汽车ABS电控单元设计电子信息科学与技术毕业论文.doc

汽车ABS电控单元设计摘要：介绍了汽车ABS的发展历史，对汽车ABS的功用及基本工作原理做了较详细的论述，并对ABS的几种主要控制策略进行了阐述。 ABS主要由传感器(包括轮速传感器、减速度传感器和车速传感器)、电子控制装置、制动压力调节器三大部分组成，对其中的电子控制装置部分进行了详细探讨,并对电源电路及功率驱动电路进行了设计、仿真验证。关键词：汽车ABS; 防抱死制动系统; 控制策略; 电子控制Abstract: In this paper we first introduce the history of the development of ABS, Then us make a derailed explanation to the function and basic working principle of the car ABS at last we expound several major strategies ABS control. ABS is consisted by three major components: sensors (including wheel speed sensors, speed sensors and the speed sensor), the electronic control devices, the brake pressure regulator the three major components, carried out a detailed study for the electronic control unit，And the power circuit and power-driven circuit design, simulation and validate.Keyword: Car ABS; Anti-lock Braking System; control strategy; electron controlled引言 在汽车防抱死制动系统(Anti-lock Braking System简称ABS)出现之前，汽车所用的都是开环制动系统。其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力、制动力的分配调节以及制动器的尺寸和型式有关。由于没有车轮运动状态的反馈信号。无法测知制动过程中车轮的速度和抱死情况，汽车就不可能据此调节轮缸或气室制动压力的大小。因此在紧急制动时，不可避免地出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小，汽车在受到任何微小外力的作用下就会出现方向失稳问题，极易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上制动时，这种方向失稳的现象会更加严重。汽车防抱死制动系统的出现从根本上解决了汽车在制动过程中的车轮抱死问题。它的基本功能就是通过传感器感知车轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地凋节制动器制动力矩的大小以避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环制动系统,它是电子控制技术在汽车上最有成就的应用项目之一,汽车制动防抱死系统可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效提高行车的安全性。据统计，应用了防抱死技术后，交通事故摩托车减10，轿车和轻型货车减少8 ，公共汽车减少4，重型货车减少10，平均起来减少757 。从上述数字显示，ABS防抱死制动系统对提高车辆的安全性能有着很大的功用。1. ABS技术的发展及应用现状ABS的开发可以追溯到20世纪初期。早在1928年防抱死制动理论就被提出，在20世纪30年代机械式防抱死制动系统就开始在飞机上获得应用。由于飞机对制动时的方向稳定性要求高，而ABS的价格占飞机总价格比例较小，机场的场面条件简单，尾部导轮可以精确测量机速，从而可获得正确的滑动率，实现精确控制等一系列有利条件，使ABS在飞机上的应用取得成功。进入20世纪50年代，汽车防抱死制动系统开始受到较为广泛的关注。福特(RODR)公司曾于1954年将飞机的制动系统移植在林肯(LINC0N)轿车上；凯尔塞-海伊斯(KELSE-HAYES)公司在1957年时将称为“Automatic”的防抱死制动系统进行了试验研究，研究结果表明防抱死制动系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离。在这一时期的各种防抱死制动系统采用的都是机械式车轮转动传感器和机械式压力调节装置，为此获取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难以保证，控制效果并不理想，加上ABS的体积质量大，价格高，销路很有限，制动厂家在70年代中期停止了ABS汽车的生产。ABS技术在汽车上的推广应用举步艰难。直到70年代后期，由于电子技术迅猛发展，为ABS技术在汽车上的应用提供了可靠的技术支持11 。ABS控制部分采用了电子控制，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，制动效果也明显改善，同时其体积逐步变小，质量逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的ABS装置。 进入90年代后， ABS技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛采用ABS技术，ABS装置已成为汽车的必要装备。北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90 以上，轿车ABS的装备率在60左右，运送危险品的货车ABS的装备率为1006。ABS装置制造商主要有：德国博世公司(BOSCH)，欧、美、日、韩国车采用最多；美国本迪克斯公司(BENDIX),美国德科公司(DELCO)，美国通用及韩国大宇汽车采用；美国本迪克斯公司(BENDIX)，美国克莱斯勒汽车采用； 还有德国戴维斯公司(TEVES)、德国瓦布科(WABCO)等，这些公司的ABS产品都在广泛地应用，而且还在不断发展、更新和换代。近年来，ABS技术在我国也正在推广和应用，1999年我国制定的国家强制性标准GB 12676-l999<<汽车制动系统结构、性能和试验方法>>中已把装用ABS作为强制性法规。此后一汽大众、二汽富康 上海大众、重庆长安、上海通用等均开始采用ABS技术，但这些ABS装置我国均没有自主的知识产权。国内研究ABS主要有东风汽车公司，交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大学等单位，虽然起步较晚，也取得了一些成果。在气压ABS方面，国内企业包括东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规模。液压ABS由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时不能独立生产，但在液压ABS方面也在做自主研发，力图突破国外跨国公司的技术壁垒，已经取得了一些新的进展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统(ABS)“九五”国家科技攻关课题，在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。采用的耗散功率理论，避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性，取得了理论上的突破，研发ABS成功且进入产业化、批量生产阶段。其试样在南京IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准GB 12676-1999和欧洲法规EEC R13的要求。这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义，标志着我国汽车液压ABS国产化已迈出坚实的一步。同时合肥工业大学也研制出国内具有自主知识产权的液压制动电子防抱系统，率先在HF6700轻型汽车上匹配使用获得成功。国内液压ABS技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下，相信国内可以在较短的时间内在ABS技术某些领域赶超国际水平。2. ABS的工作原理汽车在制动过程中，车轮制动器产生的摩擦阻力会使车轮转速减慢，而车轮与地面间的摩擦力会使汽车减速，前者称为制动器制动力，后者称为地面制动力，在车轮未抱死前地面制动力始终等于制动器制动力，制动器制动力全部转化为地面制动力。在车轮抱死后，地面制动力等于地面附着力，它不再随着制动器制动力的增加而增加。由汽车理论知，地面附着力为：式中：地面对轮胎的法向反作用力; 轮胎与地面间的附着系数。而轮胎与地面之间的附着系数与轮胎结构、路面状况、天气条件和车速等诸多因素有关，是一个变化范围很广的不确定量。理论和试验研究表明，附着系数与轮胎滑移率(汽车驱动时称为驱动滑移率，制动时此系数被称为制动滑移率，两者可统称为滑移率)有一定关系。关系曲线如图1.1所示。滑移率S的定义： S=其中：车轮中心的移动速度 没有地面制动动力时的车轮滚动半径 车轮的角速度图1-1 附着系数与滑移率S的关系曲线在汽车正常行驶时，V= 车轮纯滚动，S=0；车轮完全抱死时， =0，车轮纯滑移，S=100%；在边滚边滑时，0<S<100%，显然滑移率说明了车轮运动中，滑移成分所占的比例大小。在制动时若能使滑移率S保持在20%附近，便可同时获得较大的纵向和侧向附着系数，此时既可达到最佳制动效能，又不致丧失转向和抵抗侧向力的作用，即处于最佳的制动状态。制动防抱死的基本原理就是依据上述的研究成果，通过控制调节制动力，使制动过程中车轮滑移率控制在合适的范围内，以取得最佳的制动效果。ABS硬件构成主要由传感器(包括轮速传感器、减速度传感器和车速传感器)、电子控制装置、制动压力调节器三大部分组成，形成一个以滑移率为目标的自动控制系统。传感器测量车轮转速并将这一数据传送至电子控制装置上，控制装置是一个微处理器，它根据车轮转速传感器信号来计算车速。在制动过程中，车轮转速可与控制装置中预先编制的理想减速度的特性曲线相比较。如果控制装置判断出车轮减速度太快和车轮即将抱死时，它就发出信号给液压调节器，液压调节器可根据来自控制装置的信号对制动器的卡钳或轮泵的油压进行控制(作用、保持、释放、重新作用)。3. ABS控制策略ABS技术的一个核心问题就是控制算法的研究。由于ABS是非线性系统，因此探索一种有效的控制方法是ABS发展的关键。近年来，国内外学者对ABS的控制算法进行了很多理论研究，主要有以下几种控制方法。3.1. 逻辑门限值控制这种控制方式的特点是不需要建立具体系统的数学模型，并且对系统的非线性控制很有效，比较适合用于ABS的控制。当其用于ABS的控制时，可以预选一个角减速度门限值，当实测值达到此门限值时，控制器发出指令，减小制动力，使车轮转速提高。再预选一个角加速度门限值，当实测值达到此门限值时，控制器发出指令，增加制动力，使车轮转速降低。以车轮角速度作为单信号输入，如上所述，同时在控制器中设置合理的角加速度、角减速度门限值，就可以实现防抱制动循环。因此整个控制过程比较简单，结构原理上较容易实现。同时，如果控制参数选择合理，则可以达到比较理想的控制效果，能够满足各种车辆的要求。但是逻辑门限值控制本身也有一些不足。如它的控制逻辑比较复杂、波动较大，而且控制系统中的许多参数都是经过反复试验得出的经验数据，缺乏严谨的理论依据，对系统稳定性品质无法评价等。3.2. 最优控制最优控制方法是基于状态空间方法的现代控制理论方法。它可以根据车辆地面系统的数学模型，采用状态空间的概念，在时间域内研究汽车防抱死制动系统。最优控制方法和门限值控制方法不同，它是一种基于模型分析的控制方法。其思路是根据防抱死制动系统的各项控制要求，按照最优化的原理来求得制动防抱死系统的最优控制目标。这种控制方法的优点是考虑了控制过程中状态变化的历程而使控制过程平稳；缺点是控制效果的优劣主要依赖于系统的数学模犁，控制质量难以准确把握。3.3. PID控制PID控制办法的最大优点是不需要了解被控制对象的数学模型，只需要根据经验进行调节器参数的设定，这个特点正好满足了ABS控制系统建模比较困难的特点。显然，对于单一路面(期望滑移率固定)的路面来说，PID控制的特点决定了它的实用性很强，但是我们很难确定一种准确的轮胎模型来实时确定不同制动工况下的纵向滑移率，所以在实际产品中并不适用8 。目前，许多研究者把研究的重点放在建立准确的轮胎模型或者通过其他的方式识别路况的方法上，以期望和PID控制方法联合起来应用于ABS，并且已经取得了部分研究成果，但还不能进入实用阶段。3.4. 模糊控制模糊控制是基于经验规则的控制，具有不依赖对象的数学模型，便于利用人的经验知识，具有鲁棒性强和简单实用等优点。控制规则符合人的思维规律。缺点是没有有效通用的计算方法，只能依靠设汁者的经验和反复调试。4. ABS系统设计4.1. 防抱死制动系统的基本组成ABS主要由传感器、电子控制单元(ECU)和电磁阀三部分组成，其系统原理结构框图如图4-1所示。传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速，传感器一般为磁电感应式。ABS工作时ECU接收传感器送来的车轮信号，一般为符合ECU电压要求的矩形电压波，然后固化在ECU中的程序根据各个车轮的速度来决定对各个车轮的制动液压力如何调节，并输出相应的控制信号给各个车轮的液压控制单元。液压控制单元接收到信号后对车轮分泵的压力进行调节。传感器的作用是为ECU提供车轮的运动情况，ECU是ABS的控制中心，ECU中固化的程序实际上是ABS的控制方法，而液压控制单元是ABS控制方法的执行机构。轮速传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生频率与车轮速度成正比的近似正弦电信号，ABS控制单元根据处理后的信号计算车轮速度。电子控制单元是整个防抱死制动系统的核心控制部件，它接受车轮速度传感器送来的频率信号，通过计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，操纵电磁阀去调节制动压力。定性的来说，就是当车轮的滑移率不在控制范围之内时，ECU就输出一个控制信号，命令电磁阀打开或闭合，从而调节制动轮缸压力，使轮速上升或下降，将汽车车轮滑移率控制在一定范围之内，实现汽车的安全、可靠制动。电子控制单元原理结构框图如图4-2所示。电磁阀是防抱死制动系统的执行部件，在没有控制信号的情况下，该制动系统相当于常规制动系统，直接输出最大制动压力;当ECU向电磁阀发出控制信号时，电磁阀动作，对轮缸压力进行调节，从而调节车轮的滑移率，使制动力在接近峰值区域内波动，但又不达到峰值制动力，实现最佳制动效率。ABS就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节制动轮缸压力，以获得最高的纵向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。图4-2 电子控制单元原理结构框图4.2. ABS控制器软件设计软件的设计就是把控制算法变成单片机可执行的软件。控制器的采用MCS-51系列的8051单片机来实现。8051单片机包含有一个8位的CPU、2个16位定时计数器、5个中断源、4个8位并行IO口、一个串口，另外片内还包含有256字节RAM及4KROM，具有体积小，重量轻，电源单一，功耗低，功能强大等特点。防抱死控制程序设计是程序设计的重点和难点部分，采用的是基于加、减速度门限值为主，滑移率门限值为辅的控制策略，该控制策略逻辑比较复杂。防抱死控制程序流程如图4-3所示。系统以车轮加(减)速度作为控制参数。制动开始时8051根据采集到的轮速信号判断是否启动ABS,若此时车速小于8km/h便仍然采用常规制动而不启动ABS,当大于8km/h时，ABS启动进入等待状态，直到车轮角减速度达到下门限(减速度门限)，此时向电磁阀发出控制信号使制动轮缸压力减小，再经过一段时间，车轮加速度达到上门限(加速度门限)，说明此时制动压力偏小，便再次向电磁阀发出控制信号再次增加轮缸制动压力10 。等待再次达到下门限，循环以上的控制，直至车速低于8km/h便终止ABS，返回常规制动，因为此时车速已经很低，就算车轮抱死对汽车的稳定性影响也不是很大，不会产生滑移,而且此时如果继续执行ABS的话，还会增加制动距离。系统的控制程序是用汇编语言编制的，而对汇编程序的编辑、汇编、调试、仿真用KEIL软件来实现。德国KEIL的uVision2，是在世界上占有巨大市场的8051单片机的编译器，它提供了集成开发环境IDE，把编辑、编译、汇编、连接、调试等各阶段都集成在一个程序内，先用编辑器编写程序，接着调用编译器进行编译、连接后进行了仿真运行。图4-3 防抱死控制程序流程图4.3. 单片机控制小系统汽车防抱死制动系统是一个典型的计算机控制系统，其核心部分是电子控制单元。它一方面负责将传感器信号A/D转换或将数字输入信号采集到计算机的内存中去进行分析处理，另一方面要将控制命令通过D/A转换或数字输出去驱动作动系统，而电子控制单元内部CPU通过软件编程来实现各种控制算法，所以电子控制单元是控制系统的关键，它的实现取决于所选取的计算机的类型。相对于ABS，对基于车轮滑移率的控制方式而言，输入电子控制单元的信号是速度脉冲，它由传感器采集感应出正弦信号，经过模拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号，然后通过单片机的定时/计数器端口或数字输入端口输入到单片机内存中去。单片机内部的微处理芯片将输入的各个轮速信号按一定的算法进行计算，如计算车辆参考速度和车轮角减速度，根据这些值的大小确定出相应的控制命令，即压力增加、压力减小及压力保持，然后将控制信号通过数字输出端口输出，经过模拟电路的驱动功率放大就可以直接驱动电磁阀，进而控制制动压力。同时输出的信号中还包括报警指示等4 。就目前而言，实现汽车的控制系统一般采用单片计算机，在开发阶段也有采用通用CPU的，采用CPU在于可以利用CPU强大的软、硬件资源以及网络功能实现复杂的控制算法、高效的编程手段以及高速的运算速度。但作为研制的最终产品，无一例外都采用单片机作为电子控制单元的核心。4.4. 防抱死制动系统轮速传感器车轮速度传感器将车轮速度信号传给ABS电子控制单元，ECU通过计算决定电磁阀是否应该动作。因此，车轮速度传感器的性能好坏直接影响着ABS制动系统能否正常工作。4.4.1. 轮速传感器的结构图4-4 车轮传感器安装位置由于电磁式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素影响，所以目前ABS中的轮速传感器广泛采用变磁阻式的被动电磁式的结构。车轮速度传感器是一种通过磁通量变化而感应电压的装置，在每个车轮上安装一个，共4个，一般由磁感应传感头与齿圈组成。(其安装位置如图4-4 )。传感头是一个静止部件，通常由永久磁铁、电磁线圈和磁极等构成，安装在每个车轮的托架上。齿圈是一个运动部件，一般安装在轮毂或轮轴上与车轮一起旋转。传感头磁极与齿圈的端面有一空气隙，一般在1mm左右，通常可移动传感头的位置来调整间隙2 。在实际安装中，可以用一个厚度与空气隙大小一样纸盘贴在传感头磁极面上，纸盘的另一面紧挨齿圈凸出端面，然后固定传感头即可。 4.4.2. 轮速传感器工作原理轮速传感器的工作原理与交流发电机的工作原理相同。传感头与齿圈紧挨着固定，当齿圈随车轮旋转时，在永久磁铁的电磁感应线圈中就产生一交流信号(这是因为齿圈上齿峰与齿谷通过时引起磁场强弱变化的缘故)，交流信号的频率与车轮速度成正比，交流信号的振幅随轮速的变化而变化12。4.5. 电源设计4.5.1. 电源工作原理电子控制单元的核心是单片机，其对供电电源的要求很高。而蓄电池的电压是不稳定的，用电器的大电感在断开时会在电路中产生高频振荡电磁波，峰值可达到280V，同时点火电路造成的负脉冲电压峰值可达50-100V，并在电气系统中以一定频率出现，文中所设计的电源可以有效的解决此问题1。系统稳压电源如图4-5所示，它能把蓄电池提供的不稳定的24V电压变为可供单片机使用的高稳定电压3.3V。此电压变换电路用78XX系列集成三端稳压器。三端稳压电源输出电流为100mA-3A稳压系数为0.005 %-0.02%，纹波抑制比为56-68dB,能够较好的满足单片机对电压的需求。图中，C1可以防止由于输入引线较长带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。最后用电压可调的集成三端稳压器LM317通过调节R2输出单片机工作电压3.3V。 电路中采用两块78XX系列三端稳压模块和一块LM317可调式三端稳压模块,其中LM7812C为后级提供合适的输入电压，LM7805C同时也为下一级提供合适的输入电压，最终不但可以为单片机提供稳定的电源，而且还可以提供多种电压的输出以满足不同的需要。图4-5直流稳压电源电路4.5.1. 电源电路仿真及分析对直流电源稳压电路分别进行噪声仿真、温度仿真分析和电压输出仿真，模拟仿真结果如下图所示：图46 电源仿真结果（噪声分析）图47 电源仿真结果（温度分析）图48 电源仿真结果（电压输出仿真）从仿真结果可以看出电源的噪声系数较好，能满足设计要求，而当输入电压在1536V之间波动时，输出的电压依然可以保持在3.3V，可以为电控单元提供稳定的电压，能满足设计要求。4.6. 输出功率驱动电路设计4.6.1. 驱动电路工作原理分析CPU输出的信号非常小，而ABS的动作电流则为1A2A，所以CPU输出信号要经放大后才能驱动电磁阀。因此设计了下图49功率驱动电路，该功率驱动电路不仅可以满足电磁阀的驱动需要，而且还能有效的抑制共模信号的放大。输出功率驱动电路如图4-9所示。功率驱动电路采用的是F007通用型集成运放。其输入级是一个输入电阻大，输入端耐压高，对温漂和共模信号抑制能力强、有较大差模放大倍数的双端输入、单端输出的差分放大电路。中间级采用复合管为放大管，以电流源为集电极负载的共射放大电路，具有很强的放大能力。输出级为准互补电路，可以有效的消除失真现象。由电路图可知： (1) (2) 将（1）式代入（2）可得： 待添加的隐藏文字内容3输出的电压可以通过调节Rf, R ，R1，R2，等进行调整，以达到输出的要求图4-9功率驱动电路4.1.2. 功率驱动电路输出仿真及分析图4-10 功率驱动电路纹波系数仿真图4-11 功率驱动电路输入瞬时信号图4-12 功率驱动电路输出瞬时信号通过对仿真结果的分析可以看出该电路设计达到要求，可以满足驱动电路的需要。5. 结束语 汽车制动防抱系统能保持汽车制动时的方向稳定性并有限度地缩短制动距离，在提高汽车制动安全性方面作用明显，使得全世界对ABS的应用都非常重视，我国汽车工业发展规划也把ABS技术的开发应用列为首位。结合国内外汽车工业的发展状祝，以汽车制动防抱系统为研究对象，着眼于ABS基本理论的深化和关键技术的解决和发展，不但是非常必要的而且具有深远的意义，可有力地推动汽车工业发展的现代化进程。参考文献：1 刘振闻,陈幼平.汽车电器与电子技术M人民交通出版社，2005.7.2 陈在峰,宋键,于良耀.汽车防抱死制动系统轮速传感器信号处理J.汽车工程.2000,22(4)：42-483 熊 坚汽车制动防抱死控制信号分析及门值的选取J云南工业大学学报，1997(2):56-584 陆文昌，毛务本.汽车防抱死制动系统轮速传感器信号处理J.江苏大学学报(自然科学版)，2002 , 23 (4):36-415 M. 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