ABS汽車防抱死制動系統(tǒng)設計【畢業(yè)論文】【汽車專業(yè)】

本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 摘 要 ABS 系統(tǒng)可以顯著提高或改善汽車緊急制動時的操控性和穩(wěn)定性，縮短了制動距離，是一種新型的汽車電子控制產(chǎn)品，并得到了越來越廣泛的應用。 本文以轎車為研究對象，展開對汽車 ABS 的研究。主要完成了以下的工作： 通過對單個車輪時的受力分析確定了影響車輪附著系數(shù)的主要因素； 通過比較電磁感應式輪速傳感器和霍爾效應傳感器的性能優(yōu)缺點，采用并設計了霍爾效應式輪速傳感器； 通過對控制結(jié)構(gòu)的分析設計了以 INTEL公司生產(chǎn)的 80C196KC單片機為核心的實時控制系統(tǒng)，包括信號輸入電路、控制輸出電路、驅(qū)動電路等硬件部 分； 經(jīng)比較各種控制方案，確定了“邏輯門限制法”作為控制方案，并選用加速度和滑移率的組合作為控制參數(shù)。采用事件門限來計算車輪的轉(zhuǎn)速。 本文通過學習比較根據(jù)所學只是設計了 ABS 控制系統(tǒng)。從理論上實現(xiàn)了 ABS的控制功能，完成了設計要求。在設計過程中對汽車制動理論和制動裝置有了較為深入的了解，擴大了自己的知識面，自己解決問題的能力也得到了提高。 關(guān)鍵詞： 防抱死制動系統(tǒng) 電子控制單元 門限值滑移率 輪速傳感器 本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 ABSTRCT Anti-lock Braking System (ABS) is an important device to improve the active safety of vehicle. ABS can greatly improve steering control ability during the brake maneuver and shorten stopping distance. Today with the improvement of the vehicle speed, ABS is applied widely. With the car as the research object, the research 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 capability of electromagnetism rotate speed sensor with Houer rotate speed sensor, we chose the later, and have designed a sensor of this kind. Via analyse the control system structure, we have designed a real-time system with the singlechip 80c196kc produced by Intel company .It comprises with signal input, singlechip system, output, drive electro circuit and otherwise parts of hardware segment. After comparing the different projects of the controllers, the method of logic rate has been comfirmed, and the combination of acceleration and slippage rate as been chose as control parameters. The time gate method to calculate the wheel rotate speed was adopted. In this paper, based on the knowledge I have mastered, I designed a ABS system and realized the control function in theory, accomplished my assignment. I have gotten a in-depth understand of motorcar trig theory and equipment. It widen my knowledge scope, improved my ability of solving problems. Kyewords: ABS electronic control slippage gate rotate speed sensor 目 錄 1 防抱死制動系統(tǒng)概述 . 1 1.1 ABS 的功能 . 1 1.2 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史 . 2 1.3 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 . 3 本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 1.4 國內(nèi) ABS 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有 代表的 ABS 產(chǎn)品公司 . 5 2 防抱死制動系統(tǒng)基本原理 . 7 2.1 制動時汽車的運動 . 7 2.1.1 制動時汽車受力分析 . 7 2.1.2 車輪抱死時汽車運動情況 . 8 2.2 滑移率定義 . 10 2.3 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系 . 10 2.4 制動時車輪運動方程 . 12 2.5 采用防抱死制動的必要性 . 13 2.6 防抱死制動系統(tǒng)的基本工作原理 . 14 3 防抱死制動系統(tǒng)硬件設計 . 18 3.1 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式與組成 . 18 3.1.1 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式 . 18 3.1.2 防抱死制動系統(tǒng)的基本組成 . 21 3.2 80C196KC 最小系統(tǒng) . 23 3.2.1 CPU 簡介 . 24 3.2.2 時鐘電路設計 . 28 3.3 防抱死制動系統(tǒng)輪速傳感器選擇 . 29 3.3.1 霍爾傳感器的設計 . 32 3.3.2 霍爾開關(guān)電路的選擇 . 32 3.3.3 傳感器齒盤的設計 . 34 3.4 防抱死制動調(diào)壓系統(tǒng) 工作過程 9 . 35 3.5 電源設計 . 39 3.6 信號輸入電路設計 . 39 3.7 電磁閥驅(qū)動電路的設計 . 40 3.8 泵電機驅(qū)動電路的設計 . 43 3.9 ABS 系統(tǒng)報警 LED 燈設計 . 44 3.10 EPROM 和 RAM 的擴展 . 45 3.11故障診斷硬件電路設計 . 47 3.12 硬件抗干擾設計 . 48 3.13 車輪制動器的選擇 . 52 4 防抱死制動系統(tǒng)軟件設計 . 54 4.1 控制方案和控制參數(shù)的選取 . 55 4.2 控制參數(shù)及其計算 . 56 4.2.1 門限減速度的求取 . 56 4.2.2 門限加速度的求取 . 58 4.2.3 路面識別技術(shù) . 58 4.2.4 車身參考速度的確定 . 58 本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 4.3 控制過程 . 62 4.4 程序設計 . 65 5 結(jié)論與展望 . 67 5.1 研究工作總結(jié) . 67 5.2 防抱死制動系統(tǒng)發(fā)展方向 . 67 參考文獻 . 70 英文翻譯 . 68 附錄 . 77 致謝 . 84 1 防抱死制動系統(tǒng)概述 1.1 ABS 的功能 汽車 ABS 在高速制動時用來防止車輪抱死， 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 本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 動時，汽車輕者會發(fā)生側(cè)滑，嚴重時會掉頭、甩尾，甚至產(chǎn)生劇烈旋轉(zhuǎn)。制動力過大，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面車道，即使不是彎道也無法躲避障礙物，產(chǎn)生這些危險狀況的原因在于汽車的車輪在制動過程中產(chǎn)生抱死現(xiàn)象，此時，車輪相對于路面的運動不再是滾動，而是滑動，路面作用在輪胎上的側(cè)滑摩擦力和縱向制動力變得很小，路 面越滑，車輪越容易。總之，汽車制動時車輪如果抱死將產(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；制動效率下降，延長了制動距離；輪胎過度磨損，產(chǎn)生 “ 小平面 ” ，甚至爆胎。 ABS 防抱死制動裝置就是為了防止上述缺陷的發(fā)生而研制的裝置，它有以下幾點好處：增加制動穩(wěn)定性，防止方向失控、側(cè)滑和甩尾；提高制動效率，縮短制動距離（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死個車輪的輪速信號、剎車信號，個別車型還有減速度信號 、手剎車或車油面信號。 ABS 的第一個優(yōu)點是增加了汽車制動時候的穩(wěn)定性。汽車制動時，四個輪子上的制動力是不一樣的，如果汽車的前輪抱死，駕駛員就無法控制汽車的行駛方向，這是非常危險的；倘若汽車的后輪先抱死，則會出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使汽車整個掉頭等嚴重事故。 ABS 可以防止四個輪子制動時被完全抱死，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，可使因車論側(cè)滑引起的事故比例下降 8%左右。 ABS 的第二個優(yōu)點是能縮短制動距離。這是因為在同樣緊急制動的情況下，ABS 可以將滑移率（汽車華東距離與行 駛的比）控制在 20%左右，即可獲得最大的縱向制動力的結(jié)果。 ABS 的第三個優(yōu)點是改善了輪胎的磨損狀況，防止爆胎。事實上，車輪抱死會造成輪胎小平面磨損，輪胎面損耗會不均勻，使輪胎磨損消耗費增加，嚴重時將無法繼續(xù)使用。因此，裝有 ABS 具有一定的經(jīng)濟效益和安全保障。 另外， ABS 使用方便，工作可靠。 ABS 的使用與普通制動系統(tǒng)的使用幾乎沒有區(qū)別，緊急制動時只有把腳用力踏在制動踏板上， ABS 就會根據(jù)情況進入工作狀態(tài)，即使雨雪路滑， ABS 也會使制動狀態(tài)保持在最佳點。 ABS 利用電腦控制車輪制動力，可以充分發(fā)揮制動器的效能 ，提高制動減速度和縮短制動距離，并能有效地提高車輛制動的穩(wěn)定性，防止車輛側(cè)滑和甩尾，減少車禍事故的發(fā)生，因此被認為是當前提高汽車行駛安全性的有效措施。目前 ABS 已經(jīng)在國內(nèi)外中高級轎和客車上得到了廣泛使用。 1.2 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ABS 裝置最早應用在飛機和火車上，而在汽車上的應用比較晚。鐵路機車在 本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 制動時如果制動強度過大，車輪就會很容易抱死在平 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)生噪聲和掙動。 1908 年英國工程師 J. E. Francis 提出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動控制器 ” 理論，但卻無法將它實用化。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 “ 車輪抱死防止器 ” 等嘗試都宣告失敗。在 1941 年出版的汽車科技手冊中寫到： “ 到現(xiàn)在為止，任何通過機械裝置防止車輪抱死危險的嘗試皆尚未成功，當這項裝置成功的那一天，即是交通安全史上的一個重要里程碑 ” ，可惜該書的作者恐怕沒想到這一天竟還要再等 30 年之久。 當時開發(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)實時監(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，在那個沒有集成電路與計算機的年代，沒有任何機械裝置能夠達成如此敏捷的反應！等到 ABS 系統(tǒng)的誕生露出一線曙光時，已經(jīng)是半導體技術(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（博世）研發(fā) ABS 系統(tǒng)的起源要追溯到1936 年，當年 Bosch 申請 “ 機動車輛防止剎車抱死裝置 ” 的專利。 1964 年（也是集成電路誕生的一年） Bosch 公司再度開始 ABS 的研發(fā)計劃，最后有了 “ 通過電子裝置控制來防止車輪抱死是可行的 ” 結(jié)論，這是 ABS（ Antilock Braking System）名詞在歷史上第一次出現(xiàn)！世界上第一具 ABS 原型機于 1966 年出現(xiàn)，向世人證明“ 縮短剎車距離 ” 并非不可能完成的任務。因為投入的資金過于龐大， ABS 初期的應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 ABS 1， 該系統(tǒng)已具備量產(chǎn)基礎，但可靠性不足，而且控制單元內(nèi)的組件超過 1000 個，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 達成協(xié)議，將 ABS 系統(tǒng)的開發(fā)計劃完全委托 Bosch公司整合執(zhí)行。 “ABS 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)字式組件進行設計，不但控制單元內(nèi)組件數(shù)目從 1000 個銳減到 140 個，而且有造價降低、可靠性大幅提升與運算速度明顯加快的三大優(yōu)勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬于 1978 年底決定將 ABS 2 這項高科技系統(tǒng)裝置在 S級及 7 系列車款上。 在誕生的前 3年中， ABS 系統(tǒng)都苦于成本過于高昂而無法開拓市場。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， Bosch 開始 TCS 循跡控制系統(tǒng)的研發(fā)計劃。 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。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 列為旗下主力雪佛蘭車系的標準配備。 本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 圖 1-1 BOSCH防抱死制動系統(tǒng) 1.3 防抱死制動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （ 1） ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動防抱死裝置多是電子計算機 控制，這也反映了現(xiàn)代汽車制動系向電子化方向發(fā)展?；诨坡实目刂扑惴ㄈ菀讓崿F(xiàn)連續(xù)控制，且有十分明確的理論加以指導，但目前制約其發(fā)展的瓶頸主要是實現(xiàn)的成本問題。隨著體積更小、價格更便宜、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確而快速。 全電制動控制系統(tǒng) BBW (Brake-By-Wire)是未來制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。它不同于傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，其傳遞的是電，而不是液壓油或壓縮空氣，可以省略許多管路和傳感器，縮短制動反應時間，維護簡單，易于改進，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)動能源問題，控制系統(tǒng)失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統(tǒng)首先用在混合動力制動系統(tǒng)車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統(tǒng)。 （ 2）防滑控制系統(tǒng)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)動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅(qū)動力，并具有行駛穩(wěn)定性，減少輪胎磨損和發(fā)動機的功耗，增加有效的驅(qū)動牽引力。防滑控制系統(tǒng)包括兩部分 :制動防滑與發(fā)動機牽引 力控制。制動部分是當驅(qū)動輪 (后輪 )在低附著系數(shù)路面工作時，由于驅(qū)動力過大，則產(chǎn)生打滑，當 ASR 制動部分工作時，通過傳感器將非驅(qū)動輪及驅(qū)動輪的輪速信號采集到控制器 中，控制器根據(jù)輪速信號計算出驅(qū)動車輪滑移率及車輪減、加速度， 本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 當滑移率或減、加速度超過某一設定閥值時，則控制器打開開關(guān)閥，氣壓由儲氣筒直接進入 制動氣室進行制動，由于三通單向閥的作用氣壓只能進入打滑驅(qū)動輪的制動氣 室，在低附著系數(shù)路面上制動時，輪速對壓力十分敏感，壓力稍稍過大，車輪就會抱死。為此利用 ABS 電磁閥對制動壓力進行精細的調(diào)節(jié)，即用小步長增壓或減壓，以達到最佳的車輪滑移的效果 既可以得到最大驅(qū)動力，也可保持行駛的穩(wěn)定性。 （ 3）電子控制制動系統(tǒng)由于 ass 在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統(tǒng)的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些，出現(xiàn)了電子制動控制系統(tǒng) EBS (Electronics Break System)它是將氣壓傳動改為電線傳動，縮短了制動響應時間。最重要的特點是各個車輪上制動力可以獨立控制?？刂茝姸葎t由司機踏板位移信號的大小來決定，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)形成一個控制回路，來實現(xiàn)各種 控制功能，如制動力分布控制、減速控制、牽引車與掛車處禍合力控制等。 （ 4）車輛動力學控制系統(tǒng)車輛動力學控制系統(tǒng) VDC (Vehicle Dynamics Control)是在 ABS 的基礎上通過測量方向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和側(cè)向加速度對車輛的運動狀態(tài)進行控制。 VDC 系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向角、油門、制動壓力，通過觀測器決定出車輛應具有的名義運動狀態(tài)。同時由輪速、橫擺角速度和側(cè)向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態(tài)。名義狀態(tài)與實際狀態(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到最小，實現(xiàn)的方法則是利用車輪滑移率特性 。車輛動力學控制系統(tǒng)目的是改善車輛操縱的穩(wěn)定性，它可以在車輛運動狀態(tài)處于危險狀態(tài)下自動進行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態(tài)，使車輛處于穩(wěn)定的運動狀態(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)將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數(shù)量，從而降低整車成本，朝著系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。目前多使用 CAN 控制器局域網(wǎng)絡 (Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件 之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 1.4 國內(nèi) ABS 系統(tǒng)研究的理論狀態(tài)和具有代表的 ABS 產(chǎn)品公司 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 ,諸如東風汽車公司、重慶公路研究所、西安公路學院、清華大學、吉林大學、北京理工大學、上海汽車制動有限公司和山東重汽集團等。具有代表性的有以下幾個。清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室有宋健等多名博導、教授 ,有很強的科技實力 ,他們還配套有一批先進的儀器設備 ,如汽車力學參數(shù)綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞試驗臺及翻轉(zhuǎn)試驗臺、模擬人及標定試驗臺、 Kodak 高速圖 像運動分析系統(tǒng)、電液振動臺、直流電力測功機、發(fā)動機排放分析儀、發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)裝 本科生畢業(yè)設計 第 9 頁 置及工況模擬器、計算機工作站及 ADAMS、 IDEAS 軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統(tǒng)試驗臺等。該實驗室針對 ABS 做了多方面的研究 ,其中 ,在 ABS 控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱死電磁閥動作響應研究等方面的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。 吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗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、汽車操縱動力學、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩(wěn)態(tài) 和非 穩(wěn)態(tài)側(cè)偏特性的研究 ,在輪胎力學模型、汽車操縱穩(wěn)定性以及人 - 車閉環(huán)操縱運動仿真等方面的研究成果均達到世界先進水平。 華南理工交通學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)設計計算的研究 ,在 ABS 技術(shù)方面有獨到之處 ,能夠建立制動壓力函數(shù) ,通過車輪地面制動力和整車動力學方程計算出汽車制動的平均減速度和車速 ；還可以通過輪缸等效壓力函數(shù)計算防抱死制動時的滑移率。另外 ,在滑移率和附著系數(shù)之間的關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和試驗方法方面也有獨到見解。 濟南程軍電子科技公司以 ABS 專家程軍為代表的濟 南程軍電子科技公司對ABS 控制算法研究頗深 ,著有汽車防抱死制動系統(tǒng)的理論與實踐等專著幾本 ,專門講述 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)境實現(xiàn)防抱死控制邏輯、基于 VB 開發(fā)環(huán)境進行車輛操縱仿真和車輛動力學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 氣制動電子式單通道、JN144FB 氣制動電子式四通道和 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)督檢測中心的認定 ,獲得國家實用新技術(shù)專利 ,并正式被列為國家火炬項目計劃。 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械工業(yè)局新產(chǎn)品鑒定 ,認為該項技術(shù)已達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。 山東重汽集團引進國際先進技術(shù)進行的研究也已取得了一些進展。 重慶公路研究所研制的適用于中型汽車的氣制動 FKX - ACI 型 ABS 裝置已通過國家級技術(shù)鑒定 ,但各種制動情況的適應性還有待提高。 清華大學研制的適用于中型客車的氣制動 ABS 由于資源價格和性能上的優(yōu)勢 ,陶瓷材料的應用將迅速擴展 ；金剛石和 CBN 超硬材料的應用將進一步擴大 ；新刀具材料的研制周期會越來越短 ,新品種新牌號的推出也將越來越快。人們所希望的既有高速鋼、硬質(zhì)合金的強度和韌性 ,又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出現(xiàn)。 本文主要講述以 80C196KC 單片機為核心，完成了信號輸入回路、輸出驅(qū)動回 本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 路、電源部分及故障診斷等硬件電路設計，對輪速傳感器、電磁閥 等的故障檢測電路進行了設計。 本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 2防抱死制動系統(tǒng)基本原理 2.1 制動時汽車的運動 2.1.1 制動時汽車受力分析 汽車在制動的過程中主要受到地面給汽車的作用力、風的阻力和自身重力的作用。地面對汽車的作用力又分為 :作用在車輪上垂直于地面的支承力和作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直線行駛并受橫向外界干擾力作用和汽車轉(zhuǎn)彎時所受到地面給汽車的力如圖 2-1所示。其中 Fx 為地面作用在每個車輪上的地面制動力，他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力的總和作為 地面給汽車的總的地面制動力，他是使汽車在制動時減 速并停止的主要作用力。 Fy 為地面作用在每個車輪上的側(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，當車輪抱死時，側(cè)滑摩擦力將變得很小，幾乎為零。汽車直線制動時，若受到橫向干擾力的作用，如橫向風力或路面不平，汽車將產(chǎn)生側(cè)滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖 2-1（ a） 圖 2-1 汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動時的平面受力簡圖 所示。若汽車在轉(zhuǎn)彎時制動或在制動時轉(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 (b)所示。地面制動力決定制動距離的長短 ，側(cè)滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩(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)彎力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)，它保證了汽車的行進方向。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。 如上所述，施加適當?shù)闹苿?，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大，是汽車發(fā)生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據(jù)冰路、雪路、 本科生畢業(yè)設計 第 12 頁 砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據(jù)汽車 速度、方向轉(zhuǎn)角等行駛條件進行制動操作，必須時常注意不能讓車輪完全抱死。 2.1.2 車輪抱死時汽車運動情況 車輪抱死時汽車所受到的側(cè)滑摩擦力將會變的很小，這將使汽車制動時保持方向操縱性和方向穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向力變的很小，使汽車在制動時出現(xiàn)一些危險的運動情況。對 ABS 系統(tǒng)來說，就是要防止這些危險情況的出現(xiàn)。下面從汽車在一種路面上直線和轉(zhuǎn)彎制動兩方面簡單討論一下當車輪抱死時汽車的運動情況。 （ 1）汽車在一種路面上直線運動制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖2-2 所示。圖 2-2 (a)為只有前輪抱死時，由于前輪 的轉(zhuǎn)彎力基本為零，無法進行正常的轉(zhuǎn)向操作。為制動時前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運動情況示意，當前輪抱死時轉(zhuǎn)彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉(zhuǎn)向來避讓前方的障礙物，這時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2-2 (b)為只有后輪抱死時，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因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 (這種運動叫外旋轉(zhuǎn) )。圖 2-2 (c)為前后車輪全部抱死時時轉(zhuǎn)彎力和側(cè)向 力都為零，這種狀態(tài)很不穩(wěn)定，路面不均勻、左右輪地面制動力不相等時，即使對汽車施加很小的偏轉(zhuǎn)力矩，汽車就會產(chǎn)生不規(guī)則運動而處于危險狀態(tài)，在不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的過程中將制動釋放，汽車就會沿著瞬時行駛方向急速駛出，這也是很危險的。 （ 2）汽車在一種路面上轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時可能出現(xiàn)的運動情況如圖 2-3 所示。所有這些運動情況若在制動時出現(xiàn)，都是極其危險的 。 從上面對出現(xiàn)這些危險運動情況的簡單分析可以看出，制動時車輪抱死導致汽車出現(xiàn)各種危險運動情況，實質(zhì)上是汽車因失去相應的維持本身方向穩(wěn)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車出現(xiàn) 這些運動情況，即車輪抱死導致汽車的側(cè)滑摩擦力為零。車輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側(cè)滑摩擦力之間存在一定的關(guān)系， ABS 之所以能防止汽車制動時出現(xiàn)危險的運動情況，就是根據(jù)這個關(guān)系來調(diào)整車輪的運動狀態(tài)，以避免側(cè)滑摩擦力為零。 本科生畢業(yè)設計 第 13 頁 圖 2-2 汽車直線制動車輪抱死時的運動情況 圖 2-3 汽車轉(zhuǎn)彎制動車輪抱死時的運動情況 本科生畢業(yè)設計 第 14 頁 2.2滑移率定義 通常 ,汽車在制動過程中存在著兩種阻力 :一種阻力是制動器摩擦片與制動鼓或制動盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,這種阻力稱為制動系統(tǒng)的阻力 ,由于它提供制動時的制動力 ,因此也稱為制 動系制動力 ；另一種阻力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦阻力 ,也稱為地面制動力。地面對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。如果制動系制動力小于輪胎 - 道路附著力 ,則汽車制動時會保持穩(wěn)定狀態(tài) ,反之 ,如果制動系制動力大于輪胎 - 道路附著力 ,則汽車制動時會出現(xiàn)車輪抱死和滑移。 地面制動力受地面附著系數(shù)的制約。當制動器產(chǎn)生的制動系制動力增大到一定值 (大于附著力 )時 ,汽車輪胎將在地面上出現(xiàn)滑移。汽車的實際車速與車輪滾動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 : 1VV rS -（ 2-3） 錯誤 !未找到引用源。 式中 :S 滑移率 ； Vt 汽車的理論速度 (車輪中心的速度 ) ； 汽車車輪的角速度 ； r 汽車車輪的滾動半徑。 由上式可知 :當車輪中心的速度 (即汽車的實際車速 ) Vt 等于車輪的角速度 和車輪滾動半徑 r 乘積時 ,滑移率為零 ( S = 0) ,車輪為純滾動 ；當 = 0 時 ,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純 滑動 ；當 0 S 100 %時 ,車輪既滾動又滑動。 2.3 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 圖 2-4 給出車輪與路面縱向附著系數(shù)和橫向附著系數(shù)隨滑移率變化的典型曲線。當輪胎純滾動時 ,縱向附著系數(shù)為零 ；當滑移率為 15 % 30 %時 ,縱向附著數(shù)達到峰值 ；當滑移率繼續(xù)增大 ,縱向附著系數(shù)持續(xù)下降 ,直到車輪抱死 ( S = 100 %) ,縱向附著系數(shù)降到一個較低值。另外 ,隨著滑移率增大 ,橫向附著系數(shù)急劇下降 ,當車輪抱死時 ,橫向附著系數(shù)幾乎為零。從圖 1 可以看出 ,如果能將車輪滑移率控制在 15 % 30 %的范圍內(nèi) ,則既可 以使縱向附著系數(shù)接近峰值 ,同時又可以兼顧到較大的側(cè)向附著系數(shù)。這樣 ,汽車就能獲得最佳的制動效能和方向穩(wěn)定性。 ABS 即是基于這一原理而研制的。 本科生畢業(yè)設計 第 15 頁 圖 2-4 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系 實驗證明，道路的附著系數(shù)受車輪結(jié)構(gòu)、材料，道路表面形狀、材料有關(guān)，不同性質(zhì)道路其附著系數(shù)變化很大。圖 2.5給出了不同類型路面上滑移率 -縱向附著系數(shù)之間的關(guān)系。 圖 2-5 不同路面上縱向、側(cè)向附著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線 由圖 2-5可以看出，各種路面上的變化的總體趨勢是一致的?；坡屎涂v向附著系數(shù)之間的關(guān)系曲線 隨路面類型的不同，出現(xiàn)峰值的滑移率的取值也會不一樣， 本科生畢業(yè)設計 第 16 頁 并且對應不同路面類型的滑移率 -縱向附著系數(shù)曲線在峰值附著系數(shù)后曲線下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在濕滑的路面上略微有些下降。一般干燥潔凈的平整水泥、瀝青路面縱向峰值附著系數(shù)高達 0.8-0.9，而冰雪路面的縱向峰值附著系數(shù)低至 0.1-0.2。如果這種差別隨路面類型的不同變化比較明顯，則在設計 ABS系統(tǒng)控制方法時，就必須考慮到隨路面類型的不同而采取不同的控制目標和策略。若汽車在同一種類型路面上制動時的初速度不一樣，車輪的縱向附著系數(shù)和滑移率之 間的關(guān)系曲線也會略有不同，制動時的車速越高，車輪的縱向附著系數(shù)越低。但在同一路面上以不同制動初速度制動時車輪的附著系數(shù) -滑移率關(guān)系曲線不會有太大變化。 總之，對于在一種路面上制動的汽車，車輪附著系數(shù)和滑移率之間的非線性特性是決定汽車制動性能的主要因素。實際上，汽車的制動過程就是車輪和路面之間的一種非線性變化過程，即車輪附著系數(shù)隨車輪運動狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動過程是一種非線性的制動過程。制動時汽車通過制動系統(tǒng)改變車輪的運動狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個非線性的制動過程。 2.4 制動 時車輪運動方程 制動過程單輪受力如圖 2-6所示。 圖 2-6 制動過程車輪受力簡圖 制動車輪軸荷與支撐力 N平衡，該輪轉(zhuǎn)動慣量 J，半徑 r:，軸心平移速度 V，轉(zhuǎn)動角速度 ，制動器制動力矩 錯誤 !未找到引用源。 ，通常與車輪制動壓力成正比系數(shù)K, 則有地面制動力bF，緊急制動不計滑動阻力。則有 本科生畢業(yè)設計 第 17 頁 制動時制動力遠大于空氣阻力和滾動阻力， 錯誤 !未找到引用源。 ， 錯誤 !未找到引用源。 ，分別為右側(cè)前后輪制動力，汽車初速為 錯誤 !未找到引用源。 ，質(zhì)量為 m(重力 G)，質(zhì)心 c到前后軸距離 錯誤 !未找到引用源。 ,錯誤 !未找到引用源。 ，軸距 L,輪距B,質(zhì)心高 hg,汽車制動減速為 錯誤 !未找到引用源。 前軸載荷 錯誤 !未找到引用源。 后軸載荷 錯誤 !未找到引用源。 制動時附加轉(zhuǎn)向力矩 錯誤 !未找到引用源。 -錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 從式 (2-4)可知，調(diào)節(jié)制動壓力可以使車輪角減速度產(chǎn)生變化 :從式 (2-10)計算制動時的瞬時車速 V，可計算各車輪滑移率，從式 (2-7) (2-8)及各軸載荷可以判斷道路附著系數(shù)，并進行調(diào)節(jié)，故知 ABS可以用 dW/dt(角加速度 )或滑移率 S，或滑移率與角加速度聯(lián)合作為控制參數(shù)。 2.5 采用防抱死制動系統(tǒng)的必要性 汽車直線行駛過程中，突然緊急制動，汽車車輪一下子抱死，汽車仍然向前行滑，輪胎和地面之間發(fā)出嚇人的磨擦聲，汽車最后終于停了下來。在日常生活中，大家都可能遇到過這種現(xiàn)象。如果汽車發(fā)生交 通事故，交通警察來了之后首先總是檢查一下汽車制動痕跡，判斷司機在事故中是否采取了制動措施。然后再測量一下制動距離，看一看該車制動效果好不好。當輪胎的滑移率在 8%25%時，輪胎和她面的摩擦力 (附著力 )最大。如果輪胎的滑移率過大的話，附著力反而要降低。如果司機能控制輪胎的滑移率，使其在制動期間始終處于 8%-25%范圍之內(nèi)，汽車將在更短的制動距離內(nèi)停車。 當汽車轉(zhuǎn)向時，如果汽車緊急制動的話，和直線行駛一樣會出現(xiàn)車輪抱死現(xiàn)象。由于車輪抱死，汽車的側(cè)向附著力變成了零，汽車輪胎出現(xiàn)側(cè)向滑動，汽車喪夫了控制方向的能 力，這是十分危險的。汽車的側(cè)向附著力和制動力之間的關(guān)系十分緊密。在不制動的時候，輪胎前后方向的滑動為零，這時車輪側(cè)向附著力最大。司機踏動制動踏板，隨著制動力的加大，輪胎的滑移率增加，側(cè)向附著力逐漸減速小。最后，當輪胎的滑移率達到 100%時，輪胎抱死。這樣汽車的側(cè)向附著力幾乎等于零。此時汽車正在轉(zhuǎn)彎中，輪胎開始出現(xiàn)側(cè)向滑動。在車輪抱死之后，方向盤己經(jīng)不起作用了，汽車陷入了不能控制方向的困境，只有前輪抱死的汽車沿著直線前進最后停車，只有后輪抱死的汽車發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象最后停車，如果 本科生畢業(yè)設計 第 18 頁 前后輪都抱死的話，汽車一邊轉(zhuǎn)一邊沿 直線前進最后停車。上述各種狀態(tài)是極其危險的。為了避免發(fā)生這些現(xiàn)象，司機在踏動制動板時，必須謹慎從事。 在制動過程中，如果始終能使輪胎的滑移率處于 8% 25%范圍之內(nèi)的話，汽車將在最短的制動距離內(nèi)停車并具有良好的控制方向的能力。為了達到上述目的，要求司機在操作時應十分精心，即踏動制動踏板使車輪抱死，然后在輪胎抱死的一瞬間放松制動踏板，輪胎一旦開始轉(zhuǎn)動再踏動制動踏板使車輪抱死，如此反復操作。在摩擦系數(shù)小的光滑路面上，司機在制動時都很小心，唯恐使車輪抱死，但仍很難做到，原因是司機不知道車輪什么時候抱死。除此之外， 汽車行駛 的許多條件也都在變化之中，如道路的路面狀況時時刻刻都在變化，輪胎著地狀 態(tài)也每時每刻各不一樣，前后輪胎的載荷分配更是如此。要完成上述制動要求確實難上加難。當然技術(shù)熟練的司機在某種程度上能根據(jù)各種條件合理地操作制動，如采用點制動?？墒且坏┯錾暇o急狀態(tài)，大多數(shù)人都是一腳踏死制動踏板，使輪胎抱死為此。 上述司機做不到的許多事，利用傳感器就能辦到。將傳感器的數(shù)據(jù)進行整理、判斷、變成執(zhí)行機構(gòu)所必需的信息，這部分工作對于電腦來說是很簡單的，按照 電腦的指令執(zhí)行操作，這在機械結(jié)構(gòu)上也不會有什么大問題。 ABS 系統(tǒng) 調(diào)節(jié)作用到每個車輪制動缸的制動液壓力，以防止無論任何時由于制動過猛而可能引起的車輪抱死。當不再有可能抱死車輪時，再恢復正常壓力。使滑移率控制在一定范圍之內(nèi)。這樣不但提高了車輛行駛的穩(wěn)定性，增強了車輛方向的可控性，而且縮短了制動距離。 2.6 防抱死制動系統(tǒng)基本工作原理 ABS 系統(tǒng)是通過在制動時按一定規(guī)律不斷改變制動液壓力使車輪不產(chǎn)生抱死狀態(tài)的。這種對制動液壓力的改變過程實際上就是 ABS 系統(tǒng)控制方法實施的過程。下面以基于車輪加減速度邏輯門限值的控制方法對直線單一路面的制動過程的控制為例，簡單說明 ABS 的基本工作原理。 ABS 系統(tǒng)在制動時對制動油壓的控制過程如圖 2-7所示。汽車開始制動時，駕駛員踩下制動踏板，制動管路中油壓由零開始上升，制動器使車輪上產(chǎn)生制動力矩，同時產(chǎn)生地面制動力使汽車和車輪都開始減速。此時 ABS 系統(tǒng)不對制動過程進行干預，所以制動油壓迅速增加，車輪減速度也增大。當車輪減速度的值達到規(guī)定的門限值 -a 時，產(chǎn)生減壓信號，圖 2-7 中 1 點所示， ABS 系統(tǒng)開始工作，降低制動油壓。由于液壓制動系統(tǒng)的慣性，車輪減速度仍然下降一段時間，然后開始減小并小于門限值 -a 時，圖 2-7 中 2 點，產(chǎn)生保壓信號 ， ABS 保持制動油壓不變，車輪由減速狀態(tài)進入加速狀態(tài)，車輪速度開始回升并靠近車速，當車輪加速度值達到設定的門限值 +a 時，圖 2-7 中 3 點，產(chǎn)生升壓信號， ABS 使制動油壓上升，車輪加速度在上升一段時間后開始減小，車輪由加速狀態(tài)又進入減速狀態(tài)， 本科生畢業(yè)設計 第 19 頁 并再次進入另一個控制循環(huán)。 ABS 通過這樣的控制過程可以使車輪的速度控制在一定的范圍內(nèi)而不產(chǎn)生抱死。這種控制方法的關(guān)鍵在于對車輪加、減速度門限值的設定，合適的門限值可以使車輪的運動狀態(tài)控制在比較理想的范圍內(nèi)。但顯然門限值的確定需要大量的試驗來確定。除了設定車輪加減速度門限值之 外，還可以根據(jù)控制質(zhì)量和路面類型的不同設定不同的門限值來提高控制的質(zhì)量，如參考滑移率門限值等。 在 ABS 中，每個車輪上各安置一個轉(zhuǎn)速傳感器，將各車輪轉(zhuǎn)速信號輸入電子控制裝置 ECU. ECU 根據(jù)各車輪轉(zhuǎn)傳感器輸入的信號對各個車輪的運動狀態(tài)進行監(jiān)測和判定并形成相應的控制指令。制動壓力調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)壓電磁閥總成、電動泵總成和儲液器等組成一個獨立的整體，通過制動管路與制動主缸和各制動輪缸相連，制動壓力調(diào)節(jié)裝置受電子控制裝置的控制，對各制動輪缸的制動壓力進行調(diào)節(jié)。 本科生畢業(yè)設計 第 20 頁 圖 2-7 基于車輪加減速度邏輯門限值控 制方法的 ABS 系統(tǒng)油壓控制循環(huán)圖 ABS 的工作過程可以分為常規(guī)制動、制動壓力保持、制動壓力減小和制動壓力增大等階段。在常規(guī)制動階段， ABS 并不介入制動壓力控制，調(diào)壓電磁閥總成中的各進液電磁閥均不通電而處于開啟狀態(tài)，各出液壓電磁閥均不通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，電動泵也不通電運轉(zhuǎn)，制動主缸至各制動輪缸的制動管路均處于溝通狀態(tài)，而各制動輪缸至儲液器的制動管路均處于封閉狀態(tài)，各制動輪缸的制動壓力將隨制動主缸的輸出壓力而變化，此時的制動過程與常規(guī)制動系統(tǒng)的制動過程完全相同。在制動過程中，電子控制裝置根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入 的車輪轉(zhuǎn)速信號判定有車輪趨于抱死時， ABS 就進入防抱死制動壓力調(diào)節(jié)過程。例如，當 ECU 判定右前 本科生畢業(yè)設計 第 21 頁 輪趨于抱死時， ECU 就使控制右前輪制動壓力的進液電磁閥通電，使右前進液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，制動主缸輸出的制動液不再進入右前制動輪缸，此時，右前出液電磁閥仍未通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，右前制動輪缸中的制動液也不會流出，右前制動輪缸的制動壓力就保持一定，而其它未趨于抱死車輪的制動壓力仍會隨制動輪缸的制動主缸輸出壓力的增大而增大，如果在右前制動輪缸的制動壓力保持一定時， ECU 判定右前輪仍然趨于抱死， ECU 又使右前出液電磁閥也通 電而轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，右前制動輪缸中的部分制動液就會經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲液器，使右前制動輪缸的制動壓力迅速減小，右前輪的抱死趨勢將開始消除，隨著右前輪的抱死趨勢己經(jīng)完全消除時， ECU 就使右前進液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進液電磁閥轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)，使出液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)同時也使電動泵通電運轉(zhuǎn)，向制動輪缸送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵通電運轉(zhuǎn)，向制動輪缸泵送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵通電運轉(zhuǎn)，向制動輪缸泵送制動液，由制動主缸輸出的制動液和電動泵泵送的制動液都經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的右 前進液電磁閥進入右前制動輪缸，使右前制動輪缸的制動壓力迅速增大，右前輪又開始減速轉(zhuǎn)動。 ABS 通過使趨于抱死車輪的制動壓力循環(huán)往復地經(jīng)歷保持一減小一增大過程，而將趨于抱死車輪的滑移率控制在峰值附著系數(shù)滑移率的上范圍內(nèi)，直至汽車速度減小到很低或者制動主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時為止，制動壓力調(diào)節(jié)循環(huán)的頻率可達 3-20Hz。在該 ABS 中對應于每一個制動輪缸各有一對進液和出液電磁閥，可由 ECU 分別進行控制，因此，各制動輪缸的制動壓力能夠被獨立地調(diào)節(jié)，從而使四個車輪都不發(fā)生制動抱死現(xiàn)象。 本科生畢業(yè)設計 第 22 頁 3 防抱死制動系統(tǒng)硬件設計 3 1 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式與組成 3 1 1 防抱死制動系統(tǒng)的布置形式 ABS 系統(tǒng)中，能夠獨立進行制動壓力調(diào)節(jié)的制動管路稱為控制通道。如果對某車輪的制動壓力可以進行單獨調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為獨立控制；如果對兩個 (或兩以上 )車輪的制動壓力一同進行調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為一同控制。在兩個車輪的制動壓力進行一同控制時，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調(diào)節(jié)，稱這種控制方式為按高選原則一同控制；如果以保證附著力較小的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動 壓力調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為按低選原則一同控制。 按照控制通道數(shù)目的不同， ABS 系統(tǒng)分為四通道、三通道、雙通道和單通道四種形式，而其布置形式卻多種多樣。 (1)四通道 ABS 對應于雙制動管路的 H 型 (前后 )或 X 型 (對角 )兩種布置形式，四通道 ABS 也有兩種布置形式，見圖 3-1(a,b)。 圖 3-1(a,b) 為了對四個車輪的制動壓力進行獨立控制，在每個車輪上各安裝一個轉(zhuǎn)速傳感器，并在通往各制動輪缸的制動管路中各設置一個制動壓力調(diào)節(jié)分裝置 (通道 )。 本科生畢業(yè)設計 第 23 頁 由于四通道 ABS 可以最大程度地利用每個車輪的附著力進行制動 ，因此汽車的制動效能最好。但在附著系數(shù)分離 (兩側(cè)車輪的附著系數(shù)不相等 )的路面上制動時，由于同一軸上的制動力不相等，使得汽車產(chǎn)生較大的偏轉(zhuǎn)力矩而產(chǎn)生制動跑偏。因此， ABS 通常不對四個車輪進行獨立的制動壓力調(diào)節(jié)。 (2)三通道 ABS 四輪 ABS 大多為三通道系統(tǒng)，而三通道系統(tǒng)都是對兩前輪的制動壓力進行單獨控制，對兩后輪的制動壓力按低選原則一同控制，其布置形式見圖 3-1(c)、 (d)、(e)。 圖 3-1(c)、 (d)、 (e) 圖 (c)所示的按對角布置的雙管路制動系統(tǒng)中，雖然在通往四個制動輪缸的制動管路中各設置 一個制動壓力調(diào)節(jié)分裝置，但兩個后制動壓力調(diào)節(jié)分裝置卻是由電子控制裝置一同控制的，實際上仍是三通道 ABS。由于三通道 ABS 對兩后輪進行一同控制，對于后輪驅(qū)動的汽車可以在變速器或主減速器中只設置一個轉(zhuǎn)速傳感器來檢測兩后輪的平均轉(zhuǎn)速。 汽車緊急制動時，會發(fā)生很大的軸荷轉(zhuǎn)移 (前軸荷增加，后軸荷減小 )，使得前輪的附著力比后輪的附著力大很多 (前置前驅(qū)動汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的 70% 80%)。對前輪制動壓力進行獨立控制，可充分利用兩前輪的附著力對汽車進行制動，有利于縮短制動距離，并且汽車的方向穩(wěn)定性卻得到很 大改善。本設計就是為三通道 ABS。 (3)雙通道 ABS 本科生畢業(yè)設計 第 24 頁 圖 3-1(f)所示的雙通道 ABS 在按前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的前后制動管路中各設置一個制動壓力調(diào)節(jié)分裝置，分別對兩前輪和兩后輪進行一同控制。兩前輪可以根據(jù)附著條件進行高選和低選轉(zhuǎn)換，兩后輪則按低選原則一同控制。 對于后輪驅(qū)動的汽車，可以在兩前輪和傳動系中各安裝一個轉(zhuǎn)速傳感器。當在附著系數(shù)分離的路面上進行緊急制動時，兩前輪的制動力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)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力相抗衡，保持汽車行 駛方向的穩(wěn)定性。但是在兩前輪從附著系數(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使汽車向轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向行駛，這在高速行駛時是一種無法控制的危險狀態(tài)。 圖 3-1 （ f）（ g） 圖 3-1(g)所示的雙通道 ABS 多用于制動管路對角布置的汽車上，兩前輪獨立控制，制動液通過比例閥 (P 閥 )按一定比例減壓后傳給對角后輪。 對于采用此控制方式的前輪驅(qū)動汽車，如果在緊急制動時離合器沒有及時分離，前輪 在制動壓力較小時就趨于抱死，而此時后輪的制動力還遠未達到其附著力的水平，汽車的制動力會顯著減小。而對于采用此控制方式的后輪驅(qū)動汽車，如果將比例閥調(diào)整到正常制動情況下前輪趨于抱死時，后輪的制動力接近其附著力，則緊急制動時由于離合器往往難以及時分離，導致后輪抱死，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)向操縱能力和制動距離等方面得到兼顧，因此目前很少被采用。 (4)單通道 ABS 本科生畢業(yè)設計 第 25 頁 所有單通道 ABS 都是在前后布置的雙管路制動系統(tǒng)的后制動管路中設置一個制動壓力調(diào)節(jié)裝置，對于后輪驅(qū)動的汽車只需在 傳動系中安裝一個轉(zhuǎn)速傳感器，如圖 3-1(h)。 圖 3-1(h) 單通道 ABS 一般對兩后輪按低選原則一同控制，其主要作用是提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性。在附著系數(shù)分離的路面上進行制動時，兩后輪的制動力都被限制在處于低附著系數(shù)路面上的后輪的附著力水平，制動距離會有所增加。由于前制動輪缸的制動壓力未被控制，前輪仍然可能發(fā)生制動抱死，所以汽車制動時的轉(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時的方向穩(wěn)定性，又具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，因此在輕型貨車上得到廣泛應用。 3.1 2 防抱死 制動系統(tǒng)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)原理結(jié)構(gòu)組成圖如圖 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式。 ABS 工作時 ECU 接收傳感器送來的車輪信號，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)各個車輪的速度來決定對各個車輪的制動液壓力如何調(diào)節(jié)，并輸出相應的控制信號給各個車輪的液壓控制單元。液壓控制單元接收到信號后對車輪分泵的壓力進行調(diào)節(jié)。傳感器的作用是為 ECU 提供車輪的運動情況， 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)行機構(gòu)。 本科生畢業(yè)設計 第 26 頁 3-2（ a） ABS 系統(tǒng)的組成（分置式） 1、前輪速度傳感器 2、制動壓力調(diào)節(jié)裝置 3、 ABS 電控單元 4、 ABS 警告燈 5、后輪速度傳感器 6、停車燈開關(guān) 7、制動主缸 8、比例分配閥 9、制動輪缸 10、蓄電池 11、點火開關(guān) 3-2（ b）系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖 圖 3-2 ABS 系統(tǒng)的組成 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 本科生畢業(yè)設計 第 27 頁 正弦電信號， ABS 控制單元根據(jù)處理后的 信號計算車輪速度。電子控制單元是整個防抱死制動系統(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，通過計算與邏輯判斷產(chǎn)生相應的控制電信號，操縱電磁閥去調(diào)節(jié)制動壓力。定性的來說，就是當車輪的滑移率不在控制范圍之內(nèi)時， ECU 就輸出一個控制信號，命令電磁閥打開或閉合，從而調(diào)節(jié)制動輪缸壓力，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)，實現(xiàn)汽車的安全、可靠制動。電子控制單元原理圖如圖3-3 所示。 電磁閥是防抱死制動系統(tǒng)的執(zhí)行部件，在沒有控制信號的情況下，該制動系統(tǒng)相當于常規(guī)制動系統(tǒng)，直接輸出最大制動壓力 ；當 ECU 向電磁閥發(fā)出控制信號時，電磁閥動作，對輪缸壓力進行調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)車輪的滑移率，使制動力在接近峰值區(qū)域內(nèi)波動，但又不達到峰值制動力，實現(xiàn)最佳制動效率。 ABS 就是在汽車制動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狀態(tài)。 圖 3-3 原理結(jié)構(gòu)框圖 3.2 80C196KC 最小系統(tǒng) 汽車防抱死制動系統(tǒng)是一個典型的計算機控制系統(tǒng)，其核心部分是電子控制單元。它一方面負責將傳感器信號 AID 轉(zhuǎn)換或?qū)?shù)字輸入信號采集到計算機 的內(nèi)存中去進行分析處理，另一方面要將控制命令通過 D/A 轉(zhuǎn)換或數(shù)字輸出去驅(qū)動作動系統(tǒng)，而電子控制單元內(nèi)部 CPU 通過軟件編程來實現(xiàn)各種控制算法，所以電子控制單元是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的實現(xiàn)取決于所選取的計算機的類型。相對于 ABS系統(tǒng)，對基于車輪滑移率的控制方式而言，輸入電子控制單元的信號是速度脈沖，它由傳感器采集感應出正弦信號，經(jīng)過模擬電路的濾波整形修正為標準的系列方波信號，然后通過單片機的定時 /計數(shù)器端口或數(shù)字輸入端口輸入到單片機內(nèi)存中去。單片機內(nèi)部的微處理芯片將輸入的各個輪速信號按一定的算法進行計算，如 本科生畢業(yè)設計 第 28 頁 計算 車輛參考速度和車輪角減速度，根據(jù)這些值的大小確定出相應的控制命令，即壓力增加、壓力減小及壓力保持，然后將控制信號通過數(shù)字輸出端口輸出，經(jīng)過模擬電路的驅(qū)動功率放大就可以直接驅(qū)動電磁閥，進而控制制動壓力。同時輸出的信號中還包括報警指示等。 就目前而言，實現(xiàn)汽車的控制系統(tǒng)一般采用單片計算機，在開發(fā)階段也有采用通用 CPU 的，采用 CPU 在于可以利用 CPU 強大的軟、硬件資源以及網(wǎng)絡功能實現(xiàn)復雜的控制算法、高效的編程手段以及高速的運算速度。但作為研制的最終產(chǎn)品，無一例外都采用單片機作為電子控制單元的核心。 由于單片機體積 小，重量輕，高可靠性，價格低廉，使用方便，因此十分適用于開發(fā)汽車電子系統(tǒng)。早期的汽車控制系統(tǒng)采用八位單片機，目前已過渡到十六位，有些系統(tǒng)如發(fā)動機管理系統(tǒng)已開發(fā)采用 32 位 CPU。目前防抱死系統(tǒng)采用較多的單片機是摩托羅拉 (Motorola)、英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)公司及西門子 (Siemens) 16 位單片機。 選用單片機要充分利用各種外部端口的資源，同時要利用內(nèi)部的存貯器、中斷，充分發(fā)揮它的運算速度，應根據(jù)以下幾個原則選擇 ABS 控制的單片機。 （ 1） CPU 的運算速度 CPU 的時間一般消耗 在數(shù)學運算過程中，特別是 32 位的浮點數(shù)計算，計算時間成倍的增加，一般情況下應避免采用浮點數(shù)計算，因為 ABS 系統(tǒng)要求計算頻率非常高，一般 5 毫秒到 10 毫秒之間， CPU 要完成各種計算，例如加減速度、參考滑移率等，這種計算都是實時完成的。 （ 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，同時編程時要提高內(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)儲存器在 256 個字節(jié)以上 。進入 90 年代，已大批量使用帶有 ROM, EPROM, EEPROM, FLASH EEPROM 和一次寫入 (OPT 型 )的單片機。它真正符合了單片機的小型、簡單、可靠、廉價的設計初衷。 （ 3）輸入、輸出端口資源 輸入輸出端口要充分的利用，如果使用不足則浪費了資源，外部總線 8 位單片機 u0 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。 3. 2. 1 CPU 簡介 本文中單片機選用了 MCS-%系列產(chǎn)品中的 80C196KCo 80C196 高性能 16 位單片機是 Intel 公司繼 80%之后推出的 一系列高性能 CHMOS16 位單片機，它特別適合要 本科生畢業(yè)設計 第 29 頁 求很高的實時控制場合，目前，已成功地應用于汽車上，諸如點火，燃料等控制52, 53, 55 CHMOS 芯片耗電少，除正常工作外還可工作于 2 種節(jié)電方式 :待機方式和掉電方式，進一步減少了芯片的功耗 .MC-196 家族中的全部成員都享用一套指令系統(tǒng)，有一個共同的 CPU 組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應用場合，在單片機內(nèi)部 “ 嵌入 ” 了以往被認為是 “ 外圍設備 ” 的各種電路，于是形成了各種不同型號的單片機。 8OC196KC 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，相當于有 256 字節(jié)內(nèi)部寄存器。在 ABS 的主控系統(tǒng)設計的軟件編制中，就充分利用了其內(nèi)部的通用寄存器。因為 ABS 作為一種實時控制，而整個制動過程在短短的幾秒鐘內(nèi)必須完成，因此它對時間要求非常高 ；通過對所需采集數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)幾種參數(shù)數(shù)量級分布較為集中，只需將每類參數(shù)量綱擴大 100 倍，放入通用寄存器中供分析、計算，這樣不但能保證控制參數(shù)的準確性 (小數(shù)點后 2 位 )， .而且避免調(diào)用冗繁的四則運算子程序，使其算法更簡潔，實時響應速度更快，更具合理性。 高速輸入 HSI 部件 : HSI 有四個輸入端 HSI.O-HSI.3。變換檢測器在 HSI MODE 寄存器控制下，可檢測四種事件變化的方式，并把各輸入端的狀態(tài)寄存在 HSI_STATUS 寄存器中 ；HSI 用定時器 T1 作事件記錄變化的時間基準源，把各個輸入端的變化時刻記錄在 FIFO中。保持寄存器與 FIFO 相連，通過 FIFO 把事件的時間值送入 HSI_ TIME 中。這樣，對 HSI_ STATUS 和 HSIJIME 寄存器的訪問就能讀取事件變化狀態(tài)和發(fā)生時刻。 HSI_ MODE 寄存器控制變換檢測器檢測事件的方式。每兩位組成一個 方式控制字 HSI_ STATUS 寄存器表示 HSI.O,7HSI.3 的四個輸入端的狀態(tài)，每兩位表示一個輸入端： 本科生畢業(yè)設計 第 30 頁 低位 1: 事件出現(xiàn)過； 0: 沒出現(xiàn) 高位 1: 從 HIS-TIME 讀取的事件，此時的輸入端為高電平 0: 從 HIS-IME 讀取的事件，此時的輸入端為低電平 通常，對脈沖信號的記數(shù)就利用了檢測 HSI_ STATUSZH 狀態(tài)變化次數(shù)的辦法。而 ABS 系統(tǒng)中，使用了另一種方法 :定時器 T2 也可看作一個 16位的事件計數(shù)器，其時鐘源來自引腳 HSI.1，當 HS 工 .1 引腳有跳變 (包括正跳變和負 跳變 )時，其計數(shù)值加 1。定時器 2與 HSO 單元配合使用，作為事件觸發(fā)的時間基準， T2 的記數(shù)值存放在地址 OCH(低 8位 )和 ODH(高 8位 )的特殊功能寄存器中。當由輪速傳感器送入的信號經(jīng)輸入級電路處理后，作為脈沖信號輸入時， T2 就能對其進行記數(shù)，在中斷服務程序中讀取記數(shù)寄存器的值，便能測出車輪轉(zhuǎn)速。 在實際應用中，汽車有四個輪速信號同時輸入，數(shù)字控制器中沒有足夠多的計數(shù)器，就需要擴展一塊 8253 芯片。 8253 具有三個功能相同的 16 位減計數(shù)器，每個計數(shù)器的工作方式及記數(shù)常數(shù)分別由軟件編程選擇。這樣，程序初 始化時，設定好記數(shù)處值和方式控制字，在中斷服務程序中就能同時讀取四輪的輪速信號，因為每條指令占用時間非常短暫 (以微秒計 )，相對于中斷時間 (一般為幾十毫秒 )幾乎可以忽略。因此，采用這種方式能夠做到對四輪信號的同步測速。 中斷系統(tǒng) : MCS-96 給用戶提供了八種型式的中斷源，每種中斷源都有相對應的中斷向量與之對應。中斷向量單元中存放的是中斷服務程序的入口地址，當允許中斷時，任何一個中斷源發(fā)出的中斷請求，將迫使程序轉(zhuǎn)至由對應的向 t 地址單元的內(nèi)容所決定的起始地址去執(zhí)行中斷服務程序。 CPU 對中斷控制是通過對中斷的特 殊功能寄存器和總中斷允許位的控制實現(xiàn)的。當跳變檢測器檢測到一個硬件中斷時，則置位中斷登記寄存器 INT_ PEND 中相應的位，通過讀寄存器 INT_ PEND，能確定在任意給定的時間里哪個中斷源發(fā)出中斷 ；而每個中斷源都可以通過對中斷屏蔽寄存器工 INT_MASK 相應位的置位和復位而開放或禁止中斷。即某一位為則開放相應的中斷源 ；為 0 則禁止相應的中斷源。中斷登記寄存器和中斷屏蔽寄存器中各個中斷源的位置是一樣的，其各位定義如下 : 本科生畢業(yè)設計 第 31 頁 一個中斷請求能被響應，必須具備以下的條件 :首先用 El 指令開放全部中斷 ；中斷登 ia/屏蔽寄存器對應位置 1 。 CPU 響應完中斷，執(zhí)行中斷服務程序后，用 POPF或 RET 指令將斷點地址送回。 高速輸出 HSO 部件 : 高速輸出 HSO 的功能是能夠在預定的時刻觸發(fā)某一事件。這些事件包括 :改變 6條輸出線 (HSO.0-HSO.5 )上的電平信號、啟動 A/D 轉(zhuǎn)換、使定時器 2復位以及觸發(fā) 4 個軟件定時器中斷等。由于 HSO 主要由專門的硬件來實現(xiàn)對事件的觸發(fā)，因此，與普通的輸出端口相比，具有占用 CPU 開銷少、速度高、使用靈活方便等特點。 HSO 的輸出引腳共有 6條即 HSO.0-HSO.5, HSOA 和 HSO.5 為 雙向引線，分別與 HSI.2-HSI.3 復用，此兩條引線可同時設置為 HIS 輸入允許和 HSO 輸出允許。 與HSO 相關(guān)的特殊功能寄存器有 :定時器 T1，定時器 T2, HSO 命令寄存器， HSO.時間寄存器等。本文，結(jié)合上面介紹的中斷原理，利用 HSO 產(chǎn)生軟件定時中斷，以下將著重介紹命令和時間寄存器的使用。命令寄存器各位定義如下 : 本科生畢業(yè)設計 第 32 頁 該命令字節(jié) D7 位為鎖定事件 ；D6 位用以選擇 HSO 事件觸發(fā)的基準時鐘源，為 1選擇 T2，為 0 選擇 Ti； D5 位用來設置事件觸發(fā)時所選中通道 (0-7 通道 )的電平狀態(tài) (高或低電平 )， 1為 高電平， 0 為低電平 ；D4 位用來決定事件觸發(fā)時是否產(chǎn)生中斷，為 1則申請中斷，為 0不產(chǎn)生中斷 ；D3 至 DO 位用來選擇觸發(fā)事件對應的通道號。 HSO 時間寄存器 HSO-TIME 用來放在所設置事件觸發(fā)時刻值。值得注意的是使用 HSO-TIME 時，即使需立即觸發(fā)事件，也應考慮硬件執(zhí)行時間，因此，送往HSO-TIME 中的立即數(shù)最小都應為 0003H。 本文的主控軟件程序流程主要就是基于 HSO 產(chǎn)生軟件定時中斷這一思想。首先確定中斷向量 :GSEG AT 200AH；定時器 T1 作為系統(tǒng)實時時鐘源，每過 8 個狀態(tài)周期，其記數(shù)值加 1，每記數(shù)一次時間間隔為（ 8M 錯誤 !未找到引用源。 晶振 ):錯誤 !未找到引用源。 ； 假定中斷時間為 T，那么中斷時間初值 3.2.2 時鐘電路設計 時鐘頻率是單片機器各個部分運行的基準，它使各部分有條不紊的按節(jié)奏工 本科生畢業(yè)設計 第 33 頁 作。時鐘電路直接影響單片機運行的速率，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 3-4 時鐘電路連線圖 時鐘狀態(tài)周期為： 612 1 0 0 . 1 2 516 ST 3.3 防抱死制動系統(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，并將速度信號輸入 ABS 的電控單元。下圖（圖 3-5）所示為轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置。 圖 3-5 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) 本科生畢業(yè)設計 第 34 頁 傳感頭的結(jié)構(gòu)如下圖（圖 3-6）所示，它由永磁體 2、極軸 5 和感應線圈 4 等組成 ,極軸頭部結(jié)構(gòu)有鑿式和柱式兩種。 圖 3-6 車輪轉(zhuǎn)速傳感器剖視圖 1.電纜 2.永磁體 3.外殼 4.感應線圈 5.極軸 6.齒圈 齒圈 6 旋轉(zhuǎn)時，齒頂和齒隙交替對向極軸。在齒圈旋轉(zhuǎn)過程中，感應線圈內(nèi)部的磁通量交替變化從而產(chǎn)生感應 電動勢，此信號通過感應線圈末端的電纜 1 輸入ABS 的電控單元。當齒圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，感應電動勢的頻率也變化。 ABS 電控單元通過檢測感應電動勢的頻率來檢測車輪轉(zhuǎn)速。 電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在下述缺點：一是其輸出信號的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。若車速過慢，其輸出信號低于 1V，電控單元就無法檢測；二是響應頻率不高。當轉(zhuǎn)速過高時，傳感器的頻率響應跟不上；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大到 8 260km/h 以至更大，顯然電 磁感應式輪速傳感器很難適應。 （ 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 3-7 所示。 本科生畢業(yè)設計 第 35 頁 圖 3-7 霍爾輪速傳感器示意圖 1、磁體 2、霍爾元件 3、齒圈 當齒輪位于圖中 (a)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱；而當齒輪位于圖中 (b)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強。齒輪轉(zhuǎn)動時，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毫伏 (mV)級的準 正弦波電壓。此信號還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標準的脈沖電壓。 霍爾輪速傳感器具有以下優(yōu)點：其一是輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響。；其二是頻率響應高。其響應頻率高達 20kHz，相當于車速為 1000km/h 時所檢測的信號頻率；其三是抗電磁波干擾能力強。因此，霍爾傳感器不僅廣泛應用于 ABS 輪速檢測，也廣泛應用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測。 霍爾式輪速傳感器與電磁感應式輪速傳感器比較具有以下優(yōu)點： （ 1）隨著輪速的變化，輸出信號的幅值是不變的。 （ 2）頻率響應高，響應頻率高達 20khz，用于 ABS 系統(tǒng)中可檢測到約 1000Km/h 速度信號，遠遠滿足使用要求。 （ 3）抗電磁干擾能力強，由于輸出信號在整個輪速范圍內(nèi)不變，而且幅值較高，所以抗電磁干擾能力很強。 鑒于霍爾傳感器的比較優(yōu)點，本設計采用霍爾輪速傳感器。 本科生畢業(yè)設計 第 36 頁 3.3.1 霍爾傳感器的設計 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，在硅片上制造具有傳感器功能的霍爾效應器件，因此使集成電路具有對磁場敏感的特性?；魻栭_關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，又穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下， 當磁感應強度超過導通閥時，霍爾電路輸出管導通，輸出低電平，之后， B 增加，仍保持導通。若外加磁場的 B 值降低到 BRP2，輸出管截止，輸出高電平。我們稱 BOP 為工作點， BRP 釋放點。 BOP-BRP=BH 稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強。 本系統(tǒng)采用的是三通道四傳感器布置形式，需要四個傳感器?；魻杺鞲衅鞯慕M成：傳感頭，齒圈。傳感頭由永磁體霍爾元件和電子電路組成。 3.3.2 霍爾開關(guān)電路的選擇 霍爾輪速傳感器的關(guān)鍵元件是霍爾元件，要求它能夠輸出較大的霍爾電壓，而溫度漂移要盡可能小，并且要求它后面的電路盡 可能的簡單一些，這樣可以使體積減小提 。高可靠性。本系統(tǒng)選用南京中旭電子公司生產(chǎn)的 CS3121 型霍爾開關(guān)電路。這種開關(guān)電路由電壓調(diào)整電路、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、反向電壓保護器、溫度補償電路及集電極開關(guān)輸出極組成能將磁場信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓輸出，對溫度和電壓的變化更加穩(wěn)定。 其應用參數(shù)是：電壓電源范圍寬 VCC4.5V30V； 工作溫度范圍寬 -40125 攝氏度； 電壓極性反向保護器，無觸點、快速響應性好，頻率高，壽命長，可直接同 TTL、 MOS 等邏輯電路接口，體積小，安裝方便。 經(jīng)過霍爾元件中的信號變化過程： 本系統(tǒng)選擇霍爾開關(guān)型傳感器其結(jié)構(gòu)原理圖為： 運算放大器 施密特觸發(fā)器 輸出級 霍爾元件 本科生畢業(yè)設計 第 37 頁 圖 3-8 霍爾開關(guān)電路原理圖 1引腳接 5v 電源； 2 引腳接地； 3 接輸出 霍爾傳感器在 ABS 系統(tǒng)中的接線圖為： 圖 3-9霍爾傳感器在 ABS 系統(tǒng)中的接線圖 霍爾元件與永磁鐵封裝在一起，經(jīng)過 TTL 電路緩沖可以 直接傳送到單片機的高速輸入端口。 車輪輪速傳感器又齒圈和霍爾傳感頭兩部分組成，齒圈安裝在隨車輪一同轉(zhuǎn)動的部件上，如半軸套筒，轉(zhuǎn)向節(jié)，制動底盤。為了保證輪速傳感器無錯誤信號輸出，安裝輪速傳感器時應使傳感頭精確地對準齒圈，應保證它們之間有適當?shù)目諝忾g隙，并要求安裝牢固。只有這樣才能保證汽車在制動過程中的振動不會干 本科生畢業(yè)設計 第 38 頁 擾和影響傳感信號，做到無誤的輸出。為了避免灰塵和濺泥、水，應適當?shù)拿芊夂蜐櫥胧?在確定了傳感器的安裝方案和選擇好傳感器之后，根據(jù)安裝的位置，安裝的空間的大小以及所用的傳感器的技術(shù)參數(shù) ，設計轉(zhuǎn)速傳感器的目標齒盤。對齒盤的設計應當有這樣的要求：齒盤的設計應保證產(chǎn)生的車速信號的頻率在傳感器的測量范圍內(nèi)；車速測量的誤差要??；使輸出的脈沖信號有合適的占空比；便于加工，穩(wěn)定性好。 3.3.3 傳感器齒盤的設計 （ 1）齒盤齒數(shù)的確定： 根據(jù)傳感器的測量范圍，在設計與其配合的齒盤時應保證產(chǎn)生的輪速信號頻率在這個范圍內(nèi)，而這個頻率是由車輪的輪速和齒盤齒數(shù)決定的。 ABS 控制轉(zhuǎn)速為： 5KM/H300KM/H 傳感器采集數(shù)據(jù)頻率： 1HZ100KHZ 車速的計算公式： 2 rvfz 式中： r-車輪的半徑 z-齒圈齒數(shù) f-頻率 對于確定的系統(tǒng)， 2 rz為確定的常數(shù)。 計算齒數(shù)的范圍： m a xm i nm a x m i n22 frf zvv 這樣我們可以推出齒數(shù)的范圍，還應考慮到：機械加工過程中，齒數(shù)的選擇最好能使機床分度方便，便于加工。為了保證在較低的車速下，仍然 能夠準確的測量到輪速的變化情況，齒數(shù)不能過小。本系統(tǒng)擬選定齒數(shù)為 100 個。 （ 2）齒高、齒寬的確定： 輪速傳感器的齒高主要是由傳感器產(chǎn)生的信號的強弱，即傳感器的功率，以及傳感器靈敏度決定的。齒盤的齒寬和齒槽寬度直接影響到傳感器輸出信號的波形，主要是影響脈沖信號的占空比，占空比過大或過小時，由于汽車行駛過程中，車輪的振動等原因，有可能使傳感器輸出的信號漏掉脈沖，或一段時間內(nèi)沒有信 本科生畢業(yè)設計 第 39 頁 號輸出，使車輪的輪速計算產(chǎn)生誤差，因此輪速傳感器齒寬的確定十分重要。 在輪速傳感器的齒盤的外直徑和齒數(shù)確定以后，齒盤 的齒頂寬和齒槽寬外圓之和nd就可如下計算：n dd z 再根據(jù)實際加工時可加工的齒槽寬度來確定齒寬pd和齒頂寬td。 3 4 防抱死制動調(diào)壓系統(tǒng)工作過程 制動壓力調(diào)節(jié)裝置 (簡稱液壓調(diào)節(jié)器 )主要由 8個 2 位 2 通調(diào)壓電磁閥、 1 個雙聯(lián)式電動液壓柱塞泵、 2 個儲液室、 2 個低壓儲能室、 1 個電動液壓泵和幾個單向閥等 組成。電動液壓泵轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號輸入 ECU，供 ECU 監(jiān)測電動液壓泵的運轉(zhuǎn)情況。液壓調(diào)節(jié)閥通過管路與制動主缸和各制動輪缸相連。液壓調(diào)節(jié)器工作原理如圖 3-10 所示。 圖 3-10 液壓調(diào)節(jié)器工作原理圖 1、 助力器 2、 主缸 3、 三位三通電磁閥 4、 回液泵 5、 限位閥 6、 電動機 7、 回液過濾器 8、 油箱 9、制動器 （ 1）常規(guī)制動過程 制動系統(tǒng)在常規(guī)制動過程中 (未出現(xiàn)防抱死現(xiàn)象 )，調(diào)節(jié)器中的各個 2 位 2 通 本科生畢業(yè)設計 第 40 頁 調(diào)壓電磁閥不通電。其中， 4 個進液電磁閥處于流通狀態(tài)， 4 個出液電磁閥處于斷流狀態(tài)，同時，電動液壓泵也不通電運轉(zhuǎn)。此時，自制動主缸輸出的制動液可以通過各進液電磁閥直接進入各制動輪缸，各制動輪缸的制動壓力將隨制動主缸的制動壓力而變化，即平時汽車進行的常規(guī)制動。 （ 2） 防抱死制動過程 : 在制動過程中，如果電子控制單元 (ECU)根據(jù)車輪輪速傳感器輸入的車輪轉(zhuǎn)速信號判定是否有車輪趨于制動抱死傾向。需要調(diào)節(jié)制動輪缸的壓力時， ECU 就使該制動輪缸相對應的進液電磁閥或出液電磁閥通電換位，并自動按以下情況分別進行判斷、處理 : 建壓過程 制動時，通過真空助力器與制動主缸建立制動壓力。所有電磁閥均不通電制動壓力進入各車輪制動器，車輪轉(zhuǎn)速迅速降低 (此時同常規(guī)制動 )，直到電子控制單元 ECU通過計算得知車輪有抱死傾向為止。如圖 3-11a 圖 3-11a 建壓過程 保壓過程 當 ECU 通過轉(zhuǎn)速傳感器得到信號識別出車輪有抱死傾向時， ECU,發(fā)出控制信號關(guān)閉相應車輪的進液電磁閥，并讓出液電磁閥繼續(xù)保持關(guān)閉狀態(tài)，該制動輪缸中的制動液壓被封閉而使制動壓力保持一定。如圖 3-11b 本科生畢業(yè)設計 第 41 頁 圖 3-11b 保壓過程 減壓過程 如果在保 壓階段車輪仍有抱死傾向，則 ABS 系統(tǒng)進入降壓階段。此時 ECU 發(fā)出控制指令使該制動輪缸相應的進液電磁閥和出液電磁閥都通電換位 (進液電磁閥處于斷流，出液電磁閥處于導通 )，該制動輪缸中的部分制動液就會通過出液電磁閥流入低壓儲能室，使制動輪缸的制動壓力隨之減小。與此同時液壓泵也開始工作，把低壓儲能室的制動液重新泵回制動主缸以補償制動踏板行程損失，此時制動踏板出現(xiàn)抖動 (有抬升或反彈感 )，車輪抱死程度降低，輪速上升。此過程結(jié)束液壓泵隨之掉電停止運行。如圖 3-11c 本科生畢業(yè)設計 第 42 頁 圖 3-11c 減壓過程 增壓過程 為 了達到最佳制動效果，當車輪轉(zhuǎn)速達到一定值后 (與設定的門限值比較 )ECU 再次發(fā)出控制指令使該制動輪缸相應的進液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進液電磁閥處于通流狀態(tài)，出液電磁閥處于斷流狀態(tài)，制動主缸輸出的制動液就會通過進液電磁閥進入制動輪缸，該制動輪缸的制動壓力隨之增大，輪速再次被制動而下降。通過保壓、降壓、增壓為一個循環(huán)，通常 ABS 系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)頻率為 2-4個 /秒循環(huán)。如圖 3-11a 在 ABS 工作期間， ECU 根據(jù) 4個車輪轉(zhuǎn)速傳感器反饋車輪轉(zhuǎn)速信號，可以獨立地對四個制動輪缸的制動壓力進行減小、保持和增大循 環(huán)調(diào)節(jié)，將各車輪制動效果控制在最佳狀態(tài)。 （ 3）解除制動過程 : 當解除制動時，制動踏板松開，制動主缸內(nèi)的制動壓力為零。此時出液電磁閥再次通電處于通流狀態(tài)，低壓儲能室的制動液經(jīng)出液電磁閥返回制動主缸，低壓儲能室排空，為下一次工作做好準備。 本科生畢業(yè)設計 第 43 頁 3.5 電源設計 電子控制單元的核心是單片機，其對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時會在電路中產(chǎn)生高頻振蕩電磁波，峰值可達到 280V，同時點火電路造成的負脈沖電壓峰值可達 50 100V，并在電氣系統(tǒng)中以一定頻率出現(xiàn)。因此，設 計電源時必須考慮這些問題。系統(tǒng)穩(wěn)壓電源如圖 3-9.它能把蓄電池提供的不穩(wěn)定的 24V 電壓變?yōu)榭晒﹩纹瑱C 80C196KC 使用的高穩(wěn)定電壓4.55.5V。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對電壓的需求。圖 3-12 中， C1 可以防止由于輸入引線較長帶來的電感效應而產(chǎn)生的自激。 C2 用來減小由于負載電流瞬時變化而引起的高頻干擾。 圖 3-12 電源電路 3.6 信號輸入電路設計 車輪輪速是 ABS 系統(tǒng)的主要輸入信號，該信號的采集、處理對于整個系統(tǒng)的控制至關(guān)重要。為了使采集到的輪速信號能被單片機正確識別，本系統(tǒng)采用的霍爾傳感器它是將傳感器與信號處理電路制成一體，由于他能直接輸出標準方波信號，非常適合于 HIS 高速通道采集， 80c196kc 的四個 HIS 口可以直接接受四個輪速傳感器的脈沖信號，并可以同時記錄某一時間觸發(fā)時的狀態(tài)和時刻。 它們與普通的輸入端口有三方面主要差別： （ 1） HIS 不僅能檢測某個輸入線上的狀態(tài)變化，而且 能同時記錄狀態(tài)發(fā)生的時刻。 （ 2） HIS 內(nèi)部設有 FIFO 寄存器，它和保持器一起可同時記錄多達 8 個事件由cpu 在適當?shù)臅r候讀取和處理， （ 3） HIS 可通過它的 4 條輸入線檢測多種方式的狀態(tài)變化。 本科生畢業(yè)設計 第 44 頁 輪速傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)光電耦合器進行電平轉(zhuǎn)換和信號隔離，緩沖器整形，輸入到 80c196kc 的高速輸入端，對輸入信號進行邏輯運算和處理。 它們之間的信號聯(lián)系參照下圖所示： 圖 3-13 輪速信號輸入電路方框圖 輸入電路的連線圖： 圖 3-14輪速信號輸入電路圖 3.7 電磁閥驅(qū)動電路的設計 CPU 輸出的信號非常小，而 ass 的作動電流則為 1 2 安，所以每個輸出信號要經(jīng)放大后才能驅(qū)動相應的電磁閥。目前多采用的方法是利用 P1 口把不占空比的脈沖信號轉(zhuǎn)化為相應幅值的電壓信號用以控制三位三通電磁閥，通過三位三通閥位置的改變接通不同的管路來達到增壓、保壓、減壓的目的。這種方法動態(tài)響應快，操作簡便，需專用的三位三通閥，而且工藝要求高，開發(fā)成本高。同時限于現(xiàn)在的知識水平，本文采用另一種方法達到所需要求。 本設計使用 P1 口輸出 高低電瓶組合成為不同的狀態(tài)，來控制油路的通斷實現(xiàn)增壓、保壓、減壓的目的。 80C196KC 的 P1 口作為準雙向的輸入輸出口，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)當端口數(shù)據(jù)又 0 變 1 時，它能在短時間內(nèi)產(chǎn)生更強的上拉作用以加速轉(zhuǎn)變過程：輸出時，具有鎖存作用，即對輪速傳感 器 光電耦合器 緩沖器74LS06 單片機 本科生畢業(yè)設計 第 45 頁 端口重寫數(shù)據(jù)前保持不變。 對壓力的控制歸結(jié)為對 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 P1口與電磁動作邏輯關(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)需要對電磁閥進行不同的控制只要對 P1 口輸出不同的字便 可。 圖 3-15 電磁閥驅(qū)動電路 電磁閥驅(qū)動電路如圖 3-15所示 緩沖單元的設計：圖中的 74LS06 是集電極開路六反相緩沖器，添加它的目的是加大輸出電路的帶負載的能力，使傳輸通道與單片機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)在開關(guān)量輸出通道中，為防止現(xiàn)場強電磁干擾或工頻電壓通過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 本科生畢業(yè)設計 第 46 頁 阻可達幾百兆歐姆以上，從而對地電位差干擾和電磁干擾有很強的抑制能力，光電耦合的實質(zhì)是對于干擾噪聲的隔離和對有用信號形成通道，是抗干擾措施的重要方法之一，并且信號傳輸速度高、價格低、接口簡單，故在輸出端設計了光電耦合電路。 光電耦合器有二級管 -二級管型、二級管 -三級管型、二級管 -達林頓管型以及二級管 -可控制等類型，根據(jù)系統(tǒng)要求情況，本設計采用了光電耦合器 4N35，其正向電流FMI為： 60mA,電流傳輸比為 100%，電磁閥的驅(qū)動電流為1.53A，晶體管 2SD880 的電流放大倍數(shù)為 60300，光電耦合器輸入端限流電阻，其阻值由下式： ()C C F C SiFV V VR I 式中：CCV-輸入電壓 FV-為輸入端發(fā)光二級管正向?qū)▔航?。一般?1.5V 左右 CSV-為驅(qū)動器的壓降 FI-為輸入端正向工作電流，取 15mA 經(jīng)計算 Ri 取 50 光電耦合輸出端負載電阻： C C C E NjFVUR I 式中：CCV-電源電壓 +5V CENU-為 三極管飽和時集電極和發(fā)射級之間的壓降，取 0.3V FI-15mA 經(jīng)計算取 Rj=350 輸出通道的隔離及保護措施一方面防止了最小系統(tǒng)干擾信號沿正向通路的傳輸，同時也隔離了驅(qū)動電路運行過程中產(chǎn)生的干擾脈沖對前向通道原件的影響，所以隔離保護作用是雙向的 。 驅(qū)動電路單元：構(gòu)成驅(qū)動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)的復雜性、器件功能、可靠性以及價格等因素考 本科生畢業(yè)設計 第 47 頁 慮，晶體管放大電路有共基、共集和共射級三種電路形式，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 1.53A 所以每個輸出控制信號要經(jīng)過功率放大后才能驅(qū)動相應的電磁閥?？紤]到實際應用中的影響，選擇為 1.5 倍，則電磁閥的三極管的電流的放大倍數(shù)為 : 1 . 5 1 . 5 1 0 0 0 1 5 015K 據(jù)此本系統(tǒng)選擇了 2SD880 三極管來驅(qū)動 ABS 電磁閥，其最大允許通過電流為3A，放大倍數(shù)是 60300 3.8 泵電機驅(qū)動電路的設計 根據(jù) ABS 系統(tǒng)對電動泵的驅(qū)動要求，泵 驅(qū)動電動機在管路減壓時將對蓄能器供油以保證它的高壓狀態(tài)。系統(tǒng)選用了用繼電器來控制電動機的工作與停止狀態(tài)。 繼電器的選型：根據(jù)泵驅(qū)動電動機的工作電壓和工作電流的大小和接點工作電壓和工作電流的大小，選擇了型號為： J2C-21F/012 的繼電器。其電參數(shù)為：額定工作電壓為： 12V（ DC），線圈電阻為 400 ，吸合電壓為 9.8V，線圈消耗的功率為 0.36W。接點負荷電壓 28V，電流為 3A，其電路與圖如圖，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 1015mA，光電耦合器的 TIL117 的電流傳輸比為 50%，所以它的輸出電流為 5mA10mA,經(jīng)過晶體管的電流放大就可以滿足電流驅(qū)動