ABS控制器毕业设计.docx

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ABS控制器毕业设计

摘要

随着科学技术的进步和人们物质生活水平的提高，人类社会对汽车的安全性，特别是制动安全性能提出了越来越高的要求。

汽车防抱死制动系统（ABS）是一种在制动时能够自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果的制动系统。

该系统能够有效的缩短制动距离、提高制动时的方向稳定性，对汽车的行驶安全具有重要的意义。

本文首先剖析了防抱死制动系统的控制原理，在此基础上详细介绍了ABS的结构以及各部分的作用和工作原理。

同时对ABS控制算法进行了研究，选择了ABS控制器的硬件并设计了ABS控制器的软件。

软件核心是单片机。

随着功能技术和应用水平的提高，单片机应用研究在ABS领域将进一步深入。

本文研究了以高性能单片机为核心的ABS控制器的开发思路和设计方法。

总之，研究结果可以看出逻辑门限值方法用于汽车防抱死制动系统不仅具有理论意义，而且具有实用价值，是一种简单、方便、具有较好操纵性、制动性，并且有较好适应性的方法。

进一步的研究工作一定要继续开展下去。

关键词：

防抱死系统；单片机；滑移率；逻辑控制；制动性

ABSTRACT

Alongwiththeadvancementofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,thesafetyofhumansociety,especiallyforautomobilebrakingsafetyperformanceisputforwardhigherrequest.Autoanti-lockbrakingsystem（ABS）isabrakingcanautomaticallyadjustthewheelbrakingforce,preventtoachievethebestwheellockbrakingbrakesystem.Thissystemcaneffectivelyshortenbrakingdistance,improvethedirectionofbrakingstabilityofroadsafetyincarhasanimportantsignificance.

ThispaperanalyzesthecontrolprincipleofABS,onthebasisofdetailedintroducesthestructureandABSpartsandworkingprinciple.ForABScontrolalgorithmisstudied,andthechoiceofhardwareandthedesignofABScontrollerwasABScontrollersoftware.Softwareisthecorechip.WiththefunctionofraisingtheleveloftechnologyandapplicationresearchonABS,microcomputerapplicationfieldswillfurtherresearchesontheperformance.ThisisthecoreofABScontrollerchipdevelopmenttrainofthoughtanddesignmethod.

Anyhow,theresultsoftheresearchcanseelogicthresholdmethodusedinautomobileanti-lockbrakingsystemisnotonlyoftheoreticalsignificanceandpracticalvalue,isakindofsimple,convenientandhavebetterhandling,brake,andthemethodhasgoodadaptability.Furtherresearchwillcontinuetodevelop.

Keywords：

ABS；SCM；SlidingRate；LogicControl；Brake

第1章绪论

1．1选题的目的、意义

目的：

在汽车防抱死制动系统出现之前，汽车所用的都是开环制动系统。

其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力、制动力的分配调节以及制动器的尺寸和型式有关。

由于没有车轮运动状态的反馈信号，无法测知制动过程中车轮的速度和抱死情况，汽车就不可能据此调节轮缸或气室制动压力的大小。

因此在紧急制动时，不可避免地出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。

当车轮抱死时，地面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小，汽车在受到任何微小外力的作用下就会出现方向失稳问题，极易发生交通事故。

在潮湿路面或冰雪路面上制动时，这种方向失稳的现象会更加严重。

意义：

汽车防抱死制动系统（Anti-lockBrakingSystem简称ABS）的出现从根本上解决了汽车在制动过程中的车轮抱死问题。

它的基本功能就是通过传感器感知车轮

每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小以避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环制动系统。

它是电子控制技术在汽车上最有成就的应用项目之一，汽车制动防抱死系统可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效提高行车的安全性。

随着世界经济全球化的日益发展，市场竞争日趋激烈，尤其是在我国加入世贸组织之后，汽车行业面临前所未有的挑战和机遇。

提高汽车整车和零配件的国产化，赶超世界先进水平，是国人的共同愿望。

在产品设计水平的提高，开发周期的缩短、生产成本的降低等各个方面，都有我们广大机械和汽车行业的研究人员亟待解决的问题。

近年来，随着我国汽车工业的大规模投资及国内汽车工业与国外汽车工业的合资得到迅速发展，汽车产量大幅度增加。

而另一方面我国公路交通基础设施建设虽然得到了各级政府的大力支持，但总的趋势仍然是车流量和车辆密度不断增加，道路交通安全事故也随之增加。

为了有效减少交通事故，必须在车辆上加装ABS系统。

我国的ABS技术研制工作开始于上世纪80年代中期，落后欧美几十年，加强ABS技术的研究和应用，完善汽车的主动安全性能，对于我们发展汽车及其相关行业和保护人身安全是具有现实意义的。

1．2ABS技术的国内外发展现状

基于制动防抱理论的制动系统首先是应用于火车和飞机上。

1936年，德国博世公司（BOSCH）申请一项电液控制的ABS装置专利，促进了ABS技术在汽车上的应用。

汽车上开始使用ABS始于1950年代中期福特汽车公司，1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的ABS装置，这种ABS装置控制部分采用机械式，结构复杂，功能相对单一，只有在特定车辆和工况下防抱死才有效，因此制动效果并不理想。

机械结构复杂使ABS装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高。

ABS技术在汽车上的推广应用举步艰难。

直到70年代后期，由于电子技术迅猛发展，为ABS技术在汽车上应用提供了可靠的技术支持。

ABS控制部分采用了电子控制，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，制动效果也明显改善，同时其体积逐步变小，质量逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。

这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的ABS装置。

进入90年代后，ABS技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。

现在发达国家已广泛采用ABS技术，ABS装置已成为汽车的必要装备。

北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90％以上，轿车ABS的装备率在60％左右，运送危险品的货车ABS的装备率为100％。

ABS装置制造商主要有：

德国博世公司（BOSCH），欧、美、日、韩国车采用最多；美国德科公司（DELCO），美国通用及韩国大宇汽车采用；美国本迪克斯公司（BENDIX），美国克莱斯勒汽车采用；还有德国戴维斯公司（TEVES）、德国瓦布科（WABCO）、美国凯尔西海斯公（KELSEYHAYES）等，这些公司的ABS产品都在广泛地应用，而且还在不断发展、更新和换代。

近年来，ABS技术在我国也正在推广和应用，1999年我国制定的国家强制性标准GB12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中已把装用ABS作为强制性法规。

此后一汽大众、二汽富康、上海大众、重庆长安、上海通用等均开始采用ABS技术，但这些ABS装置我国均没有自主的知识产权。

国内研究ABS主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大学等单位，虽然起步较晚，也取得了一些成果。

在气压ABS方面，国内企业包括东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规模。

液压ABS由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时不能独立生产，但在液压ABS方面也在做自主研发，力图突破国外跨国公司的技术壁垒，已经取得了一些新的进展和突破。

如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统（ABS）“九五”国家科技攻关课题，在ABS控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。

采用的耗散功率理论，避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性，取得了理论上的突破，研发ABS成功且进入产业化、批量生产阶段。

其试样在南京IVECO轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准GB12676-1999和欧洲法规EECR13的要求。

这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义，标志着我国汽车液压ABS国产化已迈出坚实的一步。

同时合肥工业大学也研制出国内具有自主知识产权的液压制动电子防抱系统，率先在HF6700轻型汽车上匹配使用获得成功。

国内液压ABS技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下，相信国内可以在较短的时间内在ABS技术某些领域赶超国际水平。

1．3本文的主要研究内容

本文的主要内容包括四部分：

对ABS控制器的硬件进行合适的选择，ABS的软件设计，ABS控制算法的研究，实验仿真部分。

ABS控制算法是整个防抱死系统的核心和关键。

本文首先研究了目前该领域发展情况，对比研究了目前的主流控制算法。

在此基础上重点分析了其中的逻辑门限值控制方法，利用简化的车辆模型进行了理论分析。

1．4ABS技术发展的最新成果和未来发展方向

进入上世纪90年代以来ABS控制器已普遍采用16位单片机为CPU，除本身朝着集成化、低价格、大批量的方向发展外，还在原系统基础上进行了扩展。

20世纪80年代中后期，驱动防滑控制系统是ASR得到了发展，它能够防止汽车在驱动过程中（特别是起步、加速、转弯等过程）防止驱动轮发生滑转，使汽车在驱动过程中的方向稳定性、转向操纵能力和加速性等也都得到提。

它是伴随着汽车制动防抱死系统的产品化发展起来的，实质上是ABS基本思想在驱动领域的发展和推广。

利用原有的ABS系统，只增加部分控制系统和相应的软件，就可以实现防滑控制功能，使性价比大大提高。

ABS从出现到广泛应用于汽车上，经历了近半个世纪，到目前为止ABS的总体结构方案已趋于成熟，但汽车制动安全技术目前仍是汽车技术的一个热点，在该技术领域，未来的研究方向和发展趋势集中在如下几个方面：

（1）提高ABS控制方法的自适应性和系统的可靠性，从而进一步提高整车的安全性能。

虽然ABS已经作为一项成熟的技术得到广泛的应用，但在控制方法上一直没有取得较大的突破。

目前得到广泛应用的是采用门限值控制算法的ABS。

其缺点是控制逻辑比较复杂，调试困难。

开发完成的ABS装置对各类车型的互换性不好。

随着传感器技术和车用微机控制技术的发展，采用各种现代控制算法的ABS研究是目前的研究热科，以使ABs的性能更加完善。

（2）汽车动态控制系统VDC。

VDC（VehicleDynarnicsControl）系统又称ESP系统（ElectronicStabilityProgram）,是把ABS/ASR与电子全控式（或半控式）悬挂、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等在功能、结构上有机地结合起来，保证汽车行驶的方向稳定性和良好的动态稳定性。

（3）ABS/ASR与自动巡航控制装置ACC集成。

汽车ACC（AdaptiveCruiseControl）装置是近年来发展起来的又一项汽车主动安全技术，它可使汽车保持一定的行驶安全车距，主动避免碰撞事故发生，有效地提高公路交通运输能力。

由于ABS、ASR和ACC都要用到相同的轮速采集系统、制动力调节装置以及发动机调节装置，因此ABS/ASR与ACC的集成，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全行驶性能。

（4）电子制动系统（Braking-by-wire）。

其中，电子机械制动系统（ElectronicMechanicalBraking-EMB）是一个全新的制动机构。

EMB应用于轿车上，取消了传统的液压制动系统，动作机构是电动机，执行机构仍是制动器。

制动时，驾驶员踩下电子制动踏板，电子制动踏板带有踏板感觉模拟器，踏板行程信号通过CAN总线传送至控制器，控制器实时向电动机发出作动信号，实施ABS制动。

与EMB类似的还有电子液压制动系统（ElectronicHydraulicBraking.EHB），它取消了传统制动系统中的真空助力器，制动主缸等部件。

作动机构是液压力装置，执行机构是制动器。

制动时，驾驶员踩下电子制动踏板，电子制动踏板带有踏板感觉模拟器，踏板行程信号通过CAN总线传送至控制器，控制器实时向车轮液压装置发出作动信号，对制动器实施ABS制动。

（5）在ABS系统中嵌入电子制动力分配装置（ElectronicBrakeForceDistribution---EBD），构成了ABS+EBD系统。

EBD的功能就是在汽车ABS开始制动压力调节之前，高速计算出四个轮胎与路面间的附着力大小，然后调节制动器制动力，达到制动力与附着力的匹配．进一步提高车辆制动时的方向稳定性，同时尽可能地缩短制动距离。

第2章ABS系统构成、原理及控制方法

2．1汽车ABS系统的结构和各部件作用

ABS系统是加装在汽车原有的常规制动系统之上的电子控制系统。

因此首先要对汽车制动系统进行分析，以弄清ABS与常规制动系统的联系。

图2.1为一个四轮汽车防抱死控制系统的示意图。

1-前轮轮速传感器2-制动分泵3-ABS指示灯4-制动报警灯5-制动压力调节器

6-制动总泵7-ABS继电器8-后轮轮速传感器

图2.1汽车制动系及ABS系统结构示意

由上面的示意图，可以抽象出ABS系统的基本组成部分以及各部分之间的连接框图如图2．2所示。

图2.2ABS基本组成部分框图

由图2.2可知，一般的ABS系统主要由中央控制器、压力调节器（电磁阀）、轮速传感器、警示灯以及一些控制继电器组成。

车轮转速传感器一般为电磁感应式，通常安置在被控车轮上。

电磁阀既可以设置在制动总泵至制动分泵的制动管路中形成分离结构，也可与制动总泵合为一体形成整体结构，对制动压力进行调节。

电子控制器是防抱死制动系统的控制中枢，它主要接收车轮转速传感器和制动灯开关等输入的信号，对制动过程中被控车轮的运动状态进行监测，根据需要对压力调节器进行控制，使压力调节器对被控车轮的制动压力进行保持、减小和增大等调节，并根据车轮转速传感器反馈的信号修正控制指令。

电子控制器还具有对防抱死制动系统的工作状态进行监测的功能。

ABS报警灯安置在仪表板上，由电子控制器控制其亮灭，指示防抱死制动系统的工作状态。

传统的汽车制动系统的功能是使行驶的汽车车轮受制动力矩的作用而减速停止的安全装置。

在绝大多数情况下汽车设计的制动缸制动力要远远大于路面摩擦力，这使得全制动必定会导致车轮抱死。

在紧急制动情况下，当驾驶员脚踩踏板使制动压力过大时，轮速传感器能够迅速探测到车轮有抱死的倾向，并控制器控制压力调节器动作以减小制动压力，随之车轮轮速恢复；当车轮轮速恢复且地面附着力有减少趋势时，控制器又控制压力调节器动作增加制动压力。

这样反复动作，使车轮一直处于最佳的制动状态，最有效地利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳定性。

并且可以防止制动过程中后轮抱死导致的车辆侧滑甩尾，防止前轮抱死丧失的转向能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的操纵性和弯道制动时的轨迹保持能力，大大提高制动过程的方向稳定性。

同时汽车制动效能得到提高，制动距离一般要比不安装ABS系统的同类型车辆要短。

2．1．1车轮转速传感器

车轮转速传感器是汽车ABS系统中主要的信号传感器，其作用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速信号。

目前用于ABS系统的轮速传感器主要有磁电式轮速传感器和霍尔式轮速传感器两种类型。

磁电式传感器是利用电磁感应原理，将物体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度的。

在电控防抱制动系统中使用的传感器，多数为磁电式轮速传感器。

它结构简单、成本低，但存在以下缺点：

1）输出信号的大小随转速的变化而变化，若车速过慢，其输出信号过低而使得系统认为车辆速度为零；

2）频率响应低，当转速过高时传感器易出现错误信号，加重软件滤波难度；

3）抗电磁波干扰能力差，尤其是车速较慢，输出信号幅值较小时。

近年来出现的霍尔式车轮速度传感器克服了磁电式轮速传感器的上述缺点，并且具有下列优点：

1）输出信号幅值不变。

在工作电压为12V时，输出幅值保持11.5-12V不变，车速再慢甚至到零，幅值都不变；

2）频率响应高（可达20kHz），用于ABS系统中可检测1000km/h的信号，故可满足使用要求；

3）抗电磁干扰能力强。

由于输出信号在整个轮速范围内不变，且幅值较高，所以抗电磁能力很强。

目前霍尔式轮速传感器越来越广泛地应用在ABS系统中。

2．1．2电子控制单元（ECU）

ABS的电子控制单元（ElectronicControlUnit），常用ECU表示，也为称中央控制器。

它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，实时计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等控制参数，并进行判断、输出控制指令，控制电磁阀进行制动调节。

另外还应具备故障监测等功能，如有故障时会使ABS停止工作并将ABS警示灯点亮。

2．1．3制动压力调节器

制动压力调节器是ABS中的主要执行器。

目前常用的制动压力调节器为电磁阀，其作用是接受ABS电子控制单元的指令，对制动管路进行通、断等动作，调节制动系的压力，使之增大、保持或减小，实现制动压力控制功能。

由于ABS是在原来传统制动系统基础上增加一套控制装置形成的，因此ABS也是建立在传统的常规制动过程的基础上进行工作的。

在制动过程中，若车轮没有抱死趋势，其制动过程与常规制动过程完全相同。

只有车轮趋于抱死时，ABS才会对趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。

通常，只有在汽车速度达到一定速度（如8km/h）后，ABS系统才会对制动过程中趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。

当汽车速度降到一定程度时，由于车速很低，车轮制动抱死对汽车制动性能的不利影响很小，为了使汽车尽快制动停车，ABS就会自动终止防抱死制动压.力调节，其车轮仍可能被制动抱死。

在制动过程中，如果常规制动系统发生故障，ABS会随之失去控制作用。

若只是ABS发生故障、常规制动系统正常时，汽车制动过程仍像常规制动过程一样照常进行，只是失去防抱死控制作用。

现代ABS一般都能对系统的工作情况进行监测，具有失效保护和自诊断功能，一旦发现影响ABS正常工作的故障时，将自动关掉ABS，恢复常规制动，并将ABS警示灯点亮，向驾驶员发出警示信号，提醒驾驶员及时进行修理。

2．2ABS系统的工作原理

图2.3汽车ABS工作原理示意图

1—主缸2—ABSECU3—蓄电池4—储液器5,8,9—单向阀6—电动泵驱动电机

7—电动泵10—A孔11—回位弹簧12—C孔13—车速传感器14—轮缸15—B孔

（1）普通制动（ABS不工作状态）在制动力较小、车轮未出现滑移或车速较低时，ABS处于不工作状态，即ABS得ECU无指令给液压调节器的电磁线圈，阀体在回位弹簧力的作用下打开A孔、关闭B孔，来自主缸的制动液通过A孔、B孔进入轮缸，产生制动效果；解除制动时，轮缸的制动液经B孔、A孔及单向阀流回主缸。

此时，电动泵的电动机也是处于不工作状态。

（2）紧急制动（ABS工作）

1）减压状态当车轮要抱死时，ABS的ECU发出控制指令，给液压调节器的电磁线圈提供较大的电流，电磁线圈产生强磁吸力吸引阀体，阀体克服回位弹簧力将A孔关闭，切断了主缸的进液通路。

同时打开C孔，轮缸内的制动液从B孔经C孔进入储液器。

由于轮缸制动液经上述回路返回主缸而使压力下降，防止车轮抱死。

至于液压降低的程度，由ABS的ECU根据车轮速度传感器的信号进行控制。

2）保持状态轮缸减压后，如果车轮处于最佳滑移率的范围之内，ABS的ECU会根据传感器的信号发出相应指令，使液压调节器的电磁线圈通较小的电流，使阀体保持在中间位置，此时正好关闭A孔和C孔，使轮缸处于保持压力状态。

3）增压状态当车轮制动器制动力不足时，通过车轮速度传感器检测信号，ABS的ECU便停止向液压调节器的电磁线圈供电，阀体在弹簧力作用下回位打开A孔，关闭C孔，主管路中的高压制动液便可通过A孔、B孔到达轮缸，使其轮缸液压升高，从而加大制动力。

2．2．1车轮的滑移率与附着系数的关系

车辆的制动过程可以描述为以下几个部分：

首先由驾驶员踩踏制动踏板启动制动缸：

制动缸提供制动力矩并施加到车轮上；车轮因制动力而减速；轮胎与地面相互作用而产生的地面附着力使车辆减速。

这一过程中，制动力矩与地面附着力构成动力学系统。

我们定义车轮与地面间滑移率为：

（2.1）

式中：

S—滑移率

v—车辆速度

—车轮角速度

R—车轮半径

我们称轮胎与地面间的摩擦系数为附着系数，为车轮滑移率的函数．考虑到车辆的转向制动，可以将车轮受力分为横向力和纵向力，相应的附着系数也可分解为横向附着系数和纵向附着系数，如图2.3所示。

可以分析横向摩擦系数和纵向摩擦系数与车轮滑移率之间的关系，得到轮胎特性曲线。

图2.3车轮横向、纵向力

很显然，当滑移率为零时，由定义知，图2.3车轮横向、纵向力车轮处于滚动状态，车速等于轮速，制动力为零。

随着制动力不断增大，滑移率达到100％时车轮抱死。

对大多数情况而言，车轮滑移率在某个特定值下有最大的附着系数。

某些特殊路面如沙石路面及未压实的新雪路面，在车轮抱死时其前方堆积物的增加造成阻力，使附着系数增大。

制动的目的之一是得到最短的制动距离，很显然使车辆滑移率维持在峰值附着系数处就可以得到最大的地面附着力，也就有最短的制动距离。

同时在峰值附着系数处的横向力也较大，对维持车辆的制动稳定性十分有利。

在实际制动过程中驾驶员是很难做到这一点的，并且应急制动情况下驾驶员更无精力去顾及这种最佳的操纵，而ABS系统恰恰是为了实现这一目的。

峰值附着系数对应的最佳滑移率随轮胎特性路面的情况而变化，一般其值的变化范围在5％—30％之间。

在制动过程中，轮胎经常会受到侧向力而发生侧偏和侧滑现象，如制动时要避免障碍物、转弯制动、在分离附着系数路面制动等。

从制动稳定性的角度来说，在转弯制动的情况下，前轮先抱死时，车辆受到的横向力减小，车轮失去转向能