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1、汽车ABS电控系统设计 研究生课程考试答题册得分：考试课程 汽车电子及电气传动技术题目 汽车ABS电控系统设计 姓名学号学院指导老师 西北工业大学研究生院汽车ABS电控系统设计一汽车要安装ABS的必要性 1.汽车的制动过程1.1汽车的制动性： 汽车制动性：汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持一定车速的能力。制动性评价指标：制动效能，制动距离与制动减速度；制动效能的恒定性，抗热衰退性能；制动时汽车的方向稳定性，制动时汽车不发生跑偏、测滑以及失去转向能力的性能。1.2汽车制动时的运动1.2.1制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、风的阻力和自

2、身重力的作用。汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图(1-1)所示。其中Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，其大小取决于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。Fy为地面作用在每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系数和车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图1-1(a)所示。若汽车在转弯时制动或在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向，如图1-1(b)所示。图1.1汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 汽车

3、单车轮在良好的硬路面上制动时受力状况如图(1-2)所示。图中T是制动器制动盘与制动钳之间的摩擦力矩；Fxb是轮胎与地面之间作用的地面制动力；G是汽车车体作用于车轮的垂直载荷；Ft是车轴作用于车轮的推力；N是地面对车轮的法向反作用力；是车体速度；是车轮转动角速度；r是车轮半径。图1-2单个车轮在制动时的受力分析Tu车轮制动器中摩擦片与制动鼓相对滑动时的摩擦力矩，单位N.m。Fxb是地面制动力W是车轮垂直载荷。Tp是车轴对车轮的推力。Fz是地面对车轮的法向反作用力图1-3路面制动力、制动器制动力及路面附着力之间的关系从图中可见，当制动管路压力P或制动踏板力Fp较小，未达到某一极限值时，制动器摩擦力

4、矩不大，路面与轮胎间的摩擦力(路面制动力)足以克服制动器摩擦力矩而使车轮转动，此时路面制动力的值与制动器制动力的值相等，且随制动踏板力的增长成正比地增长。当制动系管路压力P上升到某一足够大的值时，路面制动力达到路面最大附着力，汽车车轮即抱死停转而出现拖滑现象，且路面制动力路面附着力之间的关系动力不再增加，但制动器制动力随着制动踏板力或制动系统压力的增加而继续增大。由此可知，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受地面附着条件的限制。只有当汽车具有足够的制动器制动力，同时又能提供高的附着力时，才能获得足够的路面制动力，保证较高的制动效果。1.2.2滑移率定义 如果制动系制动力小于轮胎一

5、道路附着力，则汽车制动时会保持稳定状态；反之，如果制动系制动力大于轮胎一道路附着力，则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。由于地面制动力受地面附着系数的制约，当制动器产生的制动系制动力增大到一定值(大于附着力)时，汽车轮胎将在地面上出现滑移。滑移速度(实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差值)与实际车速的比值，即滑移率。滑移率S的定义式为: （1-1）式中S滑移率；V汽车的理论速度或车轮中心的速度(m/s)；汽车车轮的角速度(rad/s)；r汽车车轮的滚动半径(m)。 由上式可知:当车轮中心的速度(即汽车的实际车速)Vt等于车轮的角速度和车轮滚动半径r乘积时，滑移率为零(S=0)，车轮为纯滚动；当=

6、0时，S=100%，车轮完全抱死而作纯滑动；当0S100%时，车轮既滚动又滑动。1.2.3滑移率与附着系数的关系 图1-4给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。从图中可以看出，如果能将车轮滑移率控制在15%30%的范围内，则既可以使纵向附着系数接近峰值，同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样，汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。 图1-4滑移率与附着系数关系曲线 图1-5不同路面纵向横向附着系数与滑移率的关系曲线 图(1-5)给出了不同类型路面上滑移率与附着系数之间的关系。由图(1-5)可以看出，各种路面上的变化的总体趋势是一致的。滑移率和附着系数之间的关系曲线

7、随路面类型的不同，出现峰值的滑移率的取值也会不一样，并且对应不同路面类型的滑移率一纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达0.80.9，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至0.10.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计ABS系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的纵向附着系数越低。1.3汽车车轮抱死时运动情

8、况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。对ABS系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。 图1-6汽车直线制动车轮抱死时的运动情况 汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图1-6所示。图1-6(a)为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。

9、图1-6(b)为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失去方向稳定性使汽车侧滑。汽车不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶(这种运动叫外旋转)。图1-6(c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这种状态很不稳定，路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的。 从上面对出现这些危险运动情况的简单分析可以看出，制动时车轮抱死导致汽车出现各种危险运动情况，实质上是汽车因失

10、去相应的维持本身方向稳定性方向操纵性的侧滑摩擦力而使汽车出现这些运动情况，即车轮抱死导致汽车的侧滑摩擦力为零。车轮的抱死程度和汽车的地面制动力及汽车的侧滑摩擦力之间存在一定的关系，ABS之所以能防止汽车制动时出现危险的运动情况，就是根据这个关系来调整车轮的运动状态。二汽车ABS系统的硬件设计2.1 防抱死系统的基本组成 ABS系统主要由传感器、电子控制单元(ECU)和电磁阀三部分组成，其系统原理结构组成图如图(2-1)所示。传感器一般安装在车轮上以测量车轮的转速，传感器一般为磁电感应式。ABS工作时ECU接收传感器送来的车轮信号，一般为符合ECU电压要求的矩形电压波，然后固化在ECU中的程序根

11、据各个车轮的速度来决定对各个车轮的制动液压力如何调节，并输出相应的控制信号给各个车轮的液压控制单元。液压控制单元接收到信号后对车轮分泵的压力进行调节。传感器的作用是为ECU提供车轮的运动情况，ECU是ABS系统的控制中心，ECU中固化的程序实际上是ABS的控制方法，而液压控制单元是ABS控制方法的执行机构。 轮速传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生频率与车轮速度成正比的近似正弦电信号，ABS控制单元根据处理后的信号计算车轮速度。电子控制单元是整个防抱死制动系统的核心控制部件，它接受车轮速度传感器送来的频率信号，通过计算与逻辑判断产生相应的控制电信号，操纵电磁阀去调节制动压力。定性的来说，就是当

12、车轮的滑移率不在控制范围之内时，ECU就输出一个控制信号，命令电磁阀打开或闭合，从而调节制动轮缸压力，使轮速上升或下降，将汽车车轮滑移率控制在一定范围之内，实现汽车的安全、可靠制动。电子控制单元原理图如图(2-2)所示。 电磁阀是防抱死制动系统的执行部件，在没有控制信号的情况下，该制动系统相当于常规制动系统，直接输出最大制动压力；当ECU向电磁阀发出控制信号时，电磁阀动作，对轮缸压力进行调节，从而调节车轮的滑移率，使制动力在接近峰值区域内波动，但又不达到峰值制动力，实现最佳制动效率。 ABS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，通过电磁阀调节制动轮缸压力，以获得最高的纵

13、向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。1.前轮速度传感器 2.制动轮缸 3.制动压力调节装置 4.ABS电控单元 5.ABS警示灯6.后轮速度传感器 7.停车灯开关 8.制动主缸 9.比例分配阀 10.蓄电池 11.点火开关图2-1ABS系统的组成图图2-2电子控制单元原理结构图2.2防抱死制动系统的布置形式 ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节，称这种控制方式为独立控制；如果对两个(或两以上)车轮的制动压力一同进行调节，则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为

14、原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，则称这种控制方式为按低选原则一同控制。由于三通道四传感器式ABS在现在汽车上最常用，故本设计选三通道四传感器式ABS即四轮速传感器，三通道，前轮独立，后轮低选控制。 （1） （2）图2-3三通道四传感器式ABS及其常用布置形式 四轮ABS大多为三通道系统，而三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单独控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，其布置形式见图2-3。 图(1)所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节分装置，但两

15、个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制的，实际上仍是三通道ABS。由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。. 汽车紧急制动时会发生很大的轴荷转移(前轴荷增加，后轴荷减小)，使得前轮附着力比后轮的附着力大很多(前置驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%80%)。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。2.3防抱死制动系统轮速传感器选择转速传感器的功用是检测车轮的速度，并将速度信号输入ABS的电控单元。下图图(2-4)

16、所示为转速传感器在车轮上的安装位置。图2-4传感器在车轮上安装位置2.3.1霍尔轮速传感器 霍尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成，永磁休的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，如图(2-5)所示。 当齿轮位于图中(a)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中(b)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个毫伏(mv)级的准正弦波电压.此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压。霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的

17、影响；其二是频率响应高口其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此霍尔传感器广泛应用于ABS轮速检测。 霍尔式轮速传感器与电磁感应式轮速传感器比较具有以下优点：随着轮速的变化，输出信号的幅值是不变的；频率响应高，响应频率高达20khz，用于ABS系统中可检测到约1000Km/h速度信号，远远满足使用要求；抗电磁干扰能力强，由于输出信号在整个轮速范围内不变，而且幅值较高，所以抗电磁干扰能力很强。图3-5霍尔轮速传感器示意图鉴于霍尔传感器的优点，本设计采用霍尔轮速传感器。图2-6霍尔开关型传感器其结构原理图及在ABS系统中的接线图2.4

18、 电子控制单元设计 汽车防抱死制动系统是一个典型的计算机控制系统，其核心部分是电子控制单元。它一方面负责将传感器信号A/D转换或将数字输入信号采集到计算机的内存中去进行分析处理，另一方面要将控制命令通过D/A转换或数字输出去驱动作动系统，而电子控制单元内部CPU通过软件编程来实现各种控制算法，所以电子控制单元是控制系统的关键，它的实现取决于所选取的计算机的类型。相对于ABS系统，对基于车轮滑移率的控制方式而言，输入电子控制单元的信号是速度脉冲，它由传感器采集感应出正弦信号，经过模拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号，然后通过单片机的定时/计数器端口或数字输入端口输入到单片机内存中去。单片机

19、内部的微处理芯片将输入的各个轮速信号按一定的算法进行计算，如计算车辆参考速度和车轮角减速度，根据这些值的大小确定出相应的控制命令，即压力增加、压力减小及压力保持，然后将控制信号通过数字输出端口输出，经过模拟电路的驱动功率放大就可以直接驱动电磁阀，进而控制制动压力；同时输出的信号中还包括报警指示等。2.4.180C196KC最小系统简介 本文中单片机选用MCS系列产品中的80C196KC。80C196高性能16位单片机是INTEL公司继8096KC后最新推出的CHMOS型16位高性能单片机，它特别适合要求很高的实时控制场合。目前，已成功地应用于汽车上，诸如点火燃料等控制系统。 CHMOS芯片耗电

20、少，除正常工作外还可工作于两种节电方式：待机方式和掉电方式，进一步减少了芯片的功耗，MC-96家族中的全部成员都享用一套指令系统，有一个共同的CPU组织结构。80C196KC的内部EPROM/ROM为8K字节，内部RAM为232字节，都可作为通用寄存器使用，加上24字节专用寄存器，相当于有256字节内部寄存器。在ABS的主控系统设计的软件编制中，就充分利用了其内部的通用寄存器。因为ABS系统作为一种实时控制，而整个制动过程在短短的几秒钟内必须完成，因此它对时间要求非常高；通过对所需采集数据分析，发现几种参数数量级分布较为集中，只需将每类参数量纲扩大100倍，放入通用寄存器中供分析、计算，这样不

21、但能保证控制参数的准确性(小数点后2位)，而且避免调用冗繁的四则运算子程序，使其算法更简洁，实时响应速度更快，更具合理性。图2-7为80C196KC单片机引脚图。图2-7 80C196K单片机引脚图2.4.1.1高速输入HSI部件 HSI有四个输入端HSI.0HSI.3。变换检测器在HSI_MODE寄存器控制下，可检测四种事件变化的方式，并把各输入端的状态寄存在HSI_STATUS寄存器中；HSI用定时器T1作事件记录变化的时间基准源，把各个输入端的变化时刻记录在FIFO中。保持寄存器与FIFO相连，通过FIFO把事件的时间值送入HSI_TIME中。这样，对HSI_STATUS和HSI_TIM

22、E寄存器的访问就能读取事件变化状态和发生时刻。 HSI_MODE寄存器控制变换检测器检测事件的方式。每两位组成一个方式控制。 HSI_STATUS寄存器表示HSL.0HSL.3的四个输入端的状态，每两位表示一个输入端： 低位1：事件出现过；0：没出现。 高位1：从HIS_TIME读取的事件，此时的输入端为高电平；0：从HIS_TIME读取的事件，此时的输入端为低电平。 通常，对脉冲信号的记数就利用了检测HSI_STATUSZH状态变化次数的办法。而ABS系统中，使用了另一种方法:定时器T2也可看作一个16位的事件计数器，其时钟源来自引脚HSI.1，当HSI.1引脚有跳变(包括正跳变和负跳变)时

23、，其计数值加1。定时器2与HSO单元配合使用，作为事件触发的时间基准，T2的记数值存放在地址OCH(低8位)和ODH(高8位)的特殊功能寄存器中。当由轮速传感器送入的信号经输入级电路处理后，作为脉冲信号输入时，T2就能对其进行记数，在中断服务程序中读取记数寄存器的值，便能测出车轮转速。 在实际应用中，汽车有四个轮速信号同时输入，数字控制器中没有足够多的计数器，就需要扩展一块8253芯片。8253具有三个功能相同的16位减计数器，每个计数器的工作方式及记数常数分别由软件编程选择。这样，程序初始化时，设定好记数处值和方式控制字，在中断服务程序中就能同时读取四轮的轮速信号，因为每条指令占用时间非常短

24、暂(以微秒计)，相对于中断时间(一般为几十毫秒)几乎可以忽略。因此，采用这种方式能够做到对四轮信号的同步测速。2.4.1.2 中断系统 MCS_96给用户提供了八种型式的中断源，每种中断源都有相对应的中断向量与之对应。中断向量单元中存放的是中断服务程序的入口地址，当允许中断时，任何一个中断源发出的中断请求，将迫使程序转至由对应的向t地址单元的内容所决定的起始地址去执行中断服务程序。 CPU对中断控制是通过对中断的特殊功能寄存器和总中断允许位的控制实现的。当跳变检测器检测到一个硬件中断时，则置位中断登记寄存器TNT_PEND中相应的位，通过读寄存器INT_PEND，能确定在任意给定的时间里哪个中

25、断源发出中断；而每个中断源都可以通过对中断屏蔽寄存器INT_MASK相应位的置位和复位而开放或禁止中断。即某一位为1则开放相应的中断源；为0则禁止相应的中断源。中断登记寄存器和中断屏蔽寄存器中各个中断源的位置是一样的，其各位定义如下：0：定时器溢出 4：HSO.0 1：A/D转换结束 5：软件定时器2：HSI数据有效 6：串行口 3：HSO事件 7：外部中断 一个中断请求能被响应，必须具备以下的条件：首先用E1指令开放全部中断；中断登记/屏蔽寄存器对应位置1。CPU响应完中断，执行中断服务程序后，用POPF或RET指令将断点地址送回。2.4.1.3高速输出HSO部件 高速输出HSO的功能是能够

26、在预定的时刻触发某一事件。这些事件包括:改变6条输出线(HSO.0HSO.5)上的电平信号、启动A/D转换、使定时器2复位以及触发4个软件定时器中断等。由于HSO主要由专门的硬件来实现对事件的触发，因此，与普通输出端比，具有占用CPU开销少、速度高、使用灵活方便等特点。 HSO的输出引脚共有6条即HSO.0HSO.5，HSO.4和HSO.5为双向引脚，分别与HSI.2和HSI.3复用，此两条引线可同时设置为HSI输入允许和HSO输出允许。与HSO相关的特殊功能寄存器有：定时器T1，定时器T2,HSO时间寄存器等。本文，结合上面介绍的中断原理，利用HSO产生软件定时中断，以下将着重介绍命令和时间

27、寄存器的使用。命令寄存器各位定义如下：CAMLOCK：锁定CAM事件TMR2/TMR1：定时器1/定时器2SET/CLEAR：置位/清除HSO脚INT/INT：中断/不中断CHANNEL：00000101分别为HSO.0HSO.5输出；0110为HSO.0和HSO.1同时输出；0111为HSO.2和HSO.3同时输出；10001011为定时器T0T3；11001101保留；1110为复位定时器2；1111为启动A/D转换 HSO时间寄存器HSO-TIME用来放在所设置事件触发时刻值。值得注意的是使用HSO-TIME时，即使需立即触发事件，也立考虑硬件执行时间，因此，送往HSO-TIME中的立即

28、数最小都应为0003H。2.4.2时钟电路和复位电路设计2.4.2.1时钟电路设计 时钟频率是单片机器各个部分运行的基准，它使各部分有条不紊的按节奏工作。时钟电路直接影响单片机运行的速率，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。时钟状态周期： (2-1) 图2-8时钟电路图图2-9复位电路图2.4.2.2复位电路设计 复位是单片机的初始化操作，在复位引脚RST加上大于2个机器周期的低电平就可使单片机复位。单片机复位有3种情况：上电复位，定时器溢出和执行复位信号。型单片采用74HC09集电极开路的与门电路(OC门)，其优点是能在脱机状态下依然仍准确输出高低电平信号；同时输出端可以直接接负载。

29、2.4.3电源设计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50l00V，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，图(2-10)为电源电路。图2-10为电源电路 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4.55.5V。此电压变换电路采用H7805集成三端稳压器和H8715稳压模块。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5668dB，能够较好的

30、满足单片机对电压的需求。给CPU供电，需要5V，而外部供的是24V，需要变换。电是从JP1这个座上供进来。一进来后， JP2这个座接地，是24V的负端我们在24V到地之间接了一个电容，其作用是如果供电的这两根线可能距离比较长，有可能会受到外界50HZ工频电。然后，经过了D3这个二极管供到了C6这个电容。这个D3二极管起的作用是，如果供电时将不小心将电源接反了，不会伤害后面的线路。在C6电容两端这个电大约是23.3V，假定这个二极管管压降是0.7V。然后是用R24和C12，C7进行串联构造了一个RC滤波器。R24因为给CPU供的电都要从这个电阻上流过，所以专门选了一个功率比较大的2W5O。然后R

31、C滤波中选用了一个电解电容C7和独石电容C12并联，电解电容的容量比较大是100微法，而这个独石电容容量比较小是104的（10*104PF）。为什么用两个电容并联？电解电容能提供较大的容量，但它的高频响应性不好，当信号波动达到1KHZ后，它就有点反应不过来了，如果我们把电解电容也用等效电路来代替时，发现它已不是一个电容，里边也是有电感电阻的，不是一个纯电容。而独石电容就能在很宽的范围内比方说几MHZ范围内，低于10MHZ以下都会表现为纯电容，它的高频响应性较好。那么我们就把高频的独石电容和大容量的电解电容进行并联，这样我们可以获得又有很好的高频响应性，又有很大的容量。在频率不是特别高时可以获取这样的特性，使得这个RC滤波范围很宽。否则，如果去掉独石电容，仅R24与C7电解电容构成一个滤波，但由于电解电容不是一个的纯粹的电容，所以滤波性能不是很好。经过了RC后，接下来U16这个器件叫做7815三端稳压器，它可以产生一个15V，即从18或24伏产生一个15V的输出。使用这样一个芯片，我们可以把24伏变到15伏或5伏， 可以给CPU供电了。为什么图中先产