制动安全电子控制系统的应用现状.docx

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制动安全电子控制系统的应用现状

摘要

随着世界汽车工业的迅猛发展，当前汽车已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，因此人们对汽车的各个方面也提出了更为高的要求，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。

为提高汽车的制动安全性能，越来越多的汽车装备上了制动安全电子控制系统。

目前广泛采用的防抱死制动系统（ABS）一定程度上提高了汽车制动的安全性能。

在此基础上研究出的电子制动力分配系统（EBD）、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定程序（ESP）、紧急刹车辅助系统（EBA）等电子控制系统使得汽车的制动安全性能有了更好的保障。

本文主要分析了EBD、TCS、ESP、EBA等电子控制系统的作用，并对这些制动安全电控系统的类型、结构特点、作用原理、应用现状及未来的发展趋势等方面加以探讨。

关键词：

制动安全电子控制系统;结构特点；应用现状；作用原理；发展趋势

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftheautomotiveindustry,thecurrentcarshasbecomeadailypartofeverydaylife,sopeopleallaspectsofaboutcarsalsoputforwardsomemorehighdemand,safetyincreasinglybecometheimportantbasisofpeoplechooseandbuycars.Inordertoimprovethesafetyperformanceofcarbrake,moreandmorevehiclesequipmentonthebrakesafetyelectroniccontrolsystem.Widelyusedatpresentant-ilockbrakingsystem（ABS）toacertainextent,improvethesafeperformanceofautobrake.Basedonthisstudyoutofpowerdistributionsystem（EBD）,tractioncontrolsystem（TCS）,electronicstabilityprogram（ESP）,emergencybrakeauxiliarysystem（EBA）andotherelectroniccontrolsystemmakesthecarbrakesafetyperformancehasabetterprotection.

ThispapermainlyanalysestheEBD,TCS,ESP,theEBAetcelectroniccontrolsystem,andtheroleofelectriccontrolsystemofbrakesecuritytypes,structurecharacteristics,workingprinciple,applicationsituationandfuturedevelopmenttrendsetcexplored.

Keywords:

brakesafetyelectroniccontrolsystem;Structuralcharacteristics;Applicationstatus;Actionprinciple;Developmenttrend

1绪论

1.1汽车制动系统的发展历史··································1

1.2现代制动电控系统的种类及防抱死制动系统（ABS）的简介·····2

2现代汽车制动安全电控系统作用与原理分析

2.1制动力分配系统（EBD）的作用原理浅析·····················3

2.1.1制动力分配系统（EBD）的基本组成·····················3

2.1.2制动力分配系统（EBD）的作用原理·····················3

2.2牵引力控制系统（TCS）的作用原理浅析·····················4

2.2.1牵引力控制系统（TCS）的基本组成·····················4

2.2.2牵引力控制系统（TCS）的作用原理·····················5

2.3电子稳定程序（ESP）的作用原理浅析·······················5

2.3.1电子稳定程序（ESP）的基本组成·······················5

2.3.2电子稳定程序（ESP）的作用原理························6

2.4紧急刹车辅助系统（EBA）的作用及工作原理浅析·············7

2.4.1紧急刹车辅助系统（EBA）的作用·······················7

2.4.2紧急刹车辅助系统（EBA）的工作原理···················7

3制动安全电子控制系统的应用现状和发展趋势

3.1制动安全电子控制系统的应用现状·························9

3.2制动安全电子控制系统的未来发展趋势····················10

4小结·······················································14

参考文献······················································15

致谢··························································16

1绪论

从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。

近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提高，这种重要性表现的越来越明显。

众多的汽车工程师在改进汽车制动性能的研究中倾注了大量的心血。

目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制方面，包括制动控制的理论和方法，以及采用新的技术。

1.1汽车制动系统的发展历史

最原始的制动控制只是驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，这时候的车辆质量比较小，速度比较低，机械制动虽然已经能够满足制动的需要，但是随着汽车质量的增加，助力装置对机械制动器来说已经显得十分的必要。

这时候开始出现真空助力装置。

随着科学技术及汽车工业的发展，尤其是军用车辆及军用技术的发展，车辆制动有了新的突破，液压制动是继机械制动后的又一重大革新。

到20世纪50年代，液压助力制动器才成为现实。

20世纪80年代后期，随着电子技术的发展，世界汽车技术领域最显著的成就就是防抱死制动系统（ABS）的实用和推广。

ABS集微电子技术、精密加工技术、液压控制技术为一体，是机电一体化的高技术产品。

它的安装大大提高了汽车的主动安全性和操纵性。

防抱装置一般包括三部分：

传感器、控制器（电子计算机）与压力调节器。

传感器接受运动参数，如车轮角速度、角加速度、车速等传送给控制装置，控制装置进行计算并与规定的数值进行比较后，给压力调节器发出指令。

1936年，博世公司申请一项电液控制的ABS装置专利促进了防抱制动系统在汽车上的应用。

1969年的福特使用了真空助力的ABS制动器；1971年，克莱斯勒车采用了四轮电子控制的ABS装置。

这些早期的ABS装置性能有限，可靠性不够理想，且成本高。

1979年，默·本茨推出了一种性能可靠、带有独立液压助力器的全数字电子系统控制的ABS制动装置。

1985年美国开发出带有数字显示微处理器、复合主缸、液压制动助力器、电磁阀及执行器“一体化”的ABS防抱装置。

随着大规模集成电路和超大规模集成电路技术的出现，以及电子信息处理技术的高速发展，ABS已成为性能可靠、成本日趋下降的具有广泛应用前景的成熟产品。

1992年ABS的世界年产量已超过1000万辆份，世界汽车ABS的装用率已超过20%。

一些国家和地区（如欧洲、日本、美国等）已制定法规，使ABS成为汽车的标准设备。

直到今天为止，出现了更多的更先进制动安全电子控制系统，使得人们对汽车制动安全方面需求有了更多的选择，也使得人们在汽车的使用上越来越舒心。

下面就让我们来简单的介绍一下现代汽车制动安全电子控制系统。

1.2现代制动电控系统的种类及防抱死制动系统（ABS）的简介

1.现代汽车制动电控系统

现代制动安全电子控制系统除了包含目前广泛使用的防抱死制动系统（ABS）之外，还有电子制动力分配系（EBD）、牵引力控制系统（TCS）、电子稳定程序（ESP）、紧急刹车辅助系统（EBA）等系统。

它们共同配合、相互补充，一起保障了人们在车辆制动方面的安全性，让我们可以更舒心的使用汽车。

2.汽车防抱死制动系统的基本组成

汽车防抱死系统（ABS）是汽车制动安全的主要电子控制装置，一般主要由传感器、电子控制装置和执行器三个部分组成。

汽车防抱死系统（ABS）既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，在一定程度上保障了汽车制动时的安全性。

汽车防抱死系统（ABS）的基本作用原理是通过传感器侦测到的各车轮的转速，由计算机计算出当时的车轮滑移率，由此了解车轮是否已抱死，再命令执行机构调整制动压力，使车轮处于理想的制动状态（快抱死但未完全抱死），由此达到制动的效果。

2现代汽车制动安全电控系统作用与原理分析

2.1电子制动力分配系统（EBD）的作用原理浅析

2.1.1电子制动力分配系统（EBD）的基本组成

电子制动力分配系统（EBD）是一套集成于ECU内的程序，用于根据车况、路况以及制动状态动态向四个车轮分配制动力的电子主动式安全系统。

现今流行的EBD系统有四大部分组成：

车轮转速传感器、整车质量传感器、运算模块和制动力分配器。

各部件的主要作用如下：

车轮转速传感器主要用于采集车轮转速、摩擦力、倾斜度、转向角度等资料。

整车质量传感器主要负责监控整车质量。

运算模块主要用于把传输来的资料进行整理并计算，然后确定制动方案。

制动力分配器顾名思义，就是用于根据运算模块制定的制动方案进行制动力分配，从而执行制动。

2.1.2电子制动力分配系统（EBD）的作用原理

EBD能够根据由于汽车制动时产生轴荷转移的不同，而自动调节前、后轴的制动力分配比例，提高制动效能，并配合ABS提高制动稳定性。

汽车在制动时，四只轮胎附着的地面条件往往不一样。

EBD的工作原理恰恰就是用高速计算机在汽车制动的瞬间，分别对四只轮胎附着的不同地面进行感应和计算，得出不同的摩擦力数值，使四只轮胎的制动装置根据不同的情况用不同的方式和力量制动，并在运动中不断保持调整，使制动力和摩擦力相匹配，从而保证车辆的平稳。

实际调整前后轮时，它可依据车辆的重量和路面条件来控制制动过程，自动以前轮为基准去比较后轮轮胎的滑移率（即车辆的实际车速和车轮的圆周线速度之差与车辆实际车速之比），如发觉前后车轮有差异，而且差异程度必须被调整时，它就会调整汽车制动液压系统，使前后轮的液压接近理想化制动力的分布。

可以说在ABS动作启动之前，EBD已经平衡了每一个车轮的有效地面抓地力，防止出现后轮先抱死的情况，改善制动力的平横并缩短汽车制动距离。

当紧急刹车车轮抱死的情况下，EBD在ABS动作之前就已经平衡了每一个车轮的有效地面抓地力，可以防止出现甩尾和侧移，并缩短汽车制动距离。

从工作原理来讲，它是ABS的一个附加作用系统，可以提高ABS的效用，共同为行车安全添筹加码。

所以在安全指标上，汽车的性能又多了“ABS+EBD”。

值得一提的是，即使车载ABS失效，EBD也能保证车辆不会出现因甩尾而导致翻车等恶性事件的发生。

同时它还能较大地减少ABS工作时的振噪感，不需要增加任何的硬件配置，成本比较低，不少专业人士更是直观地称之为“更安全、更舒适的ABS”。

在车轮轻微制动时，电子制动力分配（EBD）功能就起作用，转弯时尤其如此，速度传感器记录4个车轮的转速信息，电子控制单元计算车轮的转速。

如果后轮滑移率增大，则调节制动压力，使后轮制动压力降低。

电子制动力分配（EBD）功能保证了较高的侧向力和和合理的制动力分配。

EBD使用特殊的ECU（中央处理器）功能来分配前轴和后轴之间的制动力。

当汽车制动时，中央处理器根据接收到的轮速信号、载荷信号、踏板行程信号以及发动机等有关信号，经处理后向电磁阀和轴荷调节器发出控制指令，使各轴的制动力得到合理分配。

EBD在汽车制动时即开始控制制动力，而ABS则是在车轮有抱死倾向时开始工作。

EBD的优点在于在不同的路面上都可以获得最佳制动效果，缩短制动距离，提高制动灵敏度和协调性，改善制动的舒适性。

由于现阶段在汽车上安装EBD系统的成本还很高，所以现在的汽车并没有大量的装配这种配置，只是在少数中高档车上配备。

但是随着经济的发展和人们安全意识的提高和其本身的重要性，不久的将来EBD系统定会是汽车上的一项基本配置，并得到广泛关注。

2.2牵引力控制系统（TCS）的作用原理浅析

2.2.1牵引力控制系统（TCS）的基本组成

牵引力控制系统（TCS）又称之为驱动防滑控制系统（ASR），它是汽车制动防抱死系统基本思想在驱动领域的发展和推广。

是上世纪80年代中期开始发展的新型实用汽车安全技术，这项技术的采用主要解决了汽车在起步、转向、加速、在雪地和潮湿的路面行驶等过程中车轮滑转的问题。

它的基本组成为：

传感器、控制ECU和执行器。

1.传感器

主要是轮速传感器和节气门位置传感器。

轮速传感器与ABS系统共用，节气门位置传感器与发动机控制系统共用。

2.控制ECU

以微处理器为核心，配以输入、输出电路及电源等组成。

3.执行器

（1）步进电机：

副节气门上的步进电机为直流电动机，一般内部由四组线圈组成，副节气门开闭的大小主要由步进电机旋转式的步数所决定，工作原理与其他系统的步进电机的工作原理一致。

（2）单独方式的制动压力调节器

（3）组合方式的制动压力调节器

2.2.2牵引力控制系统（TCS）的作用原理

牵引力控制系统（TCS）的作用原理：

TCS可防止在雪地等湿滑路面上行驶时驱动轮空转，使车辆能平稳地起步、加速。

车轮转速传感器将行驶汽车的驱动车轮转速及非驱动轮转速转变为电信号，输送给控制器。

控制器根据车轮转速传感器的信号计算驱动车轮的滑移率，如果滑移率超出了目标范围，控制器再参考节气门位置传感器、发动机转速传感器及其他相关传感器的电信号进行综合分析后，确定控制方式，并输出控制信号，使相应的执行器动作，将驱动车轮的滑移率控制在目标范围内。

目前，ASR常用的控制方法有两种：

一是调整发动机加在驱动轮上的转矩的发动机控制。

汽油机常通过控制燃油喷射量、点火时间、节气门开度来减低其输出转矩；柴油机常通过控制燃油喷射量来减低其输出转矩。

二是对发生打滑的驱动轮直接施加制动的制动控制。

如果驱动轮在不同附着系数的路面上，通过对打滑的驱动轮实施制动，降低滑移率，提高驱动力。

对于附着系数相同的路面，可通过发动机控制来实现防驱动轮打滑，也可对打滑的两驱动轮实施制动；为防止制动蹄过热，当车速高于一定值时，制动控制将不起作用，要依靠发动机控制。

2.3电子稳定程序（ESP）的作用原理浅析

2.3.1电子稳定程序（ESP）的基本组成

电子稳定程序（ESP）是车辆新型主动安全系统，在ABS和ASR的基础上，增加了车辆转向行驶时横摆率传感器、侧向加速度传感器和转向盘转角传感器，ECU通过庞大的监视网络监测车辆的状态和驾驶员的要求，发出各种指令确保车辆在制动、加速、转向等情况下行驶的稳定性。

电子稳定程序（ESP）可大致分为四个部分：

用于检测汽车状态和驾驶员操作的传感器部分；用于估算汽车侧滑状态和计算恢复到安全状态所需的旋转动量的ECU部分；用于根据计算结果来控制每个车轮制动力和发动机输出功率的执行器部分以及用于告知驾驶员汽车失稳的信息部分。

与ASR系统相比，ESP系统的大部分元件与ASR系统可共用。

就传感器部分而言，除轮速传感器外，增加了用于检测汽车状态的横摆率传感器、检测转向盘转角的转向角传感器和侧向加速度传感器。

ECU部分增大了运算能力。

至于执行器部分，则改进了液压调节器施加到车轮的液压通道。

而信息部分则增加ESP蜂鸣器。

2.3.2电子稳定程序（ESP）的作用原理

单独对车轮进行制动是ESP的首要功能。

换句话说，为了使车辆恢复稳定行驶，必须相应对各个车轮单独施加精确的制动压力。

而且，ESP能降低发动机扭矩并干预自动变速箱的档位顺序。

为此，ESP利用微处理器分析来自传感器的信号并输出相应的控制指令。

在任何行驶状况下，不管是紧急制动还是正常制动，以及在车辆自由行驶、加速、油门或载荷发生变化的时候，ESP都能让车辆保持稳定，并确保驾驶员对车辆操纵自如。

ESP以每秒25次的频率对车辆当前的行驶状态及驾驶员的转向操作进行检测和比较。

即将失去稳定的情况、转向过度和转向不足状态都能立即得到记录。

一旦针对预定的情况有出现问题的危险，ESP会作出干预以使车辆恢复稳定。

车辆在行驶时，它同时承受纵向力和侧向力，只要保持轮胎上有适当的侧向力，驾驶员就可以稳定地控制车辆。

然而，当这些力下降到给定的最小值以下时，它会对车辆的方向稳定性产生负面作用。

例如，纵向上不均匀的制动力可能会导致车辆不稳定，就像在光滑路面上加速时所产生的效果一样。

如果车辆转弯太快，或者猛打方向盘，就会产生侧向力，导致车辆绕其垂直轴过度转动。

结果，车辆打滑，驾驶员失去对车辆的控制。

ESP能够同时精确测量四个车轮的制动力。

这样，在车辆不按转向意图行驶时，车辆可以被“拉”回到正确的行驶轨迹上。

一辆具有转向不足特性的车，在左转向时，会在前轮上产生向外拉的效果；而通过ESP在左后轮上施加制动力，车辆将被拉回到正确的行驶轨道上来。

在同样的弯道上，一辆具有转向过度特性的车会在后轮上产生向外拉的效果而跑离弯道；此时，通过在右前轮上施加制动力，ESP会相应产生一个具有稳定作用的顺时针扭矩，从而将车辆拉回到正确的行驶轨迹上来。

无论是在弯道上或紧急避让状态，还是在制动、加速过程中，或是在车轮打滑时，一旦行驶状态变得危急，ESP都能利用这一原理来增加车辆行驶的方向稳定性。

同时，ESP还能缩短ABS在弯道上和对开路面（车辆的一侧为光滑路面）上的制动距离。

通过微处理器对ESP传感器信号进行分析，ESP才具有了稳定车辆的效果。

转向角传感器记录方向盘位置，每个车轮上还装有轮速传感器来测量轮速。

通过使用这些传感器发出的信息，微处理器可以识别驾驶员的操作意图。

横摆角速度传感器居于ESP系统的核心，它记录所有绕车辆垂直轴方向的转动。

高灵敏度的侧向加速度传感器测量车辆转弯时所产生的离心力。

这两个传感器向ECU传递所有关于车辆实际状态的必要信息。

微处理器不断比较实际工况和理想工况，一旦车辆表现出跑偏的趋势，微处理器能迅速地进行干预。

由于使用了逻辑运算以及专门为该车辆编制的数据，微处理器在不到一秒的时间内就能得出必要的解决方案。

它适时向制动系统发出指令，使得每个车轮上的制动压力都准确可靠。

另外，从车辆动力学的角度来说，当车辆的加速度达到临界情况时，ESP还能降低发动机的输出扭矩。

2.4紧急刹车辅助系统（EBA）的作用及工作原理浅析

2.4.1紧急刹车辅助系统（EBA）的作用

EBA的作用是帮助驾驶员更加快速有效地制动。

当汽车行驶前方突然出现情况时，驾驶员将会采取紧急制动措施，踩下制动踏板。

但是由于驾驶技术收敛程度不同，对于缺乏经验的驾驶员可能因为对制动踏板施加的踏力不足而失去有效的制动时间，进而导致事故的发生，而制动辅助系统可以通过车速和制动踏板力大小感知到汽车处于紧急制动的状态时，辅助制动系统经过计算分析判断出制动力不足的情况下，迅速提高制动力，直到达到ABS工作，即是最大制动力，这样使制动距离缩短，制动效果提高到最佳状态。

2.4.2紧急刹车辅助系统（EBA）的工作原理

在驾驶员行车过程中，当其脚从油门上松开到踩下制动踏板时，原因有两个：

该车正常的减速刹车；该车处于紧急情况下，需要紧急制动。

第一种情况驾驶员较容易判断，能够准确把握制动力的大小，而第二种情况，由于驾驶员自身素质的关系，可能部分驾驶员不能过短的处理，在这里主要解决第二种情况。

在紧急制动时，驾驶员不能及时制动，此时通过紧急制动辅助系统能够减少车的制动距离。

紧急制动辅助系统中的电子控制系统主要功能是判断是否属于紧急制动，并向液压制动系统发出信号。

当驾驶员松开油门，踩下制动踏板时，通过制动踏板下电位计式位移传感器来测量出在此段时间踏板的移动速率以及踏板达到的位置，把此信息传到ECU，在踏板移动过程中，踏板附近电阻应变式压力传感器测量出踏板上压力的变化，同样传到ECU。

通过以上信息的测量，与ECU存储的制动程序作比较，判断此时是不是紧急制动。

EBA（电子控制刹车辅助系统）可以感应驾驶者对刹车踏板的需求程度。

在一些非常紧急的事件中，驾驶者往往不能迅速地踏刹车板，EBA就是为此而设计的。

当感应器从刹车踏板侦测到刹车动作时，会判断驾驶人此次刹车的意图。

对于正常情况下的刹车，EBA不会发生作用;但如果是紧急刹车，EBA会马上自动提供给驾驶者更大的压力，指示刹车系统产生更高的油压，使ABS发挥作用，增大刹车效果。

不仅如此，其施压的速度也远远快于驾驶者，这能大大地缩短刹车距离，增强安全性。

对于那些脚力较差的妇女及高龄驾驶者，在闪避危险的紧急刹车时，EBA会很有帮助。

踏板处电阻应变式压力传感器是利用驾驶所踩得踏板的深度变化因其敏感元件的电阻应变效应将被测量压力的变化转化为相应的电阻变化，导体材料在收到制动踏板位置变化的作用时产生的机械变形，导致其电阻发生变化，最后换算为电压变化，传到ECU，即变为制动踏板处压力变化信息。

电位计式位移传感器的们敏感元件是电阻和制动踏板位置变化引起的移动的滑片。

当踏板位置变化时，滑片位置也随着改变，引起滑动电阻值的变化，同样将此信号传送到ECU，在时间范围内的变化即是踏板处移动速率的变化。

3制动安全电子控制系统的应用现状和发展趋势

3.1制动安全电子控制系统的应用现状

当考虑基本的制动功能量，液压操纵仍然是最可靠、最经济的方法。

即使增加了防抱制动（ABS）功能后，传统的“油液制动系统”仍然占有优势地位。

但是就复杂性和经济性而言，增加的牵引力控制、车辆稳定性控制和一些正在考虑用于“智能汽车”的新技术使基本的制动器显得微不足道。

传统的制动控制系统只做一样事情，即均匀分配油液压力。

当制动踏板踏下时，主缸就将等量的油液送到通往每个制动器的管路，并通过一个比例阀使前后平衡。

而ABS或其他一种制动干预系统则按照每个制动器的需要时对油液压力进行调节。

目前，车辆防抱制动控制系统（ABS）已发展成为成熟的产品，并在各种车辆上得到了广泛的应用，但是这些产品基本都是基于车轮加、减速门限及参考滑移率方法设计的。

方法虽然简单实用，但是其调试比较困难，不同的车辆需要不同的匹配技术，在许多不同的道路上加以验证；从理论上来说，整个控制过程车轮滑移率不是保持在最佳滑移率上，并未达到最佳的制动效果。

另外，由于编制逻辑门限ABS有许多局限性，所以近年来在ABS的基础上发展了车辆动力学控制系统（VDC）。

结合动力学控制的最佳ABS是以滑移率为控制目标的ABS，它是以连续量控制形式，使制动过程中保持最佳的、稳定的滑移率，