输入 输出系统 很难采用以经典控制理论为基础的 ABS 控制方法 1936 年德国 Bosch 公司在 ABS 系统所采用的控制方法是一种基于 经验和逻辑的控制方法 其基本原理是 首先观察车轮的运动状态和控制车轮制 动的控制量 如油压等 之间的经验关系 制订出能够使车轮处于最佳运动状态的 控制规则 在制动过程中 以车轮的加减速度值和参考滑移率值及其门限值来代 表车轮的运动状态 并根据所制订的经验控制规则来确定控制车轮制动的控制量 的大小 达到控制车轮运动状态的目的 除了基于车轮加减速度门限值的控制方法外 还有一种基于经典控制理论的 PID 控制方法 用于 ABS 控制系统的 PID 控制方法并不是通过建立被控对象的数学 模型来进行控制的 它也是一种基于经验的控制方式 PID 控制方法以滑移率作为 控制目标 直接得出控制量和控制目标的偏差之间的关系 但 PID 控制方法在控 制中需要得到实际的车速信号 车速信号的获得从目前看还是比较困难的 现代控制理论能够利用状态空间方法 通过建立被控对象模型来解决复杂的多 输入 多输出系统控制问题 ABS 控制方法也出现了基于建立制动过程模型的现 代理论控制方法 最具有代表性的是最优控制方法 基本原理是 给出制动过程 的数学模型和一个最优性能指标 找出一个最优控制函数使系统由初始状态到终 止状态的过程中性能指标为最小 现代控制理论对被控对象进行控制 要求建立 精确的线性数学模型 而汽车的制动过程是一个非线性的系统 应用最优控制方 法等现代控制理论方法作为 ABS 控制方法 描述制动过程精确的数学模型难于建 立 并且控制算法复杂 应用起来有一定的局限性 滑模控制是变结构系统的特殊情况 变结构控制是状态变量在不同的控制区域 中采用不同的控制率 滑模控制方式则是将控制切换开关定义在滑模表面上 一 是状态到达滑模表面上 状态将保持在它上面 二是滑向状态的平衡零点 引入开 关函数 滑模在滑模表面上切换 这时与系统的干扰 系统参数不确定性无关 根据现代控制理论对汽车电子防抱制动的控制 可以提出多种先进的优化控制 方案 如 PID 控制方式 最优化控制方式 和 滑模变结构控制方式 等 根据对其控制模型的计算分析表明 这些控制方式来实现 ABS 系统 将具有极其 优异的防抱制动性能 然而 为了获取数学模型中所需的相关控制参数及状态变 量 均需准确实时地确定车体的运动速度 汽车在运动过程中 车速与轮速并不 相等 通过轮速间接求取车速 在准确性和实时性上都不能满足这些控制方式的 要求 目前 能够满足要求的车速传感器 如多卜勒雷达等 由于成本太高而不能 采用 另外 实现这些控制方案的电伺服机构也比较复杂 因而 ABS 产品实际应 用上述方案的不多 4 1 4 1 控制方案和控制参数的选取控制方案和控制参数的选取 防抱死制动系统发展至今 大多数产品都采用加 减速度门限控制 并附加一 些辅助门限 并不涉及具体系统的数学模型 这对非线性系统的控制 是一种有 效的方法 但系统的控制逻辑比较复杂 波动大 考虑到控制精度 实时性 设 计成本等要求 本 ABS 设计方案拟采用门限控制方法 在门限控制方案中 比较量的选择极为重要 也就是根据什么参数来控制车轮 的滑移率在 20 左右 但是直接以滑移率作为比较对象时的汽车防抱系统是一个时 变调节系统 其处理难度较大 不适于工程应用 经大量试验表明 在制动过程中 车轮抱死总是出现在相当大的 t w d d 的时刻 因此预选一个角减速度门限值 当实 测的角减速度超过此门限值时 控制器发出指令 开始释放制动轮缸压力 使车 轮得以加速旋转 再预选一个角加速度门限值 当实测的角加速度超过此门限值 时 控制器发出指令 开始增加制动轮缸压力 使车轮减速旋转 以达到控制滑 移率的目的 本设计方案中 防抱死门限选择加 减速度作为主要门限 以滑移率作为辅助 门限 因为单独的加 减速度门限有很大的局限性 在初始和高速紧急制动情况 下 有可能使防抱控制逻辑在后继的控制中失效 对于非驱动轮 也可能产生过 早抱死而使防抱控制逻辑失效 但如果只以滑移率作为单独的防抱制动门限 则 对于不同的路况 很难求得一个最佳的控制效果 因此需要将角速度和滑移率这 两个门限结合起来 以识别不同路况进行自适应控制 这种控制系统在制动时 能将车轮的速度限制在一定范围之内 使车轮的速度围绕最佳值上下波动 控制器根据车轮转速传感器信号计算得到角减速度和角加速度比较容易 但要 得到实际的滑移率 就需要用多普勒雷达或加速度传感器测定车速 这使得 ABS 的结构变得复杂 成本很高 因此 采用利用车轮转速信号和设定的一个辆制动 减速度值来计算得到参考滑移率 门限减速度 门限加速度以及车辆制动减速度 值通过试验确定 不同车型 不同的 ABS 一般不具有通用性 系统控制逻辑采用门限值控制法 对于比较量 门限值 的选取就显得十分重 要 一般来说比较量有这么几种 车轮的角加速度 角减速度 角速度的变化率 角加速度与角速度比值及参考滑移率等 通过选择不同的比较量 就可以得到不 同的预选 复选条件 预选条件是指当满足这个条件时车轮有抱死的倾向 应降 低制动压力以增加车轮转速 而复选条件则是当满足这个条件时车轮可以避免抱 死的倾向 制动压力应再次升高 由此得到的逻辑算法如下表所示 表 4 1 边界条件 本系统的预选条件是角减速度低于门限减速度 选择的复选条件是角加速度大于 门限加速度 4 2 4 2 控制参数及其计算控制参数及其计算 4 2 1 门限减速度的求取门限减速度的求取 在车轮制动过程的开始 主要是对车轮施加压力 计算出车轮的角减速度值 并集合滑移率和车轮的制动的制动速度等因素来对其产生的轮减速度值进行修 正 将得出的参数作为门限值 假定路面的状况一定 则无论车轮的滑移率在任 何范围内变化 其路面附着系数都不会超过某一定值 即制动力总是满足 bp Fmg 4 1 当车轮的减速度超过路面所提供的最大附着力 车轮可能出现抱死倾向 于是 得到的最简单的 ABS 逻辑 p g r 4 2 从这一个最原始的控制逻辑出发 并考虑了对 p 值产生影响的主要参数 滑 移率 制动过程中的轮速 初始采集到的减速度值进行修正 滑移率对峰值附着系数的影响 附着系数 滑移率关系曲线线性如图 2 4 所示 由关系图我们得到以下峰值附着系数随滑移率变化的关系式 pT S S T SS 4 3 1 g pTg S S T SS 4 4 上式中 T S 最佳滑移率 附着系数 S 车轮滑移率 滑移率为 1 时的附着系数 p 峰值附着系数 车轮速度对峰值附着系数的影响 轮胎滚动速度对附着系数有较大的影响 一般的近似表达式为 0 80 005r 4 5 不同路面应设置不同的减速度门限值 在高附着系数路面制动时 所达到的 峰值附着系数的轮角减速度小 因而在其他条件都相同时高附着系数应具有较大 减速度门限值 而低附着系数路面应当有较小的门限值 防抱死控制要形成循环 则应使防抱死的控制状态运行到轮胎特性曲线的不稳定区 所以门限值要大于达 到峰值附着系数时的角减速度值即 同时实际制动时如果减速度门限值取的比较的小 在实际中由于路面不均匀 传感器误差等其他噪音 由此产生的减速度不同路面应设置不同的减速度门限值 在高附着系数路面制动时 所达到的峰值附着系数的车辆角速度小 因而在其他 条件都相同时附着系数应具有较大减速度门限值 而低附着系数路面应当有较小 的门限值 防抱死控制要形成循环 则应使防抱死的控制状态运行到轮胎特性曲 线的不稳定区 值如与减速度门限值比较接近则实际中的控制难以实现 ECU 容易 产生误动作 4 2 2 4 2 2 门限加速度的求取门限加速度的求取 加速度门限值决定着车辆速度的恢复 如果设置的门限值太大 车轮可能无法 达到这以门限值 在这种情况下就有可能出现失控是车速一直处于恢复的状态 如果设置的门限值太小则车轮没有充分恢复就进入下一个循环 这样产生逐渐抱 死的趋势 所以在实际的设定中 要综合考虑各种因素的影响 根据不同的车型和路面 状况进行大量的试验来确定所选的加速度和减速度的门限值 4 2 3 4 2 3 路面识别技术路面识别技术 路面识别在系统的控制中是以个很重要的因素 因为需要根据路面来确定加减 速度门限 不同的路面防抱死特征是不同的需要根据路面来确定合适的门限值 目前在实际中应用较多的是半经验轮胎模型 即用通过大量的试验数据分析归纳 得到的经验公式来描述轮胎 路面系统的动力学特性 如郭孔辉教授提出的联合 工况下的半经验 E 指数模型 PACEJKA 魔术轮胎模型 LUGRE 轮胎模型等 PACEJKA 魔术轮胎模型是一种通过对试验数据的拟合而得出的纯经验的模型 经过试验证 明 PACEJKA 魔术轮胎模型较好的解决了轮胎 路面系统部分性能实验数据的拟合 问题 拟合系数也具有确切的物理意义 从而可以快速直观的了解某些汽车参数 对轮胎 路面系统动力学的影响 本系统路面识别方法是 首先给定一个较高的附着系数 然后计算参考滑以 率 给定两个门限值 S1 S2 S1 S2 在不同的路面上防抱死训话特征是不同 在高 附着系数路面上 整个 ABS 的控制过程 S 达不到 S2 门限 而在低附着系数的路面 上则可以达到 S2 由此可以粗略确定路面的状况 4 2 4 4 2 4 车身参考速度的确定车身参考速度的确定 目前测定参考速度的方法有两种 一种是使用多普勒雷达 另一种是采用五轮 仪 多普勒雷达价格较高在实际应用中不现实 五轮仪的外观又不能满足人们的 期望 因此汽车一般不采用直接测量的方法获得实际的车速 而是采用简介的方 法油车轮的角速度和附加速度构成车轮的参考速度 在制动的初始阶段如果测得的角减速度值低于角速度门限 a 时 取此车轮速 度作为车身的初始参考速度 0 ref v 此刻的减速度值作为车身的参考减速度 则此后 的车身速度 ref v 为 0 refref vvjt 4 6 轮速采集的计算 高速输入通道 HIS 的设定 80C196KC 是 16 位高性能的单片 机 它有四个高速输入口 HIS0 HIS3 恰好可以用于四个车轮轮速信号的输入 高速输入通道由端口缓冲器 HIS 选通逻辑 8 分频记数器 输入跳变检测器 FIF0 中断和控制逻辑 FIF0 寄存器 HIS 时间寄存器 HIS 方式寄存器以及 HIS 状态寄 存器组成 与高速输入通道有关的专用寄存器有 HIS STATUS HIS TIME 和 HIS MODE 利用这 3 个寄存器 高速输入口可以用 4 种方式检验各引脚上有无时间发生 并 能够记下时间发生时的时刻 利用 HIS 中包含的 FIF0 队列寄存器和保持寄存器 可以同时记录 8 个时间 供 CPU 适时地读取和处理 从而实现其 高速 采集的 功能 HIS MODE 寄存器的口地址为 03H 每两位选定一条 HIS 输入引脚的工作方式 表 4 2 HIS 通道的四种工作方式 状态字 工作方式 具体形式 00000000 0 每 8 此正跳变触发一次 事件 01010101 1 每次正跳变触发一次事 件 10101010 2 每次负跳变触发一次事 件 11111111 3 每次跳变触发一次事件 HIS STATUS 表示四条引脚的状态地址 06H 高位表明引脚当前的状态 1 表示 高电平 0 表示低电平 低位表明 HIS 事件寄存器所记录的时刻该引脚是否有事 件发生 1 表示有事件发生 0 表示没有事件发生 HIS TIME 以定时器 TI 为事件基准地址 04H HIS TIME 存放事件发生时定时器 TI 的当前值 HIS 不见的中断功能 与 HIS 中断有关的中断源有 4 个本系统对轮速信号处理 采用 FIF0 满四项数据就发生中断的中断方式该中断矢量 2034H 该中断方式同时 对汽车 4 个车轮轮速信号迅速处理 如果采用 FIF0 数据满来中断 在低速测量时 占用较长事件 不利于 ABS 系统的适时性的要求 为了使 HIS 能够正确的检测引脚上发生的变化必须注意 由于该类单片机每个 T 周期内对 HIS 引脚采样一次 所以要求输入高低电平 持续事件不小于以个状态周期 这样才能检测到引脚的状态的变化 本系统轮速脉冲输入信号的频率 周期的确定 轮速计算公式 2 rf V z 4 7 取 r 0 3m z 100 车轮的控制范围为 5Km h 300Km h 则信号频率范围为 max min 2 300 100 4423 2 3 14 0 3 3 6 5 100 73 7 2 3 14 0 3 3 6 vz f r fHz fHz 信号周期范围为 max min 13 5 225 6 Tms Ts 则每个脉冲信号的高低电平持续的最短事件是 113 s 系统采用 16MHz 晶振频率 由于每 8 个状态周期记数一次 所以系统每 1 s 对 HIS 引脚采样一次 113 s 1 s 所以能够满足系统的对脉冲宽度的要求 因为数据采集的精度将极大影响控制效果 所以提高轮速信号的采样精度就变 得非常重要 对于车速的测量 有两种方法 直接送计算机的计数电路 从而得 到轮速 有 频率法 周期法 多倍周期法 精度自适应法 先进行 F V 转换 再送计算机的 A D 转换而得到轮速 对于轮速低频测量 周期法精度较高 对于轮速高频测量 频率法精度较高 如果把周期法和频率法结合起来 采用轮速脉冲周期倍乘措施 可以扩展轮速测 量范围 提高测量精度 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 也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 根据以上方法的优点和局限性 本文采 用第一种方法中的精度自适应法 多倍周期法就是把输入信号按固定的分频数进行分频 使被测周期得到倍乘 计算轮速脉冲频率 f 11 120 mm f TN 4 8 式中 周期倍乘数 一个周期累计时标脉冲个数 时标信号周期 精度自适应法是以多倍周期法为基础 并结合 ABS 控制的轮速计算精度和控 制实时性的要求设计完成的 此法和多倍周期法的区别在于 后者的轮速脉冲倍 乘数 为固定值 造成了低速计算实时性差的缺点 而精度自适应法则克服了这 一缺点 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 为 了充分利用多倍周期法的优点 克服它的缺点 可以在程序中实时调整分频因子 在低频时 取较小值 以提高实时性 在高频时 取较大值 提高测量精度 分频数 的确定需要考虑两个边界条件 其一是最大控制周期 其二是精度要求 的限制条件 这种方法在实时性方面和测量精度方面都能兼顾 当输入信号低于 最大控制周期时 输入信号的采集则使用中断的方式进行 首先 为了保证控制的实时性 假设最大的控制周期为 由时间限制条件可 以确定 的上限值为 1 1 S T m t 4 9 式中 实际频率信号的周期 其次 根据精度要求的限制条件 可求出 的下限值 1 0 m f N 4 10 0 1 1 1 0 N fN d dfdN t m t m 4 11 式 4 4 为误差计算公式 若精度要求为 a 即 f d a f 4 14 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 t 作为求解 值 到 的下限值 再的试算脉冲 得由控制周期 计算出 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 由于固定轮速计算精度 所以 轮速越高 越大 轮速越低 越小 这样 既保证了轮速计算精度 又 提高了低速控制实时性 4 3 4 3 控制过程控制过程 对于该逻辑门限值控制方式 其控制过程如下 1 高附着系数路面的制动控制过程 如图 4 1 所示 在制动的初始阶段随着制动压力的上升 车轮速度 v 下降 车轮的减速度增大 当车轮减速度达到门限值 a 时 第 1 阶段末 计算得到的滑 移率未达到门限值 s 因此 控制系统使制动压力进入保持阶段 第 2 阶段 以 使车轮充分制动 当滑移率大于门限值 s 时 则进入制动压力减小阶段 第 3 阶 段 o 随着制动压力的减小 车轮在惯性力的作用下开始加速 当车轮的减速度减 小至门限值 a 时 又进入制动压力保持阶段 第 4 阶段 此阶段由于汽车惯性的 作用 车轮仍在加速 车轮加速度达到加速门限值 a 值时 仍然保持制动压力 直到车轮加速度超过第二门限值 a a 为适应附着系数突然增大设 这是 制动 压力再次增大 第 5 阶段 以适应附着系数的增大 随着制动压力的增大 车轮 加速度下降 当车轮加速度又低于 a 时 进入制动压力保持阶段 第 6 阶段 直到车轮加速度又回落至 a 以下 这时的制动压力稍有不足 对制动压力的控制 为增压 保持的快速转换 第 7 阶段 制动压力有较小的阶梯升高率 以使车轮 滑移率在理想滑移率上下波动 当车轮减速度再次超过 a 时 又开始进入制动压 力减小阶段 第 8 阶段 此时制动压力降低不再考虑参考滑移率门限值 进入下 一个控制循环过程 图 4 1 高附着系数路面的防抱死控制过程 2 低附着系数路面的制动控制过程汽车在低附着系数路面行驶制动时 在较 低压力时就可能使车轮抱死 且需要较长的时间加速度才能走出高滑移率区 因 此低附着系数路面的防抱死控制与高附着系数路面不同 其控制过程如图 4 2 所 示 低附着系数路面防抱死控制的第 1 与第 2 阶段与高附着系数路面控制过程的 第 2 和第 3 阶段相似 当进入制动压力保持阶段 第 3 阶段 后 由于附着系数小 车轮的加速很慢 在设定的制动压力保持时限内车轮加速度未能达到门限值 a ECU 由此判定车轮此时处于低附着路面 并以较小的减压率使制动压力降低 直到 车轮加速度超过 a 此后 系统又进入制动压力保持阶段 第 4 阶段 当车轮加 速度又低于 a 时 系统以较低的阶梯升压率增大制动压力 第 5 阶段 直到车轮 减速度又低于门限值 a 进入下一个防抱死控制循环 由于在第一个循坏中车轮 处于较大滑移率的时间