防抱死制动系统轮速信号采集处理系统设计.docx
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防抱死制动系统轮速信号采集处理系统设计
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1防抱死制动系统的发展现状及趋势1
1.2课题研究的内容2
第二章防抱死制动系统轮速信号采集处理系统总体设计4
2.1制动防抱死系统的基本组成5
2.1.1防抱死制动系统的组成7
2.1.1.1控制器9
2.1.1.2转速传感器10
2.1.1.3制动压力调节器10
2.1.2防抱死制动系统的工作原理12
2.2防抱死控制动系统的控制方式12
2.2.1双参数控制13
2.2.2单参数控制13
2.3制动系统系统图的确定13
2.4防抱死系统的制动过程14
2.4.1建压过程14
2.4.2保压过程14
2.4.3减压过程14
2.4.4增压过程14
第三章ABS轮速信号采集处理系统的硬件设计15
3.1电子控制单元的组成16
3.2电源电路17
3.3看门狗电路17
3.4车轮制动器的选择18
第四章ABS轮速信号采集处理系统的算法实现20
第五章ABS轮速信号采集处理系统的硬件设计21
4.1转速信号处理软件设计22
4.2转速信号中断处理流程图的确定23
4.3各通道处理程序流程的确定24
第六章ABS轮速信号采集处理系统的仿真设计25
结论26
致谢27
参考文献28
摘要
本文介绍了防抱死制动系统的发展及分类，解释了系统基本组成与其工作原理，拟设计了汽车轮速信号采集处理系统的硬件和软件，提出了一种ABS轮速采集的算法，并对该算法的实时性进行了分析；通过仿真试验，证明了硬件设计和软件算法的正确性以及系统的稳定性和实时性，通过本次的关于防抱死制动系统轮速信号采集处理系统的设计，希望能对以后的关于汽车轮速信号采集处理系统的设计起到一定的参考作用和价值。
关键词：
防抱死制动系统；基本组成；ABS；参考；
absraote
Pneumaticmanipulatorisaautomateddevicesthatcanmimicthehumanhandandarmmovementstodosomething，aslocanaccordingtoafixedproceduretomovingobjectsorcontroltools.ItcanreplaceABStheheavylaborinordertoachievetheproductionmechanizationandautomation,andcanworkindangerousworkingenvironmentstoprotectthepersonalsafety,Thereforewidelyusedinmachinebuilding,metallurgy,electronics,lightindustryandatomicenergysectors.Thisarticleismainlyofthepneumaticmanipulatortheoveralldesign,andpneumaticdesign.
Keyword:
pneumaticmanipulator；cylinder；ABS；freedom
第一章绪论
汽车防抱死制动系统（ABS）控制的核心部分是电子控制单元（ECU）,ECU通过采集4个车轮速度信号计算得到4个轮速,在此基础上,进一步计算车轮的加减速度,估算汽车车身速度,从而得到滑移率,进行路面识别等。
把这些信号加以分析后,ECU对压力调节器发出控制指令,从而实现其对制动压力的调节。
因此,准确的车轮速信号的取得是ABS实现有效控制的前提和关键。
本文设计了轮速采集的软硬件提出的轮速算法无论在低速时测量还是高速时测量,都有比较好的测量精度和实时性。
基于MCS-96微处理器开发的嵌入式防抱死制动系统具有实时性好、可靠性高等特点,能在很大程度上提高控制器的可靠性和车辆的制动性能。
1.1防抱死制动系统的发展现状及趋势
ABS装置最早应用在飞机和火车上，而在汽车上的应用比较晚。
铁路机车在制动时如果制动强度过大，车轮就会很容易抱死在平滑的轨道上滑行。
由于车轮和轨道的摩擦，就会在车轮外圆上磨出一些小平面，小平面产生后，车轮就不能平稳地行驶，产生噪声和挣动。
1908年英国工程师J.E.Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。
接下来的30年中，包括KarlWessel的“刹车力控制器”、WernerMhl的“液压刹车安全装置”与RichardTrappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。
在1941年出版的《汽车科技手册》中写到：
“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。
首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应！
等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有了初步规模的1960年代早期。
精于汽车电子系统的德国公司Bosch（博世）研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。
1964年（也是集成电路诞生的一年）Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（AntilockBrakingSystem）名词在历史上第一次出现！
世界上第一具ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。
因为投入的资金过于庞大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。
TeldixGmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机——ABS1，该系统已具备量产基础，但可靠性不足，而且控制单元内的组件超过1000个，不但成本过高也很容易发生故障。
1973年Bosch公司购得50％的TeldixGmbH公司股权及ABS领域的研发成果，1975年AEG、eldix与Bosch达成协议，ABS系统的开发计划完全委托Bosch将公司整合执行。
“ABS2”在3年的努力后诞生！
有别于ABS1采用模拟式电子组件，ABS2系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个，而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。
两家德国车厂奔驰与宝马于1978年底决定将ABS2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。
在诞生的前3年中ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。
从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。
所幸第二年即成长到76000套。
受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。
1983年推出的ABS2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤，控制组件也减少到70个。
到了1985年代中期，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1％，通用车厂也决定把AB列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。
ABS本身控制技术的提高现代制动防抱死装置多是电子计算机控制，这也反映了现代汽车制动系向电子化方向发展。
基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。
随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。
全电制动控制系统BBW（Brake-By-Wire）是未来制动控制系统的发展方向之一。
它不同于传统的制动系统，其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间，维护简单，易于改进，为未来的车辆智能控制提供条件。
但是，它还有不少问题需要解决，如驱动能源问题，控制系统失效处理，抗干扰处理等。
目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。
防滑控制系统防滑控制系统ASR（AccelerationSlipRegulation）或称为牵引力控制系统TCS（TractionControlSystem）是驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的驱动力，并具有行驶稳定性，减少轮胎磨损和发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。
防滑控制系统包括两部分:
制动防滑与发动机牵引力控制。
制动部分是当驱动轮（后轮）在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器中，控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时，则控制器打开开关阀，气压由储气筒直接进入制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。
为此利用ABS电磁阀对制动压力进行精细的调节，即用小步长增压或减压，以达到最佳的车轮滑移的效果既可以得到最大驱动力，也可保持行驶的稳定性。
1.2课题研究的内容
本次设计主要针对防抱死制动系统轮速信号采集处理系统的设计，从防抱死制动系统轮速信号采集处理系统的总体设计出发，然后具体细化出它的硬件方面的设计以及系统算法的设计和软件方面的设计，其主要包括以下几个方面：
1、对ABS轮速信号采集处理系统硬件进行设计
2、ABS轮速信号采集处理系统算法实现
3、对ABS轮速信号采集处理系统软件进行设计
4、进行仿真实验
第二章防抱死制动系统轮速信号采集处理系统总体设计
2.1制动防抱死系统的基本组成
2.1.1防抱死制动系统的组成
2.1.1.1控制器
通常，ABS是在普通制动系统的基础上加装车轮速度传感器、ABS电控单元、制动压力调节装置及制动控制电路等组成的，如下图。
制动过程中，ABS电控单元（ECU）3不断地从传感器1和5获取车轮速度信号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。
如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置2不参与工作，制动主缸7和各制动轮缸9相通，制动轮缸中的压力继续增大，此即ABS制动过程中的增压状态。
如果电控单元判断出某个车轮（假设为左前轮）即将抱死拖滑，它即向制动压力调节装置发出命令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸的压力不再增大，此即ABS制动过程中的保压状态。
若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器（图中未画出）的通道，使左前制动轮缸中的油压降低，此即ABS制动过程中的减压状态。
ABS系统的组成图如下图1所示：
图1
2.1.1.2转速传感器
转速传感器的作用检测车速，给ECU提供车速信号，用于滑移率控制方式。
在汽车制动时，获得汽车减速度信号。
其工作原理为:
感应轮子上面固定的一个点的速度然后反馈给中控系统进行计算从而得出轮子的当前转速也就是车速了。
因为汽车在高附着系数路面上制动时，汽车减速度大,在低附着系数路面上制动时，汽车减速度小，因而该信号送入ECU后，可以对路面进行区别，判断路面附着系数高低情况。
当判定汽车行驶在雪地、结冰路等易打滑的路面上时，采取相应控制措施，以提高制动性能。
多用于四轮驱动控制系统,电子控制单元（ECU）接收轮速、车速信号、发动机转速信号、制动信号、液位等信号，分析判定车轮制动状态，需要时发出调节指令，并具有报警、记忆、存储、自诊断和保护功能。
转速传感器的产品图和安装示意图如下图2、3所示：
图2
图3
2.1.1.3制动压力调节器
制动压力调节器是ABS系统中最主要的执行器，一般都设在制动总泵（主缸）与车轮制动分泵（轮缸）之间。
（1）作用：
根据ECU的控制指令，自动调节制动分泵（轮缸）的制动压力。
（2）分类
①根据动力来源分可以分为：
气压式与液压式。
气压式：
主要用在大型客车和载重汽车上。
液压式：
主要用在小轿车和一些轻型载重汽车上。
②根据结构关系分可以分为：
分离式与整体式。
分离式：
制动压力调节器自成一体，通过制动管路与制动总泵相连。
具体的制动压力调节器产品图片如下图4所示：
图4
2.1.2防抱死制动系统的工作原理
汽车防抱死制动系-统的工作原理就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节轮缸制动压力，以获得最高的纵向附着系数和较高的侧向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态，由此可知，车轮速度的正确检测是防抱死制动系统的重要环节之一。
发达国家已普遍使用ABS系统，对轮速信号处理的方法以硬件和软件的形式作为ABS系统的电子控制器的一部分而制成专用电路和芯片加以保护，国内对轮速信号的处理大多存在可靠性差、轮速识别的门槛值过高的问题。
2.2防抱死控制动系统的控制方式
2.2.1双参数控制
双参数控制的ABS，由车速传感器（测速雷达）、轮速传感器、控制装置（电脑）和执行机构组成。
其工作原理是车速传感器和轮速传感器，分别将车速和轮速信号输入电脑，由电脑计算出实际滑移率，并与理想滑移率15%一20%作比较，再通过电磁阀增减制动器的制动力。
这种曳速传感器常用多普勒测速雷达。
当汽车行驶时，多普勒雷达天线以一定频率不断向地面发射电磁波，同时又接收反射回来的电磁波，测量汽车雷达发射与接收的差值，便可以准确计算出汽车车速。
而轮速传感器装在变速器外壳，由变速器输出轴驱动，它是一个脉冲电机，所产生的频率与轮速成正比。
执行机构由电磁阀及继电器等组成。
电磁阀调整制动力，以便保持理想的滑移率。
这种ABS可保证滑移率的理想控制，防抱制动性能好，但由于增加了一个测速雷达，因此结构较复杂，成本也较高。
2.2.2单参数控制
它以控制车轮的角减速度为对象，控制车轮的制动力，实现防抱死制动，其结构主要由轮速传感器、控制器（电脑）及电磁阀组成。
为了准确无误地测量轮速，传感头与车轮齿圈间应留有1mm间隙。
为避免水、泥、灰尘对传感器的影响，安装前应将传感器加注黄油。
电磁阀用于车轮制动器的压力调节。
对于四通道制动系统，一个车轮圈有一个电磁阀;三通道制动系统，每个前轮拥有一个，两个后轮共用一个。
电磁阀有三个液压孔，分别与制动主缸与车轮制动分缸相连，并能实现压力升高、压力保持、压力降低的调压功能。
2.3制动系统系统图的确定
制动压力调节装置（简称液压调节器）主要由8个2位2通调压电磁阀、1个双联式电动液压柱塞泵、2个储液室、2个低压储能室、1个电动液压泵和几个单向阀等组成。
电动液压泵转速传感器产生的转速信号输入ECU，供ECU动液压泵的运转情况。
液压调节阀通过管路与制动主缸和各制动轮缸相连。
液压调节器工作原理如图5示。
c
图5液压调节器工作原理图
1一低压储能器：
2－液压柱塞泵；3一电动机：
4－嘴业动土缸储液室；5－制动主缸：
6一储液室；7一进液电磁阀（常开）；8一出液电磁阀（常闭）
防抱死制动系统一般由车轮转速传感器、ECU电子控制器、压力调节器、ABS警告灯和一些继电器等组成。
车轮转速传感器一般安装在被控车轮上面，压力调节装置对制动压力进行调节可以采用流通方式或变容方式；电子控制器主要接受车轮转速传感器和制动灯开关灯输入的信号，对制动过程中被控车轮的运动状态进行检测，根据需要对压力调节装置进行，使压力调节装置对被控车轮的制动压力进行保持、减少、和增大调节，并根据反馈信号修正控制指令，另外它还具有对防抱死制动系统的工作状态进行检测的功能，ABS警告灯在防抱死系统发生故障时点亮，向驾驶员发出警告信号。
具体的系统图如下图6所示：
图6
2.4防抱死系统的制动过程
2.4.1建压过程
通过真空助力器与制动主缸建立制动压力。
所有电磁阀均不通电制动压力进入各车轮制动器，车轮转速迅速降低（此时同常规制动），直到电子控制单元（ECU）通过计算得知车轮有抱死倾向为止。
2.4.2保压过程
当ECU通过转速传感器得到信号识别出车轮有抱死倾向时，ECU发出控制信号关闭相应车轮的进液电磁阀，并让出液电磁阀继续保持关闭状态，该制动轮缸中的制动液压被封闭而使制动压力保持一定。
2.4.3减压过程
如果在保压阶段车轮仍有抱死倾向，则ABS系统进入降压阶段。
此时ECU发出控制指令使该制动轮缸相应的进液电磁阀和出液电磁阀都通电换位（进液电磁阀处于断流，出液电磁阀处于导通），该制动轮缸中的部分制动液就会通过出液电磁阀流入低压储能室，使制动轮缸的制动压力随之减小。
与此同时液压泵也开始工作，把低压储能室的制动液重新泵回制动主缸以补偿制动踏板行程损失，此时制动踏板出现抖动（有抬升或反弹感），车轮抱死程度降低，轮速上升。
此过程结束液压泵随之掉电停止运行。
2.4.4增压过程
为了达到最佳制动效果，当车轮转速达到一定值后（与设定的门限值比较）ECU再次发出控制指令使该制动轮缸相应的进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀处于通流状态，出液电磁阀处于断流状态，制动主缸输出的制动液就会通过进液电磁阀进入制动轮缸，该制动轮缸的制动压力随之增大，轮速再次被制动而下降。
通过保压、降压、增压为一个循环，通常ABS系统的压力调节频率为2-4个/秒循环。
第3章ABS轮速信号采集处理系统的硬件设计
3.1电子控制单元的组成
目前常见的是由微控制器为CPU+程序软件组成的系统，主要是将获得的数字信息计算分析判断，并发出指令使伺服电磁阀相应动作。
3.2电源电路
电子控制单元的核心是单片机，其对供电电源的要求很高。
而蓄电池的电压是不稳定的，大电感用电器在断开时会在电路中产生高频振荡电磁波，峰值可达到280V，同时点火电路造成的负脉冲电压峰值可达50～100V，并在电气系统中以一定频率出现。
因此，设计电源时必须考虑这些问题。
系统稳压电源如图3-9.它能把蓄电池提供的不稳定的24V电压变为可供单片机80C196KC使用的高稳定电压4.5~~5.5V。
此电压变换电路采用78XX系列集成三端稳压器。
三端稳压电源输出电流为100mA～3A,稳压系数为0.005%～0.02%，纹波抑制比为56～68dB,能够较好的满足单片机对电压的需求。
图7中，C1可以防止由于输入引线较长带来的电感效应而产生的自激。
C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。
图7
3.3看门狗电路
设置看门狗电路是为了防止程序运行中进入死循环，它随时检测中央处理器是否正常工作。
当需要中央处理器工作时，任何一个模块都可以通过中断将其唤醒，从而使系统以最低功耗进行运行。
若看门狗电路输入在1.6秒内未被触发时，计数器将保持清零，并不级数，一单触发信号产生，计数器将又开始计数，50纳秒脉冲信号即可被检测到。
图8即为本次设计的看门狗电路。
图8
3.4车轮制动器的选择
汽车用车轮制动器分为鼓式和盘式两种。
它们的区别在于前者的摩擦副中的旋转元件为制动鼓，其圆柱面为工作面；后者的摩擦副中的旋转元件为圆盘状制动盘，其端面为工作表面。
本系统选择盘式制动器，所以仅对盘式进行纤细介绍。
钳盘式车轮制动器钳盘式车轮制动器广泛地应用在轿车和轻型货车上。
它的优点是散热良好，热衰退小，热稳定性好，最适于对制动性能要求高的轿车前轮制动器。
本系统前后轮均采用钳盘式制动器。
钳盘式车轮制动器分固定式制动钳制动器与浮动式制动钳制动器，本系统选用浮动式制动钳制动器，图3-21为浮动式制动器的示意图。
它的特点是制动钳体在轴向处于浮动状态，轮缸布置在制动钳的内侧，且数目只有固定式的一半，为单向轮缸。
制动时利用内摩擦片的反作用力推动制动钳体移动，使外侧的摩擦片也继而压紧制动盘，以产生制动力。
它的外侧无液压件，不会产生气阻，且占据的空间也小，还可以利用内侧活塞附装驻车制动机构。
但是，其内外摩擦片的磨损速度不一致，内片磨损快于外片。
根据浮动式制动钳在其支架上滑动支乘面的形式，又可分为滑销式和滑面式两种。
因滑销式制动钳易实现密封润滑，蹄盘间隙的回位能力稳定，故本系统采用滑销式。
常见的车轮制动器如下图9,图10所示：
图9
图10
第四章ABS轮速信号采集处理系统的算法实现
常用的轮速计算方法有三种：
M法、T法、法。
测速法是在稍大于规定时间的某一时间内，分别对光电码盘输出的脉冲个数和高频时钟脉冲个数进行计数。
如图3所示。
于是可求出转速
（a）光电管输出
（b）放大电路输出
（c）整形电路输出
其中，为光电码盘转一周输出的脉冲数，为高频时钟脉冲的频率。
的开始的结束都应当正好是光电码盘脉冲的上跳沿，这样就可保证检测的精度。
采用MCS-96单片机时，可如图六所示，采用一个D触发器作为接口。
由HSO.0口产生一个宽度为的脉冲送至D触发器的D端，CP端则接受光电码盘的脉冲信号PLG。
端输出的脉冲，宽度为，其下降沿及上升沿均和PLG脉冲的上升沿同步，保证在内包含整数个PLG脉冲。
高速输入单元HSI.0采用中断工作方式，应用适当的中断服务程序，得出时间，PLG脉冲同时输入HSI.1口，利用定时器2进行计数，再通过适当的程序完成法测速的功能。
第5章ABS轮速信号采集处理系统的硬件设计
4.1转速信号处理软件设计
汽车防抱死制动系统具有其自身的特点，除汽车本身环境差要求系统抗干扰能力及可靠性高以外，一个重要的特点是控制过程要求快速，大部分系统的循环都要求毫秒量级，这样对控制算法有很大的限制，复杂的算法将无法实现。
或实用系统的硬件成本太高，而太简单的算法不能满足控制质量要求。
高性能的ABS必须确保汽车在各种路况下制动时，均能使车轮获得尽可能大的纵向制动力和防侧滑力，同时使车轮的制动力矩变化幅度尽可能小。
经典控制理论主要以单输入—单输出的线性系统作为研究对象，以频率法或根轨迹法作为系统的分析和设计方法。
控制系统中的被控制对象是汽车的制动ABS过程，它是一个非线性的多输入、输出系统，很难采用以经典控制理论为基础的ABS控制方法。
1936年德国Bosch公司在ABS系统所采用的控制方法是一种基于经验和逻辑的控制方法，其基本原理是，首先观察车轮的运动状态和控制车轮制动的控制量（如油压等）之间的经验关系，制订出能够使车轮处于最佳运动状态的控制规则，在制动过程中，以车轮的加减速度值和参考滑移率值及其门限值来代表车轮的运动状态，并根据所制订的经验控制规则来确定控制车轮制动的控制量的大小，达到控制车轮运动状态的目的。
除了基于车轮加减速度门限值的控制方法外，还有一种基于经典控制理
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