电子式汽车ABS系统的设计.doc

级本科毕业设计论文 第28页 共28 页1 概述1.1 电子式汽车ABS系统的由来ABS系统的意义是“防锁死刹车系统”。目前ABS系统可以分为机械式和电子式两种。制动力调整装置思想的提出是在20世纪20年代末，它是行车最重要的三大发明之一（另外两个分别是安全气囊和安全袋）。50年代，世界上第一台防抱死制动系统首先被应用在行空领域的飞机上，当时的纯机械式测试接受记录装置还不能适应汽车技术的较高要求，所以当时的车用ABS起的效果不是很好。经过大量的试验研究，终于得出车用ABS系统研制的重要理论依据：测试车轮转速的传感器和调节转速的控制仪是实现目标所必不可少的！虽然ABS的理论基础已经确立，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，现在已经成为一般轿车的必备件了。据统计，汽车突然遇到情况刹车时，百分之九十以上的驾驶者往往会一脚将刹车踏板踩到底来个急刹车，这时候的车子十分容易产生滑移并发生侧滑，即人们俗称的“甩尾”，这是一种非常容易造成车祸的现象。造成汽车侧滑的原因很多，例如行驶速度，地面状况，轮胎结构等都会造成侧滑，但最根本的原因是汽车在紧急制动时车轮轮胎与地面的滚动摩擦会突然变为滑动摩擦，轮胎的抓地力几乎丧失，此时此刻驾驶者尽管扭动方向盘也会无济于事。针对这种产生侧滑现象的根本原因，汽车专家就研制出车用ABS这样一套防滑制动装置。1.2 ABS系统的概念机械式ABS的结构简单，主要是一个机械阀，利用阀体内一个橡胶气囊对刹车压力的反馈来不断放松、制动，从而达到轮胎不抱死的结果，目前一些国产皮卡和抵挡客车大部分采取了这种装置。电子式ABS是由轮速传感器、线束、电脑、ABS液压泵、指示灯等部件构成，能根据每个车轮的磨檫力、转速、转弯角度和车身倾斜度等来向车子的电脑系统发出信号，由电脑分配刹车力度频率，控制发动机扭力输出，对每个车轮施加不同的刹车力度，从而达到科学合理分配制动力的效果，有效地克服紧急刹车时车辆跑偏、侧滑、甩尾现象，防止车身失控等情况的发生。ABS既有普通制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向的稳定性，防止产生侧滑和跑偏，ABS最重要的功能并不是为了缩短制动距离，而是为了能够尽量保持制动时汽车的方向稳定性。ABS起作用时，车轮与路面的摩擦属滚动摩擦，它会充分利用车轮与路面之间的最大附着力进行制动，从而提高制动加速度，缩短制动距离，但最重要的还是保证汽车的方向稳定性。ABS工作时就相当于以很高的频率进行点刹。气动ABS演化为EBS，即电子制动系统，在此基础上发展为稳定性控制系统ESP，稳定性控制系统主要利用车辆加速度传感器和横摆角速度传感器，对车辆横向稳定性进行控制，如对过度转向及不足转向进行纠正，防止车辆失去稳定性。还有一些系统将倾翻警告集成到这类系统中，这种系统的控制主要以制动为主，所以ABS是其重要的组成部分。1.3 ABS的分类1.3.1 电子式ABS的两种控制方式（1）双参数控制 双参数控制的 ABS，由车速传感器(测速雷达) 、轮速传感器、控制装置(电脑) 和执行机构组成。其工作原理是车速传感器和轮速传感器分别将车速和轮速信号输入电脑，由电脑计算出实际滑移率，并与理想滑移率 15 %- 20 %作比较，再通过电磁阀增减制动器的制动力。 这种转速传感器常用多普勒测速雷达。当汽车行驶时，多普勒雷达天线以一定频率不断向地面发射电磁波，同时又接收反射回来的电磁波，测量汽车雷达发射与接收的差值，便可以准确计算出汽车车速。而轮速传感器装在变速器外壳，由变速器输出轴驱动，它是一个脉冲电机，所产生的频率与轮速成正比。 执行机构由电磁阀及继电器等组成。电磁阀调整制动力，以便保持理想的滑移率。 这种 ABS 可保证滑移率的理想控制，防抱制动性能好，但由于增加了一个测速雷达，因此结构较复杂，成本也较高。（2）单参数控制它以控制车轮的角减速度为对象，控制车轮的制动力，实现防抱死制动，其结构主要由轮速传感器、控制器 ( 电脑 ) 及电磁阀组成。 轮速传感器由传感器和齿圈钢环组成 。 为了准确无误地测量轮速，传感头与车轮齿圈间应留有 1mm 间隙。为避免水泥、灰尘对传感器的影响，安装前应将传感器加注黄油。电磁阀用于车轮制动器的压力调节。对于四通道制动系统，一个车轮圈有一个电磁阀；三通道制动系统，每个前轮拥有一个，两个后轮共用一个。电磁阀有三个液压孔，分别与制动主缸与车轮制动分缸相连，并能实现压力升高、压力保持、压力降低的调压功能。工作原理如下：1) 升压 在电磁阀不工作时，制动主缸接口和各制动分缸接口直通。由于主弹簧强度大，促进油阀开启，制动器压力增加。2) 保持 当车轮的制动分缸中的压力增长到一定值时，进油阀切断关闭。支架就保持在中间状态，三个孔间相互密封，保持制动压力。 3) 降压 当电磁阀工作时，支架克服两个弹簧的弹力，打开卸荷肉使制动分缸压力降低。压力一旦降低，电磁阀就转换到压力保持状态，或升压的准备状态。 控制装置 ECU 的主要任务是把各车轮的传感器传回来的信号进行计算、分析、放大和判别，再由输出级将指令信号输出到电磁阀，去执行制动压力调节任务。电子控制装置，由四大部分组成：输入级、控制器、输出级，稳压与保护装置。电子控制器以 4 101HZ 的频率驱动电磁阀，这是驾驶员无法做到的。这种单参数控制方式的 ABS，由于结构简单、成本低，故目前使用较广。1.3.2 按控制通道分类,有以下几种四通道式： 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。 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。 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 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。2 电子式ABS系统的工作原理开始初始化计算参考车速计算加,减速度写入减压状态控制字写入保压状态控制字写入增压状态控制字计算滑移率判断压力状态控制是否中止不同组合P1端口发出相应的控制信号停止工作其工作原理是：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的主控程序如下图2.1所示：NOYES图2.1 ABS主控制程序流程图从微观上分析，在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地面的摩擦力达到最大。在汽车起步时可充分发挥引擎动力输出（缩短加速时间），如果在刹车时则减速效果最大（刹车距离最短），ABS系统内控制器利用液压装置控制刹车压力在轮胎发生滑动的临界点反复摆动，使在刹车盘不断重复接触、离开的过程而保持轮胎抓地力最接近最大理论值，达到最佳刹车效果。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。国家标准GB13594对ABS有明确规定，ABS属于机电一体化零件，由下列构件组成：一个或几个传感器（轮速传感器、车速传感器和减速传感器）；一个或几个控制器（ECU）和一个或几个调节器。2.1 ABS传感器传统上ABS传感器以电磁感应式传感器为主，目前国内市场90%是以这种传感器为主，气动ABS几乎100%采用这种传感器。这种传感器的优点是成本低，抗恶劣环境的能力强，但缺点是要求工作间隙较小，低速时往往没有信号。近几年由于半导体技术的发展，霍尔型传感器逐步在液压ABS系统中采用，它的特点是体积小，工作间隙大，信号幅度与速度无关，还可以测试间隙及方向，特别是用于ABS升级的产品，所以霍尔型传感器呈现逐步增多的趋势。目前，汽车安全件的检测设备绝大多数是从汽车制造业发达的国家进口的，ABS(Anti-lockBrakingSystem，制动防抱死系统)传感器的功能测试设备更是如此，因此需要自主开发一种适合生产环境、快速、稳定、通用的检测设备，以满足生产过程中每件必检的一道工序的需要。2.1.1 轮速传感器的组成目前，用于ABS系统的速度传感器主要有电磁式和霍尔式两种。（1） 电磁式转速传感器结构 它由它由永磁体、极轴和感应线圈等组成,极轴头部结构有凿式和柱式两种。 如图2.2所示：（a）凿式极轴轮速传感器 （b）柱式极轴轮速传感器、电缆 2 永磁体 3 外壳 4 ，传感线圈 5 ，极轴 6 齿圈图2.2 ABS系统轮速传感器结构图齿圈6旋转时，齿顶和齿隙交替对向极轴。在齿圈旋转过程中，感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势，此信号通过感应线圈末端的电缆1输入ABS的电控单元。当齿圈的转速发生变化时，感应电动势的频率也变化。ABS电控单元通过检测感应电动势的频率来检测车轮转速。 电磁式轮速传感器结构简单、成本低，但存在下述缺点：一是其输出信号的幅值随转速的变化而变化。若车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度范围一般为15160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8260km/h以至更大，显然电磁感应式轮速传感器很难适应。（2） 霍尔轮速传感器霍尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮。它的结构如图2.3所示：(a) 3 3 3(b)1. 磁体 2.霍尔原件 3.齿圈图2.3霍尔轮速传感器的组成当齿轮位于图中(a)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中(b)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏(mV)级的准正弦波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的影响。；其二是频率响应高。其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于ABS轮速检测，也广泛应用于其控制系统的转速检测。2.1.2 轮速测量装置的工作原理ABS控制系统最关键的控制量是轮速和轮加速度，轮速测量装置原理框图如图2.4所示：轮速传感器滤波器信号放大器比较整形器Input图2.4轮速脉冲信号处理原理框图汽车运行时，车轮旋转使齿圈相对于传感器运动，传感器产生一系列频率与轮速成正比的正弦信号，信号经过轮速处理装置的滤波环节滤除信号中的高频噪声，经过放大和整形环节使轮速信号的幅值增大，得到高质量的脉冲信号，然后送给控制器。控制器对处理后的轮速脉冲信号进行测量计算从而得到车辆的轮速。ABS轮速信号测量及处理电路框图如图2.5所示。4个高速输入端口分别输入4个轮速信号。87C196KCHIS-0HIS-1 HIS-2HIS-3左前轮速传感器右前轮速传感器左后轮速传感器右后轮速传感器信号滤波整形信号滤波整形 整形信号滤波整形信号滤波整形图2.5 硬件原理框图2.1.3 轮速测量方法常用的轮速测量方法有频率测量法、周期测量法和多倍周期法。1) 频率测量法主要通过测量给定时间里的轮速脉冲信号的个数来计算轮速。V=(2rZ)X (Nt)式中Z 齿圈齿数N 频率信号输出脉冲个数 t 测量时间间隔特点：高速时测量精度高，测量低频信号时误差较大，适合在汽车在高速时使用。2)周期测量方法用时标填充的方法测量车轮齿圈转过1个齿所需要的时间即轮速脉冲周期，然后计算轮速。V=(2rZ)X (1T) f=1T= Nt/ro式中ro 时标信号周期Nt 时标信号脉冲个数T 被测周期特点：汽车低速行驶时能够满足精度的要求，但是在高速行驶时误差很大。3) 多倍周期法把周期法和频率法结合起来，把轮速脉冲信号按固定的分频数进行分频，使得被测周期得到倍乘特点：实时性较差。2.2 ABS控制器2.2.1 控制器的组成（1）电子控制单元 电子控制单元是ABS的控制中心，它实际是一个微型计算机，所以又常称为ABS ECU(电脑)。ABS ECU由输入电路、数字控制器、输出电路和警告电路组成。ABS ECU的主要任务是连续监测接受4个车轮转速传感器送来的脉冲信号，并进行测量比较、分析放大和判别处理，计算出车轮转速、车轮减速度以及制动滑移率，再进行逻辑比较分析4轮的制动情况，一旦判断出车轮将要抱死，它将立刻进入防抱死控制状态，通过ABS ECU向HCU发出指令，以控制制动轮缸油路上电磁阀的通断和液压泵的工作来调节制动压力，防止车轮抱死。ABS ECU还不断地对自身工作进行监控。由于ABS ECU中有两个完全相同的微处理器，它们按照同样的程序对输入信号进行处理，并将其产生的中间结果与最终结果进行比较，一旦发现结果不一致，即判定自身存在故障，它会自动关闭ABS。此外ABS ECU还不断监视ABS中其它部件的工作情况，一旦ABS系统出现故障，如车轮速度信号消失，液压压力降低等，ABS ECU会发出指令而关闭ABS，按常规制动系统工作，同时将故障信息存储记忆，并将仪表板上的ABS故障警告灯点亮，向驾驶员发出警示信号，此时应及时检查修理。当点火开关接通时，ABS ECU就开始运行自检程序，对系统进行自检，此时ABS故障警告灯点亮。自检结束后，ABS故障警告灯就熄灭，表明系统工作正常。如果自检以后发现ABS系统存在影响其正常工作的故障，它将关闭ABS系统，恢复常规制动系统，仪表板上的ABS故障警告灯将一直点亮，警告驾驶员ABS系统存在故障。由于自检过程大约需要2s，因此在正常情况下，当点火开关接通时，ABS故障警告灯点亮2s，然后再自动熄灭，是正常的；反之如果点火开关接通时，ABS故障警告灯不亮，说明ABS故障警告灯或其线路存在故障，应对其进行检修。（2）液压控制单元和液压泵 液压控制单元(HCU)装在制动主缸与制动轮缸之间，采用整体式结构。主要任务是转换执行ABS ECU的指令，自动调节制动器中的液压压力。低压储液罐与电动液压泵合为一体装于HCU上。低压储油罐的作用是暂时存储从轮缸中流出的制动液，以缓和制动液从制动轮缸中流出时产生的脉动。电动液压泵的作用是将在制动压力阶段流入低压储液罐中的制动液及时送至制动主缸，同时在施加压力阶段，从低压储液罐中吸取剩余制动力，泵入制动循环系统，给液压系统以压力支持，增加制动效能。电动液压泵的运转是由ABS ECU控制的。HCU阀体内包括8个电磁阀，每个回路各一对，其中一个是常开进油阀，一个是常闭出油阀。它在制动主缸、制动轮缸和回油路之间建立联系，实现压力升高、压力保持和压力降低的功能，防止车轮抱死。2.2.2 I/O接口板的设计与编程原理a. I/O 接口板的设计为了使计算机与ABS硬件控制器之间能够相互通讯，必须建立一种 I/O 接口板 。它既能够使计算机输出的四路轮速数据经过 I/O 接口板转化为四路数字脉冲成为ABS 硬件控制器的输入，又能使 ABS 硬件控制器所产生的输出数据经过 I/O 接口板转化后， 经计算机串口输入计算机的车辆模型中， 基于上述 I/O接口板的基本功能， 建立了 I/O接口板的总体设计方案，如图 2.6 所示：计算机计算机接口数据转换器脉冲发生器1脉冲发生器2脉冲发生器3脉冲发生器4脉冲输出接口AB S图2.6 I/O接口板总体设计方案b. I/O 接口板的相应硬件软件程序的编程原理 I/O 接口板的关键程序采用了 KEIL C51语言编程，用它编制的程序直接可与单片机(AT89C51)兼容，并且本身就有编译功能强大，编程效率高的特点。而 I/O 接口板的关键程序有两个：一个是能够实现计算机与I/O接口板的数据转换功能的程序。另一个是软件编程将计算机轮速数据转换为特定数字脉冲的程序。下面将具体介绍这两个程序的编程原理。 1、I/O接口板的数据转换功能程序原理设计此程序分为两部分：双工口异步串口中断程序和数据传输处理程序，其中串口程序编译好后，要嵌入到数据传输处理程序中，整合成一个程序。下面具体介绍这两个程序的原理： 1) 双全工异步串口中断程序原理在双工口通讯时，它可以实现发送和接收数据同时进行，且串口中断程序比普通串口程序，执行起来更灵活、高效。针对单片机 AT89C51 串口的具体特点，本文编制了相应的串口程序原理，并使其能够实现中断功能。中断程序应使用8 字节的环形缓冲器处理发送中断和接收。本程序其具体程序流程图如图 2.7 所示。 此程序被编译后，将被写入数据转换器中，用来实现数据转换器的基本功能：I/O接口板与计算机相互通讯。开始串行口初始化写数据到SUBF或发送红缓冲区开中断读取数据等待中断图2.7 串口终端服务主程序流程图2) 数据传输处理程序原理当 I/O 接口板与计算机串口相互数据通讯时，I/O 接口板所要传输的数据类型与计算机串口所需要的数据类型并不匹配， 因此就需要用数据转换器作为二者之间的媒介 ，使之能够相互匹配。而对于数据转换器来说，除了应用单片机AT89C51 的串口与计算机相互连接外，还需要编制一段数据处理程序来处理从计算串口输出的数据或从 ABS 硬件控制器传输过的数据。尤其要特别强调的是，ABS 硬件控制器与计算机串口所传输的数据都为实时信号，为了使二者之间不发生干扰，所编制的程序必须兼顾二者传输数据时的时序问题， 且此数据处理程序须把串口中断程序嵌入到自己的程序中才能有效。其具体的程序流程如图 2.8所示： 是否接受中断终端返回清终端接受标志接受数据进入缓冲区是否结束接收数据接收数据结束是否发送数据清发送中断标志发送数据进入缓冲区是否结束Cendactive标志清零中断清零Sendfull标志清零中断返回中断返回NOYESYESYESYESNONONO图2.8 串口终端服务程序流程图2、I/O接口板的数字脉冲转换程序原理 在 I/O 接口板进行数据传输过程中，需要先将计算机内的车辆模型所计算出的轮速数据经计算机串口传输到 I/O 接口板内，再经 I/O 接口板内的数据转换器数据转换后，被输入到脉冲转换器中，通过脉冲转换器中下载的数字脉冲转换程序，将其转换为频率即为轮速数值的数字脉冲。以此，来模拟实际的汽车 ABS 系统上的轮速传感器的采集过程，并产生实际轮速模拟信号。依据上述对数字脉冲转换程序的功能和作用的阐述，本课题编制了脉冲转换程序流程图。其程序流程图如下图2.9 所示：开始定时器初始化等待中断TO中断服务程序TO定时1秒到？FSGN=!FSGN返回INT1中断频率变化返回INTO中断TR0=1返回图 2.9 数字脉冲转换程序流程图2.2.3 ABS 硬件控制器设计与制造ABS 硬件控制器（ECU）作为 ABS系统的核心部件，它的功能是完成对外来信号的采集、处理，对各种数据进行逻辑分析，计算车轮速度、滑移率和车轮的加减速度，按照一定的算法得出结果，做出判断，最后发出控制信号。指令信号既可以通过 I/O接口板被传输到计算机里的车辆模型中，也可以经输出电路放大后，直接用于控制执行机构电路的开断，以达到制动过程中不同制动状态之间切换的要求。 因此，根据 ECU的功能要求，ABS硬件控制器由输入级电路、输出级电路、数字控制器三大部分组成。本文主要完成了以下三方面的内容：1) 输入级电路设计；2) 输出级电路设计；3) 数字控制器设计； 此电子控制单元使得实时的轮速数据通过输入级电路的滤波、比较、整形后，将其变为单片机可以接收的数字脉冲，输入到数字控制器中，经过计算和逻辑判断后，输出控制信号。经过输出级电路放大后，直接可用于控制执行机构电路的开断，或者系统控制信号直接通过 I/O 接口板转换后被传输到计算机里的车辆模型中。根据上述要求，ABS 硬件控制器系统结构框图，如图2.10 所示：锁存器信号放大信号放大ROM光隔光隔功率放大功率放大滤波比较整形滤波比较整形HIS.0 P1.0 HIS.3 PI.70C196KC80C196KC图2.10 ECU系统结构框图根据系统结构框图所述的工作原理，下面具体介绍一下电子控制单元设计中所包含的主要内容。a. 输入级电路设计 车轮转速是 ABS 系统的主要输入信号，该信号的收集，处理对于整个系统的控制至关重要。但由于条件有限，只能通过将计算机中的虚拟车辆模型所模拟出的车轮速度，通过 I/O接口板后，转化为频率数值为车轮轮速的脉冲信号来模拟瞬时轮速。然后，再经过输出级电路的滤波、比较、整形才能成为测试所需的计数脉冲。ABS 系统作为一个实时控制系统，这就要求它能够获得准确的瞬时轮速和加速度信息，而且还要保证轮速传感器传来的信号不失真，这个任务除了要I/O接口板用来配合传输数据外，还交给输入级电路完成。输入级电路的原理图如下图2.11所示：I/O接口板滤波 比较整形图2.11 输入电路原理框图滤波器的作用是过滤掉高频干扰信号，让低频的车轮速度能够通过到达下一级比较电路。滤波环节采用的是由RC网络组成的无源低通滤波电路，RC电路具有结构简单、成本低、体积小、工作可靠等优点。而且输入输出之间不会相互干扰，组合容易，如要串入多级滤波电路，不需要像LC滤波电路那样考虑级间相互影响。电路的截止频率为：f=1/RC根据车轮传感器发出的信号频率，适当选取电阻和电容的值，就可去除干扰信号，完成信号的初步处理；比较级使用了LM339电压比较器的组合电路对信号进一步识别。LM339 通向输入端的分压值为： Uh=R/2R*Vcc取Vcc=+5V，那么当电压信号幅值高于2.5V时，被置成脉冲的上升沿，低于2.5V作为低电平；传感器信号最后经 74LS14 连续两级反向整形，就变成了能被 ECU 识别的标准脉冲信号。输入级电路图如图2.12所示： 图2.12 输入级电路原理图轮速信号经输入级电路滤波、整形后，在示波器上观察后，比较效果如2.13 所示：滤波前整形滤波后整形图2.13 波形比较b. 输出级电路设计 输出级电路的主要任务是将不同瞬时情况发出的指令转换成不同的驱动信号。目前采用的方法是利用PWM 口，把不同占空比的脉冲信号转化为相应幅值的电压信号用以控制一个二位三通阀，通过三通阀阀心位置的改变接通不同的油路来达到增压、保压、减压目的。这种方法动态响应快，操作简便，但二位三通阀必须专门设计制造，而且工艺要求高，开发成本过高；本文使用了另一种方法来达到近似的效果，即充分利用 196 提供的用户端口 P1。利用 P1.0 和 P1.1 准双口输出的 TTL 高、低电平可以组合成三种状态，经功率放大后，用它来控制两条油路的通断同样能起到压力三种状态的切换。P1 口作为准双向的 I/O 口，由输出缓冲器、内部口锁存器、内部寄存器和输出缓冲器构成。输出缓冲器内部具有上拉电阻结构，当端口数据从0 变到 1 时，它能在短时间内产生很强的上拉作用，以加速转变过程；输出时，具有锁存作用，即对端口重写数据前状态保持不变。那么，我们对压力状态的控制归根结底就是对 P1.0 和 P1.1 两个端口的控制，逻辑关系如表2.1所示：表2.1 端口状态与压力变化对应关系P1.0口P1.1口压力变化00增压10保压01减压单片机送出的TTL信号电流微弱仅达6mA，为使输出的控制信号具有一定驱动能力，加入缓冲驱动7407 以提高驱动输出功率；输出级电路的光电隔离器，使得 ECU等数字电路与输出级的模拟电路之间完全隔离，消除除了数字电路对模拟电路的高频干扰，并且将CPU与输出级电路隔离开来，避免了驱动电路中强电流对CPU的冲击；输出级电磁阀的直接控制元件是固态继电器，其控制端额定输入电流应高于20mA，而光隔输出最大电流为15mA，为保证继电器可靠工作，并使其开关切换速度能满足设计要求，所以光电隔离后传入大功率驱动芯片UL2003A驱动芯片。INPUT 缓冲驱动器光隔UL2003A图2.14 输出级电路原理框图 图2.15 输出级电率原理图c. 数字控制器设计 1、数字控制器的选型 本文中数字控制器选用了MCS-96 系列产品中的 80C196KC。80C196高性能16位单片机时 Intel 公司继 8096 之后推土的一系列高性能 CHMOS16 位单片机， 它特别适合要求很高的实时控制场合，目前，已成功地应用于汽车上，诸如点火，燃料等控制。CHMOS芯片耗电少，除正常工作外还可工作于2种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少芯片的功耗。MC196 家族中的全部成员都享用一套指令系统，有一个共同的 CPU 组织结构。根据不同的应用场合，在单片机内部“嵌入”了以往被认为是“外围设备”的各种电路，于是形成了各种不同型号的单片机。80C196KC 的内部 EPROM/ROM为8K字节，内部RAM为232字节，都可用通用寄存器使用，加上 24 字节专用寄存器，相当于有256 字节内部寄存器。在 ABS 的主控制系统设计的软件编制中，就充分利用了其内部的通用寄存器。因为 ABS作为一种实时控制，而整个制动过程在短短的几秒钟必须完成，因此它对时间要求非常高；通过对所需采集数据进行分析，发现几种参数数量级较为集中，只需将每种参数数量级扩大100倍，放入通用寄存器中供分析、计算，这样不但能保证控制参数的准确性，而且避免调用冗繁的四则运算子程序，使其算法更简洁，实时响应速度更快，更具合理性。2、高速输入HSI 部件 HSI 有四个输入端 HSI.0-HSI.3 变换检测器在 HIS-MODE 寄存器控制下可检测四种事件变化的方式，并把各输入端的状态寄存在HSI-STATUS 寄存器中；HIS用定时器 T1 作为事件记录变化的时间基准源，把各个输入端的变化时刻记录在 FIFO 中。保持寄存器与 FIFO相连，通过FIFO把事件的时间值送入 HIS-TIME中。这样，对 HIS-STATUS和 HSI-TIME寄存器的访问就能读取事件变化状态和发生时刻。 HSI-MODE 寄存器控制变换检测器事件的方式。每两位组成一个方式控制字：76543210 HIS.0方式 HIS.1方式 HIS.2方式 HIS.3方式图2.16控制方式字100：每8次正跳变触发 01：每次负跳变触发 10：每次正跳变触发 11：每次正跳变和负跳变触发HIS-STATUS寄存器表示HIS.0-HIS.3的四个输入端的状态，每两位表示一个输入端： 76543210HIS.0方式HIS.1方式HIS.2方式HIS.3方式图2.17 控制方式字2低位 1：事件出现过 0：没出现高位 1：从HIS-TIME读取得事件，此时的输入端为高电平0：从HIS-TIME读取得事件，此时俄输入端为低电平通常，对脉冲信号的计数就利用了检测HIS-STATUSZH状态变化次数的办法。 而ABS系统中，使用了另一种方法：定时器2与HSO单元配合使用，作为事件触发的时间基准，T2的计数值存放在地址 0CH（低 8位）和0DH（高 8 位）的特殊功能寄存器中。当由轮速传感器从入的信号经输入级电路处理后，作为脉冲信号输入时，T2就能对其进行计数，在终端服务程序中读取计数寄存器的值，便能测出车轮转速。3、中断系统 MCS-96 给用户提供了八种型式的中断源，每种中断源都有相对应的中断向量与之对应。中断向量单元中存放的是中断服务程序的入口地址，当允许中断时，任何一个中断源发出的中断要求，将迫使程序转至由对应的向量地址单元的内容所决定的起始地址去执行中断服务程序。CPU 对中断控制是通过对中断的特殊功能寄存器和总中断允许位的控制实现的。当跳变检测器检测到一个硬件中断时，则置位中断登记寄存器 INT-PEND 中相应的位，通过读寄存器 INT-PEND，能确定在任意给定的时间里哪个中断源发出中断；而每个中断源都可以通过对中断屏蔽寄存器 INT-MASK 相应位的置位和复位而开放或禁止中断。即某一位为 1则开放相应的中断源；为0 则禁止相应的中断源。中断登记寄存器和中断屏蔽寄存器中各个中断源的位置是一样的，其各位定义如图2.18所示：76543210图2.18 中断登记/屏蔽寄存器0:定时器溢出 4:HSO.0 1;A/D转换结束 5:软件定时器 2;HIS数据有效 6:串行口 3:HSO事件 7:外部中断一个中断请求能被响应，必须具备以下的条件；首先用 EI 指令开放全部中断；中断登记/屏蔽寄存器对应位置1。CPU 响应完中断，执行中断服务程序后，用 POPF 或 RET指令将断点地址送回。ABS系统并不是每次采取制动都工作，它只有在车轮接近于抱死时才起作用。其工作时并不是悄无声息的，在踩住制动踏板的同时如果ABS工作，会产生适当的噪音，制动踏板也会产生脉动而反复拱脚，这是ABS系统在自动调节制动油压属正常现象。在制动时始终用脚踩住刹车踏板不放松才是正确的。通过“点刹”可以避免在紧急刹车时方向失控及车轮侧滑，使车轮在刹车时不被锁死，轮胎不在一个点上与地面摩擦，加大了摩擦力，使刹车效率达到90%以上。一般说来，在制动力缓缓施加的情况下，ABS多不作用，只有在制动力猛然增加使车轮转速骤消的时候ABS才发生效力。ABS的另一主要功效是制动的同时打方向躲避障碍。因此，在制动距离较短，无法避免触障时，迅速制动转向，是避免事故的最佳选择。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。2.3 调节器它是ABS的执行器。功用是根据电子控制装置传送的命令信号控制制动总泵向车轮制动分泵提供的液压或气压，从而控制车轮速度。它在自动调节总泵或气室的压力时，不受驾驶员控制。它装在制动总泵与车轮分泵之间，使分泵能实现压力增高、压力保持和压力降低的功能。其工作原理如下：开始制动阶段(系统油压建立) 开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动压力由制动主缸产生，经常开的不带电压的进油阀作用到车轮制动轮缸上。此时，不带电压的出油阀依然关闭，ABS没参与控制，整个过程和常规液压制动系统相同，制动压力不断上升，如图2.19所示。低压储液罐吸入阀压力阀制动主缸液压泵进油阀出油阀车轮制动器 图2.19 系统油压建立油压保持当驾驶员继续踩下制动踏板，油压继续升高到车轮出现抱死趋势时，ABS ECU发出指令使进油阀通电并关闭阀门，出油阀依然不带电压仍保持关闭，系统油压保持不变，如图下图2.20所示。低压储液缸吸入阀压力阀制动主缸液压泵进油阀出油阀车轮制动器图2.20系统油压保持油压降低若制动压力保持不变，车轮有抱死趋势时，ABS ECU给出油阀通电打开出油阀，系统油压通过低压储液罐降低油压，此时进油阀继续通电保持关闭状态，有抱死趋势的车轮被释放，车轮转速开始上升。与此同时，电动液压泵开始起动，将制动液由低压储液罐送至制动主缸，如图2.21所示。压力阀吸入阀低压储液缸制动主缸液压泵进油阀出油阀车轮制动器图2.21系统油压降低油压增加为了使制动最优化，当车轮转速增加到一定值后，ABS ECU给出油阀断电将其关闭，进油阀同样也不带电而打开，电动液压泵继续从低压储液罐中吸取制动液泵入液压制动系统，如图2-22所示。随着制动压力的增加，车轮转速又降低。这样反复循环地控制(工作频率为5-6次/s)，将车轮的滑移率始终控制在20%左右。压力阀吸入阀低压储液缸制动主缸液压泵进油阀出油阀车轮制动器图2.22系统油压增加如果ABS出现故障，进油阀始终常开，出油阀始终常闭，使常规液压制动系统继续工作而ABS不工作，直到ABS故障排除为止。ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达320HZ。在该ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制， 因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。 2 ABS系统的发展前景在机动车越来越普及的今天，特别是轿车的使用对安全性能的要求越来越高，汽车制动的防抱死系统突出了很广阔的发展空间。3.1 ABS使用中的注意事项汽车安装了ABS系统并不代表一切万事大吉，还应该了解它在使用中的一些注意事项。1. 要保持足够的刹车距离。当在良好的路面上行驶时，至少要保证离前面的车辆有三秒钟的制动时间，在不好的路面上行驶时，要留的制动时间需要更长些。2. 不要忘记控制转向盘。在制动时，ABS系统为驾驶者提供了可靠的方向控制能力，但它本身并不能自动完成汽车的转向操作。在出现意外状况时，驾驶人要完成转向控制。3. 切忌反复踩制动踏板。很多开旧式液压刹车系统车辆的驾驶员习惯刹车时反复踩制动踏板，在驾驶ABS汽车时是极不可取的，反复踩制动踏板会使ABS时通时断，导致制动效能减低和制动距离增加。实际上，ABS本身会以更高的速率自动增减制动力，并提供有效的方向盘可控能力。需要驾驶者施加在踏板上的制动力持续且稳定。4. 不要在ABS制动时被ABS的正常液压工作噪声和制动踏板震颤吓住。这种声音和震颤是正常的，且可以让驾驶员因此而感知ABS正在起作用，ABS刹车时，刹车分泵的高速收放动作会使高压的制动液被频繁挤压，产生一定的声音，制动踏板也会有抖动和顶脚现象。此时不要被这种现象困扰，要毫不犹豫，用力直接把刹车踩到底，不能放松。5. ABS车轮传感器及齿圈均安装在各个车轮上，所以要经常保持传感器探头及齿圈的清洁，防止有泥污、油污特别是磁铁性物质沾附在其表面，从而导致传感器失效或输给ABS控制单元的信号错误而影响ABS系统的正常工作。6. 在行车中应留意仪表板上的ABS报警灯情况，如发现闪烁或长亮，表明ABS系统已停止工作。此时刹车系统已回归常规制动工作状态，汽车可以继续行驶，但已不具ABS功能，应尽快到修理厂检修。7. ABS系统对制动液的要求非常高，因此添加或更换制动液应严格按照车辆使用说明书上的要求，禁止掺杂不同型号的制动液。8. 应严格按规定的轮胎气压标准加气，同时要保持同轴轮胎气压的均衡，严禁使用不同规格的轮胎。3.2 ABS的优势和缺陷3.2.1 优势缩短制动距离缩短制动距离是 ABS 最大的安全优势。试验证明，在紧急状态下， ABS 能使车轮处于既滚动又拖动的状况，拖动的比例占 20% 左右，这时轮胎与地面摩擦力最大，即所谓的最佳制动点或区域，而普通制动系统则无法做到这一点。增加制动稳定性ABS 大大增加了汽车制动时的稳定性。汽车在制动时，四个轮子上的制动力是不一样的。若前轮先抱死就无法控制方向，若后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾等现象。 ABS 可防止四个轮子制动时被完全抱死，从而提高汽车在制动过程中的稳定性。减轻轮胎磨损减轻轮胎的磨损是 ABS 的另一优势：实践证明，车轮完全抱死会造成轮胎杯型磨损，轮胎表面磨耗不均匀，使轮胎损耗增加，而 A BS 则可减轻轮胎磨损。使用方便，工作可靠ABS 的使用与普通制动方式毫无两样，方便、可靠。制动时只要把脚踏在制动踏板上进行正常制动即可。如果需要， ABS 就会自动进入工作状态。3.2.2 缺陷然而，不管一个ABS系统多么完善，它仍然摆脱不了一定的物理规律。尽管四轮防抱制动系统能使汽车在尽可能短的距离内进行制动，但如果制动进行得太迟，使之在与障碍物碰撞前不能完全停下来，仍不能阻止事故的发生。ABS系统不能违背物理规律的