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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
班 級(jí)：
提交日期：
II
目錄
III
摘要
VII
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
1 緒 論 5
1.1引言 5
1.2 ABS的功能 5
1.3 制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史 6
1.4 制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向 7
1.5 制動(dòng)系統(tǒng)工作的基本工作原理 8
2 ABS控制器硬件的設(shè)計(jì) 10
2.1 硬件設(shè)計(jì)流程 10
2.2 制動(dòng)系統(tǒng)輪速傳感器選擇 10
2.3 電源設(shè)計(jì) 12
2.4 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì) 12
2.5 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 13
2.6 泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 16
2.7 車輪制動(dòng)器的選擇 17
3 制動(dòng)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 18
3.1控制方案和控制參數(shù)的選取 19
3.2控制參數(shù)和相應(yīng)算法 20
3.3控制的進(jìn)程 24
3.4程序的設(shè)計(jì) 27
4 總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
汽車ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車的行車安全性被擺在了一個(gè)更高的位置，制動(dòng)系統(tǒng)得到越來(lái)越多人的關(guān)注，ABS防抱死系統(tǒng)相對(duì)于其他制動(dòng)系統(tǒng)具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了大力發(fā)展。
本文主要介紹了ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的原理和功用，分別從硬件和軟件兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。硬件方面主要包括設(shè)計(jì)流程、輪速傳感器的選擇、制動(dòng)器的選擇以及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，軟件方面主要包含對(duì)控制參數(shù)以及控制方案的選取、對(duì)門限加速度和門限減速度的計(jì)算、路面的識(shí)別技術(shù)、車身參考速度的確定、控制的進(jìn)程及程序的設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)在于熟悉設(shè)計(jì)的一般流程，掌握設(shè)計(jì)的基本原理。
關(guān)鍵詞：防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；硬件；軟件；流程
Design of anti lock braking system for automobile
ABSTRACT
With the rapid development of automobile industry, the driving safety of the vehicle is placed in a higher position, the brake system gets more and more attention, ABS anti lock system compared to other braking system with non slip, anti lock and other advantages, so it has been vigorously developing.
This paper mainly introduces the principle and function of ABS anti lock braking system, and optimizes the design from two aspects of hardware and software respectively. The hardware includes the design flow, the selection of wheel speed sensor, the selection of the brake and the design of the drive circuit, the software mainly includes the control parameters and control scheme selection, the threshold acceleration and deceleration threshold calculation, road recognition technology, vehicle reference speed, control process and program design. The design is familiar with the design of the general process, grasp the basic principles of design.
Key words：ABS；Hardware ；Software；Process
9
3
第1章 緒論
1 緒 論
1.1引言
在汽車的制動(dòng)過(guò)程中，若要使得汽車在最短的距離內(nèi)停車并且能夠良好控制汽車的運(yùn)動(dòng)方向，就應(yīng)該使得輪胎的滑移率維持在8%-20%的范圍中。這就要求在進(jìn)行制動(dòng)操作時(shí)，司機(jī)必須十分小心，首先，司機(jī)應(yīng)該踩動(dòng)制動(dòng)踏板讓車輪抱死，當(dāng)車輪剛要抱死的時(shí)候松開(kāi)制動(dòng)踏板，然后緊接著當(dāng)車輪胎即要轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候再次把制動(dòng)踏板踩死，讓車輪再次抱死，這樣的操作需要司機(jī)反復(fù)不斷的進(jìn)行才能良好的控制汽車的運(yùn)動(dòng)方向。然而大多數(shù)人在遇到危急情況時(shí)，根本就沒(méi)時(shí)間去反應(yīng)過(guò)來(lái)，都是一腳直接踩死制動(dòng)踏板，這樣就很容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。傳感器能幫助司機(jī)們做到很多他們辦不到的事。對(duì)于電腦來(lái)說(shuō)，把傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，區(qū)分，直至變成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的信息，是很簡(jiǎn)單的一項(xiàng)工作，并且電腦會(huì)下達(dá)指令來(lái)實(shí)施操作，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)講也不會(huì)有太大的問(wèn)題。汽車防抱死控制系統(tǒng)（下簡(jiǎn)稱ABS系統(tǒng)）的功能主要是調(diào)節(jié)在每個(gè)車輪制動(dòng)缸的制動(dòng)液壓力的作用力，如此便能夠防止制動(dòng)過(guò)猛從而導(dǎo)致車輪一直維持抱死狀態(tài)。而當(dāng)車輪不維持于抱死狀態(tài)時(shí)，就能使車輪處于正常的作用力下。輪胎的滑移率能得到有效的控制，一般控制在安全范圍內(nèi)。汽車防抱死控制系統(tǒng)縮短了制動(dòng)距離，而且使得汽車在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和方向的可控性得到了提高，并且司機(jī)們的操作變得更加簡(jiǎn)單和便捷。
1.2 ABS的功能
防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是根據(jù)英文名Anti-lock Brake System翻譯而來(lái)的，簡(jiǎn)稱為ABS。
有汽車駕駛經(jīng)驗(yàn)的人都會(huì)有這樣的體驗(yàn)：在摩擦力小的路面上（如有積水或積雪路面）使用緊急制動(dòng)時(shí)，汽車由于運(yùn)行速度快，地面的摩擦力小，使得汽車發(fā)生甩尾、打滑和側(cè)翻的安全事故。這是因?yàn)槠噭x車時(shí)一直處于抱死狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，汽車車輪不再是滾動(dòng)的，而是在路面上滑動(dòng)，因此，輪胎所受到的側(cè)滑摩擦力以及作用在輪胎上的縱向制動(dòng)力比滾動(dòng)時(shí)小的多，滑移率就變的很低，使汽車越容易產(chǎn)生安全事故。綜上所述，如果汽車在制動(dòng)時(shí)車輪處于抱死狀態(tài)會(huì)使得穩(wěn)定性下降，制動(dòng)效率變低，久之，車輪還會(huì)被過(guò)度磨損，最終磨損過(guò)度會(huì)導(dǎo)致爆胎。
ABS是為了防止以上情況發(fā)生而去研發(fā)的一類控制裝置，它有以下優(yōu)點(diǎn)：提升制動(dòng)性能的穩(wěn)定性，防止打滑和側(cè)翻；提高制動(dòng)效率，縮短制動(dòng)距離；降低輪胎的磨損，防止過(guò)度磨損引起的爆胎。
1.3 制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史
起初，ABS系統(tǒng)是由于火車和飛機(jī)的需要而開(kāi)發(fā)出來(lái)的?；疖嚨倪\(yùn)行速度很快，在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的制動(dòng)力，如果火車在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)強(qiáng)度太大，從而會(huì)促使火車沿著車軌滑動(dòng)，那軌道和車輪間的摩擦力將產(chǎn)生變化，并使得使車輪外圓出現(xiàn)一些小平面，該小平面的出現(xiàn)使得火車在軌道上不能穩(wěn)定行駛，影響到了它的安全性能。制動(dòng)控制系統(tǒng)理論被英國(guó)工程師J. E. Francis在二十世紀(jì)初當(dāng)先提出，即鐵路車輛車輪抱死滑動(dòng)控制器，卻無(wú)法將其到實(shí)際中去。接下來(lái)的三十年里，“剎車力控制器”、“液壓剎車安全裝置”、“車輪抱死防止器”等嘗試也都沒(méi)有取得成功。
二十世紀(jì)六十年代以前，技術(shù)相對(duì)還比較落后，沒(méi)有集成電路與計(jì)算機(jī)，所以要開(kāi)發(fā)出一套實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎速度的變化并且通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)剎車壓力的系統(tǒng)是非常困難的，一般的機(jī)械裝置無(wú)論怎么去進(jìn)行改造，都無(wú)法達(dá)到如此敏捷的反應(yīng)速度。因此直至二十世紀(jì)六十年代才出現(xiàn)了第一套防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。
世界上第一套ABS原型機(jī)在1966年問(wèn)世，是英國(guó)的一家專業(yè)汽車電子公司博世生產(chǎn)的，起初由于投入資金高，造價(jià)非常昂貴，所以只被應(yīng)用在了火車以及航空器方面。
1975年AEG與博世達(dá)成協(xié)議，博世公司被委以研發(fā)ABS系統(tǒng)的的重任。經(jīng)過(guò)3年的研發(fā)，在1978年研發(fā)成功了“ABS 2”系統(tǒng)， 而先前應(yīng)用的ABS 1是以模擬式電子組件為主的，但ABS 2系統(tǒng)完全不同于ABS 1，ABS 2系統(tǒng)完全是以數(shù)字式組建的，在數(shù)字式的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，使ABS 2系統(tǒng)控制單元數(shù)目比ABS 1系統(tǒng)減少了十倍，造價(jià)也大幅降低，除此之外，ABS的可靠性也不斷上升，運(yùn)算速度與反應(yīng)也更加敏捷了。1978年底德國(guó)兩家世界聞名的汽車公司-奔馳和寶馬的高層管理人員決定首先在S級(jí)及7系列車上應(yīng)用ABS 2系統(tǒng)。
ABS在1978年到1980年里發(fā)展緩慢，主要由于造價(jià)成本過(guò)于高昂，市場(chǎng)占有率很低。在這三年間，博世公司的ABS系統(tǒng)發(fā)展較差，三年間一共才售出ABS系統(tǒng)24000套。而1981年這一年就有了很大的提高，成功售出了76000套，在市場(chǎng)上正式得到認(rèn)可。同年，Bosch公司又進(jìn)行了新的研究即“TCS循跡控制系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)。在1983年，改進(jìn)的 ABS 2S系統(tǒng)性能又有很大的提高，其重量由原來(lái)5.5公斤減少到現(xiàn)在的4.3公斤，控制組件只有70個(gè)。到八十年代中期，全球的汽車公司在他們的新車型以及剛生產(chǎn)的車輛上開(kāi)始使用ABS系統(tǒng)，其比例超過(guò)了百分之一，此時(shí)，通用汽車公司已經(jīng)把ABS系統(tǒng)應(yīng)用于雪佛蘭車系上，ABS系統(tǒng)成為雪佛蘭車的標(biāo)準(zhǔn)配置。1987年歐共體頒布了一項(xiàng)法律，要求從91年開(kāi)始所有成員國(guó)生產(chǎn)的新車型均需裝置防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)規(guī)定凡載重超過(guò)16噸的貨車必須裝備ABS。目前國(guó)際上ABS的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為絕大多數(shù)類型汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，北美和西歐的各類客車和輕型貨車ABS裝備率達(dá)到了90%，轎車的裝備率為60%，運(yùn)送危險(xiǎn)品的貨車裝備率達(dá)到了100%。1998年，重慶聚能汽車技術(shù)有限公司在國(guó)內(nèi)首家推出適合中國(guó)國(guó)情的系列電子式ABS防抱裝置，現(xiàn)已達(dá)到年產(chǎn)50萬(wàn)套的生產(chǎn)能力，是目前我國(guó)國(guó)內(nèi)最大的ABS生產(chǎn)基地。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)ABS裝置發(fā)展速度迅猛，我國(guó)轎車ABS的裝備率已達(dá)到了100%。
圖1-1 博世制動(dòng)系統(tǒng)示意圖
1.4 制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向
ABS在電子計(jì)算機(jī)的控制下不斷提高了它的制動(dòng)控制能力，從中也能看出現(xiàn)代ABS系統(tǒng)向電子化方向發(fā)展。在電子計(jì)算機(jī)的作用下，能輕松實(shí)現(xiàn)基于滑移率的控制算法，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)的控制，理論的發(fā)展對(duì)ABS系統(tǒng)的指導(dǎo)也十分明確，現(xiàn)在ABS發(fā)展的瓶頸是由于它的造價(jià)昂貴，因此市場(chǎng)占有率也比較低。不過(guò)在ABS中增加車傳感器也將成為可能，因?yàn)锳BS的體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低，可靠性也越來(lái)越高，所以確定車輪的滑移率也變得更加敏捷和準(zhǔn)確。
未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)最主流研發(fā)方向是全電制動(dòng)控制系統(tǒng)BBW ，即Brake-By-Wire。這種類型的制動(dòng)系統(tǒng)傳遞的是電而非傳動(dòng)液壓油和空氣。用這種類型的制動(dòng)系統(tǒng)可以節(jié)省很多材料例如傳感器以及管路，而且將大大降低制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間也將被大大縮短，同時(shí)對(duì)其保養(yǎng)維護(hù)也十分簡(jiǎn)單，全電制動(dòng)控制系統(tǒng)是將來(lái)車輛實(shí)現(xiàn)智能控制的重要基礎(chǔ)。但是，該系統(tǒng)還是存在很多缺陷，需要不斷的探索和解決，如選用哪種驅(qū)動(dòng)能源，如何防止制動(dòng)控制系統(tǒng)失效，怎樣防止受其他因素的干擾等問(wèn)題。然而，還存在很多問(wèn)題需要去解決，比方說(shuō)驅(qū)動(dòng)能源選哪種的問(wèn)題，控制系統(tǒng)失效如何解決，抗干擾的處理方式等。車輛混用動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)有電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和液壓制動(dòng)系統(tǒng)，車輛開(kāi)始采用的是電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。
由于ABS的功能上有很多缺陷，比如氣壓系統(tǒng)滯后的問(wèn)題，主接車的制動(dòng)兼容性問(wèn)題，使得電控制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展緩慢。經(jīng)過(guò)不斷的改善，產(chǎn)生了電子制動(dòng)控制系統(tǒng)EBS (Electronics Break System)，它將電力傳動(dòng)代替了氣壓傳動(dòng)，這樣的轉(zhuǎn)變使制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間有了大幅度的減少。并且可以獨(dú)立的控制每個(gè)車輪，根據(jù)具體情況改變每個(gè)車輪上的上的制動(dòng)力。根據(jù)司機(jī)使用力度的不同，即剎車板踩到不同的位置，此時(shí)不同的位置對(duì)應(yīng)踏板傳送的位移信號(hào)就會(huì)使系統(tǒng)輸出制動(dòng)強(qiáng)度值，閉環(huán)連續(xù)的控制由控制器和傳感器會(huì)構(gòu)成，并且形成控制回路，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的各種功能，比如減速的控制，分布制動(dòng)力的控制等。
通過(guò)對(duì)測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度以及和擺角速度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的控制，這是基于ABS系統(tǒng)而發(fā)展成的更高級(jí)控制系統(tǒng)-車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)(Vehicle Dynamics Control)，簡(jiǎn)稱VDC 。根據(jù)制動(dòng)壓力、油門、轉(zhuǎn)向角以及觀測(cè)器，VDC系統(tǒng)計(jì)算出車輛此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與此同時(shí)，車輛的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以由傳感器測(cè)量出來(lái)?？刂茽顟B(tài)的變量為實(shí)際狀態(tài)與名義狀態(tài)差值的絕對(duì)值，控制系統(tǒng)的意義就是把這變量接近于0，該功能的實(shí)現(xiàn)一般是利用車輪的滑移率特性。而且VDC系統(tǒng)能改善車輛的穩(wěn)定性，使操作更穩(wěn)定，當(dāng)汽車處于失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，該系統(tǒng)能使汽車實(shí)現(xiàn)自我控制。該系統(tǒng)的主要的功能就是讓車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。司機(jī)操縱車輛的方式也因此變得簡(jiǎn)單快捷了。
隨著近年來(lái)汽車科技的不斷改進(jìn)和提升，控制系統(tǒng)的總線技術(shù)將成為大量的布線系統(tǒng)。所以，通過(guò)總線結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)信息資源共享和數(shù)據(jù)交換，同時(shí)，也將很大程度上減少傳感器的數(shù)量，使整車的造價(jià)降低，系統(tǒng)的另一個(gè)方向發(fā)展是集成化。目前使用普遍的是CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)。
1.5 制動(dòng)系統(tǒng)工作的基本工作原理
ABS系統(tǒng)，是在制動(dòng)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)制動(dòng)的液壓力，防止車輪抱死的一種制動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)ABS系統(tǒng)控制車胎的過(guò)程也就是制動(dòng)液壓力的不斷改變的過(guò)程。下面以對(duì)直線路面制動(dòng)控制為例，通過(guò)車輪減速度和加速度邏輯門限值控制的方法來(lái)簡(jiǎn)述ABS的基本工作原理。
如圖1-2所示，當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，ABS系統(tǒng)會(huì)對(duì)油壓實(shí)現(xiàn)以下控制。駕駛員要制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下汽車的踏板，讓制動(dòng)管道中的油壓持續(xù)升高，與之同時(shí)將會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)力矩，這時(shí)候出現(xiàn)的制動(dòng)力會(huì)促使車輪速度減小。該進(jìn)程中ABS系統(tǒng)不產(chǎn)生具體作用，制動(dòng)油壓持續(xù)升高，車輪的減速度也隨之升高。當(dāng)車輪的減速度降低至其極限值-a時(shí)，就會(huì)釋放減壓信號(hào)，如圖1-2中1點(diǎn)所示，在信號(hào)的刺激下ABS系統(tǒng)開(kāi)始工作，從而使制動(dòng)的油壓開(kāi)始降低。由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)具有慣性，車輪減速度還會(huì)持續(xù)下降一小會(huì)，當(dāng)減速度小于門限值-a時(shí)，如圖1-2中2點(diǎn)所示，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生保壓信號(hào)，制動(dòng)的油壓不變，車輪便開(kāi)始由減速進(jìn)入加速狀態(tài)，車輪速度便開(kāi)始增加，慢慢接近原來(lái)的車速，當(dāng)車輪的加速度值增加到極限值+a的時(shí)候，如圖1-2中3點(diǎn)所示，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生升壓信號(hào)，油壓開(kāi)始提高，車輪的加速度便會(huì)減小，最后車輪維持在減速狀態(tài)，繼而再次循環(huán)。通過(guò)循環(huán)往復(fù)的控制過(guò)程，ABS使得車輪在制動(dòng)時(shí)有一定的速度，從而不會(huì)不產(chǎn)生抱死。若極限值的設(shè)定比較適合，則車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就能得到有效的控制，但需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定極限值。還有其他的因素可以影響控制的質(zhì)量，如滑移率的門限值等。
在ABS系統(tǒng)中，每個(gè)車輪上都安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器可以收集信號(hào)并且將信號(hào)輸入電子控制裝備ECU，然后ECU根據(jù)每個(gè)傳感器傳來(lái)的信號(hào)，能了解每個(gè)車輪的運(yùn)行狀態(tài)，并可以形成相應(yīng)控制的指令。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)由電動(dòng)泵總成、儲(chǔ)液器、調(diào)壓電磁閥組成，制動(dòng)主缸和各缸通過(guò)管路相連接，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置由電子控制裝置調(diào)控，從而可以對(duì)各制動(dòng)缸的制動(dòng)壓力進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。
圖1-2 ABS系統(tǒng)油壓控制循環(huán)圖
ABS的工作進(jìn)程主要有常規(guī)制動(dòng)、制動(dòng)壓力保持、制動(dòng)壓力減小和制動(dòng)壓力增大等階段。車輪在這些情況下都不會(huì)發(fā)生制動(dòng)抱死現(xiàn)象。
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第2章 ABS控制器硬件的設(shè)計(jì)
2 ABS控制器硬件的設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)流程
常見(jiàn)的ABS控制器的總體結(jié)構(gòu)由傳感器、ECU和執(zhí)行器組成，其是以單片機(jī)為主的一種ABS控制器。
圖2.1 ABS控制器的硬件組成結(jié)構(gòu)圖
本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中ABS執(zhí)行器主要是由80C196KC作為控制中樞。
圖2.2硬件設(shè)計(jì)流程圖
2.2 制動(dòng)系統(tǒng)輪速傳感器選擇
轉(zhuǎn)速傳感器的功用是檢測(cè)車輪的速度，并將速度信號(hào)輸入ABS的電控單元。下圖所示為轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置。
（a）前輪 （b）后輪
圖2-3 轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置
鑒于霍爾式輪速傳感器與其他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(cè)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)。
因此本設(shè)計(jì)采用霍爾輪速傳感器。
霍爾輪速傳感器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(guò)霍爾元件通向齒輪，如圖2-4所示。
(a) (b)
圖2-4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(guò)霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)齒輪位于圖中(b)所示位置時(shí)，穿過(guò)霍爾元件的磁力線集中，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過(guò)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?；魻栞喫賯鞲衅骶哂幸韵聝?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(cè)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(cè)，也廣泛應(yīng)用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)。
2.3電源設(shè)計(jì)
電子控制單元的核心是單片機(jī)，其對(duì)供電電源的要求很高。而蓄電池的電壓是不穩(wěn)定的，大電感用電器在斷開(kāi)時(shí)會(huì)在電路中產(chǎn)生高頻振蕩電磁波，峰值可達(dá)到280V，同時(shí)點(diǎn)火電路造成的負(fù)脈沖電壓峰值可達(dá)50～100V，并在電氣系統(tǒng)中以一定頻率出現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)電源時(shí)必須考慮這些問(wèn)題。系統(tǒng)穩(wěn)壓電源如圖2-5,它能把蓄電池提供的不穩(wěn)定的24V電壓變?yōu)榭晒﹩纹瑱C(jī)80C196KC使用的高穩(wěn)定電壓4.5～5.5V。此電壓變換電路采用78XX系列集成三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓電源輸出電流為100mA～3A,穩(wěn)壓系數(shù)為0.005%～0.02%，紋波抑制比為56～68dB,能夠較好的滿足單片機(jī)對(duì)電壓的需求。圖2-5中，C1可以防止由于輸入引線較長(zhǎng)帶來(lái)的電感效應(yīng)而產(chǎn)生的自激。C2用來(lái)減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化而引起的高頻干擾。
圖2-5電源電路
2.4信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)
車輪輪速是ABS系統(tǒng)的主要輸入信號(hào)，該信號(hào)的采集、處理對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制至關(guān)重要。為了使采集到的輪速信號(hào)能被單片機(jī)正確識(shí)別，本系統(tǒng)采用的霍爾傳感器它是將傳感器與信號(hào)處理電路制成一體，由于他能直接輸出標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，非常適合于HIS高速通道采集，80C196KC的四個(gè)HIS口可以直接接受四個(gè)輪速傳感器的脈沖信號(hào)，并可以同時(shí)記錄某一時(shí)間觸發(fā)時(shí)的狀態(tài)和時(shí)刻。
它們與普通的輸入端口有三方面主要差別：
1.HIS不僅能檢測(cè)某個(gè)輸入線上的狀態(tài)變化，而且能同時(shí)記錄狀態(tài)發(fā)生的時(shí)刻。
2.HIS內(nèi)部設(shè)有FIFO寄存器，它和保持器一起可同時(shí)記錄多達(dá)8個(gè)事件由CPU在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候讀取和處理，
3.HIS可通過(guò)它的4條輸入線檢測(cè)多種方式的狀態(tài)變化。
輪速傳感器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)光電耦合器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離，緩沖器整形，輸入到80C196KC的高速輸入端，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理。
它們之間的信號(hào)聯(lián)系參照下圖所示：
圖2-6輪速信號(hào)輸入電路方框圖
輸入電路的連線圖：
圖2-7輪速信號(hào)輸入電路圖
2.5 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
CPU輸出的信號(hào)非常小，而ass的作動(dòng)電流則為1～2安培，所以每個(gè)輸出信號(hào)要經(jīng)放大后才能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥。目前多采用的方法是利用P1口把不占空比的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)幅值的電壓信號(hào)用以控制三位三通電磁閥，通過(guò)三位三通閥位置的改變接通不同的管路來(lái)達(dá)到增壓、保壓、減壓的目的。這種方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，操作簡(jiǎn)便，需專用的三位三通閥，而且工藝要求高，開(kāi)發(fā)成本高。同時(shí)限于現(xiàn)在的知識(shí)水平，本文采用另一種方法達(dá)到所需要求。
本設(shè)計(jì)使用P1口輸出高低電平組合成為不同的狀態(tài)，來(lái)控制油路的通斷實(shí)現(xiàn)增壓、保壓、減壓的目的。80C196KC的P1口作為準(zhǔn)雙向的輸入輸出口，由緩沖器內(nèi)部口鎖存器，內(nèi)部寄存器和輸出緩沖器和輸出緩沖器的構(gòu)成，輸出緩沖器和輸出緩沖器構(gòu)成，輸出緩沖器內(nèi)部具有上拉電阻結(jié)構(gòu)當(dāng)端口數(shù)據(jù)又0變1時(shí)，它能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)的上拉作用以加速轉(zhuǎn)變過(guò)程：輸出時(shí)，具有鎖存作用，即對(duì)端口重寫數(shù)據(jù)前保持不變。
對(duì)壓力的控制歸結(jié)為對(duì)P1.0和P1.1,P1.2和P1.3,P1.4和P1.5的輸出狀態(tài)的控制,其邏輯關(guān)系表為：
表 2.1 P1口與電磁動(dòng)作邏輯關(guān)系表
車輪
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
壓力變化
左前輪
0
1
x
x
x
x
保壓
1
1
x
x
x
x
增壓
0
0
x
x
x
x
減壓
右前輪
x
x
0
1
x
x
保壓
x
x
1
1
x
x
增壓
x
x
0
0
x
x
減壓
后輪
x
x
x
x
0
1
保壓
x
x
x
x
1
1
增壓
x
x
x
x
0
0
減壓
由邏輯關(guān)系表可以看到如果系統(tǒng)需要對(duì)電磁閥進(jìn)行不同的控制只要對(duì)P1口輸出不同的字便可。
圖2-8電磁閥驅(qū)動(dòng)電路
電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖2-8所示：
緩沖單元的設(shè)計(jì)：圖中的74LS06是集電極開(kāi)路六反相緩沖器，添加它的目的是加大輸出電路的帶負(fù)載的能力，使傳輸通道與單片機(jī)接口的電氣匹配為合理。
光電耦合器單元：輸出接口隔離技術(shù)在開(kāi)關(guān)量輸出通道中，為防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過(guò)輸出通道反竄到控制系統(tǒng)，一般需采用通道隔離技術(shù)。
光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它使信息發(fā)生端與接收斷電氣絕緣電阻可達(dá)幾百兆歐姆以上，從而對(duì)地電位差干擾和電磁干擾有很強(qiáng)的抑制能力，光電耦合的實(shí)質(zhì)是對(duì)于干擾噪聲的隔離和對(duì)有用信號(hào)形成通道，是抗干擾措施的重要方法之一，并且信號(hào)傳輸速度高、價(jià)格低、接口簡(jiǎn)單，故在輸出端設(shè)計(jì)了光電耦合電路。
光電耦合器有二級(jí)管-二級(jí)管型、二級(jí)管-三級(jí)管型、二級(jí)管-達(dá)林頓管型以及二級(jí)管-可控制等類型，根據(jù)系統(tǒng)要求情況，本設(shè)計(jì)采用了光電耦合器4N35，其正向電流為：60mA,電流傳輸比為100%，電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流為1.5～3A，晶體管2SD880的電流放大倍數(shù)為60～300，光電耦合器輸入端限流電阻，其阻值由下式：
式中：—輸入電壓
—輸入端發(fā)光二級(jí)管正向?qū)▔航?。一般?.5V左右
—驅(qū)動(dòng)器的壓降
—輸入端正向工作電流，取15mA
經(jīng)計(jì)算Ri取50Ω
光電耦合輸出端負(fù)載電阻：
式中：—電源電壓+5V
—三極管飽和時(shí)集電極和發(fā)射級(jí)之間的壓降，取0.3V
—15mA
經(jīng)計(jì)算取Rj=350Ω
輸出通道的隔離及保護(hù)措施一方面防止了最小系統(tǒng)干擾信號(hào)沿正向通路的傳輸，同時(shí)也隔離了驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的干擾脈沖對(duì)前向通道原件的影響，所以隔離保護(hù)作用是雙向的 。
驅(qū)動(dòng)電路單元：構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路的主要器件是功率晶體管、晶閘管、繼電器或者是功率集成電路，從電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、器件功能、可靠性以及價(jià)格等因素考慮，晶體管放大電路有共基、共集和共射級(jí)三種電路形式，其中共射極放大電路具有較好的功率放大能力，故此采用共射極放大電路作為abs系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的基本形式。
光電耦合器的最大輸出電流為15mA，電磁閥的工作電流為1.5～3A所以每個(gè)輸出控制信號(hào)要經(jīng)過(guò)功率放大后才能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中的影響，選擇為1.5倍，則電磁閥的三極管的電流的放大倍數(shù)為:
據(jù)此本系統(tǒng)選擇了2SD880三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)ABS電磁閥，其最大允許通過(guò)電流為3A，放大倍數(shù)是60～300。
2.6 泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)ABS系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)要求，泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在管路減壓時(shí)將對(duì)蓄能器供油以保證它的高壓狀態(tài)。系統(tǒng)選用了用繼電器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的工作與停止?fàn)顟B(tài)。
繼電器的選型：根據(jù)泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作電壓和工作電流的大小和接點(diǎn)工作電壓和工作電流的大小，選擇了型號(hào)為：J2C-21F/012的繼電器。其電參數(shù)為：額定工作電壓12V（DC），線圈電阻400Ω，吸合電壓9.8V，線圈消耗的功率0.36W,接點(diǎn)負(fù)荷電壓28V，電流3A。其電路如圖，根據(jù)繼電器的額定工作電壓和額定工作電流，可以確定繼電器的工作電流為30mA，7407可以向光電耦合器輸入10～15mA，光電耦合器的TIL117的電流傳輸比為50%，所以它的輸出電流為5mA～10mA,經(jīng)過(guò)晶體管的電流放大就可以滿足電流驅(qū)動(dòng)要求。
圖2-9泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
光電耦合器的輸入輸出電阻的計(jì)算同信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)。
二極管D1的作用是保護(hù)晶體管T，當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D1截止，不影響電路工作繼電器釋放時(shí)由于繼電器線圈存在電感這時(shí)晶體管已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，這個(gè)感應(yīng)電壓的極性是上負(fù)下正，正端接在T的集電極上，當(dāng)電感電壓與Vc之和大于晶體管Td的集電極反向電壓時(shí)，晶體管可能會(huì)損壞，加入二極管D后繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電流由二極管D流過(guò)，因此不會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管得到保護(hù)。
2.7 車輪制動(dòng)器的選擇
汽車用車輪制動(dòng)器分為鼓式和盤式兩種。它們的區(qū)別在于前者的摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為制動(dòng)鼓，其圓柱面為工作面；后者的摩擦副中的旋轉(zhuǎn)元件為圓盤狀制動(dòng)盤，其端面為工作表面。本系統(tǒng)選擇盤式制動(dòng)器，所以僅對(duì)盤式進(jìn)行詳細(xì)介紹。
鉗盤式車輪制動(dòng)器：鉗盤式車輪制動(dòng)器廣泛地應(yīng)用在轎車和輕型貨車上。它的優(yōu)點(diǎn)是散熱良好，熱衰退小，熱穩(wěn)定性好，最適于對(duì)制動(dòng)性能要求高的轎車前輪制動(dòng)器。本系統(tǒng)前后輪均采用鉗盤式制動(dòng)器。
鉗盤式車輪制動(dòng)器分固定式制動(dòng)鉗制動(dòng)器與浮動(dòng)式制動(dòng)鉗制動(dòng)器，本系統(tǒng)選用浮動(dòng)式制動(dòng)鉗制動(dòng)器，圖2-10為浮動(dòng)式制動(dòng)器的示意圖。它的特點(diǎn)是制動(dòng)鉗體在軸向處于浮動(dòng)狀態(tài)，輪缸布置在制動(dòng)鉗的內(nèi)側(cè)，且數(shù)目只有固定式的一半，為單向輪缸。制動(dòng)時(shí)利用內(nèi)摩擦片的反作用力推動(dòng)制動(dòng)鉗體移動(dòng)，使外側(cè)的摩擦片也繼而壓緊制動(dòng)盤，以產(chǎn)生制動(dòng)力。它的外側(cè)無(wú)液壓件，不會(huì)產(chǎn)生氣阻，且占據(jù)的空間也小，還可以利用內(nèi)側(cè)活塞附裝駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)。但是，其內(nèi)外摩擦片的磨損速度不一致，內(nèi)片磨損快于外片。
根據(jù)浮動(dòng)式制動(dòng)鉗在其支架上滑動(dòng)支撐面的形式，又可分為滑銷式和滑面式兩種。因滑銷式制動(dòng)鉗易實(shí)現(xiàn)密封潤(rùn)滑，蹄盤間隙的回位能力穩(wěn)定，故本系統(tǒng)采用滑銷式。
圖2-10浮動(dòng)式制動(dòng)鉗示意圖
1、摩擦塊 2、密封圈 3、鉗體
4、活塞 5、滑銷 6、支架 7、制動(dòng)盤
第3章 制動(dòng)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
3 制動(dòng)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
作為汽車制動(dòng)系統(tǒng)不僅僅要具有較高的抗干擾性能和可靠性能，同時(shí)還要兼具控制過(guò)程中能在極短時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)行，當(dāng)下諸多控制系統(tǒng)的循環(huán)要求都提升至毫秒級(jí)別，這在很大程度上限制了控制的算法，可能導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。也有一種可能就是實(shí)用系統(tǒng)的造價(jià)成本高，簡(jiǎn)單算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)其具體的質(zhì)量要求。諸多條件不一的路況下，制動(dòng)時(shí)均能使車輪得到較大的防側(cè)滑力與縱向制動(dòng)力是高性能ABS的一種體現(xiàn)，并且它能夠使得車輪制動(dòng)力矩變化程度盡量減小。
從傳統(tǒng)理論角度出發(fā)，單輸入與單輸出的線性體系控制理論是其探究目標(biāo)，而系統(tǒng)分析和分析方法具體而言就是指軌跡法或頻率法。但是在ABS控制系統(tǒng)中，被控制的目標(biāo)是汽車制動(dòng)過(guò)程，該過(guò)程是一個(gè)多輸入和多輸出的非線性體系，因而不能以傳統(tǒng)理論為奠基來(lái)探究ABS控制方式。關(guān)于ABS控制系統(tǒng)的控制模式研究，可以參考于1936年德國(guó)博世公司在ABS體系中選用的控制方式，這種控制方式是以經(jīng)驗(yàn)和邏輯為基礎(chǔ)的，其基礎(chǔ)機(jī)理體現(xiàn)為：當(dāng)先通過(guò)研究車輪運(yùn)動(dòng)形態(tài)與調(diào)控車輪制動(dòng)的調(diào)控量彼此之間相互影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，繼而車輪最佳運(yùn)動(dòng)形態(tài)的調(diào)控規(guī)律被分析確定，而在完整的制動(dòng)進(jìn)程當(dāng)中，可以通過(guò)滑移率、門限值以及車輪加減速度值的大小來(lái)表現(xiàn)車輪的最佳運(yùn)動(dòng)形態(tài)，從而依據(jù)以此設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)調(diào)控規(guī)律來(lái)代替控制量的變化幅度，進(jìn)一步調(diào)控車輪運(yùn)動(dòng)形態(tài)。
另外，以傳統(tǒng)控制理論為基礎(chǔ)的PID控制方式作為除了利用滑移率值和車輪加減速度門限值控制方式之外的又一種控制方法，并不需要利用建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的，這種方法也是以車輪工作的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。通常PID控制方法以滑移率為其調(diào)控目標(biāo)，并求得控制量與控制目標(biāo)彼此之間的偏差。不過(guò)這種方法需獲得實(shí)際的車速信號(hào)，但是車速信號(hào)的獲得就目前的技術(shù)而言存在一定困難。
在現(xiàn)代控制理論的研究中，可以通過(guò)選用狀態(tài)空間的方式，設(shè)立被控制對(duì)象的模型去消除多輸入對(duì)多輸出這一體系控制難題。因此將這種現(xiàn)代控制理論體系引入ABS控制方式里，其代表型的呈現(xiàn)是最優(yōu)控制方式，這種方法的機(jī)理在于通過(guò)得出一個(gè)最優(yōu)的性能指標(biāo)以及制動(dòng)進(jìn)程中的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而尋求某一最優(yōu)化的控制函數(shù)來(lái)體現(xiàn)控制系統(tǒng)自初始狀態(tài)至最終狀態(tài)進(jìn)程中性能指標(biāo)的最小值。這就要求該控制理論必須以精確的數(shù)模來(lái)完成針對(duì)被控目標(biāo)的控制。顯而易見(jiàn)的是，汽車制動(dòng)進(jìn)程乃是一種非線性的體系，而應(yīng)用最優(yōu)控制方法等類似的現(xiàn)代控制理論實(shí)現(xiàn)ABS控制方式，其數(shù)模的建立具有相當(dāng)難度，并且控制算法的復(fù)雜度進(jìn)一步加深了這種方法的局限性。
3.1控制方案和控制參數(shù)的選取
如今ABS系統(tǒng)發(fā)展迅速，而加減速度的門限值調(diào)控占據(jù)了其中很大一部分產(chǎn)品，同時(shí)一些輔助門限也依據(jù)具體需求被及時(shí)添加，一般而言此類產(chǎn)品中的數(shù)學(xué)模型不涉及到具體系統(tǒng)。這對(duì)于非線性系統(tǒng)的控制而言的確是一種行之有效的方法。但這種系統(tǒng)的控制算法應(yīng)用起來(lái)比較繁瑣且穩(wěn)定性不佳、波動(dòng)性較大，從控制的精度、設(shè)計(jì)成本和實(shí)時(shí)性等角度出發(fā)，本次設(shè)計(jì)綜合分析了各方面因素而選用門限控制方法。
而門限控制方法設(shè)計(jì)中，重要的參數(shù)是選擇的比較量，也就是說(shuō)選擇哪種參數(shù)能夠?qū)④囕喌幕坡士刂圃?0%左右。然而，若以滑移率為比較對(duì)象，汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)就將變成時(shí)變調(diào)節(jié)體系，其處理難度很大，并且難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用?？v觀諸多試驗(yàn)實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)在制動(dòng)過(guò)程中發(fā)生車輪抱死之時(shí)總是位于相當(dāng)大的時(shí)刻，因而先行設(shè)定一個(gè)角減速度的門限值是非常必要的，在實(shí)際測(cè)量的角減速度大于這個(gè)門限值的時(shí)，控制器會(huì)及時(shí)給出命令，制動(dòng)輪缸中壓力也將被完全釋放，從而車輪旋轉(zhuǎn)速度持續(xù)加速。與此同時(shí)預(yù)設(shè)一個(gè)角加速度門限值，一旦實(shí)際的門限值大于此門限值時(shí)，控制器同樣會(huì)給出一個(gè)命令，制動(dòng)輪缸里面的壓力開(kāi)始增大，車輪的轉(zhuǎn)速降低，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)達(dá)到對(duì)滑移率的限制。
這個(gè)設(shè)計(jì)里，將加減速度選作主要門限，以滑移率為輔助門限。單一的加減速度門限會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的局限性，在遇到突然的高速緊急制動(dòng)情況時(shí)，防抱控制邏輯有可能會(huì)在后續(xù)控制進(jìn)程中喪失其效果。此類情況在非驅(qū)動(dòng)輪中也有可能會(huì)出現(xiàn)，其成因可能是由于過(guò)早的抱死。如果防抱制動(dòng)門限僅僅選取滑移率時(shí)，當(dāng)處于迥異的路況時(shí)最佳的調(diào)控效果便很難實(shí)現(xiàn)。是以此時(shí)應(yīng)考慮以角加減速度結(jié)合滑移率的方式來(lái)展開(kāi)分析。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的路況中體現(xiàn)出自適應(yīng)的控制效果，在制動(dòng)時(shí)這種控制系統(tǒng)就會(huì)將車輪的轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi)，而車輪轉(zhuǎn)速則會(huì)在這一最優(yōu)值左右波動(dòng)。
根據(jù)由車輪轉(zhuǎn)速傳感器取得角加減速度，于控制器而言可以輕易實(shí)現(xiàn)，但若是要得到實(shí)際的滑移率，就需要運(yùn)用多普勒雷達(dá)或加速度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的測(cè)量，這將造成ABS的結(jié)構(gòu)更加繁瑣，同時(shí)經(jīng)濟(jì)成本大幅提高。因此，計(jì)算參考滑移率可通過(guò)采用設(shè)定的一個(gè)車輛制動(dòng)減速度值和車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定門限加減速度和車輛的制動(dòng)減速度值，可實(shí)現(xiàn)不同的ABS在不同的車型不具有通用性。
在系統(tǒng)控制的邏輯中，通常選用門限值這一方法。而比較量的選取是這其中最為重要的部分，一般有如下幾種比較量：車輪角加減速度、角速度的變化率、對(duì)比滑移率和角加速度與角速度的比值等。比較量不同會(huì)產(chǎn)生各種不同的預(yù)選和復(fù)選的條件。預(yù)選條件通常是指車輪在發(fā)生抱死傾向之時(shí)，需要滿足發(fā)生的條件。復(fù)選條件則是指車輪在有避免發(fā)生抱死趨向之時(shí)，需要滿足發(fā)生的條件，但此時(shí)也增加了制動(dòng)的壓力。表3.1給出了自這些條件得出的邏輯算法。
表3.1 主要的邊界條件
過(guò)程
狀態(tài)
參數(shù)
條件
下次控制過(guò)程
1
增壓
w<-a?
Y
減壓
N
繼續(xù)增壓至w<-a
2
減壓
w>+a?
Y
保壓
N
減壓
3
保壓
增壓
注：在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，所選擇的預(yù)選條件是角減速度小于門限減速度，所選擇的復(fù)選條件則為角加速度大于門限加速度。
3.2控制參數(shù)和相應(yīng)算法
3.2.1門限減速度的計(jì)算
角減速度可通過(guò)車輪制動(dòng)之初車輪上的施加壓力進(jìn)行計(jì)算，并在考量制動(dòng)速度與滑移率等影響因素的基礎(chǔ)上對(duì)輪減速度予以優(yōu)化修正，最后得出的參數(shù)即為門限值的設(shè)定數(shù)值，因此若路面狀況不曾發(fā)生改變，則滑移率的變化對(duì)路面附著系數(shù)不會(huì)產(chǎn)生影響，即附著系數(shù)不大于某一固定值，用公式來(lái)表達(dá)即表示制動(dòng)力一直滿足:
（式3-1）
車輪在一種情況下可能會(huì)出現(xiàn)抱死的傾向，即車輪減速度大于路面的最大附著力，由此能夠得出簡(jiǎn)單的ABS邏輯：
（式3.2）
從這一控制邏輯點(diǎn)出發(fā)，全面地考量對(duì)值造成影響的主要影響參數(shù)，這些參數(shù)具體包括進(jìn)程中的滑移率、輪速以及對(duì)初始測(cè)量得出出的減速度予以修正后的數(shù)值。
而滑移率對(duì)最大附著系數(shù)的影響關(guān)系，可用如下公式表示：
(式3.3)
（式3.4）
式中是指最佳滑移率，是指附著系數(shù)，是指車輪滑移率；是指滑移率為1時(shí)的附著系數(shù)，是指最大附著系數(shù)
具體地車輪速度對(duì)附著系數(shù)的影響關(guān)系可用公式近似表示為：
（式3.5）
在此期間，實(shí)際控制時(shí)的加速度門值會(huì)比較低。并且現(xiàn)實(shí)中路況并非理想狀態(tài)，路況的狀態(tài)差異以及傳感器誤差或噪音都會(huì)使得減速度大相徑庭，因此要根據(jù)特定情況設(shè)定相應(yīng)的減速度門值，當(dāng)路面附著系數(shù)較高時(shí)，門值達(dá)到最大附著角速度較小，因而其余條件統(tǒng)一時(shí)，需設(shè)定較大的門值；而當(dāng)路面附著系數(shù)較低時(shí)設(shè)定較小的門值，并且循環(huán)控制的產(chǎn)生，需要控制狀態(tài)運(yùn)行至輪胎特性曲線的波動(dòng)區(qū)，該值若和減速度門值靠近，則會(huì)致使實(shí)際控制執(zhí)行困難，進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致ECU出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。
3.2.2門限加速度的計(jì)算
車輛的速度恢復(fù)主要取決于加速度門限值這個(gè)參數(shù)，假設(shè)門限值被設(shè)置的過(guò)大，車輪就可能達(dá)不到這個(gè)門限值。這種情形下的就容易導(dǎo)致失控的情況發(fā)生，而此期間車速也會(huì)持續(xù)維持在恢復(fù)的狀態(tài)，若此門限值設(shè)定過(guò)小，則車輪會(huì)因?yàn)闆](méi)有恢復(fù)充分而自動(dòng)進(jìn)入下一循環(huán)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生將要抱死的情況。
綜上所述，在實(shí)際過(guò)程中，要對(duì)各方面因素進(jìn)行多方位考量，具體情況具體分析，比如車型不同、路況不同等都需要大量的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)來(lái)對(duì)相應(yīng)地加速度和減速度門限值予以評(píng)估。
3.2.3路面識(shí)別的技術(shù)
路面識(shí)別在系統(tǒng)的控制中是個(gè)很重要的因素，因?yàn)樾枰鶕?jù)路面來(lái)確定加減速度門限，不同的路面特征是不同的，需要根據(jù)路面來(lái)確定合適的門限值。半經(jīng)驗(yàn)輪胎模型在實(shí)際中得到了大量的應(yīng)用，即利用非常巨量的數(shù)據(jù)展開(kāi)分析整理后得出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式以評(píng)判輪胎-路面狀況的動(dòng)力學(xué)性能。這之中PACEJKA魔術(shù)輪胎模型有效的解決了路面體系與輪胎試驗(yàn)大量數(shù)據(jù)的擬合關(guān)系，并且該擬合系數(shù)具有確定的物理意義，通過(guò)該系數(shù)可簡(jiǎn)易明了的獲得一些參數(shù)對(duì)輪胎及路面系統(tǒng)的影響關(guān)系。
因此在本文的研究中，路面識(shí)別方法先選用較大的數(shù)值設(shè)定為附著系數(shù)，繼而展開(kāi)滑移率的計(jì)算，求出門限值S1與S2，S1應(yīng)小于S2，并且路面狀況不同，其特性也有不同，例如在附著系數(shù)較高的路面上，ABS調(diào)控的進(jìn)程中S小于S2的門限，而附著系數(shù)較低的路況中大于等于S2，因而可以利用這一點(diǎn)大概確定路面上的狀況。
3.2.4車身參考速度的確定
當(dāng)下對(duì)于車身速度的測(cè)定主要利用五輪儀和多普勒雷達(dá)進(jìn)行，但是多普勒雷達(dá)價(jià)格較高，高成本使得其無(wú)法在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用，五輪儀的觀感度又較低，因而在汽車運(yùn)行中通常對(duì)車身速度不進(jìn)行直接測(cè)量，而是通過(guò)油車輪上的附加速度和角速度來(lái)建立車身的參考速度，如此更為簡(jiǎn)潔方便。
假如初始制動(dòng)進(jìn)程中獲得的角減速度小于角速度門限-a，這個(gè)時(shí)候輪速則為初始的參考速度，并且此時(shí)的減速度也成為了車身參考減速度，此后車身的速度可用公式表示為：
（式3.6）
輪速收集的具體計(jì)算方式，可通過(guò)設(shè)置高速輸入通道HIS展開(kāi)，即一項(xiàng)十六位的性能優(yōu)異的單片機(jī)名稱為80C196KC，其擁有四個(gè)高速輸入口，依次為HIS0～HIS3，恰恰能作為四個(gè)車輪輪速型號(hào)的輸入端，而高速輸入通道由 HIS選通邏輯、HIS時(shí)間和方式寄存器、FIF0寄存器、FIF0中斷和控制邏輯、HIS狀態(tài)寄存器、端口緩沖器、8分頻記數(shù)器和輸入跳變檢測(cè)器等構(gòu)件組成。
有三個(gè)專用寄存器與高速輸入通道有關(guān)，它們分別是HIS_TIME、HIS_MODE、和HIS_STATUS。而高速輸入端口通過(guò)寄存器可以以四種方式對(duì)各引腳上是否有時(shí)間發(fā)生予以檢驗(yàn)，并且具體的時(shí)間發(fā)生時(shí)刻也會(huì)得到記錄，這種高速輸入通道可以對(duì)八個(gè)時(shí)間同時(shí)記錄，若高速通道選用了HIS包含的維持寄存器和FIFO隊(duì)列寄存器，則CPU能夠及時(shí)獲取與處理有關(guān)的信息，從而完成其高速采集功能。一般而言HIS_MODE寄存器的端口地址即03H，其工作的方式為每?jī)晌贿x定一條HIS輸入引腳。
表3.2 HIS通道的四種工作方式
狀態(tài)字顯示
工作的方式
具體的形式
00000000
0
每8次正跳變觸發(fā)一次事件
01010101
1
每次正跳變觸發(fā)一次事件
10101010
2
每次負(fù)跳變觸發(fā)一次事件
11111111
3
每次跳變觸發(fā)一次事件
06H狀態(tài)地址即為HIS_STATUS表示的四條引腳狀態(tài)地址，高位表現(xiàn)為引腳目前的狀況（1表示高電平，0表示低電平），低位表現(xiàn)為HIS事件寄存器中記錄時(shí)刻下其引腳是否有具有事件發(fā)生（1表示有事件發(fā)生，0表示沒(méi)有事件發(fā)生）。
04H 基準(zhǔn)地址即為HIS_TIME以定時(shí)器TI為事件的基準(zhǔn)地址, HIS_TIME中儲(chǔ)存事件發(fā)生時(shí)定時(shí)器TI的具體數(shù)值。
為了使得引腳改變情況被HIS及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)，需要說(shuō)明的是在該單片機(jī)中，對(duì)于每一周期的HIS引腳采樣要持續(xù)輸入高低電平，并且其時(shí)間不得超過(guò)一個(gè)狀態(tài)周期，如此才能將引腳變化予以測(cè)量。在本文的研究中輪速輸入脈沖信號(hào)的頻率及周期可通過(guò)下列公式具體求得：
（式3-7)
式中r=0.3，z=100，輪速范圍標(biāo)準(zhǔn)為5-300Km/h，進(jìn)而求得的信號(hào)頻率與周期的范圍確定值為：
以脈沖信號(hào)的高低電平最短維持時(shí)間約為113×10-3S，而在本文制動(dòng)系統(tǒng)的研究中，赫茲晶振頻率為16MHZ，8個(gè)狀態(tài)周期進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，是以系統(tǒng)每一微妙發(fā)起一次引腳采樣，顯而易見(jiàn)的是113微秒遠(yuǎn)大于一微秒，因而這種方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖寬度的具體需求。
在此期間，數(shù)據(jù)采集精度會(huì)為控制效果所影響。因此提高輪速信號(hào)的采集精度顯得尤為重要。車輛有兩種方法能夠測(cè)量，一種是先進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行A/D的轉(zhuǎn)換得到輪速，另一種是直接計(jì)數(shù)計(jì)算機(jī)的電路來(lái)得到輪速，有多倍周期法、周期法頻率法和精度自適應(yīng)法等。本文的研究中選用精度自適應(yīng)法。
將輸入信號(hào)按照固定數(shù)予以分頻即為多倍周期法，從而倍乘了被測(cè)周期，而脈沖頻率f可通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：
(式3.8)
式中，—代表了周期倍乘數(shù)，—代表了一個(gè)周期累計(jì)時(shí)標(biāo)脈沖個(gè)數(shù)，代表了時(shí)標(biāo)信號(hào)周期。
精度自適法從多倍周期法角度出發(fā)，并結(jié)合有關(guān)ABS對(duì)輪速控制的實(shí)時(shí)性和精確性展開(kāi)設(shè)計(jì)研究，此類方法區(qū)別于多倍周期法，精度自適應(yīng)法克服了低速計(jì)算實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，因?yàn)槎啾吨芷诜ǖ妮喫倜}沖倍乘數(shù)m1為固定值。精度自適應(yīng)法不僅僅確保了高低速計(jì)算的精確性，還有效保障了低速度控制的及時(shí)性。調(diào)整分頻因子m1是使用多倍周期法的前提，一般而言，在低頻時(shí)選用較小的數(shù)值增加高實(shí)時(shí)性，而高頻時(shí)選用較大值保證測(cè)量精度。精度要求的限制條件和最大控制周期是確定分頻數(shù)的兩大邊界條件，這種方式能夠兼顧測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，一旦輸入信號(hào)小于最大的調(diào)控周期，便以中斷的方式展開(kāi)有關(guān)輸入信號(hào)的收集。
而控制實(shí)時(shí)性的保障需要預(yù)先設(shè)置最大的控制周期，其一般表示為Ts，再利用時(shí)間限制條件得出m1的上限值為，這一過(guò)程可用公式表示為：
（式3.9）
式中，t1表示實(shí)際頻率信號(hào)的周期，m1的下限值可以利用精度要求的限制條件進(jìn)一步計(jì)算。
（式3.10）
（式3.11）
(式3.4)是誤差計(jì)算的公式。
如果要求精度是a%，則
（式3.12）
（式3.13）
綜合 (公式3.9)和 (公式3.13)，就能夠確定m1的值
（式3.14）
如上所述，得到m1上限值到m1的下限值，繼而展開(kāi)脈沖的計(jì)算，一般m1的上限值可通過(guò)控制周期Ts 求得，控制周期中脈沖分頻值可從中選取，計(jì)算精度為常數(shù)，是以輪速與m2呈正相關(guān)關(guān)系，從而能夠提高低速控制的實(shí)時(shí)性又保證了輪速的計(jì)算上的精度。
3.3控制的進(jìn)程
在本文的研究中，將以路面高附著系數(shù)的情況進(jìn)行分析，其它兩種情況與此類似，所以不做過(guò)多分析，接下來(lái)將展開(kāi)具體的邏輯門限值的控制方法探究。
該控制過(guò)程相關(guān)系數(shù)變化如圖3.1所示。制動(dòng)之初，輪速隨制動(dòng)壓力升高而減小，而減速度隨之升高。第一階段結(jié)尾時(shí)，當(dāng)其低至門限值-a時(shí)，求得的滑移率仍舊小于門限值s。故此ABS控制體系會(huì)使得制動(dòng)壓力進(jìn)入第二階段（即維持階段），此時(shí)車輪將被充分制動(dòng)。而當(dāng)滑移率超過(guò)門限值s時(shí)，便進(jìn)入了第三階段（即制動(dòng)壓力降低階段）。而當(dāng)制動(dòng)壓力降低時(shí)，車輪在慣性作用下繼續(xù)加速，減速度會(huì)降低至門限值-a，此時(shí)就會(huì)進(jìn)入制動(dòng)壓力的保持階段，也即是第四階段。當(dāng)然，此時(shí)期汽車依舊受到慣性的影響，車輪持續(xù)加速，當(dāng)其加速度達(dá)到加速門限+a，制動(dòng)壓力依舊維持，直至車輪的加速度大于第二門限值+a時(shí)，即進(jìn)入樂(lè)第五階段。這時(shí)候制動(dòng)壓力又一次升高，車輪的加速度減小，當(dāng)輪速再一次小于+a，則進(jìn)入制動(dòng)壓力的保持階段，此即第六階段，直至車輪加速度返回到+a之下。如果此時(shí)制動(dòng)壓力有所不足，則制動(dòng)壓力的控制通過(guò)增壓保持的相互轉(zhuǎn)換實(shí)施，此即第七階段，這時(shí)候車輪滑移率將會(huì)在理想滑移率上下擺動(dòng)。最后當(dāng)車輪的減速度再次大于-a時(shí)，會(huì)進(jìn)入了制動(dòng)壓力降低的第八階段，這時(shí)候制動(dòng)壓力減小便無(wú)需考慮滑移率門限值的影響，也就將進(jìn)入下一個(gè)調(diào)控循環(huán)的進(jìn)程。
圖3-1高附著系數(shù)路面的控制過(guò)程
（2） 低附著系數(shù)路面的制動(dòng)控制過(guò)程
圖3-2低附著系數(shù)路面的控制過(guò)程
（3）制動(dòng)中路況突變的控制過(guò)程
圖3.3路面附著系數(shù)由高向低突變的控制過(guò)程
3.4程序的設(shè)計(jì)
有關(guān)采集輪速的過(guò)程設(shè)計(jì)中，第四事件進(jìn)入FIFO時(shí)產(chǎn)生中斷將作為ABS輪速信號(hào)的采集處理模塊軟件設(shè)計(jì)的主體，之后展開(kāi)中斷處理程序，中斷服務(wù)程序，應(yīng)首先終止服務(wù)程序來(lái)定義與中斷有關(guān)的寄存器，進(jìn)而設(shè)定出數(shù)據(jù)采集的其它參數(shù)。
中斷處理程序運(yùn)行后，觸發(fā)事件的通道可通過(guò)依次檢測(cè)得出，假如某一通道觸發(fā)該事件，則會(huì)展開(kāi)觸發(fā)中斷程序，進(jìn)入中斷子程序，故此可以評(píng)定是否為發(fā)生了第一次中斷，假如結(jié)果顯示為是，則會(huì)在初始事件的寄存器中讀取HIS_TIME內(nèi)容，并將該值當(dāng)做初始值的中斷子程序；假如結(jié)果顯示為不是，則將事件存入事件寄存器2中設(shè)為事件的最初值并退出中斷子程序，而此時(shí)中斷次數(shù)寄存器將會(huì)加一，并進(jìn)而求得t1與t2的差值，將該差值存入寄存器中，并開(kāi)啟輪速處理子程序，最后退出程序。
有關(guān)輪速處理的具體細(xì)節(jié)為：首先T事件車輪脈沖個(gè)數(shù)通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)確定，繼而求得實(shí)際測(cè)量的事件Td,利用式3.7計(jì)算輪速，從速度寄存器里讀取前一次速度值，車輪加速度可用如下公式表示為：
（式3.15）
車身參考速度可用公式表示為：
（式3.16）
車身滑移率可用公式表示為：
（式3.17）
滑移率數(shù)值確定后計(jì)算結(jié)束。
有關(guān)主程序控制過(guò)程主要為：運(yùn)行程序后需要檢是否有故障發(fā)生，同時(shí)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行清理，發(fā)起中斷，輸入和輸出端口，發(fā)起看門狗，檢查是否產(chǎn)生中斷，如果有中斷出現(xiàn)便展開(kāi)速度和加速度等控制參數(shù)的計(jì)算，展開(kāi)路面的識(shí)別，繼而評(píng)估出車輛的運(yùn)行狀態(tài)，將這些值進(jìn)行邏輯門限值的對(duì)比，評(píng)估制動(dòng)壓力的控制狀態(tài)，是保壓，增壓還是減壓，依此分別展開(kāi)相應(yīng)地調(diào)控，并對(duì)端口輸出與之匹配的調(diào)控參量，循環(huán)重復(fù)直至制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。具體控制程序如下表3.3所示。
表3.3 初始化及輪速信號(hào)采集處理程序
序號(hào)
寄存器名稱
寄存器地