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汽车ABS控制系统设计 汽车防抱死制动系统(简称ABS)是提高和改善汽车制动性能的重要途径，它能充分发挥轮胎与路面的潜在附着力，最大限度地改善汽车的制动性能，以满足行车安全的需要，它一直是人们追求的目标。虽然ABS的理论基础早已确立，但鉴于相关工业如电子技术水平的限制，使可靠性、价格效益比成为ABS发展道路上的两大障碍。20世纪80年代以来，由于电子技术的发展，ABS可靠性得以完善，加之汽车行驶速度的提高，致使制动时车轮抱死拖滑成为行车安全的重大隐患之一，为了改善制动性能，保障行车安全，促进了ABS的使用日益广泛。1.汽车ABS的基本组成 原理 分类1.1基本组成与功能汽车防抱死系统一般由车轮速度传感器、发动机速度传感器、电磁阀、计算机（电脑）和液压控制单元（液压调节器）组成。目前，最新的ABS已发展到第5代,现今的ABS还有多方面的功能，比如： 1、电子牵引系统(ETS)2、驱动防滑调整装置(ASR)3、电子稳定程序(ESP)4、辅助制动器 1.2工作原理ABS是常规制动装置基础上的改进型技术。它的工作原理是，依靠装在各车轮上高灵敏度的车轮转速传感器以及车身上的车速传感器，通过计算机控制。紧急制动时，一旦发现某个车轮抱死，计算机立即指令压力调节器使该轮的制动分泵泄(减)压，使车轮恢复转动。ABS的工作过程实际上是抱死-松开-抱死-松开的循环工作过程，使车辆始终处于临界抱死的间隙滚动状态，有效地克服紧急制动时的跑偏、侧滑、甩尾，防止车身失控等情况的发生。霍尔式ABS转速传感器,能保证在很低的速度下都有很强的信号。响应时间快。基本原理是发生脉冲数目即时检测转速。1.3 ABS的分类1.3.1按机械式、电子式分类,两者有以下不同 1、电子式ABS是根据不同的车型所设计的，它的安装需要专业的技术，如果换装至另一辆车就必须改变它的线路设计和电瓶容量，没有通用性；机械式ABS的通用性强，只要是液压刹车装置的车辆都可使用，可以从一辆车换装到另一辆车上，而且安装只要30分钟。2、电子式ABS的体积大，而成品车不一定有足够的空间安装电子ABS，相比之下，机械式的ABS的体积较小，占用空间少。 3、机械式ABS是在车轮锁死的刹那开始作用，每秒钟作用612次；电子式ABS在踩刹车时就开始工作，根据不同的车速，每秒钟可作用60120次。 4、电子式ABS的成本较高，相比之下，使用机械式ABS要经济实用些。机械式ABS的最大缺点是，只能在预定条件下生效，缺乏对道路环境的应变性，安全性要远远低于电子式ABS.而电子式ABS尽管价钱贵很多，但更加精细和智能化。电子式ABS是由电子控制器，速度传感器和压力调节器三大件组成的的一个制动控制系统，它使汽车的安全性大大提高，车祸事故大大减少，产生了极大的经济效益和社会效益。1.3.2按控制通道分类,有以下几种: 1.四通道式。特点：附着系数利用率高，制动时可以最大程度的利用每个车轮的最大附着力。但是如果汽车左右两个车轮的附着系数相差较大(如路面部分积水或结冰)，会影响汽车的制动方向稳定性。广州本田即是使用四通道ABS装置。 2.三通道式。特点：汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。三通道ABS在小轿车上被普遍采用。 3.二通道式。特点：二通道式ABS难以在方向稳定性、转向控制性和制动效能各方面得到兼顾，目前采用很少 。4.一通道式。特点：结构简单，成本低等，在轻型载货车上广泛应用。 1.3.3制动防抱死系统的基本组成 ： ABS通常都由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子控制装置和ABS警示灯组成，在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能不尽相同。 2、ABS控制系统控制方式2.1.基础理论本文针对目前普遍运用的以门限制值控制和滑移率控制为基础的ABS控制算法中存在的不足，从分析汽车制动时单论受力情况着手，提出了基于路面附着系数的控制算法。ABS（英文Anti-braking system的缩写）是汽车防抱死装置的简称。车轮抱死，就是车轮收到制动力“刹死”之后不再滚动，而在路面滑动，即为抱死状态。传统结构汽车由于没有ABS装置，汽车制动时处于抱死状态，即车轮在路面上滑动，而没有滚动，这样的状态对于汽车来说是很危险的。根据汽车理论，车轮在抱死是，与路面的横向和纵向摩擦系数都最小，汽车容易发生跑偏，甩尾，制动距离长，导致交通事故。所以，在这里，我们引入滑移率的概念，即车轮制动过程中滑动与滚动的比率： S=u-ru100% （2.1）u: 车速 r ：车轮半径 ：轮速车轮在制动过程中由滚动变为滑动，滑移率也相应从100%变为0 。传统结构汽车没有ABS装置，司机一踩刹车踏板，车轮迅速抱死，车轮滑移率变为0，车轮在路面滑动；而ABS装置的作用就是使得制动力以非常高的频率在车轮上作用-停止-作用，以确保车轮不抱死。汽车ABS装置首先由车速，轮速等传感器进行信号采集，计算，得出瞬间滑移率，然后根据控制规律，输出控制指令，由电磁阀通断控制，调整制动管路的油压，使得制动力不断变化，车轮在制动过程中不发生抱死现象。ABS结构简单介绍如下：（1） 车速传感器和轮速传感器。（2） ECU控制器。（3） 电磁阀。（4） 制动管路。 ABS结构示意图 附着系数-滑动率曲线图附着系数：由汽车驱动力，车轮转动惯量，以及路面摩擦情况等因素决定的量，是决定车轮与路面附着力大小的重要参数。 对于大多数路面，纵向附着系数有唯一的最大值，其对应的滑移率即为该路面的最佳滑移率Sc。因此，通过下式的模式识别可以将滑移率控制在最佳滑移率Sc的附近： dds0时，SSc；增加S ddsSc；减少S dds=0时，S=Sc；保持S此模式识别的特点是根据dds的正负号，判断滑移率与最佳值的关系。2.2控制方式分析下面的阐述是基于路面防抱死系统的控制策略，附着系数公式; =J+TbFn r （2.2）式中： 路面附着系数 J车轮转动惯量 车轮角加速度 Tb制动器扭矩 Fn 地面法向反力 r 车轮半径 对于单轮模型，若不考虑制动时的载荷转移，其法向返反力Fn不变，J和 r是常数，根据公式（2.2）计算对时间t的导数得： ddt=J+TbFn r (2.3)而滑移率随时间变化可以对滑移率的公式进行求导，忽略车速的变化，近似计算如下： dsdt=rv-vr/v2=- r v (2.4) 式中：v车速 ； s滑移率。而由 J/Tb dds=ddtdsdt=- J/TbFn r v (2.5)式中v，r，Fn均为正数，则dds的正负号可由-J+Tb的正负号决定。因此，原有的模式识别可转换为: 当-J+Tb 0时，增加s.需增压当-J+Tb 0时，即1） 0，且J+Tb0时。 Tb= a -aJ Tb= 0 0 Tb= - a aJ2) 0 Tb= a -aJ Tb= 0 0 Tb= - a aJ （2）需要减压的条件 当-J+Tb 0,且J+Tb0时。 Tb= a -aJ Tb= 0 0 Tb= - a aJ2) 0，且J+Tb0 Tb= a -aJ Tb= 0 0 Tb= - a 0，且J+Tb=0时。 Tb= a =-aJ Tb= 0 =-aJ Tb= -a = aJ2) 0，且J+Tb=0Tb= a =aJ Tb= 0 =-aJ Tb= -a =- aJ上述三种算法即为基于路面附着系数控制算法的控制规则，为控制方便，具体实施时，可按照以下顺序执行：（1） 根据两个电磁阀的通断状态，确定目前制动器是处于增压、保压还是减压。（2） 根据轮速传感器测量信号，计算出角加速度和减速度。如果为0，则系统保压，无需计算角加速度，减速度变化率。如果角加速度、减速度不等于0.则按照上述条件进行判断，控制电磁阀的输出。2.4.控制算法的优点 根据以上分析，基于路面附着系数的控制算法具有以下明显的优点：（1） 适应各种路面的要求。只要路面存在峰值附着系数，就能用此方法进行控制，且控制参数无需大量试验进行匹配。（2） 测量传感器少，成本低。系统只需测量车轮的转速信号，不需要测定车身速度，就可以使ABS装置适应各种路面的变化。克服了滑移率留在算法的缺点。（3） 匹配性好。由于此算法只需车轮的转动惯量和制动器扭矩变化率两个参数，对任何车型都可以使用，克服了逻辑门限控制算法过分依赖试验的缺点。（4） 基于滑移率的各种算法，从理论上由于门限逻辑控制算法。但在实现中有两个世界问题需要解决，其一是车速的测量问题。随着传感技术的发展，当轮速传感器得到普遍应用时，基于滑移率的算法将可能取代当前广泛应用的逻辑控制算法。当第一个问题解决以后，必须精确实时估计峰值附着系数，才能保证这种算法达到最优的控制效果。（5） 基于路面附着系数的控制算法，是本课题经过深入研究ABS制动过程和不同路面特性后提出的全新的控制算法。此控制算法是基于-S曲线的，具有完善的理论基础，能够适应各种路面的变化，控制滑移率在最佳值附近；只需测量车轮转速，不需要测量车身的速度，也不需要做大量的试验来获得门限值等控制参数。因此。它优于门限值控制和滑移率控制，具有良好的推广前景，是防抱死产品研究和开发的一条新思路。3、单轮ABS装置的硬件设计 本课题针对BJ212车型的制动系统，设计了单轮防抱死制动装置的硬件系统，包括车轮角速度传感器，液压调节单元和电子控制单元（ECU）.由于BJ212车型无ABS,要增加ABS，对其进行一系列的改造。主要内容有：（1） 在车轮旋转部分安装角速度传感器齿圈，固定传感器磁极；（2） 改造BS212制动系统，增加液压调节模块和相应的附加制动管路，以及压力表，压力传感器；（3） 设计ABS的电子控制器（ECU）的硬件电路和相应的控制软件。3.1.车轮角速度传感器 3.1.1角速度传感器的工作原理本课题采用的车轮角速度传感器为磁电感应式传感器，是专门用于采集ABS轮速信号，由ITT公司生产，现正使用于上海大众的SATANA2000车型。其作用是将车轮的运动状态转变为电信号，作为ABS系统的信号来源。传感器由定子和转子组成，转子的转速与车轮的角速度相同或成正比例。车轮转动时，由于齿圈的齿和齿间的间隙交替地与磁极接近，离开，使得感应线圈中的磁场周期性地变化，因此在线圈中感应出类似于正弦波的交流信号。此信号的频率与车轮的转速相同活成正比，传感器的信号经过处理后送入电子控制单元。3.1.2角速度传感器的安装一般情况下，传感器的安装位置在新车整体设计时已经确定，有的安装在半轴上，有的安装在轮毂内。鉴于BS212汽车无ABS系统，为了确保较大的安装空间，便于固定传感器磁极，本课题将传感器齿轮设计在轮毂的外侧。具体操作如下：根据BJ212车轮的制动毂的尺寸，确定长轴的尺寸，长轴穿过车轮，与内部的轴承过盈配合。长轴的两端有固定卡座，卡在龙门支架立柱的槽钢内。取下前轮轴头离合器的罩子，用法兰盘代替，法兰盘外圆加工成齿轮形状，齿数为88.齿轮通过螺栓与轮毂相连。其转速与车轮转速相同。传感器的信号经过放大，整形和滤波后送入ECU.轮 胎 LL 转 鼓 图3.1 传感器安装示意图如图3.1所示，车轮本身没有动力系统，它的转动时靠转鼓带动的。长轴两端固定在龙门支架的立柱的槽内，它是不转动的，传感器磁极支架固定在长轴上，磁极固定在支架上。二车轮连同轮毂，制动毂和传感器齿圈链接为一体，它们的转速都相同。3.2.液压调节单元 本次试验采用的车型为BJ212，属于液压制动类型。主缸的压力大小直接控制制动分泵压力的大小。在踏板处施加一定的力量，车轮就会发生抱死现象。 主缸 制动分泵 图3.2 液压制动结构图 汽车安装ABS系统，要对制动管路进行相应的改造。本次改造，在制动系统中增加了液压调节模块（采用的是ITT公司生产的MK-20I型液压调节模块）。它由两个2位2通道断式电磁阀，节流阀，减震器，电动泵，低压储油池构成。电磁阀分为常开式和常闭式。常开阀不通电时打开，电磁阀两端导通，通电时关闭。两端不导通，它安装在制动分泵与储油池之间。这种2/2电磁阀具有结构简单，便于制造和安装维修的优点。3.3.电子控制器（ECU）的设计 电子控制器是该系统的关键，也是本课题工作的重要内容之一。它的硬件部分由电源电路、车轮角速度传感器处理电路和电磁阀控制与驱动放大电路组成。3.31电源 汽车ABS装置中的电子控制器由蓄电池供电。电子控制器的核心是微型计算机，对供电电源的要求很高。要保证ECU可靠地工作，必须对核心电源精心设计。另外，汽车蓄电池的电压是不稳定的所以设计了直流稳压电源。它能把蓄电池提供的不稳定的12V可变电压变为可供ECU使用的高稳定电压。它由滤波器，稳压器7805（1），直流转换器DC/DC和稳压器7805（2）组成。可以得到以下三种电源： +12V(VGG和GNG) +5V(VDD 和GNG) +5V(VCC 和GND)3.32看门狗电路（WATCHDOG）和MAX705 设置看门狗电路是为了防止系统在程序运行中进入死循环。其工作原理是将CPU的P1.2脚与MAX705的WDI脚相连。看门狗电路检测微处理器的活动，当看门狗在1.6秒内未触发输入，并且WDI非三态，看门狗计数器将保持清零，并不计数。一旦复位信号产生，WDI脚变高或变低，计数器将又开始计数。50ns的脉冲可以被检测到。所以可以在程序中编制一些指令，不间断地通过CPU的P1,2脚向MAX705的WDI脚送脉冲信号，如果程序进入了死循环，则这些指令无法运行。看门狗电路定时器如果在一段时间内检测不到这些指令的运行，MAX705的WDO脚就会输出一个低电平，而MAX705的7脚RESET正常情况下保持高电平，所以当8脚输出为低电平时，通过与非门4011传送至CPU的RET脚就是高电平，使系统得以复位，保证了系统程序的正常运行。3.33车轮角速度传感器的信号处理电路 由于车轮角速度传感器的输出信号是不规则的正弦波信号，强度较弱且存在干扰，加上这种信号的强弱与转速成正比，所以当转速高时，传感器信号强；当转速低时，传感器信号弱。处理方法是：此信号经过放大，整形和滤波。转换成幅值稳定，负载能力较强，波形类似于矩形波的信号后，才能送到ECU进行计算和处理。传感器信号处理框图如3.3所示电容滤波电压比较器LM3119031放大器车轮速度传感器 A/D转换板设级跟随器OP07频率/电压转换LM331 图3.3 车轮速度传感器信号处理框图如图，具体步骤：1. 电容滤波。从传感器磁极感应出的正弦波信号，首先经过电容滤波，去掉干扰信号。2. 初级放大，采用三极管9031放大电路。3. 信号整形。选择LM311作为整形电路的元器件，把波形变成规则的方波信号。4. 为提高信号数据的精确度，将方波信号再次进行频率/电压转换处理。3.34控制输出和电磁阀驱动放大电路当ECU计算出的角速度门限值达到设定值时，常开电磁阀和常闭电磁阀立即发生动作，事先快速通断。它的信号输出受计数器板上8255的PA0和PA1口控制，其中PA0实现对常闭电磁阀的控制，PA1实现对常开电磁阀的控制。PA0和PA1口输出信号经过反相器74LS05，光电耦合器521-4隔离减少干扰，直接驱动大功率的功放管TRF9538，使12V电源接通或断开驱动电磁换向阀的电路，如下图所示：常开电磁阀常闭电磁阀放大器TRF9538光电隔离器521-4反相器74LS05PA0PA1 图3.4 输出驱动电磁阀结构框图4ABS系统软件的设计与开发 本课题在ABS硬件系统研制基础上，对ABS系统软件进行了合理的设计与开发。采用了TURBO C 软件，编制防抱死系统的控制程序，同时用MATLAB编制了图形和数据输出程序。其整体结构如下图：数据与图形输出程序ABS控制程序 显示曲线显示数据 产生数据文件控制输出数据及显示数据读入处理 数据文件MMX.M 图4,1 系统软件结构 系统软件包括ABS控制程序和图形，数据输出程序两部分。其中，ABS控制程序采用TURBO C语言编写，主要用来采集各路传感器信号，进行运算处理，适时判断并控制电磁阀的输出，同时生成数据文件MMX.M图形，数据输出程序主要作用是对数据文件的处理，即根据数据文件输出各种图形和数据的程序，采用MATLAB语言编写。4.1 ABS控制软件的设计概述 本课题设计的ABS控制软件包括两个部分：（1） 中断服务程序。它的作用是：定时产生中断。每次中断时，执行主程序的计算和控制模块（本文设计中取定时时间为0.05秒）。（2） 主程序。它的作用是：采集各路传感器信号，进行运算处理。适时判断并控制电磁阀的输出。它主要由数据处理模块和输出控制模块组成。系统控制程序总体结构为：采样-处理-输出-再采样的串行循环结构，程序框图如下图所示：开始 初始化开中断：开定时器启动加计数器 有无中断 N主程序 Y 制动结束? N 结束 Y 图4.2 ABS系统控制软件框图 图4.2 的初始化程序作用是：对系统中断，堆栈，定时器，计数器，公共数据区，测量电路输入口，输出口的初始化。判断制动结束的条件是转鼓的速度是否为0.4.1.1 ABS控制软件的特点（1） 实时性。ABS制动时要求整个系统反应很快，一般主程序的运行时间应在5ms以内。本软件采用的代码短，效率高，执行速度快的TRRBO C语言编写，采用硬中断方式，进行采样和控制，在防抱制动过程中，仅仅执行中断程序，与控制程序无关的数据处理在控制过程结束后进行,采用主频80M的486计算机，执行程序代码，保证了软件执行速度。（2） 模块化。采用模块化思想设计软件，各个功能模块的功能和结构相互独立。模块间传递数据通过共同数据区完成；在试验过程中，可以方便地修改控制程序，程序易于调试。（3） 周期性。控制软件在执行完出事化程序后，反复执行主程序，等待系统定时中断。当有中断请求，CPU在执行完相应中断服务程序后，执行处理程序和控制输出程序，然后再回到主程序，等待下一次定时中断。同时，由于采用了硬中断技术，根据不同的要求，可以方便地调节采样周期。（4） 便于开发新的控制逻辑。由于程序采用C语言编写，模块化设计，可以对开发的各种控制算法，编写控制功能模块，方便地进行试验验证，比采用汇编语言效率高，易于维护，大大方便了控制逻辑的实施及检验。4.1.2 采样与控制的实现采集传感器信号与ABS过程是实现控制软件功能的核心。采样的信号有四路：转鼓速度，车轮速度，制动管路压力和制动器扭矩。由于后三种信号已经转换为模拟信号，A/D采样保持和转换的时间仅为30us,频率非常高，所以采样频率主要是根据转鼓传感器的频率信号确定。(1)ABS压力控制调节的保证。ABS控制过程中压力调节速度为每秒2-6个工作循环。根据Shannon采样定理，采样频率要大于二倍的防抱循环频率。所以采样频率失少要达到4-12HZ.(2)传感器信号频率大小的限制。采样时间内的采集的脉冲个数N和转鼓转速n的关系为： N = Zni 60t (4.1)式中，Z-转鼓传感器转子的齿数，i后桥传动比7.63当转速很低时进行制动，如果采样时间很短，则采样的N值区别很小，甚至没有区别，从而分辨不出转速的变化，为了克服上述缺点，必须保证t大于一定的值。同时在最低采样速度时，一次采样时间内要获得一个以上的脉冲信号。根据国家标准GB13594-92的规定，车速小于15KM/H时，允许车轮抱死。本文综合考虑1和2 ，取采样时间为0.05秒（实际为0.0549秒）。采样控制启动后，首先对多功能定时/计数器的8253和8255进行初始化设置。将8253和8255进行初始化设置。将8253定时/计数器1设置为输出口，用来控制电磁阀的通断，对应选择各跳线。在PC机中，微型机的外围芯片8253具有定时/计数的功能，该芯片有三个计数器，除计数器1用于定时器对动态存储器进行刷新外，计数器0和计数器2可以供用户使用。为了保证定时的准确性，本为采用硬件定时方式实现采样定时。PC机上电后8253的定时器0被初始化为定时器方式，计数器的预置值为0 ，工作时钟为1.19318MHZ.因此，系统的定时周期为T=65535/1193181=0.0549s,即54.9ms，系统以18.2次的频率，执行时钟硬中断8号中断。该中断会对0xlc软中断进行调用。对8253定时器的初始值进行修改就可以获得不同的定时时间，对0xlc软中断的服务创新进行重写就可以完成自己的定时处理任务。本文设定时间为54.9ms，即计数器的预置值为E90BH(十六进制数)，重写0xlc软中断服务重写，每两次中断执行一次采样和控制，达到设定的采样周期。由于A/D采样保持和转换的时间仅为30us，其他三路输入信号（转速，制动压力和扭矩）的采集不会影响定时时间的准确性。并且编写的控制程序都比较简练，程序的执行时间远小于采样定时时间，保证了采样和控制的正常运行。4.2 中断服务模块中断INT1的实现采用下降沿触发完成。CPU在每一个机器周期S2P5采样INT1的输入电平，如果相继的两次采样，一个周期中采样到INT1为高电平。接着的下个周期采样到INT1为低电平，则IE1=1，表示外部中断1正向CPU申请中断，直到CPU相应后，才由硬件清零。中断程序中，判断是否是第一次中断。如果是则丢失第一个数据，对定时/计数器T0重新设置初值，打开计数器，等待INT1再次中断。本阶段流程图如下所示：入口 角速度脉冲储存计数器赋初值重新定时加计数结束 Y 角加减速度脉冲储存返回 N ： 图 4.3 中断服务程序流程图 本系统只开放了定时器0的定时中断，用于采样定时。中断服务程序，主要是定时读取外部测速电路的脉冲值和设置下一次测速状态，即加、减技术的状态切换，计数器的赋值和启、停。为了保证微机系统的实时时钟不变，在新的中断服务程序中设置一个计数器，每隔54.9ms调用一次系统原来的中断服务程序，恢复系统时钟。 系统设定多少钱T0为16位定时方式，定时器赋初值00H，定时时间位54.9ms。第一次中断时，8253的定时器T0为16位定时方式，定时器赋初值00H,定时时间为54.9ms。第一次中断时，8253的多少钱T0重新赋值00H.定时器第二次中断时，通过计算得到脉冲个数，推导出转鼓的角速度。同时，通过A/D转换可得到车轮速度，制动管路压力和制动器扭矩的大小。即执行程序。4.3 主程序主程序包括数据处理模块和控制模块。主程序的流程图如下所示：入口 数据处理模块控制电磁阀输出控制模块 N屏幕输出各数据制动结束产生数据文件 Y系统复位 图 4.4 主程序流程图4.3.1 数据处理模块数据处理模块包括思路信号（车轮速度，转鼓速度，制动管路压力和制动器扭矩）的读入和计算模块。以转鼓速度处理方法为例：转鼓速度信号采用计数的方法计算速度。即根据在开放中断过程中计数器记下此段时间内的脉冲个数，再根据比例换算出速度。当高速制动时，相邻几个脉冲之间周期值相差很小，有时甚至相等。为了增加精度，所以必须独处一批数据，然后进行平均处理，但是批量数据不能太多，因为当数据太多时，采样过程时间太长，有可能在读取数据过程中，车轮已经达到抱死状态，从而失去控制意义。电路中，转鼓速度传感器信号经过滤波，放大和整形，再经过射极跟随器和555定时器将转鼓信号变成具有一定幅值的矩形波，送到8253的定时器/计数器T0.程序利用外部中断源INT1的下降沿产生中断，打开定时/计数器T0，使之开始内部脉冲计数，即实现对矩形波周期的测试。5 结论与展望5.1结论 本论文介绍了ABS的历史和国内外的发展概况，对防抱死系统的工作原理，系统组成进行了详细的介绍。我们在分析目前普遍采用的逻辑门限值