汽车abs控制的研究

汽车abs控制的研究

车辆abs系统可以改善车辆动态系统的主动安全性能，这在国外已被广泛研究，理论研究日益成熟。国内开发的产品主要有fkx-ac1、abs121和abs141。这些产品用于汽车零部件的使用，性能和效果仍然与国外产品存在差异。很少关于使用液体挤出系统的abs产品的研究。本文中介绍在研究汽车ABS的基础上,研制出的适用于液压制动系统的ABS控制器,以及在试验台上进行的实验结果.1逻辑的统计分析和控制1.1abs系统控制结构根据汽车理论研究,滑移率大约在10%～30%之间时,轮胎与地面之间的附着系数(纵向、横向)较大.汽车ABS控制的目标是在制动过程中把滑移率控制在10%～30%的范围之内,以达到最佳的制动效果.由于滑移率的确定牵涉到测量汽车车身速度和车轮周边速度,一般情况下,车身速度测量很不方便,因此,本次研制的ABS使用“门限值”控制方法,主要根据车轮制动加速度来实施相应控制,其系统控制结构如图1所示.1.2制动加速度门限值控制采用“门限值”控制法,门限值的选取会直接影响到制动效果.可供选择的门限值参数有两个,即滑移率S和车轮的制动加速度(角加速度).只用滑移率S作为比较量的ABS是一个变调节系统,处理难度较大,不适宜实际应用;仅利用车轮加速度作为门限值控制又不能实现最佳制动控制,因此采用以车轮制动加速度门限值为主、以制动液压为辅进行修正实施控制的方法.根据实际测得的制动加速度值(有正、负)用于构成双门限逻辑控制,经组合可得到控制器对制动过程中的边界判定条件,即P,R条件(P边界条件:当满足这些条件时,车轮就有抱死的倾向,此时应当降低制动轮缸压力,使车轮增速;R边界条件:当这些条件满足时可避免车轮抱死的倾向,轮缸压力可再次升高),从P和R中挑选不同条件可以组成各种不同的控制逻辑,因此采用P1R3控制逻辑.基本控制逻辑3个状态的流程如图2所示,a为车轮制动加速度,a0为车轮制动加速度门限值的下限,a1为车轮制动加速度门限值上限.这样,既可以针对不同附着系数的路面设置不同的门限值,也可保证ABS系统始终处于控制的稳定状态.实际控制过程需要根据车身平动加速度和制动管路油压的状态对门限值进行适当修正,修正的方法采用直接加、减一个预置的偏差,制动加速度门限值下限偏差为δ0,上限偏差为δ1.2系统的结构设计电子控制单元(ECU)作为ABS系统的核心部分,它的功能是完成对输入信号的分析,计算车轮速度、车轮制动加速度、制动管路液压和路面识别,并按照一定的算法得出结果,作出判断,发出控制信号,经电路放大后,控制执行机构电路的开断,达到制动过程中不同制动状态之间切换的要求,同时ECU应能对其各部件的功能进行监控、故障诊断和故障处理.其结构框图如图3所示.根据功能要求,ECU主要由信号输入、输出、实时控制、故障诊断与故障处理等几大部分组成.限于篇幅,本文中主要阐述前面3个方面的研制内容.2.1加速度和管路制动压力输入信号主要有车轮转速、车身平动加速度和管路制动压力.这些信息是ECU正确实施控制的依据,也为ABS系统中故障自诊断系统提供有用信息.(1)车轮制动加速度测定车轮的转速是ABS系统重要的输入信号,轮速传感器输出脉冲信号,经放大整形成标准TTL信号送入80C196KC单片机的高速输入口HSI.放大整形使用LM339电压比较器与74LS14斯密特触发器的组合电路.车轮速度的测量采用测周法.在控制器中使用定时和计数的方法测得轮速,由相邻两次测速的时间间隔求出车轮制动加速度.车轮速度计算公式如下:v=2πΝnpΔtR,(1)v=2πNnpΔtR,(1)式中:N为Δt间隔时间内计数脉冲的个数;v为车轮速度,m/s;Δt为读计数器的时间间隔,s;np为轮速传感器一周发出脉冲个数,个/转;R为车轮滚动半径,m.制动加速度ai由下式计算:ai=vi-vi-1Δt+ΔΤi‚(2)式中:vi和vi-1为相邻两次车轮速度,m/s;ΔTi为相邻两次中断之间的修正时间,s.根据计算和校核,Δt取值范围为0.05～0.5s之间,计数脉冲个数N在5～89个之间.考虑到ABS在低速时应予切除,取v=8km/h为低速限,此时计数脉冲N=8个,能保证测量精度。(2)平动加速度传感器加速度传感器可以用来进行路面识别,判断制动时刻汽车是处于高附着系数还是低附着系数路面.系统中车身平动加速度传感器选用一个水银触点式开关,其布置与汽车前进方向一致,常态下开关闭合.当汽车制动且制动加速度超过一定值时,水银运动使开关断开.检测其通断状态达到路面状况识别的目的.对高附着系数路面和低附着系数路面实施的控制及制动液压力的大小稍有不同.(3)实际制动系统滞后采用电阻应变片式传感器,经过电桥电路和载波放大电路进行调理和放大,由A/D转换成数字量送入ECU.实际制动系统滞后对ABS系统有影响,加测管路液压信息,对ABS系统的控制逻辑进行部分修正.制动系统的滞后将导致防抱死控制的复杂性,需要进一步研究.实用可靠的控制逻辑应不断地调整与修改,以得到最佳的制动效果.2.2abs中的通用寄存器实时测试与控制对控制器提出了严格的要求,选用MCS-96系列产品中的80C196KC单片机作为控制器的核心单元.它是一高性能CHMOS16位单片机,特别适合要求严格的实时控制场合,目前,已成功地应用于汽车上,诸如点火、燃烧等控制.程序存储器使用8KB内部EPROM,外扩8KB的数据存储器.在ABS控制器的软件中,充分利用其内部的通用寄存器.ABS起制动作用的过程时间很短,对处理速率要求高.通过对所需数据进行分析,发现几种参数数量级分布较为集中,只需将每类参数量纲扩大100倍,放入通用寄存器中供分析、计算使用,可较好地保证控制参数的准确性(小数点后2位),其算法简洁,实时响应速度快.80C196KC的高速输入口(HSI)部件有4个输入端HSI.0～HSI.3,分别用来接收4个轮速信号.高速输出口(HSO)部件的6条输出线,用于启动A/D转换、定时器复位以及触发4个软件定时器中断等.2.3驱动放大电路放大后工作原理ECU输出的控制信号主要是控制电磁阀接通和断开油路的电信号.该信号由8255A送出,经隔离器件和驱动放大电路放大后驱动电磁阀工作.隔离器件选用固态继电器.电磁阀的状态:无信号输入时工作于油路接通位置,高电平信号输入时工作于油路断开位置.8255A作为扩展I/O口使用,主要用于电磁阀控制信号的输出和电磁阀故障检测信号的输入.PB口用于电磁阀控制信号的输出,PA口用于故障检测信号的输入.3元和故障检测单元软件设计包括2个单元:防抱死控制单元和故障检测(含自检)单元.源程序全部使用汇编语言编写,主程序流程如图4所示,测试与控制程序流程如图5所示.4实验与结果的讨论4.1基本性能实验设计的ABS控制器以液压制动系统为配置对象,已做成样件,并在自行研制的ABS试验台及其检测系统上进行基本性能实验,实验方法中部分参考了ZBT24007-87和GB13594-92标准.4.2结果与讨论(1)车轮速度积分法制动过程中,某次实验的v-t时间变化记录曲线如图6所示.图中,实线是车轮速度的变化记录曲线,虚线是车身速度(试验台上为滚筒)的速度变化记录曲线.由图6可见,车轮没有出现抱死现象,速度变化趋势较好,车轮速度出现波动变化规律;此次的制动距离为14.96m,制动时间3.7624s,相对较短.滑移率变化趋势如图7所示,可以看出,绝大部分点被控制在10%～30%之内,小于10%的控制也是稳定的.(2)abs制动各参数的比较制动系统的基本性能实验数据见表1.从表中可以看出,在制动初速度基本相同的前提下,ABS起作用的制动过程中,制动距离、制动平均减速度和制动时间3个参数都明显优于ABS不起作用下的制动.(3)制动统一工况时的制动主动控制制动管路的p-t变化实验曲线和T-t变化实验曲线如图8所示.由图8可以看出,制动扭矩随着制动油压的变化而发生相应变化,两者在制动过程中都是波动变化的;说明控制器根据当时的制动工况实时完成了控制作用,并使得油压和制动扭矩发生相应的适应性变化,避免了车轮的抱死;同时也说明控制器的控制逻辑基本上是正确的,能够完成制动防抱死的基本功能和要求.制动开始时制动油压与控制逻辑处于协调初期,制动油压没能达到最佳值;曲线也反映出响应滞后的问题.在控制软件编制中,应尽量缩短制动初期的协调时间和减少响应滞后,以进一步减小制动距离.5实验研究与总结汽车ABS的研究是一项综合性的课题,研制汽车ABS是一项繁杂的工作.本文介绍的对适用于液压制动系统汽车ABS的研究,积累了一些对此研究开发的经验,在此基础上研制了基于门限值控制的A