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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
ABS控制器設(shè)計(jì)
系部名稱(chēng)： 汽車(chē)與交通工程學(xué)院
專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 車(chē)輛工程 B06-1班
學(xué)生姓名： 郭明亮
指導(dǎo)教師： 張金柱
職 稱(chēng)： 教 授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一○年六月
I
The Graduation Thesis for Bachelor's Degree
Design of ABS Controller
Candidate：Guo MingLiang
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B06-1
Supervisor：Prof. Zhang Jinzhu
Heilongjiang Institute of Technology
2010-06·Harbin
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們物質(zhì)生活水平的提高，人類(lèi)社會(huì)對(duì)汽車(chē)的安全性，特別是制動(dòng)安全性能提出了越來(lái)越高的要求。汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)是一種在制動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)輪制動(dòng)力，防止車(chē)輪抱死以取得最佳制動(dòng)效果的制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效的縮短制動(dòng)距離、提高制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，對(duì)汽車(chē)的行駛安全具有重要的意義。
本文首先剖析了防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制原理，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了ABS的結(jié)構(gòu)以及各部分的作用和工作原理。同時(shí)對(duì)ABS控制算法進(jìn)行了研究，選擇了ABS控制器的硬件并設(shè)計(jì)了ABS控制器的軟件。軟件核心是單片機(jī)。隨著功能技術(shù)和應(yīng)用水平的提高，單片機(jī)應(yīng)用研究在ABS領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步深入。本文研究了以高性能單片機(jī)為核心的ABS控制器的開(kāi)發(fā)思路和設(shè)計(jì)方法。
總之，研究結(jié)果可以看出邏輯門(mén)限值方法用于汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)不僅具有理論意義，而且具有實(shí)用價(jià)值，是一種簡(jiǎn)單、方便、具有較好操縱性、制動(dòng)性，并且有較好適應(yīng)性的方法。進(jìn)一步的研究工作一定要繼續(xù)開(kāi)展下去。
關(guān)鍵詞：防抱死系統(tǒng)；單片機(jī)；滑移率；邏輯控制；制動(dòng)性
ABSTRACT
Along with the advancement of science and technology and the improvement of people's living standards, the safety of human society, especially for automobile braking safety performance is put forward higher request.Auto anti-lock braking system (ABS) is a braking can automatically adjust the wheel braking force, prevent to achieve the best wheel lock braking brake system.This system can effectively shorten braking distance, improve the direction of braking stability of road safety in car has an important significance.
This paper analyzes the control principle of ABS, on the basis of detailed introduces the structure and ABS parts and working principle.For ABS control algorithm is studied, and the choice of hardware and the design of ABS controller was ABS controller software.Software is the core chip.With the function of raising the level of technology and application research on ABS, microcomputer application fields will further researches on the performance.This is the core of ABS controller chip development train of thought and design method.
Anyhow, the results of the research can see logic threshold method used in automobile anti-lock braking system is not only of theoretical significance and practical value, is a kind of simple,convenient and have better handling,brake,and the method has good adaptability.Further research will continue to develop.
Key words：ABS；SCM；Sliding Rate；Logic Control；Brake
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1．1 選題的目的、意義
目的：在汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)之前，汽車(chē)所用的都是開(kāi)環(huán)制動(dòng)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是制動(dòng)器制動(dòng)力矩的大小僅與駕駛員的操縱力、制動(dòng)力的分配調(diào)節(jié)以及制動(dòng)器的尺寸和型式有關(guān)。由于沒(méi)有車(chē)輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反饋信號(hào)，無(wú)法測(cè)知制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪的速度和抱死情況，汽車(chē)就不可能據(jù)此調(diào)節(jié)輪缸或氣室制動(dòng)壓力的大小。因此在緊急制動(dòng)時(shí)，不可避免地出現(xiàn)車(chē)輪在地面上抱死拖滑的現(xiàn)象。當(dāng)車(chē)輪抱死時(shí)，地面的側(cè)向附著性能很差，所能提供的側(cè)向附著力很小，汽車(chē)在受到任何微小外力的作用下就會(huì)出現(xiàn)方向失穩(wěn)問(wèn)題，極易發(fā)生交通事故。在潮濕路面或冰雪路面上制動(dòng)時(shí)，這種方向失穩(wěn)的現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重。
意義：汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Anti-lock Braking System簡(jiǎn)稱(chēng)ABS）的出現(xiàn)從根本上解決了汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中的車(chē)輪抱死問(wèn)題。它的基本功能就是通過(guò)傳感器感知車(chē)輪
每一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相應(yīng)地調(diào)節(jié)制動(dòng)器制動(dòng)力矩的大小以避免出現(xiàn)車(chē)輪的抱死現(xiàn)象，因而是一個(gè)閉環(huán)制動(dòng)系統(tǒng)。它是電子控制技術(shù)在汽車(chē)上最有成就的應(yīng)用項(xiàng)目之一，汽車(chē)制動(dòng)防抱死系統(tǒng)可使汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)維持方向穩(wěn)定性和縮短制動(dòng)距離，有效提高行車(chē)的安全性。
隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的日益發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，尤其是在我國(guó)加入世貿(mào)組織之后，汽車(chē)行業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。提高汽車(chē)整車(chē)和零配件的國(guó)產(chǎn)化，趕超世界先進(jìn)水平，是國(guó)人的共同愿望。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的提高，開(kāi)發(fā)周期的縮短、生產(chǎn)成本的降低等各個(gè)方面，都有我們廣大機(jī)械和汽車(chē)行業(yè)的研究人員亟待解決的問(wèn)題。
近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的大規(guī)模投資及國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)與國(guó)外汽車(chē)工業(yè)的合資得到迅速發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)量大幅度增加。而另一方面我國(guó)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)雖然得到了各級(jí)政府的大力支持，但總的趨勢(shì)仍然是車(chē)流量和車(chē)輛密度不斷增加，道路交通安全事故也隨之增加。為了有效減少交通事故，必須在車(chē)輛上加裝ABS系統(tǒng)。我國(guó)的ABS技術(shù)研制工作開(kāi)始于上世紀(jì)80年代中期，落后歐美幾十年，加強(qiáng)ABS技術(shù)的研究和應(yīng)用，完善汽車(chē)的主動(dòng)安全性能，對(duì)于我們發(fā)展汽車(chē)及其相關(guān)行業(yè)和保護(hù)人身安全是具有現(xiàn)實(shí)意義的。
1．2 ABS技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
基于制動(dòng)防抱理論的制動(dòng)系統(tǒng)首先是應(yīng)用于火車(chē)和飛機(jī)上。1936年，德國(guó)博世公司（BOSCH）申請(qǐng)一項(xiàng)電液控制的ABS裝置專(zhuān)利，促進(jìn)了ABS技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用。汽車(chē)上開(kāi)始使用ABS始于1950年代中期福特汽車(chē)公司，1954年福特汽車(chē)公司在林肯車(chē)上裝用法國(guó)航空公司的ABS裝置，這種ABS裝置控制部分采用機(jī)械式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能相對(duì)單一，只有在特定車(chē)輛和工況下防抱死才有效，因此制動(dòng)效果并不理想。機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜使ABS裝置的可靠性差、控制精度低、價(jià)格偏高。ABS技術(shù)在汽車(chē)上的推廣應(yīng)用舉步艱難。直到70年代后期，由于電子技術(shù)迅猛發(fā)展，為ABS技術(shù)在汽車(chē)上應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。ABS控制部分采用了電子控制，其反應(yīng)速度、控制精度和可靠性都顯著提高，制動(dòng)效果也明顯改善，同時(shí)其體積逐步變小，質(zhì)量逐步減輕，控制與診斷功能不斷增強(qiáng)，價(jià)格也逐漸降低。這段時(shí)期許多家公司都相繼研制了形式多樣的ABS裝置。
進(jìn)入90年代后，ABS技術(shù)不斷發(fā)展成熟，控制精度、控制功能不斷完善?，F(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛采用ABS技術(shù)，ABS裝置已成為汽車(chē)的必要裝備。北美和西歐的各類(lèi)客車(chē)和輕型貨車(chē)ABS的裝備率已達(dá)90％以上，轎車(chē)ABS的裝備率在60％左右，運(yùn)送危險(xiǎn)品的貨車(chē)ABS的裝備率為100％。ABS裝置制造商主要有：德國(guó)博世公司（BOSCH），歐、美、日、韓國(guó)車(chē)采用最多；美國(guó)德科公司（DELCO），美國(guó)通用及韓國(guó)大宇汽車(chē)采用；美國(guó)本迪克斯公司（BENDIX），美國(guó)克萊斯勒汽車(chē)采用；還有德國(guó)戴維斯公司（TEVES）、德國(guó)瓦布科（WABCO）、美國(guó)凱爾西海斯公（KELSEYHAYES）等，這些公司的ABS產(chǎn)品都在廣泛地應(yīng)用，而且還在不斷發(fā)展、更新和換代。
近年來(lái)，ABS技術(shù)在我國(guó)也正在推廣和應(yīng)用，1999年我國(guó)制定的國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB12676-1999《汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》中已把裝用ABS作為強(qiáng)制性法規(guī)。此后一汽大眾、二汽富康、上海大眾、重慶長(zhǎng)安、上海通用等均開(kāi)始采用ABS技術(shù)，但這些ABS裝置我國(guó)均沒(méi)有自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
國(guó)內(nèi)研究ABS主要有東風(fēng)汽車(chē)公司、交通部重慶公路研究所、濟(jì)南捷特汽車(chē)電子研究所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、華南理工大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等單位，雖然起步較晚，也取得了一些成果。在氣壓ABS方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)包括東風(fēng)電子科技股份有限公司、重慶聚能、廣東科密等都已形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。液壓ABS由于技術(shù)難度大，國(guó)外技術(shù)封鎖嚴(yán)密，國(guó)內(nèi)企業(yè)暫時(shí)不能獨(dú)立生產(chǎn)，但在液壓ABS方面也在做自主研發(fā)，力圖突破國(guó)外跨國(guó)公司的技術(shù)壁壘，已經(jīng)取得了一些新的進(jìn)展和突破。如清華大學(xué)和浙江亞太等承擔(dān)的汽車(chē)液壓防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）“九五”國(guó)家科技攻關(guān)課題，在ABS控制理論與方法、電子控制單元、液壓控制單元、開(kāi)發(fā)裝置和匹配方法等關(guān)鍵技術(shù)方面均取得了重大成果。采用的耗散功率理論，避免了傳統(tǒng)的邏輯門(mén)限值研究方法的局限性，取得了理論上的突破，研發(fā)ABS成功且進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、批量生產(chǎn)階段。其試樣在南京IVECO輕型客車(chē)上匹配使用全面達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12676-1999和歐洲法規(guī)EECR13的要求。這對(duì)振興我國(guó)汽車(chē)工業(yè)與汽車(chē)零部件業(yè)具有劃時(shí)代意義，標(biāo)志著我國(guó)汽車(chē)液壓ABS國(guó)產(chǎn)化已邁出堅(jiān)實(shí)的一步。同時(shí)合肥工業(yè)大學(xué)也研制出國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液壓制動(dòng)電子防抱系統(tǒng)，率先在HF6700輕型汽車(chē)上匹配使用獲得成功。國(guó)內(nèi)液壓ABS技術(shù)含量與國(guó)外雖有一定的差距，但在政府的大力支持和國(guó)內(nèi)豐富的人力資源配合下，相信國(guó)內(nèi)可以在較短的時(shí)間內(nèi)在ABS技術(shù)某些領(lǐng)域趕超國(guó)際水平。
1．3 本文的主要研究?jī)?nèi)容
本文的主要內(nèi)容包括四部分：對(duì)ABS控制器的硬件進(jìn)行合適的選擇，ABS的軟件設(shè)計(jì)，ABS控制算法的研究，實(shí)驗(yàn)仿真部分。
ABS控制算法是整個(gè)防抱死系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。本文首先研究了目前該領(lǐng)域發(fā)展情況，對(duì)比研究了目前的主流控制算法。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了其中的邏輯門(mén)限值控制方法，利用簡(jiǎn)化的車(chē)輛模型進(jìn)行了理論分析。
1．4 ABS技術(shù)發(fā)展的最新成果和未來(lái)發(fā)展方向
進(jìn)入上世紀(jì)90年代以來(lái)ABS控制器已普遍采用16位單片機(jī)為CPU，除本身朝著集成化、低價(jià)格、大批量的方向發(fā)展外，還在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展。20世紀(jì)80年代中后期，驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)是ASR得到了發(fā)展，它能夠防止汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中(特別是起步、加速、轉(zhuǎn)彎等過(guò)程)防止驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)，使汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向操縱能力和加速性等也都得到提。它是伴隨著汽車(chē)制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的產(chǎn)品化發(fā)展起來(lái)的，實(shí)質(zhì)上是ABS基本思想在驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展和推廣。利用原有的ABS系統(tǒng)，只增加部分控制系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件，就可以實(shí)現(xiàn)防滑控制功能，使性?xún)r(jià)比大大提高。
ABS從出現(xiàn)到廣泛應(yīng)用于汽車(chē)上，經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)，到目前為止ABS的總體結(jié)構(gòu)方案已趨于成熟，但汽車(chē)制動(dòng)安全技術(shù)目前仍是汽車(chē)技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，在該技術(shù)領(lǐng)域，未來(lái)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)集中在如下幾個(gè)方面：
(1) 提高ABS控制方法的自適應(yīng)性和系統(tǒng)的可靠性，從而進(jìn)一步提高整車(chē)的安全性能。雖然ABS已經(jīng)作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，但在控制方法上一直沒(méi)有取得較大的突破。目前得到廣泛應(yīng)用的是采用門(mén)限值控制算法的ABS。其缺點(diǎn)是控制邏輯比較復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。開(kāi)發(fā)完成的ABS裝置對(duì)各類(lèi)車(chē)型的互換性不好。隨著傳感器技術(shù)和車(chē)用微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，采用各種現(xiàn)代控制算法的ABS研究是目前的研究熱科，以使ABs的性能更加完善。
(2) 汽車(chē)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)VDC。VDC(Vehicle Dynarnics Control)系統(tǒng)又稱(chēng)ESP系統(tǒng)(Electronic Stability Program),是把ABS/ASR與電子全控式(或半控式)懸掛、電子控制四輪轉(zhuǎn)向、電子控制液壓轉(zhuǎn)向、電子控制自動(dòng)變速器等在功能、結(jié)構(gòu)上有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，保證汽車(chē)行駛的方向穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
(3) ABS/ASR與自動(dòng)巡航控制裝置ACC集成。汽車(chē)ACC(Adaptive Cruise Control)裝置是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的又一項(xiàng)汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)，它可使汽車(chē)保持一定的行駛安全車(chē)距，主動(dòng)避免碰撞事故發(fā)生，有效地提高公路交通運(yùn)輸能力。由于ABS、ASR和ACC都要用到相同的輪速采集系統(tǒng)、制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)裝置，因此ABS/ASR與ACC的集成，不僅可以大大降低成本，而且可以提高汽車(chē)的整體安全行駛性能。
(4) 電子制動(dòng)系統(tǒng)(Braking-by-wire)。其中，電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(Electronic Mechanical Braking-EMB)是一個(gè)全新的制動(dòng)機(jī)構(gòu)。EMB應(yīng)用于轎車(chē)上，取消了傳統(tǒng)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)作機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍是制動(dòng)器。制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下電子制動(dòng)踏板，電子制動(dòng)踏板帶有踏板感覺(jué)模擬器，踏板行程信號(hào)通過(guò)CAN總線傳送至控制器，控制器實(shí)時(shí)向電動(dòng)機(jī)發(fā)出作動(dòng)信號(hào)，實(shí)施ABS制動(dòng)。
與EMB類(lèi)似的還有電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)(Electronic Hydraulic Braking. EHB)， 它取消了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)中的真空助力器，制動(dòng)主缸等部件。作動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓力裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是制動(dòng)器。制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下電子制動(dòng)踏板，電子制動(dòng)踏板帶有踏板感覺(jué)模擬器，踏板行程信號(hào)通過(guò)CAN總線傳送至控制器，控制器實(shí)時(shí)向車(chē)輪液壓裝置發(fā)出作動(dòng)信號(hào)，對(duì)制動(dòng)器實(shí)施ABS制動(dòng)。
(5) 在ABS系統(tǒng)中嵌入電子制動(dòng)力分配裝置(Electronic Brake Force Distribution---EBD)，構(gòu)成了ABS+EBD系統(tǒng)。EBD的功能就是在汽車(chē)ABS開(kāi)始制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)之前，高速計(jì)算出四個(gè)輪胎與路面間的附著力大小，然后調(diào)節(jié)制動(dòng)器制動(dòng)力，達(dá)到制動(dòng)力與附著力的匹配．進(jìn)一步提高車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，同時(shí)盡可能地縮短制動(dòng)距離。
第2章ABS系統(tǒng)構(gòu)成、原理及控制方法
2．1汽車(chē)ABS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部件作用
ABS系統(tǒng)是加裝在汽車(chē)原有的常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)之上的電子控制系統(tǒng)。因此首先要對(duì)汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，以弄清ABS與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)系。圖2.1為一個(gè)四輪汽車(chē)防抱死控制系統(tǒng)的示意圖。
1-前輪輪速傳感器 2-制動(dòng)分泵 3-ABS指示燈 4-制動(dòng)報(bào)警燈 5-制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器
6-制動(dòng)總泵 7-ABS繼電器 8-后輪輪速傳感器
圖2.1 汽車(chē)制動(dòng)系及ABS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
由上面的示意圖，可以抽象出ABS系統(tǒng)的基本組成部分以及各部分之間的連接框圖如圖2．2所示。
警示燈
中央控制器
電 磁 閥
車(chē)輪
制動(dòng)踏板
主制動(dòng)缸
圖2.2 ABS基本組成部分框圖
由圖2.2可知，一般的ABS系統(tǒng)主要由中央控制器、壓力調(diào)節(jié)器(電磁閥)、輪速傳感器、警示燈以及一些控制繼電器組成。車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器一般為電磁感應(yīng)式，通常安置在被控車(chē)輪上。電磁閥既可以設(shè)置在制動(dòng)總泵至制動(dòng)分泵的制動(dòng)管路中形成分離結(jié)構(gòu)，也可與制動(dòng)總泵合為一體形成整體結(jié)構(gòu)，對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子控制器是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制中樞，它主要接收車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器和制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)等輸入的信號(hào)，對(duì)制動(dòng)過(guò)程中被控車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)需要對(duì)壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，使壓力調(diào)節(jié)器對(duì)被控車(chē)輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行保持、減小和增大等調(diào)節(jié)，并根據(jù)車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器反饋的信號(hào)修正控制指令。電子控制器還具有對(duì)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的功能。ABS報(bào)警燈安置在儀表板上，由電子控制器控制其亮滅，指示防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
傳統(tǒng)的汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的功能是使行駛的汽車(chē)車(chē)輪受制動(dòng)力矩的作用而減速停止的安全裝置。在絕大多數(shù)情況下汽車(chē)設(shè)計(jì)的制動(dòng)缸制動(dòng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路面摩擦力，這使得全制動(dòng)必定會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪抱死。在緊急制動(dòng)情況下，當(dāng)駕駛員腳踩踏板使制動(dòng)壓力過(guò)大時(shí)，輪速傳感器能夠迅速探測(cè)到車(chē)輪有抱死的傾向，并控制器控制壓力調(diào)節(jié)器動(dòng)作以減小制動(dòng)壓力，隨之車(chē)輪輪速恢復(fù)；當(dāng)車(chē)輪輪速恢復(fù)且地面附著力有減少趨勢(shì)時(shí)，控制器又控制壓力調(diào)節(jié)器動(dòng)作增加制動(dòng)壓力。這樣反復(fù)動(dòng)作，使車(chē)輪一直處于最佳的制動(dòng)狀態(tài)，最有效地利用地面附著力，得到最佳的制動(dòng)距離和制動(dòng)穩(wěn)定性。并且可以防止制動(dòng)過(guò)程中后輪抱死導(dǎo)致的車(chē)輛側(cè)滑甩尾，防止前輪抱死喪失的轉(zhuǎn)向能力，提高汽車(chē)躲避車(chē)輛前方障礙物的操縱性和彎道制動(dòng)時(shí)的軌跡保持能力，大大提高制動(dòng)過(guò)程的方向穩(wěn)定性。同時(shí)汽車(chē)制動(dòng)效能得到提高，制動(dòng)距離一般要比不安裝ABS系統(tǒng)的同類(lèi)型車(chē)輛要短。
2．1．1車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器
車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器是汽車(chē)ABS系統(tǒng)中主要的信號(hào)傳感器，其作用是對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲得車(chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。目前用于ABS系統(tǒng)的輪速傳感器主要有磁電式輪速傳感器和霍爾式輪速傳感器兩種類(lèi)型。磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)來(lái)測(cè)量車(chē)輪速度的。在電控防抱制動(dòng)系統(tǒng)中使用的傳感器，多數(shù)為磁電式輪速傳感器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但存在以下缺點(diǎn)：
1) 輸出信號(hào)的大小隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，若車(chē)速過(guò)慢，其輸出信號(hào)過(guò)低而使得系統(tǒng)認(rèn)為車(chē)輛速度為零；
2) 頻率響應(yīng)低，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)傳感器易出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，加重軟件濾波難度；
3) 抗電磁波干擾能力差，尤其是車(chē)速較慢，輸出信號(hào)幅值較小時(shí)。
近年來(lái)出現(xiàn)的霍爾式車(chē)輪速度傳感器克服了磁電式輪速傳感器的上述缺點(diǎn)，并且具有下列優(yōu)點(diǎn)：
1) 輸出信號(hào)幅值不變。在工作電壓為12V時(shí)，輸出幅值保持11.5-12V不變，車(chē)速再慢甚至到零，幅值都不變；
2) 頻率響應(yīng)高(可達(dá)20kHz)，用于ABS系統(tǒng)中可檢測(cè)1000km/h的信號(hào)，故可滿(mǎn)足使用要求；
3) 抗電磁干擾能力強(qiáng)。由于輸出信號(hào)在整個(gè)輪速范圍內(nèi)不變，且幅值較高，所以抗電磁能力很強(qiáng)。
目前霍爾式輪速傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在ABS系統(tǒng)中。
2．1．2電子控制單元(ECU)
ABS的電子控制單元(Electronic Control Unit)，常用ECU表示，也為稱(chēng)中央控制器。它的主要作用是接收輪速傳感器等輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出輪速、參考車(chē)速、車(chē)輪減速度、滑移率等控制參數(shù)，并進(jìn)行判斷、輸出控制指令，控制電磁閥進(jìn)行制動(dòng)調(diào)節(jié)。另外還應(yīng)具備故障監(jiān)測(cè)等功能，如有故障時(shí)會(huì)使ABS停止工作并將ABS警示燈點(diǎn)亮。
2．1．3制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器是ABS中的主要執(zhí)行器。目前常用的制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器為電磁閥，其作用是接受ABS電子控制單元的指令，對(duì)制動(dòng)管路進(jìn)行通、斷等動(dòng)作，調(diào)節(jié)制動(dòng)系的壓力，使之增大、保持或減小，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力控制功能。
由于ABS是在原來(lái)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加一套控制裝置形成的，因此ABS也是建立在傳統(tǒng)的常規(guī)制動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的。在制動(dòng)過(guò)程中，若車(chē)輪沒(méi)有抱死趨勢(shì)，其制動(dòng)過(guò)程與常規(guī)制動(dòng)過(guò)程完全相同。只有車(chē)輪趨于抱死時(shí)，ABS才會(huì)對(duì)趨于抱死的車(chē)輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常，只有在汽車(chē)速度達(dá)到一定速度(如8km/h)后，ABS系統(tǒng)才會(huì)對(duì)制動(dòng)過(guò)程中趨于抱死的車(chē)輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)汽車(chē)速度降到一定程度時(shí)，由于車(chē)速很低，車(chē)輪制動(dòng)抱死對(duì)汽車(chē)制動(dòng)性能的不利影響很小，為了使汽車(chē)盡快制動(dòng)停車(chē)，ABS就會(huì)自動(dòng)終止防抱死制動(dòng)壓.力調(diào)節(jié)，其車(chē)輪仍可能被制動(dòng)抱死。在制動(dòng)過(guò)程中，如果常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，ABS會(huì)隨之失去控制作用。若只是ABS發(fā)生故障、常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)正常時(shí)，汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程仍像常規(guī)制動(dòng)過(guò)程一樣照常進(jìn)行，只是失去防抱死控制作用。現(xiàn)代ABS一般都能對(duì)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有失效保護(hù)和自診斷功能，一旦發(fā)現(xiàn)影響ABS正常工作的故障時(shí)，將自動(dòng)關(guān)掉ABS，恢復(fù)常規(guī)制動(dòng)，并將ABS警示燈點(diǎn)亮，向駕駛員發(fā)出警示信號(hào)，提醒駕駛員及時(shí)進(jìn)行修理。
2．2 ABS系統(tǒng)的工作原理
圖2.3汽車(chē)ABS工作原理示意圖
1—主缸 2—ABS ECU 3—蓄電池 4—儲(chǔ)液器 5,8,9—單向閥 6—電動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)
7—電動(dòng)泵 10—A孔 11—回位彈簧 12—C孔 13—車(chē)速傳感器 14—輪缸 15—B孔
(1) 普通制動(dòng)（ABS不工作狀態(tài)） 在制動(dòng)力較小、車(chē)輪未出現(xiàn)滑移或車(chē)速較低時(shí)，ABS處于不工作狀態(tài)，即ABS得ECU無(wú)指令給液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈，閥體在回位彈簧力的作用下打開(kāi)A孔、關(guān)閉B孔，來(lái)自主缸的制動(dòng)液通過(guò)A孔、B孔進(jìn)入輪缸，產(chǎn)生制動(dòng)效果；解除制動(dòng)時(shí)，輪缸的制動(dòng)液經(jīng)B孔、A孔及單向閥流回主缸。此時(shí)，電動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)也是處于不工作狀態(tài)。
(2) 緊急制動(dòng)（ABS工作）
1）減壓狀態(tài) 當(dāng)車(chē)輪要抱死時(shí)，ABS的ECU發(fā)出控制指令，給液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈提供較大的電流，電磁線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁吸力吸引閥體，閥體克服回位彈簧力將A孔關(guān)閉，切斷了主缸的進(jìn)液通路。同時(shí)打開(kāi)C孔，輪缸內(nèi)的制動(dòng)液從B孔經(jīng)C孔進(jìn)入儲(chǔ)液器。由于輪缸制動(dòng)液經(jīng)上述回路返回主缸而使壓力下降，防止車(chē)輪抱死。至于液壓降低的程度，由ABS的ECU根據(jù)車(chē)輪速度傳感器的信號(hào)進(jìn)行控制。
2）保持狀態(tài) 輪缸減壓后，如果車(chē)輪處于最佳滑移率的范圍之內(nèi)，ABS的ECU會(huì)根據(jù)傳感器的信號(hào)發(fā)出相應(yīng)指令，使液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈通較小的電流，使閥體保持在中間位置，此時(shí)正好關(guān)閉A孔和C孔，使輪缸處于保持壓力狀態(tài)。
3）增壓狀態(tài) 當(dāng)車(chē)輪制動(dòng)器制動(dòng)力不足時(shí)，通過(guò)車(chē)輪速度傳感器檢測(cè)信號(hào)，ABS的ECU便停止向液壓調(diào)節(jié)器的電磁線圈供電，閥體在彈簧力作用下回位打開(kāi)A孔，關(guān)閉C孔，主管路中的高壓制動(dòng)液便可通過(guò)A孔、B孔到達(dá)輪缸，使其輪缸液壓升高，從而加大制動(dòng)力。
2．2．1車(chē)輪的滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系
車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程可以描述為以下幾個(gè)部分：首先由駕駛員踩踏制動(dòng)踏板啟動(dòng)制動(dòng)缸：制動(dòng)缸提供制動(dòng)力矩并施加到車(chē)輪上；車(chē)輪因制動(dòng)力而減速；輪胎與地面相互作用而產(chǎn)生的地面附著力使車(chē)輛減速。這一過(guò)程中，制動(dòng)力矩與地面附著力構(gòu)成動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。我們定義車(chē)輪與地面間滑移率為：
（2.1）
式中： S—滑移率
v—車(chē)輛速度
—車(chē)輪角速度
R—車(chē)輪半徑
我們稱(chēng)輪胎與地面間的摩擦系數(shù)為附著系數(shù)，為車(chē)輪滑移率的函數(shù)．考慮到車(chē)輛的轉(zhuǎn)向制動(dòng)，可以將車(chē)輪受力分為橫向力和縱向力，相應(yīng)的附著系數(shù)也可分解為橫向附著系數(shù)和縱向附著系數(shù)，如圖2.3所示?？梢苑治鰴M向摩擦系數(shù)和縱向摩擦系數(shù)與車(chē)輪滑移率之間的關(guān)系，得到輪胎特性曲線。
輪速方向
車(chē)速方向
輪上橫向力方向
圖2.3 車(chē)輪橫向、縱向力
很顯然，當(dāng)滑移率為零時(shí)，由定義知， 圖2.3車(chē)輪橫向、縱向力車(chē)輪處于滾動(dòng)狀態(tài)，車(chē)速等于輪速，制動(dòng)力為零。隨著制動(dòng)力不斷增大，滑移率達(dá)到100％時(shí)車(chē)輪抱死。對(duì)大多數(shù)情況而言，車(chē)輪滑移率在某個(gè)特定值下有最大的附著系數(shù)。某些特殊路面如沙石路面及未壓實(shí)的新雪路面，在車(chē)輪抱死時(shí)其前方堆積物的增加造成阻力，使附著系數(shù)增大。制動(dòng)的目的之一是得到最短的制動(dòng)距離，很顯然使車(chē)輛滑移率維持在峰值附著系數(shù)處就可以得到最大的地面附著力，也就有最短的制動(dòng)距離。同時(shí)在峰值附著系數(shù)處的橫向力也較大，對(duì)維持車(chē)輛的制動(dòng)穩(wěn)定性十分有利。在實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中駕駛員是很難做到這一點(diǎn)的，并且應(yīng)急制動(dòng)情況下駕駛員更無(wú)精力去顧及這種最佳的操縱，而ABS系統(tǒng)恰恰是為了實(shí)現(xiàn)這一目的。峰值附著系數(shù)對(duì)應(yīng)的最佳滑移率隨輪胎特性路面的情況而變化，一般其值的變化范圍在5％—30％之間。
在制動(dòng)過(guò)程中，輪胎經(jīng)常會(huì)受到側(cè)向力而發(fā)生側(cè)偏和側(cè)滑現(xiàn)象，如制動(dòng)時(shí)要避免障礙物、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、在分離附著系數(shù)路面制動(dòng)等。從制動(dòng)穩(wěn)定性的角度來(lái)說(shuō)，在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)的情況下，前輪先抱死時(shí)，車(chē)輛受到的橫向力減小，車(chē)輪失去轉(zhuǎn)向能力，車(chē)輛將沿軌跡的切線方向甩出，使車(chē)輛失控。當(dāng)后輪先抱死時(shí)，車(chē)輛將產(chǎn)生較大的橫擺力矩，加劇過(guò)轉(zhuǎn)向特性，最后也將導(dǎo)致車(chē)輛的失穩(wěn)。
2．2．2制動(dòng)過(guò)程中的加減速度
對(duì)正在旋轉(zhuǎn)的車(chē)輪施加制動(dòng)，隨著制動(dòng)壓力的升高，在車(chē)輪旋轉(zhuǎn)的相反方向上將產(chǎn)生制動(dòng)力矩，輪速減小并產(chǎn)生滑移。制動(dòng)完全解除時(shí)，制動(dòng)力矩消失，車(chē)輪從滑移狀態(tài)恢復(fù)到滾動(dòng)狀態(tài)。即車(chē)輪速度逐步增加到汽車(chē)速度，在這個(gè)過(guò)程中車(chē)輪的加減角速度處于不斷變化的過(guò)程中。一般講，制動(dòng)強(qiáng)度越大，車(chē)輪減速度越大；在滑動(dòng)狀態(tài)下，解除制動(dòng)越快車(chē)輪加速度越大。
2．2．3制動(dòng)過(guò)程中的載荷轉(zhuǎn)移
汽車(chē)重量是靠各個(gè)車(chē)輪來(lái)支撐的。在輪胎和路面的接觸面上有一個(gè)垂直方向的作用力，這個(gè)力叫做輪胎載荷。輪胎載荷隨著車(chē)輛制動(dòng)力和轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力而變化。
直線制動(dòng)時(shí)，汽車(chē)制動(dòng)時(shí)根據(jù)總制動(dòng)力的大小做減速運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的地面制動(dòng)力等于車(chē)輪載荷與附著系數(shù)之積。制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力與總制動(dòng)力大小相等、方向相反、指向行駛方向，并作用在汽車(chē)質(zhì)心上。這兩個(gè)力將使汽車(chē)產(chǎn)生一個(gè)前傾力偶距，使前輪載荷增加，后輪載荷減少．假定附著系數(shù)為，車(chē)重G、軸距L、質(zhì)心高度，則：
(2.2)
可知，質(zhì)心越高、軸距越短，載荷轉(zhuǎn)移的幅度越大。
汽車(chē)轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)，汽車(chē)的離心力為，作用在汽車(chē)的質(zhì)心上。側(cè)傾力偶矩產(chǎn)生后，使外側(cè)輪胎載荷增加，內(nèi)側(cè)輪胎減少．假定輪距為C，離心力所產(chǎn)生的力偶距對(duì)每個(gè)車(chē)輪平均分配， 則：
(2.3)
上述這種車(chē)輪載荷的變化叫做動(dòng)載荷轉(zhuǎn)移，由于載荷的轉(zhuǎn)移，汽車(chē)轉(zhuǎn)彎使前外車(chē)輪的制動(dòng)力最大，后內(nèi)車(chē)輪的制動(dòng)力最小。
2．3 ABS系統(tǒng)的控制方法
汽車(chē)ABS系統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣，要求系統(tǒng)本身抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。車(chē)輪在緊急制動(dòng)中的抱死過(guò)程很快，約為0.2-0.5s，要求ABS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控能力強(qiáng)，控制過(guò)程迅速，大部分系統(tǒng)的循環(huán)都要求毫秒量級(jí)。以上特點(diǎn)對(duì)研究可行的ABS控制算法有很大的限制，復(fù)雜的算法很難實(shí)現(xiàn)。如果采用高級(jí)的硬件設(shè)備，則系統(tǒng)硬件成本太高，無(wú)法滿(mǎn)足要求。傳統(tǒng)的ABS控制方法是基于經(jīng)驗(yàn)式的邏輯門(mén)限方法，每裝配一種新的車(chē)型都需要通過(guò)大量的道路試驗(yàn)來(lái)確定經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。產(chǎn)品的發(fā)展往往經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史。由于這些因素，汽車(chē)電子學(xué)的實(shí)用化進(jìn)展并不是像人們預(yù)料的那樣快速。
隨著硬件設(shè)備性能飛速提高，在ABS算法領(lǐng)域也出現(xiàn)了基于現(xiàn)代控制理論的方法，較為典型的有滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。它是一種非線性控制策略，是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面的程度來(lái)變更控制器結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)按照滑模面規(guī)定規(guī)律運(yùn)行的一種控制方法。在ABS過(guò)程中，車(chē)輪滑移率的變化也是一個(gè)非線性過(guò)程，為了達(dá)到控制滑移率的目的，可以用滑模變結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行控制，具體控制方法可參閱文獻(xiàn)。
另一類(lèi)方法是智能控制的方法，比較典型的方法是模糊控制方法。模糊控制是基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則又可以結(jié)合數(shù)學(xué)過(guò)程的新型控制方法，它與系統(tǒng)的模型無(wú)關(guān)，不需要建立控制過(guò)程精確的數(shù)學(xué)模型，而是完全憑人的經(jīng)驗(yàn)，將語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量進(jìn)行自動(dòng)控制。ABS系統(tǒng)利用模糊邏輯可通過(guò)制動(dòng)時(shí)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特征與路面特性間的關(guān)系估計(jì)路面特征，根據(jù)滑移率和滑移率誤差的變化，確定防抱系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)器的壓力調(diào)節(jié)值。這種方法具有很好的魯棒性和控制規(guī)則的靈活性，但調(diào)試設(shè)定參數(shù)比較困難，對(duì)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性很大。具體方法可參閱文獻(xiàn)。雖然近年在ABS控制算法領(lǐng)域提出了許多新的方法，但這些方法在應(yīng)用中并不順利，這主要是由于車(chē)輛本身參數(shù)及行駛工況的復(fù)雜特性。因此在本文中重點(diǎn)研究邏輯門(mén)限值方法極其應(yīng)用。
本設(shè)計(jì)采用的是邏輯門(mén)限值控制的方法?；痉椒ㄈ缦拢?
1) 在制動(dòng)的初始階段，制動(dòng)壓力上升，車(chē)輪產(chǎn)生制動(dòng)減速度．當(dāng)車(chē)輪達(dá)到某一減速度值，說(shuō)明車(chē)輪已有抱死傾向，加速度車(chē)輪狀態(tài)已處于不穩(wěn)定的區(qū)域，此時(shí)則命令減小制動(dòng)壓力。
2) 車(chē)輪由于慣性仍有一段制動(dòng)減速度下降，隨后制動(dòng)減速度開(kāi)始上升，最終產(chǎn)生車(chē)輪角加速度。這表明車(chē)輪已恢復(fù)到穩(wěn)定的車(chē)輪特性區(qū)域，我們希望車(chē)輛盡可能多的時(shí)間內(nèi)停留在這一區(qū)域內(nèi)。所以保持制動(dòng)壓力。
3) 車(chē)輪由于慣性的原因加速度會(huì)繼續(xù)上升一段時(shí)間，然后呈下降趨勢(shì)。這時(shí)如果維持保壓，車(chē)輪減速度比較小，達(dá)不到峰值附著系數(shù)，所以當(dāng)加速度下降到某一門(mén)限時(shí)，制動(dòng)壓力要重新開(kāi)始增加。為使制動(dòng)狀態(tài)能較長(zhǎng)時(shí)間地停留在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，則采用交替式的增壓減壓，一獲得不同的壓力增加速率，得到最優(yōu)的制動(dòng)效果。門(mén)限值控制法大多選擇加、減速度門(mén)限作為主要門(mén)限，以滑移率作為輔助門(mén)限。
2．4 小 結(jié)
本章分析了ABS系統(tǒng)的基本構(gòu)成，結(jié)合汽車(chē)傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析了ABS各部分的作用。說(shuō)明了ABS中央控制器在ABS系統(tǒng)中起到的核心作用。一般的ABS系統(tǒng)主要由中央控制器、壓力調(diào)節(jié)器(電磁閥)、輪速傳感器、警示燈以及一些控制繼電器組成。輪速傳感器可以將車(chē)輪速度轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后可以轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波之間的時(shí)間間隔，可以得到輪速度。壓力調(diào)節(jié)器是主要的執(zhí)行部件，通過(guò)控制各電磁閥的通斷狀態(tài)達(dá)到調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力的目的。中央控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，將信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)邏輯判斷后，控制電磁閥產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作輸出。
第3章ABS控制器硬件的設(shè)計(jì)
ABS控制器總體結(jié)構(gòu)圖如下圖3.1所示：
圖3.1 ABS控制器的硬件組成結(jié)構(gòu)圖
3．1 ABS中央控制器
本設(shè)計(jì)選用的中央控制器是AT89S52單片機(jī)，下面對(duì)該單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：
AT89S52單片機(jī)的主要功能性是：
At89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：
8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。
圖3.2單片機(jī)AT89S52引腳結(jié)構(gòu)圖
P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。
P1口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。
在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能
P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出
P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）
P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）
P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）
P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）
P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。
P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。端口引腳第二功能
P3.0 RXD(串行輸入口)
P3.1 TXD(串行輸出口)
P3.2 INTO(外中斷0)
P3.3 INT1(外中斷1)
P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)
P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)
P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)
P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)
此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST—復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG—當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。
對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。
PSEN—程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP—外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。
3．2 輪速傳感器
本設(shè)計(jì)選用的傳感器是捷達(dá)轎車(chē)輪速傳感器：
圖3.3輪速傳感器
車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器是汽車(chē)ABS系統(tǒng)中主要的信號(hào)傳感器，其作用是對(duì)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，獲得車(chē)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。齒圈與輪速傳感器是一組的，當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪速傳感器感應(yīng)交流信號(hào)，輸出到ABS電腦，提供輪速信號(hào)。輪速傳感器通常安裝在差速器、變速器輸出軸、各車(chē)輪輪軸上。輪速傳感器在車(chē)輪上的安裝位置，輪速傳感器是由傳感頭和齒圈等組成。
該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。
3．3 ABS制動(dòng)泵
圖3.4 ABS制動(dòng)泵
本設(shè)計(jì)選擇的是捷達(dá)ABS制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)泵：
液壓控制單元裝在制動(dòng)主缸與制動(dòng)輪缸之間。主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換執(zhí)行ABS ECU的指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)器中的液壓壓力。
低壓儲(chǔ)液罐與電動(dòng)液壓泵合為一體裝于液壓控制單元上。低壓儲(chǔ)油罐的作用是用于暫時(shí)存儲(chǔ)從輪缸中流出的制動(dòng)液，以緩和制動(dòng)液從制動(dòng)輪缸中流出時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)。電動(dòng)液壓泵的作用是將在制動(dòng)壓力階段流入低壓儲(chǔ)液罐中的制動(dòng)液及時(shí)送至制動(dòng)主缸，同時(shí)在施加壓力階段，從低壓儲(chǔ)液罐中吸取剩余制動(dòng)力，泵入制動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，給液壓系統(tǒng)以壓力支持,增加制動(dòng)效能。電動(dòng)液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)是由電子控制單元控制的。
液壓控制單元閥體內(nèi)包括8個(gè)電磁閥，每個(gè)回路各一對(duì)，其中一個(gè)是常開(kāi)進(jìn)油閥，一個(gè)是常閉出油閥。它在制動(dòng)主缸、制動(dòng)輪缸和回油路之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)壓力升高、壓力保持和壓力降低的功能，防止車(chē)輪抱死，其工作原理如下：
(1) 開(kāi)始制動(dòng)階段（系統(tǒng)油壓建立）
開(kāi)始制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩制動(dòng)踏板，制動(dòng)壓力由制動(dòng)主缸產(chǎn)生，經(jīng)常開(kāi)的不帶電壓的進(jìn)油閥作用到車(chē)輪制動(dòng)輪缸上，此時(shí)，不帶電壓的出油閥依然關(guān)閉，ABS系統(tǒng)沒(méi)有參與控制，整個(gè)過(guò)程和常規(guī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)相同，制動(dòng)壓力不斷上升。
(2) 油壓保持
當(dāng)駕駛員繼續(xù)踩制動(dòng)踏板，油壓繼續(xù)升高到車(chē)輪出現(xiàn)抱死趨勢(shì)時(shí)，ABS電子控制單元發(fā)出指令使進(jìn)油閥通電并關(guān)閉閥門(mén)，出油閥依然不帶電壓仍保持關(guān)閉，系統(tǒng)油壓保持不變。
(3) 油壓降低
若制動(dòng)壓力保持不變，車(chē)輪有抱死趨勢(shì)時(shí)，ABS ECU給出油閥通電打開(kāi)出油閥，系統(tǒng)油壓通過(guò)低壓儲(chǔ)液罐降低油壓，此時(shí)進(jìn)油閥繼續(xù)通電保持關(guān)閉狀態(tài)，有抱死趨勢(shì)的車(chē)輪被釋放，車(chē)輪轉(zhuǎn)速開(kāi)始上升。與此同時(shí)，電動(dòng)液壓泵開(kāi)始起動(dòng)，將制動(dòng)液由低壓儲(chǔ)液罐送至制動(dòng)主缸。
(4) 油壓增加
為了使制動(dòng)最優(yōu)化，當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)速增加到一定值后，電子控制單元給出油閥斷電，關(guān)閉此閥門(mén)，進(jìn)油閥同樣也不帶電而打開(kāi)，電動(dòng)液壓泵繼續(xù)工作從低壓儲(chǔ)液罐中吸取制動(dòng)液泵入液壓制動(dòng)系統(tǒng)。隨著制動(dòng)壓力的增加，車(chē)輪轉(zhuǎn)速又降低。這樣反復(fù)循環(huán)地控制(工作頻率為5～6次/s，將車(chē)輪的滑移率始終控制在20%左右）。
3．4 驅(qū)動(dòng)電路
5v
510
TLP127
IN4007
+5V
4.7k
CD4069
50P
20P
IRF540N
IN4007
電磁閥線圈
+12v
圖3.6驅(qū)動(dòng)電路圖
3．5小結(jié)
本章根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的選擇，同時(shí)對(duì)選擇的硬件從經(jīng)濟(jì)、硬件來(lái)源等方面分析其結(jié)構(gòu)功能、選擇理由。尤其是對(duì)輪速傳感器、制動(dòng)泵的選擇更是針對(duì)到車(chē)型，這樣的選擇給了自己足夠信息來(lái)源，也不至于讓選擇太盲目。
第4章ABS控制器軟件的設(shè)計(jì)
4．1主程序流程
關(guān)閉警示燈開(kāi)始循環(huán)節(jié)拍
N
Y
故障處理模塊
節(jié)拍時(shí)間加1返回下一次循環(huán)開(kāi)始
是否存在當(dāng)前故障
采集輪速，計(jì)算控制量
故障檢測(cè)模塊
ABS控制模塊
系統(tǒng)上電自檢
系統(tǒng)上電初始化
開(kāi)始
圖4.1主程序流程圖
主程序首先要通過(guò)上電初始化為單片機(jī)建立一個(gè)運(yùn)行環(huán)境，這包括時(shí)鐘、內(nèi)存、輸入輸出端口、中斷向量、異常處理等方面的初始化．之后進(jìn)行ABS系統(tǒng)檢測(cè)，確認(rèn)ABS系統(tǒng)是否能夠正常運(yùn)行。如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)存在故障，則轉(zhuǎn)入故障處理。如果未發(fā)現(xiàn)故障，則初始化相關(guān)的全局變量，進(jìn)入ABS控制循環(huán)。
主程序每循環(huán)一次，在結(jié)束時(shí)修改時(shí)間值，這樣保證整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的統(tǒng)一。為了保證控制的實(shí)時(shí)性，速度采集模塊每周期都需要執(zhí)行。主程序的流程圖如4.1所示。
4．2初始化流程
在上電后，系統(tǒng)為了保證正常運(yùn)行，需要在ABS工作前進(jìn)行初始化操作。該操作括兩部分：
(1) 系統(tǒng)初始化：包括時(shí)鐘初始化、內(nèi)存初始化、中斷初始化、I/O口設(shè)置、全局變量初始化、通信波特率設(shè)置、信號(hào)采集設(shè)置等；
(2) ABS軟件初始化：打開(kāi)警示燈、檢測(cè)電磁閥、檢測(cè)故障存儲(chǔ)器，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前存在故障，則保持警示燈點(diǎn)亮，并切斷電磁閥電源防止誤動(dòng)作；如未發(fā)現(xiàn)當(dāng)前故障，則熄滅警示燈，接通電磁閥電源．兩部分之間依照以上次序依次進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)入ABS循環(huán)后，初始化程序即不再被執(zhí)行，除非關(guān)閉電源。
4．3 輪速處理程序
車(chē)輪速度信號(hào)是ABS系統(tǒng)最主要的輸入信號(hào)．為了檢測(cè)到該信號(hào)必須通過(guò)電路處理，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，然后利用CPU的定時(shí)器捕捉方波信號(hào)的相鄰上升沿(或下降沿)的時(shí)間間隔，從而得到瞬時(shí)頻率，該頻率與當(dāng)前輪速成正比例關(guān)系。在求
瞬時(shí)頻率時(shí)，需要進(jìn)行求倒數(shù)運(yùn)算。該運(yùn)算對(duì)原始的時(shí)間問(wèn)隔數(shù)值十分敏感，原始時(shí)問(wèn)間隔的微小差距就會(huì)導(dǎo)致較大的頻率值變化，因此輪速信號(hào)必須經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后才可以用來(lái)計(jì)算相關(guān)的控制量。
典型的4通道ABS系統(tǒng)需要同時(shí)采集4路輪速信號(hào)，如果用中斷方式進(jìn)行采集，即每來(lái)一個(gè)脈沖都產(chǎn)生中斷，利用中斷處理程序記錄其時(shí)間，在輪速處理程序中對(duì)記錄的時(shí)間值進(jìn)行統(tǒng)一處理。這種方法需要消耗大量的中斷資源，當(dāng)輪速信號(hào)在lKHz以上時(shí)，每6ms要產(chǎn)生約24次中斷，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)忙于應(yīng)付中斷而沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。
考慮到控制程序循環(huán)時(shí)間較短，可以認(rèn)為一般情況下一個(gè)控制周期之內(nèi)輪速變化
不大，因此設(shè)計(jì)中采用查詢(xún)的方式進(jìn)行信號(hào)采集，每個(gè)時(shí)間節(jié)拍對(duì)4路信號(hào)輸入寄存器進(jìn)行查詢(xún)，如果出現(xiàn)新信號(hào)則記錄時(shí)間，如果未出現(xiàn)信號(hào)則不處理。當(dāng)速度很大時(shí)，每個(gè)節(jié)拍僅處理該節(jié)拍中產(chǎn)生的第一個(gè)信號(hào)，這樣可以大大減少CPU開(kāi)支，提高效率。
圖4.2是輪速信號(hào)處理程序的流程圖
輪速信號(hào)采集
結(jié)束
N
I<4?
Y
查詢(xún)第i路信號(hào)
寄存器標(biāo)志位
Y
是否有新信號(hào)
N
讀取速度信號(hào)寄存器
求倒數(shù)，乘比例系數(shù)
4點(diǎn)均值濾波
放入FIFO內(nèi)存單元
i++
圖4.2輪速信號(hào)處理程序流程圖
4．4控制算法
控制算法采用邏輯門(mén)限控制方法，在每個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，讀取狀態(tài)寄存器中的當(dāng)前車(chē)輛狀態(tài)，如果當(dāng)前沒(méi)有進(jìn)入ABS，則進(jìn)行ABS判斷；如果當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入ABS狀態(tài)，則讀取計(jì)算得到的關(guān)鍵控制量，結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)，與門(mén)限比較進(jìn)行并邏輯判斷，得到控制結(jié)果；保持壓力、增加壓力、減少壓力三者必有一。最后，更新系統(tǒng)的狀態(tài)寄存器，退出周期循環(huán)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)周期狀態(tài)。如圖4.3所示
4．5故障診斷
故障診斷分為兩部分，第一部分為點(diǎn)火上電檢測(cè)，主要針對(duì)先前故障和電磁閥故障。如果點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)到以前存在的故障，或者檢測(cè)到電磁閥出現(xiàn)故障，則報(bào)警。第二部分為行駛過(guò)程中的故障檢測(cè)，當(dāng)車(chē)輛遇到顛簸、或者傳感器等器件老化都回造成傳感器故障和電磁閥故障，都會(huì)影響到ABS控制效果。因此必須在汽車(chē)行進(jìn)過(guò)程中對(duì)電磁閥和傳感器進(jìn)行檢測(cè)。
電磁閥的檢測(cè)主要為短、斷路檢測(cè)。汽車(chē)行進(jìn)過(guò)程中如果出現(xiàn)電磁閥故障則立刻報(bào)警。傳感器故障主要通過(guò)傳感器信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)判斷。如果某一個(gè)傳感器信號(hào)突然丟失而又沒(méi)有判斷出制動(dòng)，則報(bào)傳感器斷路故障；如果傳感器信號(hào)幅值長(zhǎng)時(shí)間小于經(jīng)驗(yàn)值，則報(bào)傳感器信號(hào)弱故障。
4．6小 結(jié)
本章從汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪滑移率、附著系數(shù)和車(chē)輪加減速度的概念和相互關(guān)系出發(fā)，編寫(xiě)了相應(yīng)的軟件程序和流程圖，在每個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，讀取狀態(tài)寄存器中的當(dāng)前車(chē)輛狀態(tài)，如果當(dāng)前沒(méi)有進(jìn)入ABS，則進(jìn)行ABS判斷；如果當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入ABS狀態(tài)，則讀取計(jì)算得到的關(guān)鍵控制量，結(jié)合當(dāng)前狀