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..大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目： 防抱死系統(tǒng)設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化三班
學(xué) 號(hào)： ..
姓 名： ..
指導(dǎo)教師： ..
完成日期： 2012-5-19
摘 要
ABS系統(tǒng)可以顯著提高或者改善汽車緊急制動(dòng)時(shí)的操作性和穩(wěn)定性，縮短了制動(dòng)距離，是一種越來越得到廣泛應(yīng)用的汽車電子控制產(chǎn)品。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)以小轎車為研究對(duì)象，展開對(duì)汽車ABS系統(tǒng)的研究。主要完成了以下的工作：
通過對(duì)單個(gè)車輪的受力分析確定了影響車輪附著系數(shù)的主要因素；
通過比較電磁式輪速傳感器和霍爾效應(yīng)式傳感器的性能優(yōu)缺點(diǎn)，采用并設(shè)計(jì)了霍爾效應(yīng)式輪速傳感器；
通過對(duì)控制結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)了以INTEL公司生產(chǎn)的80C196KC單片機(jī)為核心的部分實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件部分；
本文通過學(xué)習(xí)比較只是針對(duì)ABS控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)汽車制動(dòng)理論和制動(dòng)裝置有了較為深入的了解，擴(kuò)大了自己的知識(shí)面，自己解決問題的能力也得到了較大提高。
關(guān)鍵詞：防抱死制動(dòng)系統(tǒng) 輪速傳感器 滑移率
ABSTRCT
Anti-Lock Braking System(ABS) is an impotant device to improve the active safety of vehicle.ABS can greatly improve steering control ability during the brake maneuver and shorten stopping distance.It is a kind of more and more widely applied to automotive electronic control products.
With the car as the research object,the graduation design on ABS has been carried on.And a series of work were finished:
The dynamic situation of wheel was analyzed.Then,the model of hydraulic ABS was built and assured main complication affect the wheeler appendiculate coefficient.
By comparing the capabilitu of electromagnetism rotate speed sensor with Houer rotate speed sensor,we chose the later,and have design a sensor of this king.
Through the analysis of the structure of control designed for the production of INTEL 80C196KC single-chip microprocessor as the core part of the real-time control system hardware parts.
In this paper,based on the knowledge I have mastered,I designed a ABS control system hardware only.I have gotten a in-depth understand of motorcare trig theory and equipment. It Widen my knowledge scope,improved my ability of solving problems.
Kyewords: electronic control system wheel speed sensor slip rate
目錄
一.防抱死制動(dòng)系統(tǒng)概述 - 1 -
1.1 ABS的功能 - 1 -
1.2 ABS系統(tǒng)在國外發(fā)展的歷史 - 2 -
1.3 ABS系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀 - 3 -
1.4 ABS系統(tǒng)發(fā)展趨勢展望 - 5 -
二.ABS系統(tǒng)控制方式的工作原理 - 7 -
2.1制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)與受力分析 - 7 -
2.1.1制動(dòng)時(shí)汽車的受力分析 - 7 -
2.1.2 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況 - 8 -
2.2 ABS的控制方式 - 10 -
2.2.1車輪滑移率以及其與附著系數(shù)的關(guān)系 - 10 -
2.2.2 制動(dòng)時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)方程 - 13 -
2.3 ABS的工作原理 - 13 -
2.3.1 ABS控制過程曲線 - 13 -
2.3.2 ABS基本工作原理 - 14 -
2.3.3 ABS工作中的反應(yīng) - 16 -
三.ABS 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 - 18 -
3.1 ABS系統(tǒng)的布置方式 - 18 -
3.2 ABS的基本組成 - 23 -
3.3 CPU的選擇 - 26 -
3.4 ABS系統(tǒng)輪速傳感器選擇 - 27 -
3.4.1霍爾傳感器的設(shè)計(jì) - 29 -
3.4.2霍爾開關(guān)電路的選擇 - 30 -
3.4.3傳感器齒盤的設(shè)計(jì) - 32 -
3.5 ABS制動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)工作過程 - 33 -
3.6 電源選擇 - 37 -
3.7 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)與選擇 - 37 -
3.8 ABS系統(tǒng)警報(bào)LED燈設(shè)計(jì) - 38 -
3.9 硬件抗干擾設(shè)計(jì) - 39 -
3.10 真空助力器 - 43 -
3.11 車輪制動(dòng)器的選擇 - 45 -
四.結(jié)論與展望 - 47 -
4.1 研究工作總結(jié) - 47 -
4.2 ABS系統(tǒng)發(fā)展方向 - 48 -
致謝 - 51 -
參考文獻(xiàn) - 52 -
一.防抱死制動(dòng)系統(tǒng)概述
1.1 ABS的功能
汽車ABS在高速制動(dòng)時(shí)用來防止車輪抱死，ABS是英文Anti-lock Brake Syetem的縮寫，全文的意思是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，簡稱ABS。
凡駕駛過汽車的人都有這樣的經(jīng)歷：在積水的柏油路上或在冰雪路面緊急制動(dòng)時(shí)，汽車輕者會(huì)發(fā)生側(cè)滑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)掉頭，甩尾，甚至產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)力過大，將使車輪抱死，汽車方向失去控制后，若是彎道就有可能從路邊滑出或闖入對(duì)面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險(xiǎn)狀況的原因在于汽車的車輪在制動(dòng)過程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時(shí)，車輪相對(duì)于路面的運(yùn)動(dòng)不再是滾動(dòng)，而是滑動(dòng)，路面作用在車輪上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動(dòng)力變得很小，路面越滑，車輪越容易。總之，汽車制動(dòng)時(shí)車輪如果抱死將產(chǎn)生以下不良影響：方向失去控制，出現(xiàn)側(cè)滑，甩尾，甚至翻車；制動(dòng)效率下降，延長了制動(dòng)距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生“小平面”，甚至爆胎。
ABS防抱死制動(dòng)裝置就是為了防止上述缺陷的發(fā)生而言之的裝置，他又以下幾點(diǎn)好處：增加制動(dòng)穩(wěn)定性，防止方向失控，側(cè)滑和甩尾；提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)距離（松軟的沙石路面除外）；減少輪胎磨損，防止爆胎。
現(xiàn)代轎車的ABS由輸入傳感器，控制電腦，輸出調(diào)制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括四個(gè)車輪的輪速信號(hào)，剎車信號(hào)，個(gè)別車型還有減速信號(hào)，手剎車。
ABS的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加的汽車制動(dòng)時(shí)候的穩(wěn)定性。汽車制動(dòng)時(shí)，四個(gè)輪子上的制動(dòng)力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險(xiǎn)的；倘若汽車的后輪抱死，就會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑，甩尾，甚至使汽車整個(gè)掉頭等嚴(yán)重事故。ABS可以防止四個(gè)輪子制動(dòng)時(shí)被完全抱死，提高了汽車行駛的穩(wěn)定性。汽車生產(chǎn)廠家的研究數(shù)據(jù)表明，裝有ABS的車輛，可使因車輪側(cè)滑引起的事故比例下降8%左右。
ABS的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能縮短制動(dòng)距離。這是因?yàn)樵谕瑯泳o急制動(dòng)的情況下，ABS可以將滑移率控制在20%左右，即可獲得最大的縱向制動(dòng)力的結(jié)果。
ABS的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。事實(shí)上，車輪抱死會(huì)造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會(huì)不均勻，使輪胎磨損消耗增加，嚴(yán)重時(shí)將無法繼續(xù)使用。因此，裝有ABS具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。
另外，ABS使用方便，工作可靠。ABS的使用與普通制動(dòng)系統(tǒng)的使用幾乎沒有區(qū)別，緊急制動(dòng)時(shí)只有把腳用力踏在制動(dòng)踏板上，ABS就會(huì)根據(jù)情況進(jìn)入工作狀態(tài)，即使雨雪路滑，ABS也會(huì)使制動(dòng)狀態(tài)保持在最佳點(diǎn)。ABS利用電腦控制車輪制動(dòng)力，可以充分發(fā)揮制動(dòng)器的效能，提高制動(dòng)減速度和縮短制動(dòng)距離，并能有效地提高車輛制動(dòng)的穩(wěn)定性，防止車輛側(cè)滑和甩尾，減少車禍?zhǔn)鹿实陌l(fā)生，因此被認(rèn)為是當(dāng)前提高汽車行駛安全性的有效措施
1.2 ABS系統(tǒng)在國外發(fā)展的歷史
ABS裝置最早應(yīng)用在飛機(jī)和火車上，而在汽車上的應(yīng)用比較晚。鐵路機(jī)車在制動(dòng)時(shí)如果制動(dòng)強(qiáng)度過大，車輪就會(huì)很容易抱死在平滑的軌道上滑行。由于車輪和軌道的摩擦，就會(huì)在車輪外圓上磨出一些小平面，小平面產(chǎn)生后，車輪就不能平穩(wěn)地行駛，產(chǎn)生躁動(dòng)和震動(dòng)。1908年英國工程師J.E.Francis提出了“鐵輪車輛車輪防抱死滑動(dòng)控制器”理論，但卻無法將它實(shí)用化。接下來的30年中，包括Karl Wessel的“剎車力控制器”，Werner Mhl的“液壓剎車安全裝置”與Richard Trappe的“車輪防抱死器”等嘗試都宣告失敗。在1941年出版的<<汽車科技手冊>>中寫道：“到現(xiàn)在為止，任何通過機(jī)械裝置防止車輪抱死危險(xiǎn)的嘗試皆尚未成功，防當(dāng)這項(xiàng)裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個(gè)重要里程碑?！?，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟還要再等30年之久。
當(dāng)時(shí)開發(fā)剎車防抱死裝置的技術(shù)瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測輪胎速度變化量并立即通過液壓系統(tǒng)調(diào)整剎車壓力大小，在那個(gè)沒有集成電路與計(jì)算機(jī)的年代，沒有任何機(jī)械裝置能夠達(dá)成如此敏捷的反映。等到ABS系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時(shí)，已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)有了初步規(guī)模的1960年代早期。
精于汽車電子系統(tǒng)的德國公司Bosch研發(fā)ABS系統(tǒng)的起源要追溯到1936年，當(dāng)年Bosch申請(qǐng)“機(jī)動(dòng)車防止抱死裝置”的專利。1964年Bosch公司再度開始ABS的研發(fā)計(jì)劃，最后有了“通過電子裝置來防止車輪抱死是可行的”結(jié)論，這是ABS這個(gè)名詞在歷史上第一次出面！世界上第一具ABS原型機(jī)于1966年出現(xiàn)，向世人證明“縮短距離剎車”并非是不可能完成的任務(wù)。因?yàn)橥度氲馁Y金過于龐大，ABS初期的應(yīng)用僅限于鐵路車輛或航空器。Teldix GmbH公司從1970年和奔馳車廠合作開發(fā)出第一具用于道路車輛的原型機(jī)——ABS 1，該系統(tǒng)已具備量產(chǎn)基礎(chǔ)，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過1000個(gè)，不但成本過高也很容易發(fā)生故障。
1973年Bosch公司購得50%的Teldix GmbH公司股權(quán)及ABS領(lǐng)域的研發(fā)成果，1975年AEG,Teldix與Bosch達(dá)成協(xié)議，將ABS系統(tǒng)的開發(fā)計(jì)劃完全委托Bosch公司整合執(zhí)行?！癆BS 2”在3年的努力后誕生！有別于ABS 1采用模擬式電子組件，ABS 2系統(tǒng)完全以數(shù)字式組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從1000個(gè)銳減到140個(gè)，而且有造價(jià)降低，可靠性大幅提升與運(yùn)算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬與1978年底決定將ABS 2這項(xiàng)高科技系統(tǒng)裝置在S級(jí)及7系列車款上。
在誕生的前3年中，ABS系統(tǒng)都苦于成本過高而無法開拓市場。從1978到1980年底，Bosch公司總共才售出24000套ABS系統(tǒng)。所幸第二年即成長到76000套。受到市場上的正面響應(yīng)，Bosch開始TCS循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計(jì)劃。1983年推出的ABS 2S系統(tǒng)重量由5.5公斤減輕到4.3公斤，控制組件也減少到70個(gè)。到了1985年代中期，全球新出廠車輛安裝ABS系統(tǒng)的比例首次超過1%，通用車廠也決定把ABS列為旗下主力雪弗蘭車系的標(biāo)準(zhǔn)配備。
1.3 ABS系統(tǒng)在國內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)狀
我國ABS的研究開始于80年代初。從事ABS研制工作的單位和企業(yè)很多，諸如東風(fēng)汽車公司、重慶公路研究所、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海汽車制動(dòng)有限公司和山東重汽集團(tuán)等。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有宋健等多名博導(dǎo)、教授，有很強(qiáng)的科技實(shí)力，他們還有配套有一批先進(jìn)的儀器設(shè)備，如汽車力學(xué)參數(shù)綜合試驗(yàn)臺(tái)、汽車彈射式碰撞試驗(yàn)臺(tái)及翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)、模擬人及標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)、Kodak高速圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、電液振動(dòng)臺(tái)、直流電力測功機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)排放分析儀、發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)裝置及工況模擬器、計(jì)算機(jī)工作站及ADAMS、IDEAS軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、電動(dòng)車蓄電池試驗(yàn)臺(tái)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)等。該實(shí)驗(yàn)室針對(duì)ABS做了多方面的研究，其中，在ABS控制量，輪速信號(hào)抗干擾處理、輪速信號(hào)異點(diǎn)剔除、防抱死電磁閥動(dòng)作響應(yīng)研究等方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。
吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以郭孔輝院士為代表的研究人員致力于汽車操縱穩(wěn)定性、汽車操縱動(dòng)力學(xué)、汽車輪胎模擬、汽車操縱穩(wěn)定性以及人-車閉環(huán)操縱運(yùn)動(dòng)仿真等方面的研究成果均達(dá)到世界先進(jìn)水平。
華南理工交通學(xué)院汽車系以吳浩佳教授為代表從事汽車安全與電子技術(shù)及汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的研究，在ABS技術(shù)方面有獨(dú)到之處，能夠建立制度壓力函數(shù)，通過車輪地面制動(dòng)力和整車動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出汽車制動(dòng)的平均減速度；還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計(jì)算防抱死制動(dòng)時(shí)的滑移率。另外，在滑移率和附著系數(shù)之前的關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和實(shí)驗(yàn)方法方面也有獨(dú)到見解。
濟(jì)南程軍電子科技公司以ABS專家程軍為代表對(duì)ABS控制算法研究頗深，著有《汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的理論與實(shí)踐》等專著幾本，專門講訴ABS控制算法，是國內(nèi)ABS開發(fā)人員的必備資料之一。另外，他們在基于MAT2LAB仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于VB開發(fā)環(huán)境進(jìn)行車輛操縱仿真和車輛動(dòng)力學(xué)控制的模擬研究等方面也頗有研究。
重慶聚能公司產(chǎn)品包括汽車、摩托車系列JN111FB氣制動(dòng)電子式單通道、JN144FB氣制動(dòng)電子式四通道和JN244FB液壓電子式四通道等類型ABS裝置及其相關(guān)零部件30多個(gè)品種，其ABS產(chǎn)品已通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心和國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測中心的認(rèn)定，獲得國家使用新技術(shù)專利，并正式被列為國家火炬項(xiàng)目計(jì)劃。
西安博華公司主要產(chǎn)品是適用于大中型客車和貨車的氣壓四通道ABS和適用于中型面包車的液壓三通道ABS及其相關(guān)零部件。其中BH1203-FB型ABS和BH1101-FB型ABS已通過陜西省科委科技成果鑒定和陜西省機(jī)械工業(yè)局新產(chǎn)品鑒定，認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動(dòng)FKX-ACI型ABS裝置已通過國家級(jí)技術(shù)鑒定，但各種制動(dòng)情況的適應(yīng)性還有待提高
1.4 ABS系統(tǒng)發(fā)展趨勢展望
（1） ABS本身控制技術(shù)多是電子計(jì)算機(jī)控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動(dòng)系向電子化方向發(fā)展。基于滑移率的控制算法容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導(dǎo)，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實(shí)現(xiàn)的成本問題。隨著體積更小、價(jià)格更便宜、可靠性更高的車速傳感器的出現(xiàn)，ABS系統(tǒng)中增加車速傳感器成為可能，確定車輪滑移率將變得準(zhǔn)確而快速。全電制動(dòng)控制系統(tǒng)BBW(Brake-By-Wire)是未來制動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)，其傳遞的是電，而不是液壓或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，維護(hù)簡單，易于改進(jìn)，為未來的車輛智能控制提供條件。但是，它還有不少問題需要解決，如驅(qū)動(dòng)能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動(dòng)系統(tǒng)首先用在混合動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動(dòng)和電制動(dòng)兩種制動(dòng)系統(tǒng)。
（2）防滑控制系統(tǒng)ASR(Acceleration-Slip-Regulation)或稱為牽引力控制系統(tǒng)TCS(Traction-Control-System)是驅(qū)動(dòng)時(shí)防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動(dòng)力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗，增加有效的驅(qū)動(dòng)牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分：制動(dòng)防滑與發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力控制。制動(dòng)部分是當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪在低附著系數(shù)路面工作時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)力過大，則產(chǎn)生打滑，當(dāng)ASR制動(dòng)部分工作時(shí)，通過傳感器將非驅(qū)動(dòng)輪及驅(qū)動(dòng)輪的輪速信號(hào)采集到控制器中，控制器根據(jù)輪速信號(hào)計(jì)算出驅(qū)動(dòng)車輪滑移率及車輪減、加速度，當(dāng)滑移率或減、加速度超過某一設(shè)定閥值時(shí)，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲(chǔ)氣筒直接進(jìn)入制動(dòng)氣室進(jìn)行制動(dòng)，由于三通單向閥的作用氣壓只能進(jìn)入打滑驅(qū)動(dòng)輪的制動(dòng)氣室，在低附著系數(shù)路面上制動(dòng)時(shí)，輪速對(duì)壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會(huì)抱死。為此利用ABS電磁閥對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達(dá)到最佳的車輪滑移的效果，既可以得到最大驅(qū)動(dòng)力，也可以保持行駛的穩(wěn)定性。
（3）電子控制制動(dòng)系統(tǒng)由于ASS在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動(dòng)相容性問題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動(dòng)控制EBS(Electronics-Break-System)它是將氣壓傳動(dòng)改為電線傳動(dòng)，縮短了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。最重要的特點(diǎn)是各個(gè)車輪上制動(dòng)力可以獨(dú)立控制?？刂茝?qiáng)度則由司機(jī)踏板位移信號(hào)的大小來決定，由壓力調(diào)節(jié)閥、氣壓傳感器及控制器構(gòu)成閉環(huán)的連續(xù)壓力控制，這樣可以在外環(huán)形成一個(gè)控制回路，來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，如制動(dòng)分布控制、減速控制、牽引車與掛車處合力控制等。
（4）車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)VDC(Vehicle-Dynamics-Control)是在ABS的基礎(chǔ)上通過測量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。VDC系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動(dòng)壓力，通過觀測器決定出車輛應(yīng)具有名義運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測出車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。名義狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)的差值即為控制的狀態(tài)變量，控制的目的就是使這種差值達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)行控制。其主要作用就是用過車輛的橫向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使人能夠更容易地操縱車輛。
（5）控制系統(tǒng)總線技術(shù)隨著汽車技術(shù)科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統(tǒng)。因此，需要采用總線結(jié)構(gòu)將各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實(shí)時(shí)共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。
二.ABS系統(tǒng)控制方式的工作原理
2.1制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)與受力分析
2.1.1制動(dòng)時(shí)汽車的受力分析
汽車在制動(dòng)的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風(fēng)的阻力和自身重量的作用。地面對(duì)汽車的作用力又分為：作用在車輪上垂直地面的支承力和作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直線行駛所受橫向外界干擾力和汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)所受到地面給汽車的力如圖2-1-1所示。其中Fx為地面作用在每個(gè)車輪上的地面制動(dòng)力，它的大小決定于路面的縱向附著系數(shù)和車輪所受的載荷。所有車輪上所受地面制動(dòng)力的總和作為地面給汽車的總的地面制動(dòng)力，它是使汽車在制動(dòng)時(shí)減速并停止的主要作用力。Fy為地面作用在每個(gè)車輪上的側(cè)滑摩擦力，側(cè)滑摩擦力的大小取決于側(cè)向附著系數(shù)和車輪所受的載荷，當(dāng)車輪抱死時(shí)，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動(dòng)時(shí)，若收到橫向干擾了的作用，如橫向風(fēng)力或者路面不平，汽車將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力來保持汽車直線行駛方向，如圖2-1-1（a）所示。若汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)制動(dòng)或在制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)彎，也將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力使汽車能夠轉(zhuǎn)向，如圖2-1-1（b）所示。地面制動(dòng)力決定制動(dòng)距離的長短，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。這里將作用在前輪上的側(cè)滑摩擦力稱為轉(zhuǎn)彎力，將作用在后輪上的側(cè)滑摩擦力稱為側(cè)向力。轉(zhuǎn)完了和汽車的方向操縱性有關(guān)，它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉(zhuǎn)向；側(cè)向力和汽車的方向穩(wěn)定性有關(guān)，它保證率汽車的行進(jìn)方向。轉(zhuǎn)彎力越大，汽車的方向操縱性越好；側(cè)向力越大，汽車的方向穩(wěn)定性越好。
如上所訴，施加適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)，能夠有效地使汽車停下。制動(dòng)強(qiáng)度過大，是汽車發(fā)生各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)狀況的主要原因。因此，汽車行駛時(shí)，要根據(jù)冰路、雪路、沙石路、凹凸路、水濕路、干路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車速度、方向、轉(zhuǎn)角等行駛條件進(jìn)行制動(dòng)操作，必須時(shí)常注意不能讓車輪完全抱死。
圖2-1-1汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)的平面受力簡圖
2.1.2 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況
車輪抱死時(shí)汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會(huì)變得很小，這將使汽車制動(dòng)時(shí)保持方向操縱性和方向穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力變得很小，使得汽車在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)一些危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。對(duì)ABS系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)。下面從汽車在一種路面上直線和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)兩方面來簡單討論一下當(dāng)車輪抱死時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng)情況。
（1）汽車在一種路面上直線運(yùn)動(dòng)制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖2-1-2所示。圖2-1-2（a）為只有前輪抱死時(shí)，由于前輪的轉(zhuǎn)彎力基本為零，無法進(jìn)行正常的轉(zhuǎn)向操作，無法控制汽車避讓前方的障礙物，這是由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側(cè)向力來維持方向穩(wěn)定性。圖2-1-2（b）為只有后輪抱死時(shí)，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但陰后輪抱死而失去方向穩(wěn)定性使汽車側(cè)滑，汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉(zhuǎn)向力的作用，汽車將一面旋轉(zhuǎn)一面沿曲線行駛。圖2-1-2（c）為前后車輪全部抱死時(shí)轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力都為零，這種狀態(tài)很不穩(wěn)定，同時(shí)由于路面的不均勻，左右輪地面制動(dòng)力不相等，即使對(duì)汽車施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車就會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的過程中將制動(dòng)釋放，汽車就會(huì)沿著瞬間時(shí)的行駛方向急速?zèng)_出，這也是很危險(xiǎn)的。
（2）汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)情況如圖2-1-2（d）所示。所有這些運(yùn)動(dòng)情況若在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，都是極其危險(xiǎn)的。
從上面對(duì)出現(xiàn)這些危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況的簡單分析可以看出，制動(dòng)時(shí)車輪抱死導(dǎo)致汽車出現(xiàn)各種危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)質(zhì)上是汽車因失去相應(yīng)的維持本身方向穩(wěn)定性，方向操作性的側(cè)滑摩擦力而出現(xiàn)的。車輪的抱死程度和汽車的地面制動(dòng)力及汽車的側(cè)滑摩擦力之間存在一定的關(guān)系，ABS之所以能防止汽車在制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，就是根據(jù)這個(gè)關(guān)系來調(diào)整車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。
圖2-1-2汽車直線制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況
圖2-1-3汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況
2.2 ABS的控制方式
2.2.1車輪滑移率以及其與附著系數(shù)的關(guān)系
汽車在制動(dòng)過程中存在著兩種阻力：一種阻力是制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力，這種阻力稱為制動(dòng)系統(tǒng)的阻力，由于它提供制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力，因此也稱為制動(dòng)系制動(dòng)力；另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦阻力，也稱為地面制動(dòng)力。地面對(duì)輪胎切向反作用力的極限值稱為輪胎-道路附著力，大小等于地面對(duì)輪胎的法向反作用力與輪胎-道路附著系數(shù)的乘積。如果制動(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎-道路附著力，則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài)，繁殖，如果制動(dòng)系制動(dòng)力大于輪胎-道路附著力，則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輪抱死和滑移。
地面制動(dòng)力受地面附著系數(shù)的制約。當(dāng)制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)系制動(dòng)力增大到大于地面附著力時(shí)，汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。汽車的實(shí)際車速與車輪滾動(dòng)的圓周速度之間的差異稱為車輪的滑移率。
滑移率S的定義式為：
式中：S-----滑移率；
V-----汽車車輪中心的速度；
W-----汽車車輪的角速度；
R------汽車車輪的滾動(dòng)半徑。
由上式克制：當(dāng)車輪中心的速度V等于車輪的角速度W和車輪滾動(dòng)半徑R的乘積時(shí)，滑移率為S=0，車輪為純滾動(dòng)；當(dāng)W=0時(shí)，S=100%，車輪完全抱死而做純滑動(dòng)；當(dāng)0
時(shí)，能夠提供的地面制動(dòng)力逐漸減少，且橫向附著系數(shù)越來越小，抗側(cè)滑能力減弱，一般稱為不穩(wěn)定區(qū)。
為了使應(yīng)急制動(dòng)具有最大的制動(dòng)效能，應(yīng)急制動(dòng)過程應(yīng)循環(huán)工作于峰值附著系數(shù)左右側(cè)的穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，這樣既能獲得最大的制動(dòng)力，也能獲得最大的抗側(cè)滑能力。
汽車ABS的控制原理就是將車輪的滑移率控制在滑移率附近，以獲得較高的縱向和側(cè)向附著系數(shù)，從而減小制動(dòng)距離以保證汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。通常的ABS是通過圖2-4所示的工作來實(shí)現(xiàn)控制目的。車輪轉(zhuǎn)速傳感器不斷地讀入車輪的角速度信號(hào)，經(jīng)處理后送至電子控制器，計(jì)算車輪的角加、減速度和參考滑移率，然后與設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，通過液壓調(diào)節(jié)模塊來控制制動(dòng)管路壓力。保證車輪的滑移率控制在滑移率附近。
轉(zhuǎn)速傳感器
計(jì)算角加、減速度，計(jì)算參考滑移率
控制輸出
車輪
制動(dòng)器
制動(dòng)力調(diào)節(jié)裝置
圖2-6 ABS原理圖流程圖
為了分析問題方便，把圖2-5簡化為圖2-7.
1
圖2-7附著系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系曲線簡化圖
附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線可寫為：
;
>；
式中，為峰值附著系數(shù)；為車輪完全抱死時(shí)的附著系數(shù)；為峰值附著系數(shù)時(shí)的滑移率。
在車輪防抱死制動(dòng)過程中，當(dāng)時(shí)，隨著制動(dòng)力矩的增加，汽車減速，滑移率增加，并趨于；當(dāng)>時(shí)，應(yīng)松剎車制動(dòng)力矩，使車輪重新獲得加速，使滑移率減小并趨于。通過反復(fù)施加或松剎車制動(dòng)力矩，使得滑移率保持在附近，從而實(shí)現(xiàn)既能有效地制動(dòng)，又能自動(dòng)地防止制動(dòng)時(shí)抱死，這就是防抱死控制的基本工作原理。
2.3.3 ABS工作中的反應(yīng)
① 當(dāng)ABS制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器與動(dòng)力轉(zhuǎn)向共用一個(gè)油泵時(shí)（例如日本皇冠轎車的ABS），發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)狀態(tài)下，只要?jiǎng)恿D(zhuǎn)向油泵工作，制動(dòng)踏板就會(huì)向上抬起；發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉轉(zhuǎn)向油泵停止工作，則會(huì)使制動(dòng)踏板向下沉。制動(dòng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，會(huì)感到轉(zhuǎn)向盤的輕微震動(dòng)。這些反應(yīng)是正常的，并非故障現(xiàn)象；
② 制動(dòng)時(shí)可能感覺制動(dòng)踏板自動(dòng)下沉，這主要是由于道路路面的附著系數(shù)發(fā)生變化，ABS正常的調(diào)節(jié)反應(yīng)引起的；
③ 制動(dòng)時(shí)會(huì)感覺到制動(dòng)踏板的輕微震動(dòng)，這也是ABS正常的調(diào)節(jié)反應(yīng)；
④ 當(dāng)汽車高速行駛或急轉(zhuǎn)彎時(shí)，活在冰雪路面行駛時(shí)，有時(shí)ABS報(bào)警燈會(huì)亮起，這有可能是出現(xiàn)了車輪滑動(dòng)現(xiàn)象，ABS產(chǎn)生反應(yīng)引起的，也是正?，F(xiàn)象；
⑤ 制動(dòng)后，出現(xiàn)ABS繼電器動(dòng)作的響聲，并非故障引起；
⑥ 制動(dòng)后期，車輪可能會(huì)抱死，地面上會(huì)有車輪拖滑痕跡，這是因?yàn)檐囁傩∮?-15km/h時(shí)，ABS將不起作用，屬于正常現(xiàn)象；
⑦ 如果ABS發(fā)生故障，控制器有測試系統(tǒng)各電氣元件的內(nèi)部診斷程序。測試從車輛行駛時(shí)開始，車速達(dá)到7-15km/h結(jié)束。如故檢測出障，控制器中止ABS的工作，接通儀表板上黃色的ABS報(bào)警燈，車輛的各個(gè)制動(dòng)器就以傳統(tǒng)制動(dòng)方式工作；
⑧ ABS起作用的時(shí)刻隨路面情況而異，濕滑路面比粗糙路面作用來得早些。
三.ABS 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析
3.1 ABS系統(tǒng)的布置方式
ABS系統(tǒng)中，能夠獨(dú)立進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)的制動(dòng)管路稱為控制通道。如果對(duì)某車輪的制動(dòng)壓力可以進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為同一控制。在兩個(gè)車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行一同控制時(shí)，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動(dòng)抱死為原則進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為按高選原則一同控制；容易過以保證附著力較小的車輪不發(fā)生制動(dòng)抱死為原則進(jìn)行制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為按地選原則一同控制。
按照控制通道數(shù)目的不同，ABS系統(tǒng)分為單通道、雙通道、三通道和四通道四種形式，而其布置形式卻多種多樣。
① 單通道ABS
所有單通道ABS都是在前后布置的雙管路制動(dòng)系統(tǒng)的后制動(dòng)管路中設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置，對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車只需要傳動(dòng)系中安裝一個(gè)輪速傳感器，如圖3-1（a）.
輪速傳感器
紅色線段代表油路
圖3-1（a）單通道布置形式
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置
單通道ABS一般對(duì)兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性。在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，兩后輪的制動(dòng)力都被限制在處于低附著系數(shù)路面的后輪的附著力水平，制動(dòng)距離會(huì)有所增加。由于前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力未被控制，前輪仍然可能發(fā)生制動(dòng)抱死，所以汽車制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向操作能力得不到保障。
但由于單通道ABS能夠顯著地提高汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，又具有簡單結(jié)構(gòu)、成本低的有點(diǎn)，因此在輕型貨車上得到廣泛應(yīng)用。
② 雙通道ABS
圖3-1（b）所示的雙通道ABS在按前后布置的雙管路制動(dòng)系統(tǒng)的前后制動(dòng)管路中各設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置，跟別對(duì)兩前輪和兩后輪進(jìn)行一同控制。兩前輪可以根據(jù)附著條件高選和低選轉(zhuǎn)換，兩后輪則按低選原則一同控制。
對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車，可以在兩前輪和傳動(dòng)系中各安裝一個(gè)速度傳感器。當(dāng)在附著系數(shù)分離的路面上進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，兩前輪的制動(dòng)力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會(huì)通過轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤使前輪偏轉(zhuǎn)，以求用轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的橫向力與不平衡的制動(dòng)力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。但是在兩輪從附著系數(shù)分離路面駛?cè)敫街禂?shù)均勻路面的瞬間，以前處于低附著系數(shù)路面而抱死的前輪的制動(dòng)力因附著力突然增大而增大，由于駕駛員無法在瞬間將轉(zhuǎn)向輪回正，轉(zhuǎn)向輪上仍然存在的橫向力將會(huì)使汽車的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向行駛，這是在高速行駛時(shí)是一種無法控制的危險(xiǎn)狀態(tài)。
輪速傳感器
紅色線段代表油路
圖3-1（b）雙通道布置形式一
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置
紅色線段代表油路
制動(dòng)力調(diào)節(jié)器
輪速傳感器
圖3-1（c）雙通道布置形式二
圖3-1（c）所示的雙通道ABS多用于制動(dòng)管路對(duì)角布置的汽車上，前輪獨(dú)立控制，制動(dòng)液通過比例閥按一定比例減壓后傳給對(duì)角后輪。
對(duì)于采用此控制方式的前輪驅(qū)動(dòng)汽車，如果在緊急制動(dòng)時(shí)離合器沒有及時(shí)分離，前輪在制動(dòng)壓力較小時(shí)就趨于抱死，而此時(shí)后輪的制動(dòng)力還遠(yuǎn)未達(dá)到其附著力水平，汽車的制動(dòng)力會(huì)顯著減小。對(duì)于采用此控制方式的后輪驅(qū)動(dòng)汽車，如果將比例閥調(diào)整到正常制動(dòng)情況下前輪趨于抱死時(shí)，后輪的制動(dòng)力接近其附著力，則緊急制動(dòng)時(shí)由于離合器往往難以及時(shí)分離，導(dǎo)致后輪抱死，使汽車喪失方向穩(wěn)定性。
由于雙通道ABS難以在方向穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向操縱能力和制動(dòng)距離等方面得到兼顧，因此目前很少被采用。
③三通道ABS
三通道ABS大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對(duì)兩前輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，對(duì)兩后輪的制動(dòng)壓力安低選原則一同控制，其布置形式見圖3-1（d）、（e）、（f）。圖(d)所示的按對(duì)角布置的雙管路制動(dòng)系統(tǒng)中，雖然在通往四個(gè)制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路中各設(shè)置一個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置，但后兩個(gè)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實(shí)際上仍是三通道ABS。由于三通道ABS對(duì)兩后輪進(jìn)行一同控制，對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的汽車可以在變速器或減速器中設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器來檢測兩后輪的平均轉(zhuǎn)速。
汽車緊急制動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生很大的軸荷轉(zhuǎn)移（前軸荷增加，后軸荷減?。沟们拜喌母街Ρ群筝喌母街Υ蠛芏?。對(duì)前輪制動(dòng)壓力進(jìn)行獨(dú)立控制，可充分利用兩前輪的附著力對(duì)汽車進(jìn)行制動(dòng)，有利于縮短制動(dòng)距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很大改善，所以本次設(shè)計(jì)就是用的三通道ABS。
制動(dòng)力調(diào)節(jié)器
紅色線段代表油路
輪速傳感器
3-1(d)三通道布置形式一
輪速傳感器
紅色線段代表油路
圖3-1（e）三通道布置形式二
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置
輪速傳感器
紅色線段代表油路
圖3-1（f）三通道布置形式三
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置
圖3-1（d）
④四通道ABS
對(duì)應(yīng)于雙制動(dòng)管路的H型（前后）或X型（對(duì)角）兩種布置形式，四通道ABS也有兩種布置形式，見圖3-1（g）、（h）。
輪速傳感器
紅色線段代表油路
圖3-1（g）四通道布置形式一
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置
制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置
紅色線段代表油路
輪速傳感器
圖3-1(h) 四通道布置形式二
3.2 ABS的基本組成
ABS系統(tǒng)主要由傳感器、電子控制單元(ECU)和電磁閥三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3-2所示。傳感器一般安裝在車輪上以測量車輪的轉(zhuǎn)速，傳感器一般為磁電感應(yīng)式。ABS工作時(shí)ECU接受傳感器送來的車輪信號(hào)，一般為符合ECU電壓要求的矩形電壓波，然后固化在ECU中的程序根據(jù)各個(gè)車輪的速度來決定對(duì)各個(gè)車輪的制動(dòng)液壓力如何調(diào)節(jié)，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給各個(gè)車輪的液壓控制單元。液壓控制單元接受到信號(hào)后對(duì)車輪分泵的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳感器的作用是為ECU提供車輪的運(yùn)動(dòng)情況，ECU是ABS系統(tǒng)的控制中心，ECU中固化的程序?qū)嶋H上是ABS的控制方法，而液壓控制單元是ABS控制方法的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
前軸右輪速度傳感器
前后軸右輪速度傳感器
電子控制單元 ECU
圖3-2（a） ABS系統(tǒng)的組成（分置式）
3-2(b)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
3-2 ABS系統(tǒng)的組成
制動(dòng)總泵
制動(dòng)輪缸
電磁閥
制動(dòng)輪缸
電磁閥
制動(dòng)輪缸
電磁閥
制動(dòng)輪缸
電磁閥
前軸左輪速度傳感器
后軸左輪速度傳感器
圖3-2（b）系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
輪速傳感器是汽車輪速的檢測元件，它能產(chǎn)生頻率與車輪速度成正比的近似正弦點(diǎn)信號(hào)，ABS控制單元根據(jù)出來后的信號(hào)計(jì)算車輪速度。電子控制單元是整個(gè)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的核心控制部件，它接受車輪速度傳感器送來的頻率信號(hào)，通過計(jì)算與邏輯判斷產(chǎn)生相應(yīng)的控制電信號(hào)，操縱電磁閥去調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力。定性的來說，就是當(dāng)車輪的滑移率不在控制范圍之內(nèi)時(shí)，ECU就輸出一個(gè)控制信號(hào)，命令電磁閥打開或閉合，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力，使輪速上升或下降，將汽車車輪滑移率控制在一定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)汽車的安全、可靠制動(dòng)。電子控制單元原理圖如圖3-2（c）所示。
電磁閥是防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在沒有控制信號(hào)的情況下，該制動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)，直接輸出最大制動(dòng)壓力；當(dāng)ECU向電磁閥發(fā)出控制信號(hào)時(shí)，電磁閥動(dòng)作，對(duì)輪缸壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)車輪的滑移率，使制動(dòng)力在接近峰值區(qū)域內(nèi)波動(dòng)，但又不達(dá)到峰值制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)最佳制動(dòng)效率。
ABS就是在汽車制動(dòng)過程中不斷檢測車輪速度的變化，按一定的控制方法，通過電磁閥調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸壓力，以獲得最高的縱向附著系數(shù)，使車輪始終處于較好的制動(dòng)狀態(tài)。
電磁閥
功率驅(qū)動(dòng)
液壓源電機(jī)
故障指示燈
單片機(jī)
故障診斷電路
輪速傳感器
輪速處理電路
制動(dòng)信號(hào)
電源電路
圖3-2(c)原理結(jié)構(gòu)框圖
就目前而言，實(shí)現(xiàn)汽車的控制系統(tǒng)一般采用單片計(jì)算機(jī)，在開發(fā)階段也有采用通用CPU的，采用CPU在于可以利用強(qiáng)大的軟、硬件資源以及網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法、高效的編程以及高速的運(yùn)算速度。但作為研制的最終產(chǎn)品，無一例外都采用單片機(jī)作為電子控制單元的核心。
由于單片機(jī)體積小，重量輕，高可靠性，價(jià)格低廉，使用方便，因此十分適用于開發(fā)汽車電子系統(tǒng)。早起的汽車控制系統(tǒng)采用八位單片機(jī)，目前已過渡到十六位，有些系統(tǒng)如發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)已開發(fā)采用32為CPU。目前ABS系統(tǒng)采用較多的單片機(jī)是摩托羅拉、英特爾、德州儀器公司及西門子16位單片機(jī)。
選用單片機(jī)要充分利用各種外部端口的資源，同時(shí)要利用內(nèi)部的存儲(chǔ)器，充分發(fā)揮它的運(yùn)算速度，應(yīng)根據(jù)以下幾個(gè)原則選ABS控制的單片機(jī)。
① CPU的運(yùn)算速度
CPU的時(shí)間一般耗在數(shù)學(xué)運(yùn)算過程中，特別是32位的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間成倍的增加，一般情況下應(yīng)避免采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算，因?yàn)锳BS系統(tǒng)的要求計(jì)算頻率非常高，一般5毫秒到10毫秒之間，CPU要完成各種計(jì)算，錄入加減速度、參考滑移率等，這種計(jì)算都是實(shí)時(shí)完成的。
② 內(nèi)外部存貯器
同樣的CPU類型其內(nèi)。外部數(shù)據(jù)與程序存貯器也是多樣的，所以電子控制單元要根據(jù)需要選擇不同的內(nèi)、外部存貯器，同時(shí)編程時(shí)要提高內(nèi)存利用率，多用通用的變量，少定義專用的變量，以節(jié)省內(nèi)存。目前ABS系統(tǒng)的程序容量一般在8K-32K之間，內(nèi)存數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器在256個(gè)字節(jié)以上。進(jìn)入90年代，已大批量使用帶有ROM,EPROM,EEPROM,FLASH EEPROM和一次寫入的單片機(jī)。它真正符合了單片機(jī)的小型、簡單、可靠、廉價(jià)的設(shè)計(jì)初衷。
③ 輸入、輸出端口資源
輸入輸出端口要充分利用，如果使用不足則浪費(fèi)了資源，外部總線8位單片機(jī)UO資源太少，無法用于ASS系統(tǒng)，外部總線16位基本能滿足ABS系統(tǒng)的要求。
本設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用了MCS-96系列產(chǎn)品中的80C196KC。它特別適合要求很高的實(shí)時(shí)控制場合。目前，已成功地應(yīng)用于汽車上，諸如點(diǎn)火，燃料等控制。80C196KC的內(nèi)部EPROM/ROM為8K字節(jié)，內(nèi)部RAM為232字節(jié)，都可作為通用寄存器使用，加上24字節(jié)專用寄存器，相當(dāng)于有256字節(jié)內(nèi)部寄存器。在ABS的主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件編制中，就充分利用了其內(nèi)部的通用寄存器。因?yàn)锳BS作為一種實(shí)時(shí)控制，而整個(gè)制動(dòng)過程在短短的幾秒鐘內(nèi)必須完成，因此它對(duì)時(shí)間的要求非常高。通過對(duì)所需采集數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)幾種參數(shù)數(shù)量級(jí)分布較為幾種，只是需將每類數(shù)量綱擴(kuò)大100倍，放入通用寄存器中供分析、計(jì)算，這樣不但能保證控制參數(shù)的準(zhǔn)確性，而且避免調(diào)用冗繁的四則運(yùn)算子程序，使其算法更簡潔，實(shí)時(shí)響應(yīng)速度更快，更具合理性。
3.4 ABS系統(tǒng)輪速傳感器選擇
轉(zhuǎn)速傳感器的功用是檢測車輪的速度，并將速度信號(hào)輸入ABS的電控單元。圖3-4所示為轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置。
圖3-4-1 轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置
（1）電磁式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)
傳感頭的結(jié)構(gòu)如下圖3-4-2所示，它由永磁體2、極軸5和感應(yīng)線圈4等組成,極軸頭部結(jié)構(gòu)有鑿式和柱式兩種。齒圈6旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒頂和齒隙交替對(duì)向極軸。在齒圈旋轉(zhuǎn)過程中，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量交替變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，此信號(hào)通過感應(yīng)線圈末端的電纜1輸入ABS的電控單元。當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率也變化。ABS電控單元通過檢測感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率來檢測車輪轉(zhuǎn)速。
1.電纜2.永磁體3.外殼4.感應(yīng)線圈5.極軸6.齒圈
1.圖3-4-2車輪轉(zhuǎn)速器
電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在下述缺點(diǎn)：一是其輸出信號(hào)的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號(hào)低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應(yīng)頻率不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國內(nèi)外ABS系統(tǒng)的控制速度范圍一般為15～160km/h，今后要求控制速度范圍擴(kuò)大到8～260km/h以至更大，顯然電磁感應(yīng)式輪速傳感器很難適應(yīng)。
（2）霍爾輪速傳感器`
霍爾輪速傳感器也是由傳感頭和齒圈組成。傳感頭由永磁體，霍爾元件和電子電路等組成，永磁體的磁力線穿過霍爾元件通向齒輪，如圖3-4-3所示。
圖3-4-3霍爾輪速傳感器示意圖
1.磁體2.霍爾元件 3.齒圈
當(dāng)齒輪位于圖中(a)所示位置時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對(duì)較弱；而當(dāng)齒輪位于圖中(b)所示位置時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個(gè)毫伏(mV)級(jí)的準(zhǔn)正弦波電壓。此信號(hào)還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓。 霍爾輪速傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：其一是輸出信號(hào)電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響。；其二是頻率響應(yīng)高。其響應(yīng)頻率高達(dá)20kHz，相當(dāng)于車速為1000km/h時(shí)所檢測的信號(hào)頻率；其三是抗電磁波干擾能力強(qiáng)。因此，霍爾傳感器不僅廣泛應(yīng)用于ABS輪速檢測，也廣泛應(yīng)用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測。
霍爾式輪速傳感器與電磁感應(yīng)式輪速傳感器比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）隨著輪速的變化，輸出信號(hào)的幅值是不變的。
（2）頻率響應(yīng)高，響應(yīng)頻率高達(dá)20khz，用于ABS系統(tǒng)中可檢測到約1000Km/h
速度信號(hào)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求。
（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，而且幅值較高，所以抗電磁干擾能力很強(qiáng)。
鑒于霍爾傳感器的比較優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用霍爾輪速傳感器。
3.4.1霍爾傳感器的設(shè)計(jì)
霍爾輪速傳感器要包括開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種。
集成霍爾傳感器是在制造硅集成電路的同時(shí)，在硅片上制造具有傳感器功