ABS汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】【汽車專業(yè)】

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 摘 要 ABS 系統(tǒng)可以顯著提高或改善汽車緊急制動(dòng)時(shí)的操控性和穩(wěn)定性，縮短了制動(dòng)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(yīng)用。 本文以轎車為研究對(duì)象，展開對(duì)汽車 ABS 的研究。主要完成了以下的工作： 通過對(duì)單個(gè)車輪時(shí)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(yīng)式輪速傳感器和霍爾效應(yīng)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)為核心的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，包括信號(hào)輸入電路、控制輸出電路、驅(qū)動(dòng)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(jì)算車輪的轉(zhuǎn)速。 本文通過學(xué)習(xí)比較根據(jù)所學(xué)只是設(shè)計(jì)了 ABS 控制系統(tǒng)。從理論上實(shí)現(xiàn)了 ABS的控制功能，完成了設(shè)計(jì)要求。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提高。 關(guān)鍵詞： 防抱死制動(dòng)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(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 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(dòng)系統(tǒng)概述 . 1 1.1 ABS 的功能 . 1 1.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史 . 2 1.3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) . 3 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 1.4 國(guó)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(dòng)系統(tǒng)基本原理 . 7 2.1 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng) . 7 2.1.1 制動(dòng)時(shí)汽車受力分析 . 7 2.1.2 車輪抱死時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)情況 . 8 2.2 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(dòng)時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)方程 . 12 2.5 采用防抱死制動(dòng)的必要性 . 13 2.6 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的基本工作原理 . 14 3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 18 3.1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式與組成 . 18 3.1.1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式 . 18 3.1.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的基本組成 . 21 3.2 80C196KC 最小系統(tǒng) . 23 3.2.1 CPU 簡(jiǎn)介 . 24 3.2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) . 28 3.3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)輪速傳感器選擇 . 29 3.3.1 霍爾傳感器的設(shè)計(jì) . 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(shè)計(jì) . 34 3.4 防抱死制動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng) 工作過程 9 . 35 3.5 電源設(shè)計(jì) . 39 3.6 信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì) . 39 3.7 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) . 40 3.8 泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) . 43 3.9 ABS 系統(tǒng)報(bào)警 LED 燈設(shè)計(jì) . 44 3.10 EPROM 和 RAM 的擴(kuò)展 . 45 3.11故障診斷硬件電路設(shè)計(jì) . 47 3.12 硬件抗干擾設(shè)計(jì) . 48 3.13 車輪制動(dòng)器的選擇 . 52 4 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 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(jì)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(shí)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(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 4.3 控制過程 . 62 4.4 程序設(shè)計(jì) . 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(dòng)系統(tǒng)發(fā)展方向 . 67 參考文獻(xiàn) . 70 英文翻譯 . 68 附錄 . 77 致謝 . 84 1 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(jiǎn)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(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 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)，路面作用在輪胎上的側(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(zhǎng)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)生而研制的裝置，它有以下幾點(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死個(gè)車輪的輪速信號(hào)、剎車信號(hào)，個(gè)別車型還有減速度信號(hào) 、手剎車或車油面信號(hào)。 ABS 的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加了汽車制動(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；倘若汽車的后輪先抱死，則會(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，可使因車論側(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（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(dòng)力的結(jié)果。 ABS 的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)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，使輪胎磨損消耗費(fèi)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。目前 ABS 已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外中高級(jí)轎和客車上得到了廣泛使用。 1.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展歷史 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 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 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)生噪聲和掙動(dòng)。 1908 年英國(guó)工程師 J. E. Francis 提出了 “ 鐵路車輛車輪抱死滑動(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(cè)中寫到： “ 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，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(cè)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)成如此敏捷的反應(yīng)！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(guó)公司 Bosch（博世）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(jì)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(jī)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(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(gòu)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。 “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(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(shì)。兩家德國(guó)車廠奔馳與寶馬于 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)都苦于成本過于高昂而無法開拓市場(chǎng)。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(zhǎng)到 76000套。受到市場(chǎng)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 列為旗下主力雪佛蘭車系的標(biāo)準(zhǔn)配備。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 圖 1-1 BOSCH防抱死制動(dòng)系統(tǒng) 1.3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) （ 1） ABS 本身控制技術(shù)的提高現(xiàn)代制動(dòng)防抱死裝置多是電子計(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?；诨坡实目刂扑惴ㄈ菀讓?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，而不是液壓油或壓縮空氣，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(jiǎn)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)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 (后輪 )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， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 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(zhǎng)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)控制系統(tǒng) 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)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(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)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(cè)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)動(dòng)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(cè)器決定出車輛應(yīng)具有的名義運(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(cè)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。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運(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)集成化的方向發(fā)展。目前多使用 CAN 控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network)用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件 之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。 1.4 國(guó)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(guó) 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、西安公路學(xué)院、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。具有代表性的有以下幾個(gè)。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)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(cè)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 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 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(cè)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(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。 吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)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(xué)模型、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 ,能夠建立制動(dòng)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)的平均減速度和車速 ；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)之間的關(guān)系、汽車整車技術(shù)條件和試驗(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 專家程軍為代表的濟(jì) 南程軍電子科技公司對(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 ,專門講述 ABS 控制算法 ,是國(guó)內(nèi) ABS 開發(fā)人員的必備資料之一。另外 ,他們?cè)诨贛AT2LAB 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(guó)家 汽車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心和國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的認(rèn)定 ,獲得國(guó)家實(shí)用新技術(shù)專利 ,并正式被列為國(guó)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(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 山東重汽集團(tuán)引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行的研究也已取得了一些進(jìn)展。 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(guó)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。 清華大學(xué)研制的適用于中型客車的氣制動(dòng) ABS 由于資源價(jià)格和性能上的優(yōu)勢(shì) ,陶瓷材料的應(yīng)用將迅速擴(kuò)展 ；金剛石和 CBN 超硬材料的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大 ；新刀具材料的研制周期會(huì)越來越短 ,新品種新牌號(hào)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(qiáng)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(jī)為核心，完成了信號(hào)輸入回路、輸出驅(qū)動(dòng)回 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 路、電源部分及故障診斷等硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)輪速傳感器、電磁閥 等的故障檢測(cè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 2防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 2.1 制動(dòng)時(shí)汽車的運(yùn)動(dòng) 2.1.1 制動(dòng)時(shí)汽車受力分析 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)的阻力和自身重力的作用。地面對(duì)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(shí)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(gè)車輪上的地面制動(dòng)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(dòng)力的總和作為 地面給汽車的總的地面制動(dòng)力，他是使汽車在制動(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)，若受到橫向干擾力的作用，如橫向風(fēng)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(dòng)時(shí)的平面受力簡(jiǎn)圖 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 (b)所示。地面制動(dòng)力決定制動(dòng)距離的長(zhǎng)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)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(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。 如上所述，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、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 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(jìn)行制動(dòng)操作，必須時(shí)常注意不能讓車輪完全抱死。 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)變的很小，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)向力變的很小，使汽車在制動(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)兩方面簡(jiǎn)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2-2 所示。圖 2-2 (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。為制動(dòng)時(shí)前輪全部抱死而后輪不抱死汽車的運(yùn)動(dòng)情況示意，當(dāng)前輪抱死時(shí)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(shí)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(shí)，后輪的側(cè)向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會(huì)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(yùn)動(dòng)叫外旋轉(zhuǎn) )。圖 2-2 (c)為前后車輪全部抱死時(shí)時(shí)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(dòng)力不相等時(shí)，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)沿著瞬時(shí)行駛方向急速駛出，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 2-3 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(jiǎn)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)定性方向操縱性的側(cè)滑摩擦力而使汽車出現(xiàn) 這些運(yùn)動(dòng)情況，即車輪抱死導(dǎo)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(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。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 圖 2-2 汽車直線制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 圖 2-3 汽車轉(zhuǎn)彎制動(dòng)車輪抱死時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 2.2滑移率定義 通常 ,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) ,反之 ,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)生的制動(dòng)系制動(dòng)力增大到一定值 (大于附著力 )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 : 1VV rS -（ 2-3） 錯(cuò)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(dòng)半徑。 由上式可知 :當(dāng)車輪中心的速度 (即汽車的實(shí)際車速 ) Vt 等于車輪的角速度 和車輪滾動(dòng)半徑 r 乘積時(shí) ,滑移率為零 ( S = 0) ,車輪為純滾動(dòng) ；當(dāng) = 0 時(shí) ,S = 100 % ,車輪完全抱死而作純 滑動(dòng) ；當(dāng) 0 S 100 %時(shí) ,車輪既滾動(dòng)又滑動(dòng)。 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(dāng)輪胎純滾動(dòng)時(shí) ,縱向附著系數(shù)為零 ；當(dāng)滑移率為 15 % 30 %時(shí) ,縱向附著數(shù)達(dá)到峰值 ；當(dāng)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(gè)較低值。另外 ,隨著滑移率增大 ,橫向附著系數(shù)急劇下降 ,當(dāng)車輪抱死時(shí) ,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(shí)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(dòng)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(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 圖 2-4 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系 實(shí)驗(yàn)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(shì)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(huì)不一樣， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 并且對(duì)應(yīng)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(dá) 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(shè)計(jì) ABS系統(tǒng)控制方法時(shí)，就必須考慮到隨路面類型的不同而采取不同的控制目標(biāo)和策略。若汽車在同一種類型路面上制動(dòng)時(shí)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(huì)略有不同，制動(dòng)時(shí)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(dòng)初速度制動(dòng)時(shí)車輪的附著系數(shù) -滑移率關(guān)系曲線不會(huì)有太大變化。 總之，對(duì)于在一種路面上制動(dòng)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(dòng)性能的主要因素。實(shí)際上，汽車的制動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)非線性變化的過程，所以說汽車的制動(dòng)過程是一種非線性的制動(dòng)過程。制動(dòng)時(shí)汽車通過制動(dòng)系統(tǒng)改變車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而改變車輪的滑移率，形成整個(gè)非線性的制動(dòng)過程。 2.4 制動(dòng) 時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)方程 制動(dòng)過程單輪受力如圖 2-6所示。 圖 2-6 制動(dòng)過程車輪受力簡(jiǎn)圖 制動(dòng)車輪軸荷與支撐力 N平衡，該輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J，半徑 r:，軸心平移速度 V，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 ，制動(dòng)器制動(dòng)力矩 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，通常與車輪制動(dòng)壓力成正比系數(shù)K, 則有地面制動(dòng)力bF，緊急制動(dòng)不計(jì)滑動(dòng)阻力。則有 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力遠(yuǎn)大于空氣阻力和滾動(dòng)阻力， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，分別為右側(cè)前后輪制動(dòng)力，汽車初速為 錯(cuò)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(cuò)誤 !未找到引用源。 ,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，軸距 L,輪距B,質(zhì)心高 hg,汽車制動(dòng)減速為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 前軸載荷 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 后軸載荷 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 制動(dòng)時(shí)附加轉(zhuǎn)向力矩 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 -錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 從式 (2-4)可知，調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力可以使車輪角減速度產(chǎn)生變化 :從式 (2-10)計(jì)算制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)車速 V，可計(jì)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(jìn)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(dòng)系統(tǒng)的必要性 汽車直線行駛過程中，突然緊急制動(dòng)，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(dòng)痕跡，判斷司機(jī)在事故中是否采取了制動(dòng)措施。然后再測(cè)量一下制動(dòng)距離，看一看該車制動(dòng)效果好不好。當(dāng)輪胎的滑移率在 8%25%時(shí)，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(jī)能控制輪胎的滑移率，使其在制動(dòng)期間始終處于 8%-25%范圍之內(nèi)，汽車將在更短的制動(dòng)距離內(nèi)停車。 當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，如果汽車緊急制動(dòng)的話，和直線行駛一樣會(huì)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(dòng)，汽車喪夫了控制方向的能 力，這是十分危險(xiǎn)的。汽車的側(cè)向附著力和制動(dòng)力之間的關(guān)系十分緊密。在不制動(dòng)的時(shí)候，輪胎前后方向的滑動(dòng)為零，這時(shí)車輪側(cè)向附著力最大。司機(jī)踏動(dòng)制動(dòng)踏板，隨著制動(dòng)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(dāng)輪胎的滑移率達(dá)到 100%時(shí)，輪胎抱死。這樣汽車的側(cè)向附著力幾乎等于零。此時(shí)汽車正在轉(zhuǎn)彎中，輪胎開始出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)。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(jìn)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(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 前后輪都抱死的話，汽車一邊轉(zhuǎn)一邊沿 直線前進(jìn)最后停車。上述各種狀態(tài)是極其危險(xiǎn)的。為了避免發(fā)生這些現(xiàn)象，司機(jī)在踏動(dòng)制動(dòng)板時(shí)，必須謹(jǐn)慎從事。 在制動(dòng)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(dòng)距離內(nèi)停車并具有良好的控制方向的能力。為了達(dá)到上述目的，要求司機(jī)在操作時(shí)應(yīng)十分精心，即踏動(dòng)制動(dòng)踏板使車輪抱死，然后在輪胎抱死的一瞬間放松制動(dòng)踏板，輪胎一旦開始轉(zhuǎn)動(dòng)再踏動(dòng)制動(dòng)踏板使車輪抱死，如此反復(fù)操作。在摩擦系數(shù)小的光滑路面上，司機(jī)在制動(dòng)時(shí)都很小心，唯恐使車輪抱死，但仍很難做到，原因是司機(jī)不知道車輪什么時(shí)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(shí)時(shí)刻刻都在變化，輪胎著地狀 態(tài)也每時(shí)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(dòng)要求確實(shí)難上加難。當(dāng)然技術(shù)熟練的司機(jī)在某種程度上能根據(jù)各種條件合理地操作制動(dòng)，如采用點(diǎn)制動(dòng)。可是一旦遇上緊急狀態(tài)，大多數(shù)人都是一腳踏死制動(dòng)踏板，使輪胎抱死為此。 上述司機(jī)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(jìn)行整理、判斷、變成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所必需的信息，這部分工作對(duì)于電腦來說是很簡(jiǎn)單的，按照 電腦的指令執(zhí)行操作，這在機(jī)械結(jié)構(gòu)上也不會(huì)有什么大問題。 ABS 系統(tǒng) 調(diào)節(jié)作用到每個(gè)車輪制動(dòng)缸的制動(dòng)液壓力，以防止無論任何時(shí)由于制動(dòng)過猛而可能引起的車輪抱死。當(dāng)不再有可能抱死車輪時(shí)，再恢復(fù)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(qiáng)了車輛方向的可控性，而且縮短了制動(dòng)距離。 2.6 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本工作原理 ABS 系統(tǒng)是通過在制動(dòng)時(shí)按一定規(guī)律不斷改變制動(dòng)液壓力使車輪不產(chǎn)生抱死狀態(tài)的。這種對(duì)制動(dòng)液壓力的改變過程實(shí)際上就是 ABS 系統(tǒng)控制方法實(shí)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(duì)直線單一路面的制動(dòng)過程的控制為例，簡(jiǎn)單說明 ABS 的基本工作原理。 ABS 系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)對(duì)制動(dòng)油壓的控制過程如圖 2-7所示。汽車開始制動(dòng)時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)管路中油壓由零開始上升，制動(dòng)器使車輪上產(chǎn)生制動(dòng)力矩，同時(shí)產(chǎn)生地面制動(dòng)力使汽車和車輪都開始減速。此時(shí) ABS 系統(tǒng)不對(duì)制動(dòng)過程進(jìn)行干預(yù)，所以制動(dòng)油壓迅速增加，車輪減速度也增大。當(dāng)車輪減速度的值達(dá)到規(guī)定的門限值 -a 時(shí)，產(chǎn)生減壓信號(hào)，圖 2-7 中 1 點(diǎn)所示， ABS 系統(tǒng)開始工作，降低制動(dòng)油壓。由于液壓制動(dòng)系統(tǒng)的慣性，車輪減速度仍然下降一段時(shí)間，然后開始減小并小于門限值 -a 時(shí)，圖 2-7 中 2 點(diǎn)，產(chǎn)生保壓信號(hào) ， ABS 保持制動(dòng)油壓不變，車輪由減速狀態(tài)進(jìn)入加速狀態(tài)，車輪速度開始回升并靠近車速，當(dāng)車輪加速度值達(dá)到設(shè)定的門限值 +a 時(shí)，圖 2-7 中 3 點(diǎn)，產(chǎn)生升壓信號(hào)， ABS 使制動(dòng)油壓上升，車輪加速度在上升一段時(shí)間后開始減小，車輪由加速狀態(tài)又進(jìn)入減速狀態(tài)， 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 并再次進(jìn)入另一個(gè)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(duì)車輪加、減速度門限值的設(shè)定，合適的門限值可以使車輪的運(yùn)動(dòng)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(yàn)來確定。除了設(shè)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(shè)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(gè)車輪上各安置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，將各車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)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(hào)對(duì)各個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判定并形成相應(yīng)的控制指令。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)壓電磁閥總成、電動(dòng)泵總成和儲(chǔ)液器等組成一個(gè)獨(dú)立的整體，通過制動(dòng)管路與制動(dòng)主缸和各制動(dòng)輪缸相連，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置受電子控制裝置的控制，對(duì)各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 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(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。在常規(guī)制動(dòng)階段， ABS 并不介入制動(dòng)壓力控制，調(diào)壓電磁閥總成中的各進(jìn)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(dòng)泵也不通電運(yùn)轉(zhuǎn)，制動(dòng)主缸至各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)管路均處于溝通狀態(tài)，而各制動(dòng)輪缸至儲(chǔ)液器的制動(dòng)管路均處于封閉狀態(tài)，各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力將隨制動(dòng)主缸的輸出壓力而變化，此時(shí)的制動(dòng)過程與常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)過程完全相同。在制動(dòng)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(hào)判定有車輪趨于抱死時(shí)， ABS 就進(jìn)入防抱死制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)過程。例如，當(dāng) ECU 判定右前 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 輪趨于抱死時(shí)， ECU 就使控制右前輪制動(dòng)壓力的進(jìn)液電磁閥通電，使右前進(jìn)液電磁閥轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液不再進(jìn)入右前制動(dòng)輪缸，此時(shí)，右前出液電磁閥仍未通電而處于關(guān)閉狀態(tài)，右前制動(dòng)輪缸中的制動(dòng)液也不會(huì)流出，右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力就保持一定，而其它未趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力仍會(huì)隨制動(dòng)輪缸的制動(dòng)主缸輸出壓力的增大而增大，如果在右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力保持一定時(shí)， 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(dòng)輪缸中的部分制動(dòng)液就會(huì)經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的出液電磁閥流回儲(chǔ)液器，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力迅速減小，右前輪的抱死趨勢(shì)將開始消除，隨著右前輪的抱死趨勢(shì)己經(jīng)完全消除時(shí)， ECU 就使右前進(jìn)液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進(jìn)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(shí)也使電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，向制動(dòng)輪缸泵送制動(dòng)液，由制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液和電動(dòng)泵泵送的制動(dòng)液都經(jīng)過處于開啟狀態(tài)的右 前進(jìn)液電磁閥進(jìn)入右前制動(dòng)輪缸，使右前制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力迅速增大，右前輪又開始減速轉(zhuǎn)動(dòng)。 ABS 通過使趨于抱死車輪的制動(dòng)壓力循環(huán)往復(fù)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(dòng)主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時(shí)為止，制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)循環(huán)的頻率可達(dá) 3-20Hz。在該 ABS 中對(duì)應(yīng)于每一個(gè)制動(dòng)輪缸各有一對(duì)進(jìn)液和出液電磁閥，可由 ECU 分別進(jìn)行控制，因此，各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力能夠被獨(dú)立地調(diào)節(jié)，從而使四個(gè)車輪都不發(fā)生制動(dòng)抱死現(xiàn)象。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式與組成 3 1 1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的布置形式 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)，稱這種控制方式為獨(dú)立控制；如果對(duì)兩個(gè) (或兩以上 )車輪的制動(dòng)壓力一同進(jìn)行調(diào)節(jié)，則稱這種控制方式為一同控制。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；如果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(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(a,b)。 圖 3-1(a,b) 為了對(duì)四個(gè)車輪的制動(dòng)壓力進(jìn)行獨(dú)立控制，在每個(gè)車輪上各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，并在通往各制動(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 (通道 )。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 由于四通道 ABS 可以最大程度地利用每個(gè)車輪的附著力進(jìn)行制動(dòng) ，因此汽車的制動(dòng)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(dòng)時(shí)，由于同一軸上的制動(dòng)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(dòng)跑偏。因此， ABS 通常不對(duì)四個(gè)車輪進(jìn)行獨(dú)立的制動(dòng)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(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(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，但兩個(gè)后制動(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主減速器中只設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)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(dòng)汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的 70% 80%)。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。本設(shè)計(jì)就是為三通道 ABS。 (3)雙通道 ABS 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 圖 3-1(f)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，分別對(duì)兩前輪和兩后輪進(jìn)行一同控制。兩前輪可以根據(jù)附著條件進(jìn)行高選和低選轉(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)轉(zhuǎn)速傳感器。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)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(dòng)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(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)使汽車向轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)方向行駛，這在高速行駛時(shí)是一種無法控制的危險(xiǎn)狀態(tài)。 圖 3-1 （ f）（ g） 圖 3-1(g)所示的雙通道 ABS 多用于制動(dòng)管路對(duì)角布置的汽車上，兩前輪獨(dú)立控制，制動(dòng)液通過比例閥 (P 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)到其附著力的水平，汽車的制動(dòng)力會(huì)顯著減小。而對(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。 (4)單通道 ABS 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 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)的汽車只需在 傳動(dòng)系中安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，如圖 3-1(h)。 圖 3-1(h) 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)路面上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，又具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此在輕型貨車上得到廣泛應(yīng)用。 3.1 2 防抱死 制動(dòng)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(cè)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 接收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。液壓控制單元接收到信號(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)。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 3-2（ a） ABS 系統(tǒng)的組成（分置式） 1、前輪速度傳感器 2、制動(dòng)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(dòng)主缸 8、比例分配閥 9、制動(dòng)輪缸 10、蓄電池 11、點(diǎn)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(cè)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(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 正弦電信號(hào)， ABS 控制單元根據(jù)處理后的 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3-3 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(cè)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)。 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(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其核心部分是電子控制單元。它一方面負(fù)責(zé)將傳感器信號(hào) AID 轉(zhuǎn)換或?qū)?shù)字輸入信號(hào)采集到計(jì)算機(jī) 的內(nèi)存中去進(jìn)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(dòng)作動(dòng)系統(tǒng)，而電子控制單元內(nèi)部 CPU 通過軟件編程來實(shí)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(shí)現(xiàn)取決于所選取的計(jì)算機(jī)的類型。相對(duì)于 ABS系統(tǒng)，對(duì)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(hào)是速度脈沖，它由傳感器采集感應(yīng)出正弦信號(hào)，經(jīng)過模擬電路的濾波整形修正為標(biāo)準(zhǔn)的系列方波信號(hào)，然后通過單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器端口或數(shù)字輸入端口輸入到單片機(jī)內(nèi)存中去。單片機(jī)內(nèi)部的微處理芯片將輸入的各個(gè)輪速信號(hào)按一定的算法進(jìn)行計(jì)算，如 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 計(jì)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(yīng)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(hào)通過數(shù)字輸出端口輸出，經(jīng)過模擬電路的驅(qū)動(dòng)功率放大就可以直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，進(jìn)而控制制動(dòng)壓力。同時(shí)輸出的信號(hào)中還包括報(bào)警指示等。 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 CPU 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、高效的編程手段以及高速的運(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)。早期的汽車控制系統(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(jī)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(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)部的存貯器、中斷，充分發(fā)揮它的運(yùn)算速度，應(yīng)根據(jù)以下幾個(gè)原則選擇 ABS 控制的單片機(jī)。 （ 1） CPU 的運(yùn)算速度 CPU 的時(shí)間一般消耗 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)?ABS 系統(tǒng)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，例如加減速度、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 (OPT 型 )的單片機(jī)。它真正符合了單片機(jī)的小型、簡(jiǎn)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的利用，如果使用不足則浪費(fèi)了資源，外部總線 8 位單片機(jī) 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(jiǎn)介 本文中單片機(jī)選用了 MCS-%系列產(chǎn)品中的 80C196KCo 80C196 高性能 16 位單片機(jī)是 Intel 公司繼 80%之后推出的 一系列高性能 CHMOS16 位單片機(jī)，它特別適合要 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 求很高的實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合，目前，已成功地應(yīng)用于汽車上，諸如點(diǎn)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(jī)方式和掉電方式，進(jìn)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(gè)共同的 CPU 組織結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，在單片機(jī)內(nèi)部 “ 嵌入 ” 了以往被認(rèn)為是 “ 外圍設(shè)備 ” 的各種電路，于是形成了各種不同型號(hào)的單片機(jī)。 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(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)?ABS 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)分布較為集中，只需將每類參數(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 (小數(shù)點(diǎn)后 2 位 )， .而且避免調(diào)用冗繁的四則運(yùn)算子程序，使其算法更簡(jiǎn)潔，實(shí)時(shí)響應(yīng)速度更快，更具合理性。 高速輸入 HSI 部件 : HSI 有四個(gè)輸入端 HSI.O-HSI.3。變換檢測(cè)器在 HSI MODE 寄存器控制下，可檢測(cè)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(shí)器 T1 作事件記錄變化的時(shí)間基準(zhǔn)源，把各個(gè)輸入端的變化時(shí)刻記錄在 FIFO中。保持寄存器與 FIFO 相連，通過 FIFO 把事件的時(shí)間值送入 HSI_ TIME 中。這樣，對(duì) 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(shí)刻。 HSI_ MODE 寄存器控制變換檢測(cè)器檢測(cè)事件的方式。每?jī)晌唤M成一個(gè) 方式控制字 HSI_ STATUS 寄存器表示 HSI.O,7HSI.3 的四個(gè)輸入端的狀態(tài)，每?jī)晌槐硎疽粋€(gè)輸入端： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 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(shí)的輸入端為高電平 0: 從 HIS-IME 讀取的事件，此時(shí)的輸入端為低電平 通常，對(duì)脈沖信號(hào)的記數(shù)就利用了檢測(cè) 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(shí)器 T2 也可看作一個(gè) 16位的事件計(jì)數(shù)器，其時(shí)鐘源來自引腳 HSI.1，當(dāng) HS 工 .1 引腳有跳變 (包括正跳變和負(fù) 跳變 )時(shí)，其計(jì)數(shù)值加 1。定時(shí)器 2與 HSO 單元配合使用，作為事件觸發(fā)的時(shí)間基準(zhǔn)， 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(dāng)由輪速傳感器送入的信號(hào)經(jīng)輸入級(jí)電路處理后，作為脈沖信號(hào)輸入時(shí)， T2 就能對(duì)其進(jìn)行記數(shù)，在中斷服務(wù)程序中讀取記數(shù)寄存器的值，便能測(cè)出車輪轉(zhuǎn)速。 在實(shí)際應(yīng)用中，汽車有四個(gè)輪速信號(hào)同時(shí)輸入，數(shù)字控制器中沒有足夠多的計(jì)數(shù)器，就需要擴(kuò)展一塊 8253 芯片。 8253 具有三個(gè)功能相同的 16 位減計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)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(shí)，設(shè)定好記數(shù)處值和方式控制字，在中斷服務(wù)程序中就能同時(shí)讀取四輪的輪速信號(hào)，因?yàn)槊織l指令占用時(shí)間非常短暫 (以微秒計(jì) )，相對(duì)于中斷時(shí)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(duì)四輪信號(hào)的同步測(cè)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(duì)應(yīng)的中斷向量與之對(duì)應(yīng)。中斷向量單元中存放的是中斷服務(wù)程序的入口地址，當(dāng)允許中斷時(shí)，任何一個(gè)中斷源發(fā)出的中斷請(qǐng)求，將迫使程序轉(zhuǎn)至由對(duì)應(yīng)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(wù)程序。 CPU 對(duì)中斷控制是通過對(duì)中斷的特 殊功能寄存器和總中斷允許位的控制實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)跳變檢測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)硬件中斷時(shí)，則置位中斷登記寄存器 INT_ PEND 中相應(yīng)的位，通過讀寄存器 INT_ PEND，能確定在任意給定的時(shí)間里哪個(gè)中斷源發(fā)出中斷 ；而每個(gè)中斷源都可以通過對(duì)中斷屏蔽寄存器工 INT_MASK 相應(yīng)位的置位和復(fù)位而開放或禁止中斷。即某一位為則開放相應(yīng)的中斷源 ；為 0 則禁止相應(yīng)的中斷源。中斷登記寄存器和中斷屏蔽寄存器中各個(gè)中斷源的位置是一樣的，其各位定義如下 : 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 一個(gè)中斷請(qǐng)求能被響應(yīng)，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(duì)應(yīng)位置 1 。 CPU 響應(yīng)完中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序后，用 POPF或 RET 指令將斷點(diǎn)地址送回。 高速輸出 HSO 部件 : 高速輸出 HSO 的功能是能夠在預(yù)定的時(shí)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(hào)、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換、使定時(shí)器 2復(fù)位以及觸發(fā) 4 個(gè)軟件定時(shí)器中斷等。由于 HSO 主要由專門的硬件來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)。 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(fù)用，此兩條引線可同時(shí)設(shè)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(shí)器 T1，定時(shí)器 T2, HSO 命令寄存器， HSO.時(shí)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(shí)中斷，以下將著重介紹命令和時(shí)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(shè)計(jì) 第 32 頁(yè) 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(zhǔn)時(shí)鐘源，為 1選擇 T2，為 0 選擇 Ti； D5 位用來設(shè)置事件觸發(fā)時(shí)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(shí)是否產(chǎn)生中斷，為 1則申請(qǐng)中斷，為 0不產(chǎn)生中斷 ；D3 至 DO 位用來選擇觸發(fā)事件對(duì)應(yīng)的通道號(hào)。 HSO 時(shí)間寄存器 HSO-TIME 用來放在所設(shè)置事件觸發(fā)時(shí)刻值。值得注意的是使用 HSO-TIME 時(shí)，即使需立即觸發(fā)事件，也應(yīng)考慮硬件執(zhí)行時(shí)間，因此，送往HSO-TIME 中的立即數(shù)最小都應(yīng)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(shí)中斷這一思想。首先確定中斷向量 :GSEG AT 200AH；定時(shí)器 T1 作為系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘源，每過 8 個(gè)狀態(tài)周期，其記數(shù)值加 1，每記數(shù)一次時(shí)間間隔為（ 8M 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 晶振 ):錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 假定中斷時(shí)間為 T，那么中斷時(shí)間初值 3.2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘頻率是單片機(jī)器各個(gè)部分運(yùn)行的基準(zhǔn)，它使各部分有條不紊的按節(jié)奏工 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 33 頁(yè) 作。時(shí)鐘電路直接影響單片機(jī)運(yùn)行的速率，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖 3-4 時(shí)鐘電路連線圖 時(shí)鐘狀態(tài)周期為： 612 1 0 0 . 1 2 516 ST 3.3 防抱死制動(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（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(shè)計(jì) 第 34 頁(yè) 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(yīng)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(yīng)線圈 5.極軸 6.齒圈 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(shì)，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(shì)的頻率也變化。 ABS 電控單元通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率來檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速。 電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)；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(guó)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 3-7 所示。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 35 頁(yè) 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(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(chǎng)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(chǎng)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(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)。 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(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)。 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。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 36 頁(yè) 3.3.1 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能的霍爾效應(yīng)器件，因此使集成電路具有對(duì)磁場(chǎng)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(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下， 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閥時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平，之后， B 增加，仍保持導(dǎo)通。若外加磁場(chǎng)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(diǎn)， BRP 釋放點(diǎn)。 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(qiáng)。 本系統(tǒng)采用的是三通道四傳感器布置形式，需要四個(gè)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(jiǎn)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(hù)器、溫度補(bǔ)償電路及集電極開關(guān)輸出極組成能將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字電壓輸出，對(duì)溫度和電壓的變化更加穩(wěn)定。 其應(yīng)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(hù)器，無觸點(diǎn)、快速響應(yīng)性好，頻率高，壽命長(zhǎng)，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(hào)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(yùn)算放大器 施密特觸發(fā)器 輸出級(jí) 霍爾元件 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 37 頁(yè) 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(jī)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(dòng)的部件上，如半軸套筒，轉(zhuǎn)向節(jié)，制動(dòng)底盤。為了保證輪速傳感器無錯(cuò)誤信號(hào)輸出，安裝輪速傳感器時(shí)應(yīng)使傳感頭精確地對(duì)準(zhǔn)齒圈，應(yīng)保證它們之間有適當(dāng)?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(dòng)過程中的振動(dòng)不會(huì)干 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 38 頁(yè) 擾和影響傳感信號(hào)，做到無誤的輸出。為了避免灰塵和濺泥、水，應(yīng)適當(dāng)?shù)拿芊夂蜐?rùn)滑措施。 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(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器的目標(biāo)齒盤。對(duì)齒盤的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)有這樣的要求：齒盤的設(shè)計(jì)應(yīng)保證產(chǎn)生的車速信號(hào)的頻率在傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)；車速測(cè)量的誤差要??；使輸出的脈沖信號(hào)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(shè)計(jì) （ 1）齒盤齒數(shù)的確定： 根據(jù)傳感器的測(cè)量范圍，在設(shè)計(jì)與其配合的齒盤時(shí)應(yīng)保證產(chǎn)生的輪速信號(hào)頻率在這個(gè)范圍內(nèi)，而這個(gè)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(jì)算公式： 2 rvfz 式中： r-車輪的半徑 z-齒圈齒數(shù) f-頻率 對(duì)于確定的系統(tǒng)， 2 rz為確定的常數(shù)。 計(jì)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(yīng)考慮到：機(jī)械加工過程中，齒數(shù)的選擇最好能使機(jī)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(zhǔn)確的測(cè)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(gè)。 （ 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(hào)的強(qiáng)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(hào)的波形，主要是影響脈沖信號(hào)的占空比，占空比過大或過小時(shí)，由于汽車行駛過程中，車輪的振動(dòng)等原因，有可能使傳感器輸出的信號(hào)漏掉脈沖，或一段時(shí)間內(nèi)沒有信 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 39 頁(yè) 號(hào)輸出，使車輪的輪速計(jì)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(jì)算：n dd z 再根據(jù)實(shí)際加工時(shí)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(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)工作過程 制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置 (簡(jiǎn)稱液壓調(diào)節(jié)器 )主要由 8個(gè) 2 位 2 通調(diào)壓電磁閥、 1 個(gè)雙聯(lián)式電動(dòng)液壓柱塞泵、 2 個(gè)儲(chǔ)液室、 2 個(gè)低壓儲(chǔ)能室、 1 個(gè)電動(dòng)液壓泵和幾個(gè)單向閥等 組成。電動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入 ECU，供 ECU 監(jiān)測(cè)電動(dòng)液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。液壓調(diào)節(jié)閥通過管路與制動(dòng)主缸和各制動(dòng)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(dòng)機(jī) 7、 回液過濾器 8、 油箱 9、制動(dòng)器 （ 1）常規(guī)制動(dòng)過程 制動(dòng)系統(tǒng)在常規(guī)制動(dòng)過程中 (未出現(xiàn)防抱死現(xiàn)象 )，調(diào)節(jié)器中的各個(gè) 2 位 2 通 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 40 頁(yè) 調(diào)壓電磁閥不通電。其中， 4 個(gè)進(jìn)液電磁閥處于流通狀態(tài)， 4 個(gè)出液電磁閥處于斷流狀態(tài)，同時(shí)，電動(dòng)液壓泵也不通電運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)，自制動(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液可以通過各進(jìn)液電磁閥直接進(jìn)入各制動(dòng)輪缸，各制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力將隨制動(dòng)主缸的制動(dòng)壓力而變化，即平時(shí)汽車進(jìn)行的常規(guī)制動(dòng)。 （ 2） 防抱死制動(dòng)過程 : 在制動(dòng)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(hào)判定是否有車輪趨于制動(dòng)抱死傾向。需要調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸的壓力時(shí)， ECU 就使該制動(dòng)輪缸相對(duì)應(yīng)的進(jìn)液電磁閥或出液電磁閥通電換位，并自動(dòng)按以下情況分別進(jìn)行判斷、處理 : 建壓過程 制動(dòng)時(shí)，通過真空助力器與制動(dòng)主缸建立制動(dòng)壓力。所有電磁閥均不通電制動(dòng)壓力進(jìn)入各車輪制動(dòng)器，車輪轉(zhuǎn)速迅速降低 (此時(shí)同常規(guī)制動(dòng) )，直到電子控制單元 ECU通過計(jì)算得知車輪有抱死傾向?yàn)橹?。如圖 3-11a 圖 3-11a 建壓過程 保壓過程 當(dāng) ECU 通過轉(zhuǎn)速傳感器得到信號(hào)識(shí)別出車輪有抱死傾向時(shí)， ECU,發(fā)出控制信號(hào)關(guān)閉相應(yīng)車輪的進(jìn)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(dòng)輪缸中的制動(dòng)液壓被封閉而使制動(dòng)壓力保持一定。如圖 3-11b 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 41 頁(yè) 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(jìn)入降壓階段。此時(shí) ECU 發(fā)出控制指令使該制動(dòng)輪缸相應(yīng)的進(jìn)液電磁閥和出液電磁閥都通電換位 (進(jìn)液電磁閥處于斷流，出液電磁閥處于導(dǎo)通 )，該制動(dòng)輪缸中的部分制動(dòng)液就會(huì)通過出液電磁閥流入低壓儲(chǔ)能室，使制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力隨之減小。與此同時(shí)液壓泵也開始工作，把低壓儲(chǔ)能室的制動(dòng)液重新泵回制動(dòng)主缸以補(bǔ)償制動(dòng)踏板行程損失，此時(shí)制動(dòng)踏板出現(xiàn)抖動(dòng) (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(yùn)行。如圖 3-11c 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 42 頁(yè) 圖 3-11c 減壓過程 增壓過程 為 了達(dá)到最佳制動(dòng)效果，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后 (與設(shè)定的門限值比較 )ECU 再次發(fā)出控制指令使該制動(dòng)輪缸相應(yīng)的進(jìn)液電磁閥和出液電磁閥都斷電，使進(jìn)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(dòng)主缸輸出的制動(dòng)液就會(huì)通過進(jìn)液電磁閥進(jìn)入制動(dòng)輪缸，該制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力隨之增大，輪速再次被制動(dòng)而下降。通過保壓、降壓、增壓為一個(gè)循環(huán)，通常 ABS 系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)頻率為 2-4個(gè) /秒循環(huán)。如圖 3-11a 在 ABS 工作期間， ECU 根據(jù) 4個(gè)車輪轉(zhuǎn)速傳感器反饋車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，可以獨(dú)立地對(duì)四個(gè)制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力進(jìn)行減小、保持和增大循 環(huán)調(diào)節(jié)，將各車輪制動(dòng)效果控制在最佳狀態(tài)。 （ 3）解除制動(dòng)過程 : 當(dāng)解除制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)踏板松開，制動(dòng)主缸內(nèi)的制動(dòng)壓力為零。此時(shí)出液電磁閥再次通電處于通流狀態(tài)，低壓儲(chǔ)能室的制動(dòng)液經(jīng)出液電磁閥返回制動(dòng)主缸，低壓儲(chǔ)能室排空，為下一次工作做好準(zhǔn)備。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 43 頁(yè) 3.5 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(jī) 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(jī)對(duì)電壓的需求。圖 3-12 中， C1 可以防止由于輸入引線較長(zhǎng)帶來的電感效應(yīng)而產(chǎn)生的自激。 C2 用來減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化而引起的高頻干擾。 圖 3-12 電源電路 3.6 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 可通過它的 4 條輸入線檢測(cè)多種方式的狀態(tài)變化。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 44 頁(yè) 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 3-13 輪速信號(hào)輸入電路方框圖 輸入電路的連線圖： 圖 3-14輪速信號(hào)輸入電路圖 3.7 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，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，通過三位三通閥位置的改變接通不同的管路來達(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 高低電瓶組合成為不同的狀態(tài)，來控制油路的通斷實(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)變過程：輸出時(shí)，具有鎖存作用，即對(duì)輪速傳感 器 光電耦合器 緩沖器74LS06 單片機(jī) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 45 頁(yè) 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 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 3-15 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路如圖 3-15所示 緩沖單元的設(shè)計(jì)：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(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(shè)計(jì) 第 46 頁(yè) 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FMI為： 60mA,電流傳輸比為 100%，電磁閥的驅(qū)動(dòng)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(jí)管正向?qū)▔航?。一般?1.5V 左右 CSV-為驅(qū)動(dòng)器的壓降 FI-為輸入端正向工作電流，取 15mA 經(jīng)計(jì)算 Ri 取 50 光電耦合輸出端負(fù)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(shí)集電極和發(fā)射級(jí)之間的壓降，取 0.3V FI-15mA 經(jīng)計(jì)算取 Rj=350 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 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 47 頁(yè) 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 1.53A 所以每個(gè)輸出控制信號(hào)要經(jīng)過功率放大后才能驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥。考慮到實(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 : 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(dòng) 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(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(diǎn)負(fù)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(dòng)