1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ABS汽車防抱死制動系統設計-ABS汽車防抱死制動系統設計1防抱死制動系統概述1.1ABS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-lockBrakeSyetem的縮寫，全文的意思是防抱死制動系統，簡稱ABS。凡駕駛過汽車的人都有這樣的經歷：在積水的柏油路上或在冰雪路面緊急制動時，汽車輕者會發生側滑，嚴重時會掉頭、甩尾，甚至產生劇烈旋轉。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，產生這些危險狀況的原因在

2、于汽車的車輪在制動過程中產生抱死現象，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生以下不良影響：方向失去控制，出現側滑、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生而研制的裝置，它有以下幾點好處：增加制動穩定性，防止方向失控、側滑和甩尾；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。現代轎車的ABS由輸入傳感器、控制電腦、輸出調制器及連接線等組成。輸入傳感器通常包括死個車

3、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的第一個優點是增加了汽車制動時候的穩定性。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，則會出現側滑、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定性。汽車生產廠家的研究數據表明，裝有ABS的車輛，可使因車論側滑引起的事故比例下降8%左右。ABS的第二個優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

4、動力的結果。ABS的第三個優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，嚴重時將無法繼續使用。因此，裝有ABS具有一定的經濟效益和安全保障。另外，ABS使用方便，工作可靠。ABS的使用與普通制動系統的使用幾乎沒有區別，緊急制動時只有把腳用力踏在制動踏板上，ABS就會根據情況進入工作狀態，即使雨雪路滑，ABS也會使制動狀態保持在最佳點。ABS利用電腦控制車輪制動力，可以充分發揮制動器的效能，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定性，防止車輛側滑和甩尾，減少車禍事故的發生，因此被認為是當前提高汽車行駛安全性

5、的有效措施。目前ABS已經在國內外中高級轎和客車上得到了廣泛使用。1.2防抱死制動系統的發展歷史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，小平面產生后，車輪就不能平穩地行駛，產生噪聲和掙動。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KarlWessel的“剎車力控制器”、WernerMhl的“液壓剎車安全裝置”與RichardTrappe的“車輪抱死防止器”等嘗試都宣告失

6、敗。在1941年出版的汽車科技手冊中寫到：“到現在為止，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。當時開發剎車防抱死裝置的技術瓶頸是什么？首先該裝置需要一套系統實時監測輪胎速度變化量并立即通過液壓系統調整剎車壓力大小，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系統的誕生露出一線曙光時，已經是半導體技術有了初步規模的1960年代早期。精于汽車電子系統的德國公司Bosch（博世）研發ABS系統的起源要追溯到1936年，當年Bosch申請“

7、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”結論，這是ABS（AntilockBrakingSystem）名詞在歷史上第一次出現！世界上第一具ABS原型機于1966年出現，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。TeldixGmbH公司從1970年和奔馳車廠合作開發出第一具用于道路車輛的原型機ABS1，該系統已具備量產基礎，但可靠性不足，而且控制單元內的組件超過1000個，不但成本過高也很容易發生故障。197

8、3年Bosch公司購得50的TeldixGmbH公司股權及ABS領域的研發成果，1975年AEG、Teldix與Bosch達成協議，將ABS系統的開發計劃完全委托Bosch公司整合執行。“ABS2”在3年的努力后誕生！有別于ABS1采用模擬式電子組件，ABS2系統完全以數字式組件進行設計，不但控制單元內組件數目從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勢。兩家德國車廠奔馳與寶馬于1978年底決定將ABS2這項高科技系統裝置在S級及7系列車款上。在誕生的前3年中，ABS系統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

9、出24000套ABS系統。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循跡控制系統的研發計劃。1983年推出的ABS2S系統重量由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。圖1-1BOSCH防抱死制動系統1.3防抱死制動系統的發展趨勢（1）ABS本身控制技術的提高現代制動防抱死裝置多是電子計算機控制，這也反映了現代汽車制動系向電子化方向發展。基于滑移率的控制算法容易實現連續控制，且有十分明確的理論加以指導，但目前制約其發展的瓶頸主要

10、是實現的成本問題。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，ABS系統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BBW(Brake-By-Wire)是未來制動控制系統的發展方向之一。它不同于傳統的制動系統，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，如驅動能源問題，控制系統失效處理，抗干擾處理等。目前電制動系統首先用在混合動力制動系統車輛上，采用液壓制動和電制動兩種制動系統。（2）防滑控制系統防滑控制系統ASR(Accelerati

11、onSlipRegulation)或稱為牽引力控制系統TCS(TractionControlSystem)是驅動時防止車輪打滑，使車輪獲得最大限度的驅動力，并具有行駛穩定性，減少輪胎磨損和發動機的功耗，增加有效的驅動牽引力。防滑控制系統包括兩部分:制動防滑與發動機牽引力控制。制動部分是當驅動輪(后輪)在低附著系數路面工作時，由于驅動力過大，則產生打滑，當ASR制動部分工作時，通過傳感器將非驅動輪及驅動輪的輪速信號采集到控制器中，控制器根據輪速信號計算出驅動車輪滑移率及車輪減、加速度，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

12、的作用氣壓只能進入打滑驅動輪的制動氣室，在低附著系數路面上制動時，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節，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動力，也可保持行駛的穩定性。（3）電子控制制動系統由于ass在功能方面存在許多缺陷，如氣壓系統的滯后，主車與接車制動相容性問題等。為改善這些，出現了電子制動控制系統EBS(ElectronicsBreakSystem)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。控制強度則由司機踏板位移信號的大小來決定，由壓力調節閥、氣壓傳感器

13、及控制器構成閉環的連續壓力控制，這樣可以在外環形成一個控制回路，來實現各種控制功能，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車輛動力學控制系統VDC(VehicleDynamicsControl)是在ABS的基礎上通過測量方向盤轉角、橫擺角速度和側向加速度對車輛的運動狀態進行控制。VDC系統根據轉向角、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。同時由輪速、橫擺角速度和側向加速度傳感器測出車輛的實際運動狀態。名義狀態與實際狀態的差值即為控制的狀態變量，控制的目的就是使這種差值達到最小，實現的方法則是利用車輪滑移率特性。車輛動力學控制系統目的

14、是改善車輛操縱的穩定性，它可以在車輛運動狀態處于危險狀態下自動進行控制。其主要作用就是通過控制車輛的橫向運動狀態，使車輛處于穩定的運動狀態，使人能夠更容易地操縱車輛。（5）控制系統總線技術隨著汽車技術科技含量的不斷增加，必然造成龐大的布線系統。因此，需要采用總線結構將各個系統聯系起來，實現數據和資源信息實時共享，并可以減少傳感器數量，從而降低整車成本，朝著系統集成化的方向發展。目前多使用CAN控制器局域網絡(ControllerAreaNetwork)用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。1.4國內ABS系統研究的理論狀態和具有代表的ABS產品公司我國ABS的研究開始于80年代初。從事

15、ABS研制工作的單位和企業很多,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,如汽車力學參數綜合試驗臺、汽車彈射式碰撞試驗臺及翻轉試驗臺、模擬人及標定試驗臺、Kodak高速圖像運動分析系統、電液振動臺、直流電力測功機、發動機排放分析儀、發動機電控系統開發裝置及工況模擬器、計算機工作站及ADAMS、IDEAS軟件、非接觸式速度儀、噪聲測試系統、轉鼓試驗臺、電動車蓄電池試驗臺、電機及其控制系統

16、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領先地位。吉林大學汽車動態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定性、汽車操縱動力學、汽車輪胎模型、汽車輪胎穩態和非穩態側偏特性的研究,在輪胎力學模型、汽車操縱穩定性以及人-車閉環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及汽車結構設計計算的研究,在ABS技術方面有獨到之處,能夠建立制動壓力函數,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

17、和車速;還可以通過輪缸等效壓力函數計算防抱死制動時的滑移率。另外,在滑移率和附著系數之間的關系、汽車整車技術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的理論與實踐等專著幾本,專門講述ABS控制算法,是國內ABS開發人員的必備資料之一。另外,他們在基于MAT2LAB仿真環境實現防抱死控制邏輯、基于VB開發環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

18、通道等類型ABS裝置及其相關零部件30多個品種,其ABS產品已通過國家汽車質量監督檢測中心和國家客車質量監督檢測中心的認定,獲得國家實用新技術專利,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局新產品鑒定,認為該項技術已達到國內領先水平。山東重汽集團引進國際先進技術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鑒定,但各種制動情況

19、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。本文主要講述以80C196KC單片機為核心，完成了信號輸入回路、輸出驅動回路、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。2防抱死制動系統基本原理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

20、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滑摩擦力，側滑摩擦力的大小取決于側向附著系數和車輪所受的載荷，當車輪抱死時，側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

21、車將產生側滑摩擦力來保持汽車的直線行駛方向，如圖2-1（a）圖2-1汽車直線和轉彎制動時的平面受力簡圖所示。若汽車在轉彎時制動或在制動時轉彎，也將產生側滑摩擦力使汽車能夠轉向，如圖2-1(b)所示。地面制動力決定制動距離的長短，側滑摩擦力則決定了汽車制動時的方向穩定性。這里將作用在前輪上的側滑摩擦力稱為轉彎力，將作用在后輪上的側滑摩擦力稱為側向力。轉彎力和汽車的方向操縱性有關，它保證了汽車能夠按照駕駛員的意愿轉向;側向力和汽車的方向穩定性有關，它保證了汽車的行進方向。轉彎力越大，汽車的方向操縱性越好;側向力越大，汽車的方向穩定性越好。如上所述，施加適當的制動，能夠有效地使汽車停下。制動強度過大

22、，是汽車發生各種危險運動狀況的主要原因。因此，汽車行駛時，要根據冰路、雪路、砂石路、壞路、水濕路、干路、直路、彎曲路等道路條件，根據汽車速度、方向轉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定性的轉彎力和側向力變的很小，使汽車在制動時出現一些危險的運動情況。對ABS系統來說，就是要防止這些危險情況的出現。下面從汽車在一種路面上直線和轉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的運動情況如圖2-2所示。圖

23、2-2(a)為只有前輪抱死時，由于前輪的轉彎力基本為零，無法進行正常的轉向操作。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，當前輪抱死時轉彎力為零，駕駛員無法控制汽車的方向使汽車轉向來避讓前方的障礙物，這時由于汽車后輪不抱死，所以汽車仍具有側向力來維持方向穩定性。圖2-2(b)為只有后輪抱死時，后輪的側向力接近于零，汽車仍具有方向操縱性，但會因后輪抱死而失去方向穩定性使汽車側滑。汽車不能保持原來的行駛方向，由于離心力和前輪轉向力的作用，汽車將一面旋轉一面沿曲線行駛(這種運動叫外旋轉)。圖2-2(c)為前后車輪全部抱死時時轉彎力和側向力都為零，這種狀態很不穩定，路面不均勻、左右輪地面制動

24、力不相等時，即使對汽車施加很小的偏轉力矩，汽車就會產生不規則運動而處于危險狀態，在不規則旋轉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彎制動車輪抱死時可能出現的運動情況如圖2-3所示。所有這些運動情況若在制動時出現，都是極其危險的。從上面對出現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各種危險運動情況，實質上是汽車因失去相應的維持本身方向穩定性方向操縱性的側滑摩擦力而使汽車出現這些運動情況，即車輪抱死導致汽車的側滑摩擦力為零。車輪的抱死程度和汽車的地面制動力及汽車的側滑摩擦力之間存在一定的關系，ABS之所以能防止汽車制動時

25、出現危險的運動情況，就是根據這個關系來調整車輪的運動狀態，以避免側滑摩擦力為零。圖2-2汽車直線制動車輪抱死時的運動情況圖2-3汽車轉彎制動車輪抱死時的運動情況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生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動系統的阻力,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定狀態,反之,如

26、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車輪抱死和滑移。地面制動力受地面附著系數的制約。當制動器產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:SKIPIF10-（2-3）QUOTES=V-VV=1-rV式中:S滑移率;XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX.（4）接地技術接地技術是抑制噪聲的重要手段，良好的接地可以在很大程度上抑制系統內部噪聲禍合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。反之，若接地處理得不好，反而會導致噪聲禍合，形成

27、嚴重干擾。在防抱死制動控制盒研制的前期，正是由于接地沒有處理好，導致了電磁兼容試驗始終難以通過。經過改進后，順利通過了試驗。因此，在抗干擾設計中，對接地方式應予認真考慮。電氣設備中的“地”，通常有兩種含義:一種是“大地”，另一種是“工作基準地”。所謂“大地”，是指電氣設備的金屬外殼、線路等通過接地線與地球大地相連接。這種接地可以保證設備和人身安全，提供靜電屏蔽通路，降低電磁感應噪聲.而“工作基準地”是指信號回路的基準導體(如控制電源的零電位)，又稱“系統地”，這時的所謂接地是指將各單元、裝置內部各部分電路信號返回線與基準導體之間的連接。這種接地的目的是為各部分提供穩定的基準電位。對這種接地的要

28、求是盡量減小接地回路中的公共阻抗壓降，以減小系統中的干擾信號公共阻抗禍合。接地的目的有三個:其一是為各電路的工作提供基準電位:其二是為了安全;其三是為了抑制干擾。控制盒采用電容接地-屏蔽接地方案。經過電容器將工作地與大地相連。接地電容主要是為高頻干擾分量提供對地通道，抑制分布電容的影響;但電容對低頻仍是開路。選用的電容是0.1的瓷介電容。盒體與汽車+24V供電電源的零電位相連，可充分抑制靜電磁感應的干擾。接地點采用的并聯一點接地。分析如下:任何導體都有阻抗，當其中流過電流時，導體中便會出現電壓梯度。對于兩個分開的接地點，電流越大，兩點間的電位差也就越大。此外，這種電位差還與電流頻率有關，當在高

29、頻時由于導線上的分布電感的加大，電位差也就越大。圖3-19串聯一點接地方式圖3-20并聯一點接地方式串聯一點接地如圖3-19所示，其中R1，R2,R3,分別表示各地線段的等效電阻，A,B,C各點的電位為SKIPIF10SKIPIF10SKIPIF10顯然，串聯一點接地方式會導致各接地點電位不同，而且還要受其它電路工作電流的影響。圖3-20是并聯一點接地方式，各電路的電位僅與本電路的地電流和地電阻有關。SKIPIF10SKIPIF10SKIPIF10這種接地方式避免了各個工作電路的地電流禍合，減少相互干擾。因此，在低頻電路中采用這種接地方式較為適合。（5）提高總線的抗電磁干擾能力當總線處于高阻狀

30、態即懸空狀態時，比較容易接受外界的電磁干擾。當系統受到外界干擾而引起程序亂飛，當亂飛空間超出系統程序存儲器的地址空間時，程序存儲器全部關斷，致使數據總線處于高阻狀態。外界的電磁干擾信號很容易通過數據總線進入CPU，引入虛假的程序指令，對程序運行造成更加嚴重的破壞。因此在系統中，對數據總線和其它輸入口配上了上拉電阻，使總線具有穩定的高電平，同時有助于抑制靜電干擾和削弱反射波干擾。（6）印刷電路板抗干擾技術印刷電路板的布局和布線對系統的抗千擾性是至關重要的。采用以下方式來提高抗干擾性能。印制板上的器件應按電路工作順序排列，減小各級之間的電磁禍合，力求器件安排緊湊、密集，以縮短引線;B.數字電路和模

31、擬電路分開布局。C.PCB板布線時，信號線和功率線分開布線，不能太近，盡量減小信號線間的平行部分。3.13車輪制動器的選擇汽車用車輪制動器分為鼓式和盤式兩種。它們的區別在于前者的摩擦副中的旋轉元件為制動鼓，其圓柱面為工作面；后者的摩擦副中的旋轉元件為圓盤狀制動盤，其端面為工作表面。本系統選擇盤式制動器，所以僅對盤式進行纖細介紹。鉗盤式車輪制動器鉗盤式車輪制動器廣泛地應用在轎車和輕型貨車上。它的優點是散熱良好，熱衰退小，熱穩定性好，最適于對制動性能要求高的轎車前輪制動器。本系統前后輪均采用鉗盤式制動器。鉗盤式車輪制動器分固定式制動鉗制動器與浮動式制動鉗制動器，本系統選用浮動式制動鉗制動器，圖3-

32、21為浮動式制動器的示意圖。它的特點是制動鉗體在軸向處于浮動狀態，輪缸布置在制動鉗的內側，且數目只有固定式的一半，為單向輪缸。制動時利用內摩擦片的反作用力推動制動鉗體移動，使外側的摩擦片也繼而壓緊制動盤，以產生制動力。它的外側無液壓件，不會產生氣阻，且占據的空間也小，還可以利用內側活塞附裝駐車制動機構。但是，其內外摩擦片的磨損速度不一致，內片磨損快于外片。根據浮動式制動鉗在其支架上滑動支乘面的形式，又可分為滑銷式和滑面式兩種。因滑銷式制動鉗易實現密封潤滑，蹄盤間隙的回位能力穩定，故本系統采用滑銷式。SKIPIF10圖3-21浮動式制動鉗示意圖1、摩擦塊2、密封圈3、鉗體4、活塞5、滑銷6、支架

33、7、制動盤4防抱死制動系統軟件設計汽車防抱死制動系統具有其自身的特點，除汽車本身環境差要求系統抗干擾能力及可靠性高以外，一個重要的特點是控制過程要求快速，大部分系統的循環都要求毫秒量級，這樣對控制算法有很大的限制，復雜的算法將無法實現。或實用系統的硬件成本太高，而太簡單的算法不能滿足控制質量要求。高性能的ABS必須確保汽車在各種路況下制動時，均能使車輪獲得盡可能大的縱向制動力和防側滑力，同時使車輪的制動力矩變化幅度盡可能小。經典控制理論主要以單輸入單輸出的線性系統作為研究對象，以頻率法或根軌跡法作為系統的分析和設計方法。ABS控制系統中的被控制對象是汽車的制動過程，它是一個非線性的多輸入、輸出

34、系統，很難采用以經典控制理論為基礎的ABS控制方法。1936年德國Bosch公司在ABS系統所采用的控制方法是一種基于經驗和邏輯的控制方法，其基本原理是，首先觀察車輪的運動狀態和控制車輪制動的控制量(如油壓等)之間的經驗關系，制訂出能夠使車輪處于最佳運動狀態的控制規則，在制動過程中，以車輪的加減速度值和參考滑移率值及其門限值來代表車輪的運動狀態，并根據所制訂的經驗控制規則來確定控制車輪制動的控制量的大小，達到控制車輪運動狀態的目的。除了基于車輪加減速度門限值的控制方法外，還有一種基于經典控制理論的PID控制方法。用于ABS控制系統的PID控制方法并不是通過建立被控對象的數學模型來進行控制的，它

35、也是一種基于經驗的控制方式。PID控制方法以滑移率作為控制目標，直接得出控制量和控制目標的偏差之間的關系。但PID控制方法在控制中需要得到實際的車速信號，車速信號的獲得從目前看還是比較困難的。現代控制理論能夠利用狀態空間方法，通過建立被控對象模型來解決復雜的多輸入多輸出系統控制問題。ABS控制方法也出現了基于建立制動過程模型的現代理論控制方法。最具有代表性的是最優控制方法。基本原理是，給出制動過程的數學模型和一個最優性能指標，找出一個最優控制函數使系統由初始狀態到終止狀態的過程中性能指標為最小。現代控制理論對被控對象進行控制，要求建立精確的線性數學模型。而汽車的制動過程是一個非線性的系統。應用

36、最優控制方法等現代控制理論方法作為ABS控制方法，描述制動過程精確的數學模型難于建立，并且控制算法復雜，應用起來有一定的局限性。滑模控制是變結構系統的特殊情況，變結構控制是狀態變量在不同的控制區域中采用不同的控制率，滑模控制方式則是將控制切換開關定義在滑模表面上，一是狀態到達滑模表面上，狀態將保持在它上面;二是滑向狀態的平衡零點，引入開關函數，滑模在滑模表面上切換，這時與系統的干擾、系統參數不確定性無關。根據現代控制理論對汽車電子防抱制動的控制，可以提出多種先進的優化控制方案，如“PID控制方式”、“最優化控制方式”和“滑模變結構控制方式”等。根據對其控制模型的計算分析表明，這些控制方式來實現

37、ABS系統，將具有極其優異的防抱制動性能。然而，為了獲取數學模型中所需的相關控制參數及狀態變量，均需準確實時地確定車體的運動速度。汽車在運動過程中，車速與輪速并不相等，通過輪速間接求取車速，在準確性和實時性上都不能滿足這些控制方式的要求。目前，能夠滿足要求的車速傳感器(如多卜勒雷達等)由于成本太高而不能采用。另外，實現這些控制方案的電伺服機構也比較復雜。因而，ABS產品實際應用上述方案的不多。4.1控制方案和控制參數的選取防抱死制動系統發展至今，大多數產品都采用加、減速度門限控制，并附加一些輔助門限，并不涉及具體系統的數學模型。這對非線性系統的控制，是一種有效的方法，但系統的控制邏輯比較復雜，

38、波動大。考慮到控制精度、實時性、設計成本等要求，本ABS設計方案擬采用門限控制方法。在門限控制方案中，比較量的選擇極為重要，也就是根據什么參數來控制車輪的滑移率在20%左右。但是直接以滑移率作為比較對象時的汽車防抱系統是一個時變調節系統，其處理難度較大，不適于工程應用。經大量試驗表明:在制動過程中，車輪抱死總是出現在相當大的QUOTEddtSKIPIF10的時刻，因此預選一個角減速度門限值，當實測的角減速度超過此門限值時，控制器發出指令，開始釋放制動輪缸壓力，使車輪得以加速旋轉。再預選一個角加速度門限值，當實測的角加速度超過此門限值時，控制器發出指令，開始增加制動輪缸壓力，使車輪減速旋轉，以達

39、到控制滑移率的目的。本設計方案中，防抱死門限選擇加、減速度作為主要門限，以滑移率作為輔助門限。因為單獨的加、減速度門限有很大的局限性，在初始和高速緊急制動情況下，有可能使防抱控制邏輯在后繼的控制中失效。對于非驅動輪，也可能產生過早抱死而使防抱控制邏輯失效。但如果只以滑移率作為單獨的防抱制動門限，則對于不同的路況，很難求得一個最佳的控制效果。因此需要將角速度和滑移率這兩個門限結合起來，以識別不同路況進行自適應控制。這種控制系統在制動時，能將車輪的速度限制在一定范圍之內，使車輪的速度圍繞最佳值上下波動。控制器根據車輪轉速傳感器信號計算得到角減速度和角加速度比較容易，但要得到實際的滑移率，就需要用多

40、普勒雷達或加速度傳感器測定車速，這使得ABS的結構變得復雜，成本很高。因此，采用利用車輪轉速信號和設定的一個輛制動減速度值來計算得到參考滑移率。門限減速度、門限加速度以及車輛制動減速度值通過試驗確定.不同車型，不同的ABS一般不具有通用性。系統控制邏輯采用門限值控制法，對于比較量(門限值)的選取就顯得十分重要，一般來說比較量有這么幾種:車輪的角加速度、角減速度:角速度的變化率、角加速度與角速度比值及參考滑移率等。通過選擇不同的比較量，就可以得到不同的預選，復選條件。預選條件是指當滿足這個條件時車輪有抱死的傾向，應降低制動壓力以增加車輪轉速，而復選條件則是當滿足這個條件時車輪可以避免抱死的傾向，

41、制動壓力應再次升高。由此得到的邏輯算法如下表所示:表4-1邊界條件本系統的預選條件是角減速度低于門限減速度，選擇的復選條件是角加速度大于門限加速度。4.2控制參數及其計算4.2.1門限減速度的求取在車輪制動過程的開始，主要是對車輪施加壓力，計算出車輪的角減速度值，并集合滑移率和車輪的制動的制動速度等因素來對其產生的輪減速度值進行修正，將得出的參數作為門限值，假定路面的狀況一定，則無論車輪的滑移率在任何范圍內變化，其路面附著系數都不會超過某一定值，即制動力總是滿足:SKIPIF10-（41）當車輪的減速度超過路面所提供的最大附著力，車輪可能出現抱死傾向，于是得到的最簡單的ABS邏輯：SKIPIF

42、10-（42）從這一個最原始的控制邏輯出發，并考慮了對SKIPIF10值產生影響的主要參數-滑移率，制動過程中的輪速，初始采集到的減速度值進行修正。滑移率對峰值附著系數的影響：附著系數滑移率關系曲線線性如圖24所示。由關系圖我們得到以下峰值附著系數隨滑移率變化的關系式：SKIPIF10SKIPIF10-(43)SKIPIF10SKIPIF10-（44）上式中SKIPIF10最佳滑移率；SKIPIF10附著系數SKIPIF10車輪滑移率；SKIPIF10滑移率為1時的附著系數SKIPIF10峰值附著系數車輪速度對峰值附著系數的影響：輪胎滾動速度對附著系數有較大的影響，一般的近似表達式為：SKIP

43、IF10-（45）不同路面應設置不同的減速度門限值，在高附著系數路面制動時，所達到的峰值附著系數的輪角減速度小，因而在其他條件都相同時高附著系數應具有較大減速度門限值，而低附著系數路面應當有較小的門限值，防抱死控制要形成循環，則應使防抱死的控制狀態運行到輪胎特性曲線的不穩定區，所以門限值要大于達到峰值附著系數時的角減速度值即：同時實際制動時如果減速度門限值取的比較的小。在實際中由于路面不均勻，傳感器誤差等其他噪音，由此產生的減速度不同路面應設置不同的減速度門限值，在高附著系數路面制動時，所達到的峰值附著系數的車輛角速度小，因而在其他條件都相同時附著系數應具有較大減速度門限值。而低附著系數路面應

44、當有較小的門限值，防抱死控制要形成循環，則應使防抱死的控制狀態運行到輪胎特性曲線的不穩定區，值如與減速度門限值比較接近則實際中的控制難以實現，ECU容易產生誤動作。4.2.2門限加速度的求取加速度門限值決定著車輛速度的恢復，如果設置的門限值太大，車輪可能無法達到這以門限值。在這種情況下就有可能出現失控是車速一直處于恢復的狀態，如果設置的門限值太小則車輪沒有充分恢復就進入下一個循環。這樣產生逐漸抱死的趨勢。所以在實際的設定中，要綜合考慮各種因素的影響，根據不同的車型和路面狀況進行大量的試驗來確定所選的加速度和減速度的門限值。4.2.3路面識別技術路面識別在系統的控制中是以個很重要的因素，因為需要

45、根據路面來確定加減速度門限，不同的路面防抱死特征是不同的需要根據路面來確定合適的門限值。目前在實際中應用較多的是半經驗輪胎模型，即用通過大量的試驗數據分析歸納得到的經驗公式來描述輪胎-路面系統的動力學特性，如郭孔輝教授提出的聯合工況下的半經驗E指數模型、PACEJKA魔術輪胎模型、LUGRE輪胎模型等。PACEJKA魔術輪胎模型是一種通過對試驗數據的擬合而得出的純經驗的模型。經過試驗證明PACEJKA魔術輪胎模型較好的解決了輪胎-路面系統部分性能實驗數據的擬合問題，擬合系數也具有確切的物理意義，從而可以快速直觀的了解某些汽車參數對輪胎-路面系統動力學的影響。本系統路面識別方法是：首先給定一個較

46、高的附著系數，然后計算參考滑以率，給定兩個門限值S1,S2(S1S2),在不同的路面上防抱死訓話特征是不同，在高附著系數路面上，整個ABS的控制過程S達不到S2門限，而在低附著系數的路面上則可以達到S2，由此可以粗略確定路面的狀況。4.2.4車身參考速度的確定目前測定參考速度的方法有兩種，一種是使用多普勒雷達，另一種是采用五輪儀。多普勒雷達價格較高在實際應用中不現實，五輪儀的外觀又不能滿足人們的期望，因此汽車一般不采用直接測量的方法獲得實際的車速，而是采用簡介的方法油車輪的角速度和附加速度構成車輪的參考速度。在制動的初始階段如果測得的角減速度值低于角速度門限-a時，取此車輪速度作為車身的初始參

47、考速度SKIPIF10，此刻的減速度值作為車身的參考減速度，則此后的車身速度SKIPIF10為：SKIPIF10-（46）輪速采集的計算：高速輸入通道HIS的設定：80C196KC是16位高性能的單片機，它有四個高速輸入口HIS0HIS3，恰好可以用于四個車輪輪速信號的輸入，高速輸入通道由端口緩沖器、HIS選通邏輯、8分頻記數器、輸入跳變檢測器、FIF0中斷和控制邏輯、FIF0寄存器、HIS時間寄存器、HIS方式寄存器以及HIS狀態寄存器組成。與高速輸入通道有關的專用寄存器有：HIS_STATUS、HIS_TIME和HIS_MODE，利用這3個寄存器，高速輸入口可以用4種方式檢驗各引腳上有無時

48、間發生，并能夠記下時間發生時的時刻，利用HIS中包含的FIF0隊列寄存器和保持寄存器，可以同時記錄8個時間，供CPU適時地讀取和處理，從而實現其“高速”采集的功能。HIS_MODE寄存器的口地址為：03H每兩位選定一條HIS輸入引腳的工作方式。表4-2HIS通道的四種工作方式：狀態字工作方式具體形式000000000每8此正跳變觸發一次事件010101011每次正跳變觸發一次事件101010102每次負跳變觸發一次事件111111113每次跳變觸發一次事件HIS_STATUS表示四條引腳的狀態地址06H，高位表明引腳當前的狀態（1表示高電平，0表示低電平）、低位表明HIS事件寄存器所記錄的時刻

49、該引腳是否有事件發生（1表示有事件發生，0表示沒有事件發生）。HIS_TIME以定時器TI為事件基準地址04H,HIS_TIME存放事件發生時定時器TI的當前值。HIS不見的中斷功能：與HIS中斷有關的中斷源有4個本系統對輪速信號處理采用FIF0滿四項數據就發生中斷的中斷方式該中斷矢量2034H，該中斷方式同時對汽車4個車輪輪速信號迅速處理，如果采用FIF0數據滿來中斷，在低速測量時占用較長事件，不利于ABS系統的適時性的要求。為了使HIS能夠正確的檢測引腳上發生的變化必須注意：由于該類單片機每個T周期內對HIS引腳采樣一次，所以要求輸入高低電平持續事件不小于以個狀態周期，這樣才能檢測到引腳的

50、狀態的變化。本系統輪速脈沖輸入信號的頻率、周期的確定：輪速計算公式：SKIPIF10-(47)取r=0.3m，z=100，車輪的控制范圍為：5Km/h300Km/h則信號頻率范圍為：SKIPIF10信號周期范圍為：SKIPIF10則每個脈沖信號的高低電平持續的最短事件是113SKIPIF10.系統采用16MHz晶振頻率，由于每8個狀態周期記數一次，所以系統每1SKIPIF10對HIS引腳采樣一次。113SKIPIF101SKIPIF10。所以能夠滿足系統的對脈沖寬度的要求。因為數據采集的精度將極大影響控制效果。所以提高輪速信號的采樣精度就變得非常重要。對于車速的測量，有兩種方法:直接送計算機的

51、計數電路，從而得到輪速;有:頻率法、周期法、多倍周期法、精度自適應法。先進行F/V轉換，再送計算機的A/D轉換而得到輪速。對于輪速低頻測量，周期法精度較高;對于輪速高頻測量，頻率法精度較高。如果把周期法和頻率法結合起來，采用輪速脈沖周期倍乘措施，可以擴展輪速測量范圍，提高測量精度。但是，由于這種方法對低頻輪速脈沖信號也進行了倍乘。所以，多倍周期法在提高高頻輪速計算精度的同時，也拉長了低頻輪速計算的時間間隔，從而降低了低速控制的實時性。根據以上方法的優點和局限性，本文采用第一種方法中的精度自適應法。多倍周期法就是把輸入信號按固定的分頻數進行分頻。使被測周期得到倍乘，計算輪速脈沖頻率f:SKIPI

52、F10-(48)式中 m1-周期倍乘數; N2 -一個周期累計時標脈沖個數;0-時標信號周期。精度自適應法是以多倍周期法為基礎，并結合ABS控制的輪速計算精度和控制實時性的要求設計完成的。此法和多倍周期法的區別在于，后者的輪速脈沖倍乘數 m1為固定值，造成了低速計算實時性差的缺點，而精度自適應法則克服了這一缺點，在保證高速、低速計算精度的同時，很好地保證了低速控制實時性。為了充分利用多倍周期法的優點，克服它的缺點，可以在程序中實時調整分頻因子 m1:在低頻時 m1取較小值，以提高實時性:在高頻時 m1取較大值，提高測量精度。分頻數 m1的確定需要考慮兩個邊界條件，其一是最大控制周期，其二是精度

53、要求的限制條件。這種方法在實時性方面和測量精度方面都能兼顧。當輸入信號低于最大控制周期時，輸入信號的采集則使用中斷的方式進行。首先，為了保證控制的實時性，假設最大的控制周期為Ts，由時間限制條件可以確定 m1的上限值為:SKIPIF10-QUOTE4-2（49）式中t1-實際頻率信號的周期其次，根據精度要求的限制條件，可求出m1的下限值。SKIPIF10-QUOTE4-3（410）SKIPIF10-QUOTE4-3（411）式(4-4)為誤差計算公式。若精度要求為a%，即SKIPIF11000at1-(4-6)SKIPIF11000at1SKIPIF10-QUOTE4-3（414）QUOTE4

54、-7在實際計算過程中，以每個控制周期中的第一個輪速脈沖周期t,作為求解m1值到m1的下限值，再的試算脈沖。得由控制周期TS計算出m1的上限值，從中取一個合適的整數值，作為當前控制周期內的輪速脈沖分頻值。由于固定輪速計算精度，所以，輪速越高，m1越大；輪速越低，m1越小。這樣，既保證了輪速計算精度，又提高了低速控制實時性。4.3控制過程對于該邏輯門限值控制方式，其控制過程如下:高附著系數路面的制動控制過程如圖4-1所示，在制動的初始階段隨著制動壓力的上升，車輪速度v，下降，車輪的減速度增大。當車輪減速度達到門限值-a時(第1階段末)，計算得到的滑移率未達到門限值s,。因此，控制系統使制動壓力進入

55、保持階段(第2階段)，以使車輪充分制動。當滑移率大于門限值s、時，則進入制動壓力減小階段(第3階段)o隨著制動壓力的減小，車輪在慣性力的作用下開始加速，當車輪的減速度減小至門限值-a時，又進入制動壓力保持階段(第4階段)。此階段由于汽車慣性的作用，車輪仍在加速，車輪加速度達到加速門限值+a值時，仍然保持制動壓力，直到車輪加速度超過第二門限值+a(+a為適應附著系數突然增大設)。這是，制動壓力再次增大(第5階段)，以適應附著系數的增大。隨著制動壓力的增大，車輪加速度下降，當車輪加速度又低于+a時，進入制動壓力保持階段(第6階段)，直到車輪加速度又回落至+a以下。這時的制動壓力稍有不足，對制動壓力

56、的控制為增壓、保持的快速轉換(第7階段，制動壓力有較小的階梯升高率)，以使車輪滑移率在理想滑移率上下波動。當車輪減速度再次超過-a時，又開始進入制動壓力減小階段(第8階段)，此時制動壓力降低不再考慮參考滑移率門限值，進入下一個控制循環過程。圖4-1高附著系數路面的防抱死控制過程（2）低附著系數路面的制動控制過程汽車在低附著系數路面行駛制動時，在較低壓力時就可能使車輪抱死，且需要較長的時間加速度才能走出高滑移率區。因此低附著系數路面的防抱死控制與高附著系數路面不同。其控制過程如圖4-2所示。低附著系數路面防抱死控制的第1與第2階段與高附著系數路面控制過程的第2和第3階段相似。當進入制動壓力保持階

57、段(第3階段)后，由于附著系數小，車輪的加速很慢，在設定的制動壓力保持時限內車輪加速度未能達到門限值+a,ECU由此判定車輪此時處于低附著路面，并以較小的減壓率使制動壓力降低，直到車輪加速度超過+a。此后，系統又進入制動壓力保持階段(第4階段)。當車輪加速度又低于+a時，系統以較低的階梯升壓率增大制動壓力(第5階段)，直到車輪減速度又低于門限值-a，進入下一個防抱死控制循環。由于在第一個循壞中車輪處于較大滑移率的時間較長，ECU根據此狀態信息，在下一個循環中，采用持續減壓的方式使車輪加速度升至+a(第6階段)。這樣可以縮短車輪在高滑移率的時間，使車輛的操縱性和穩定性得到提高。圖4-2低附著系數

58、路面的防抱死控制過程（3）制動中路況突變的防抱死控制過程在制動過程中會有從高附著系數路面進入低附著系數路面的清況，比如在瀝青或水泥路面制動中駛入結冰路面。這種由高附著系數路面突變到低附著系數路面的防抱死控制過程如圖4-3所示。設在上一個防抱死控制循環結束，下一個循環剛剛開始時,車輪突然從高附著系數路面進入低附著系數路面，由于這時制動壓力調節器還保持在與高附著系數路面相適應的較高壓力，就會出現車輪的參考滑移率超過門限值S2的可能。因此，在車輪的角減速度從低于-a。到高于+a變化過程中，還需要對車輪的參考滑移率是否超過S2進行判斷。如果參考滑移率超過S2，說明車輪處于滑移率過大狀態，系統將不進行制

59、動壓力保持，繼續減小制動壓力，直至車輪的加速度高于門限值+a(第3階段)。此后，系統再進入制動壓力保持階段(第4階段)，直到車輪的加速度又低于門限值+a。然后再以較低的階梯升壓率增大制動壓力(第5階段)，直到車輪的角減速度再次低于門限值-a，進入下一個防抱死控制循環。在低附著系數路面，車速低于20km/h的情況下，由于車輪角減速度較小，這時應以滑移率門限作為主要控制門限，而以車輪的角減速度和角加速度作為輔助控制門限。圖4-3路面附著系數由高向低突變的防抱死控制過程4.4程序設計輪速采集過程（程序）：對于ABS輪速信號采集處理模塊，其軟件設計的主體是在第四個事件進入FIF0時產生中斷，進入中斷處

60、理程序，中斷服務程序，在中斷服務程序前應該先定義與中斷相關的寄存器，設置數據采集的變量和常量等。中斷處理程序運行后，依次檢測是哪個通道觸發了事件，如果該通道觸發了事件則進入觸發中斷程序，進入中斷自程序，首先判斷是否第一次中斷，如果是則將HIS_TIME的內容讀到初始事件寄存器中，作為事件的初始值退出中斷子程序，如果不是則將事件放入事件寄存器2中，中斷次數寄存器加1，然后計算時間t1和t2的差值，并將差值存入寄存器中，調用輪速處理子程序，然后退出該程序。輪速處理步驟：首先確定在事件T內單片機檢測到的車輪脈沖的個數，其次計算出實際測量事件Td,運用公式（47）計算出車輪速度，從速度寄存器中讀出前一