第三章 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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二級(jí)學(xué)院：
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提交日期：
第一章 緒論
目 錄
摘 要 Ⅳ
Abstract Ⅴ
1緒論 6
1.1 ABS的簡(jiǎn)述 6
1.2 ABS的特點(diǎn) 6
1.3 ABS的發(fā)展歷史 6
2．防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理 9
2.1 制動(dòng)時(shí)汽車的受力分析 9
2.2 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系 9
2.3 ABS的工作原理 10
3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13
3.1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的組成 13
3.2 轉(zhuǎn)速傳感器的選擇 13
3.2.1 霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器的選擇 15
3.2.2 霍爾開關(guān)電路的選擇 16
3.2.3 齒盤的設(shè)計(jì) 17
3.3 電源的選擇 18
3.4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 18
3.5 泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 20
3.6 車輪制動(dòng)器的選用 21
4 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22
4.1 控制方案和控制參數(shù)的選取 22
4.2 控制參數(shù)的計(jì)算 23
4.2.1 車輪速度的求取 23
4.2.2 滑移率的計(jì)算 24
4.3 控制過程 25
4.4 防抱死控制部分流程設(shè)計(jì) 26
4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 27
5 結(jié)論與發(fā)展方向 29
5.1 研究工作總結(jié) 29
5.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展方向 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
III
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)
摘 要
汽車的制動(dòng)性能是表達(dá)汽車行駛安全性的主要性能之一。防抱死制動(dòng)系統(tǒng)能夠提高制動(dòng)時(shí)方向的穩(wěn)定性和操縱性，從而獲得最大的制動(dòng)力且縮短制動(dòng)距離，盡量避免了交通事故的發(fā)生。
本文基于車輪滑移率的防抱死理論，根據(jù)汽車的行駛速度和車輪轉(zhuǎn)速來計(jì)算汽車的滑移率。以80C196KC單片機(jī)為輔助，完成了驅(qū)動(dòng)電路等硬件電路的設(shè)計(jì)。提出了ABS控制軟件的設(shè)計(jì)思想和方法，完成了對(duì)控制軟件的流程設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：防抱死制動(dòng)系統(tǒng) ; 轉(zhuǎn)速傳感器；驅(qū)動(dòng)電路
2
ABSTRCT
Automobile braking performance is one of the main properties of safety in automobile. Anti-locked braking system can improve braking direction stability and controling, so as to obtain the maximum braking force and shorten the braking distance. It is possible to avoided the occurrence of traffic accidents.
In this paper, it is based on wheel slip ratio of ABS theory. According to the vehicle speed and wheel speed, I can calculate car slip rate. With 80C196KC as auxiliary, the completion of the design of drive circuit and other hardware circuit. I put forward the design idea and method of ABS control software ,and I complete the design of control software.
Kyewords: ABS; Vehicle Speed Sensor; Driving Circuit
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1緒論
1.1 ABS的簡(jiǎn)述
ABS系統(tǒng)是汽車防抱死制動(dòng)控制系統(tǒng)（Anti-Lock Braking System)的簡(jiǎn)稱。它是汽車上的一種主動(dòng)安全裝置，用來防止汽車緊急制動(dòng)時(shí)車輪突然抱死而產(chǎn)生拖滑現(xiàn)象.它能增強(qiáng)汽車制動(dòng)時(shí)方向的控制能力，縮短制動(dòng)距離，從而保證制動(dòng)的安全。一般來說，現(xiàn)代汽車都配備了ABS系統(tǒng)。
ABS系統(tǒng)由一套防止車輪抱死的安全裝置組成。當(dāng)車輪抱死時(shí)，該裝置會(huì)迅速下降制動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)壓力，使得車輪的滑移率處于理想狀態(tài)。而傳統(tǒng)的制動(dòng)方法需要駕駛員通過間歇踩踏制動(dòng)踏板進(jìn)行制動(dòng)，但是在緊急制動(dòng)時(shí)，駕駛員無法精確地做出判斷和控制，車輪會(huì)直接抱死。尤其是汽車在濕滑的路面上制動(dòng)時(shí)很容易發(fā)生交通事故。
1.2 ABS的特點(diǎn)
在汽車制動(dòng)時(shí)，ABS會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制動(dòng)壓力，防止車輪抱死而產(chǎn)生危險(xiǎn)情況，減少交通事故的發(fā)生。
ABS具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1） 減小制動(dòng)距離。在同等條件下，沒有ABS系統(tǒng)時(shí)車輪容易產(chǎn)生抱死（滑移率100%),縱向附著系數(shù)大大減小，附著力變小，汽車制動(dòng)所需要距離變長(zhǎng)；而在有ABS情況下，滑移率一直保持在20%左右，此時(shí)附著系數(shù)最大，汽車制動(dòng)所需要的距離變短。
（2）提高了汽車制動(dòng)時(shí)方向的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向能力。在同等條件下，沒有ABS時(shí)，車輪如果出現(xiàn)抱死，那么駕駛員將無法控制汽車行駛的方向，嚴(yán)重時(shí)將危害駕駛員的生命。尤其是汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行制動(dòng)，車輛容易行駛到路外;若汽車后輪一旦抱死，橫向附著系數(shù)會(huì)降低至零，從而導(dǎo)致汽車抵抗側(cè)滑的能力完全喪失，汽車將會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑、甩尾，甚至使整個(gè)車身調(diào)頭等危險(xiǎn)情況。而在裝有ABS系統(tǒng)時(shí)，滑移率一直被控制在20%左右，車輪不會(huì)出現(xiàn)抱死，橫向附著系數(shù)較大，前輪行駛方向可以左右調(diào)整，后輪也不會(huì)發(fā)生側(cè)滑等現(xiàn)象。
（3）減緩和改善輪胎的損耗。如果汽車經(jīng)常發(fā)生抱死現(xiàn)象，輪胎會(huì)急劇磨損，駕駛員需要經(jīng)常更換輪胎。長(zhǎng)此下去，跟換輪胎的費(fèi)用將超過購(gòu)買一套ABS所需的費(fèi)用，而令駕駛員產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
（4）自我診斷功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，它會(huì)立即通過點(diǎn)亮信號(hào)燈的形式顯示出來，并且自動(dòng)生成記錄。維修人員可以根據(jù)ABS電控系統(tǒng)記錄的故障（以故障碼的形式輸出），進(jìn)行進(jìn)一步診斷和修理。
1.3 ABS的發(fā)展歷史
ABS早期由于技術(shù)原因，所以只能應(yīng)用在火車和飛機(jī)上，隨著后續(xù)技術(shù)的發(fā)展，才逐漸在汽車上開始運(yùn)用。以前列車在制動(dòng)時(shí)，列車車輪經(jīng)常抱死，導(dǎo)致車輪與鐵軌產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，車輪外表面磨損出一個(gè)個(gè)凹凸不平的面。小平面產(chǎn)生后會(huì)使車輪行駛過程中產(chǎn)生噪
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音和震動(dòng)，從而出現(xiàn)危險(xiǎn)因素。1908年，弗朗西斯（J.E.Francis）提出來“車輛抱死滑移控制器”這一概念，由于技術(shù)條件有限，一直無法將這一概念實(shí)用化。
當(dāng)時(shí)研制汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)巨大困難。因?yàn)闆]有任何設(shè)備可以實(shí)時(shí)檢測(cè)且調(diào)整制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)壓力，無法靈敏的執(zhí)行各種操作。直到ABS系統(tǒng)的誕生，那時(shí)候已經(jīng)是半導(dǎo)體技術(shù)開始成熟的年代了。
1936年，德國(guó)的博世公司（BOSCH）獲得了第一項(xiàng)用電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器的ABS專利權(quán)。1966年，第一臺(tái)ABS原型機(jī)誕生,如圖1-1所示。這標(biāo)志著“縮短制動(dòng)距離”已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，開創(chuàng)了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的新紀(jì)元。由于它的造價(jià)十分昂貴，所以只能應(yīng)用在火車和飛機(jī)上。
從1970年開始，Teldix GmbH公司和奔馳公司合作研制出ABS-1原型機(jī)。但是由于可靠性不足、控制單元太過復(fù)雜，造價(jià)十分昂貴且極容易發(fā)生故障，所以沒有大量生產(chǎn)。
1978年，博士（BOSCH)公司推出了有數(shù)字電子控制的BOSCH 2 ABS裝置，首次把它安裝在奔馳轎車上。此時(shí)ABS系統(tǒng)才走入人們的視線，研制ABS歷程又向前邁了一大步。
在ABS系統(tǒng)剛誕生幾年中，由于造價(jià)太過昂貴而不能被市場(chǎng)所需求。從1978～1980年，BOSCH公司才賣出去24000多套。所幸接下來一年的銷售量增長(zhǎng)到76000多套。由于受到市場(chǎng)上的利好消息，Bosch公司開始了TCS軌跡控制系統(tǒng)的研究。ABS 在發(fā)展過程中，一直在追求輕量、小型的目標(biāo)，以全球最大ABS 供應(yīng)商BOSCH 為例，ABS 2 重達(dá)4.3kg，到了2003年的ABS 8 其重量減低至1.6kg，小型化的結(jié)果便是提高摩托車安裝的可行性。直到現(xiàn)在包括BOSCH 在內(nèi)的ABS 制造商，紛紛推出針對(duì)摩托車開發(fā)的小型化系統(tǒng)，更進(jìn)一步的提高摩托車搭載ABS 的普及度，像是2009年BOSCH 發(fā)表的ABS 9M 就是針對(duì)摩托車而開發(fā)的系統(tǒng)，重量?jī)H有700g。隨著歐盟有關(guān)ABS的法規(guī)出臺(tái)，ABS逐漸開始小型化，搭載ABS 的摩托車越來越多。從早期只安裝在大型的休閑車款，逐漸到小型車款，至今連KYMCO Racing King 這樣小型的速克達(dá)，也加入了ABS 系統(tǒng)。
我國(guó)1980年代初期開始了對(duì)ABS的技術(shù)研發(fā)，1980年中國(guó)國(guó)營(yíng)企業(yè)514廠把ABS技術(shù)從飛機(jī)移植到汽車上，研制出只適用于貨車上性能比較單一的3500-QFBD型汽車ABS系統(tǒng)。1989年，西安公路交通大學(xué)與514廠在原有的基礎(chǔ)上合作開發(fā)了只適用于大型客車的ABS系統(tǒng)。此后，國(guó)內(nèi)的許多科研單位開始了對(duì)ABS的研發(fā)。從1998年起，國(guó)產(chǎn)的奧迪、桑塔納等汽車，都基本裝上了ABS系統(tǒng)。
到2000年為止國(guó)內(nèi)ABS生產(chǎn)廠家大約有20家左右，他們只能開發(fā)氣壓制動(dòng)或液壓制動(dòng)，而不能將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起。而如BOSCH、TRW、WABCO、KNORR等外國(guó)公司技術(shù)比較成熟，他們的市場(chǎng)估計(jì)占到80%左右。隨著汽車ABS的技術(shù)不斷成熟，中國(guó)企業(yè)打破了國(guó)外ABS技術(shù)壟斷。從2000年開始，浙江亞太機(jī)電股份有限公司與清華大學(xué)合作開發(fā)
ABS，不僅實(shí)現(xiàn)JEEP2500的配套生產(chǎn)，而且ABS的年產(chǎn)量達(dá)到了10萬套。截至2005年底，中國(guó)ABS產(chǎn)品已經(jīng)完成了與6個(gè)大中型汽車公司的8個(gè)車型的匹配工作，另有5個(gè)汽車公司的7個(gè)車型的ABS產(chǎn)品正在匹配之中。據(jù)《中國(guó)汽車工業(yè)年鑒》統(tǒng)計(jì)，2007年內(nèi)國(guó)內(nèi)主要的6家ABS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)合計(jì)生產(chǎn)124.64萬套，銷售了123.46萬套；到了2008年國(guó)內(nèi)主要的4家ABS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)合計(jì)生產(chǎn)115.11萬套，銷售了112.11萬套；到了2009年國(guó)內(nèi)主要的8家ABS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)合計(jì)生產(chǎn)113.61萬套，銷售了117.02萬套，2010年
國(guó)內(nèi)10家ABS系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)合計(jì)生產(chǎn)858.20萬套，銷售了857.72萬套。
圖1-1 BOSCH公司的ABS
2．防抱死制動(dòng)系統(tǒng)基本原理
2.1 制動(dòng)時(shí)汽車的受力分析
汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)受到許多因素影響，其中包括風(fēng)對(duì)汽車的作用力，地面對(duì)輪胎的摩擦力，自身的重力。地面對(duì)輪胎的摩擦力：?作用在車輪上垂直與地面的支撐力。?作用在車輪上平行于地面的力。汽車在直行和轉(zhuǎn)彎時(shí)汽車所受到的作用力，如圖2-1所示。FX為地面對(duì)汽車的制動(dòng)力，它的大小由路面的滑移率和自身的重量決定，它是汽車制動(dòng)的關(guān)鍵因素。FY 為地面對(duì)汽車的側(cè)向摩擦力。側(cè)向摩擦力的大小由側(cè)向附著系數(shù)和自身的重量決定。車輪抱死時(shí)，F(xiàn)Y將一直降低到至零為止。汽車行駛時(shí)，如果遇到橫風(fēng)將會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑，此時(shí)Fy來保持汽車實(shí)現(xiàn)正常的行駛，如圖2-1（a）所示。
(a)直線行駛 （b)轉(zhuǎn)彎行駛
圖2-1 汽車直線和轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)的受力圖
若汽車在轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)候制動(dòng)或者在制動(dòng)的時(shí)候轉(zhuǎn)動(dòng)方向，也將由側(cè)向摩擦力來使汽車轉(zhuǎn)動(dòng)方向，如圖2-1（b）所示。地面摩擦力的大小將決定汽車剎車后前行的距離，側(cè)向摩擦力的大小確保汽車剎車時(shí)方向是否保持不變。本論文將施加在前面車輪的側(cè)向摩擦力稱作轉(zhuǎn)向力，將施加在后面輪胎的側(cè)向摩擦力稱作側(cè)向力。轉(zhuǎn)向力的大小確定了汽車操作的方便，它能決定在任何時(shí)候汽車按照駕駛員要求的方向前行。側(cè)向力影響著汽車行駛的平穩(wěn)。在實(shí)際行駛中，轉(zhuǎn)向力越大越好，側(cè)向力也越大越好。
由上述的分析可得，施加在車輪上的力必須合理，駕駛員的操作要根據(jù)車速、方向等各種因素來合理操縱，并時(shí)刻避免汽車出現(xiàn)抱死現(xiàn)象。
2.2 滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系
橫向附著系數(shù)是分析汽車行駛平穩(wěn)的性能參數(shù)之一。橫向附著系數(shù)越大，汽車轉(zhuǎn)向的操控能力和穩(wěn)定性越強(qiáng)。當(dāng)滑移率等于零時(shí),橫向附著系數(shù)最大；當(dāng)滑移率逐漸增大時(shí)，橫向附著系數(shù)則逐漸減小。
當(dāng)車輪出現(xiàn)抱死現(xiàn)象時(shí)，橫向附著系數(shù)幾乎等于零，此時(shí)行駛過程中易產(chǎn)生震動(dòng)、汽車失去控制甚至釀成事故。尤其是在轉(zhuǎn)彎過程中，汽車一旦抱死，汽車會(huì)按照慣性向先前的方向滑動(dòng)，汽車有可能撞上其他車道的車輛。汽車前輪抱死，汽車行駛失去控制；汽車后輪抱死，汽車后部會(huì)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。
汽車與地面的縱向附著系數(shù)與橫向附著系數(shù)隨著滑移率變化的曲線圖，如圖2-2所示。當(dāng)車輪作純滾動(dòng)時(shí),縱向附著系數(shù)等于零;當(dāng)滑移率在15%～30%之間時(shí),縱向附著系數(shù)達(dá)到
最大值;當(dāng)滑移率繼續(xù)上升,縱向附著系數(shù)逐漸下降,直至車輪抱死( 即S = 100 %) ,此時(shí)的縱向附著系數(shù)至零。此外,隨著滑移率的上升，橫向附著系數(shù)逐漸下降。當(dāng)車輪出現(xiàn)抱死時(shí)，橫向附著系數(shù)下降至零。從圖中可以看出,滑移率在15%～30%之間時(shí),既可使縱向附著系數(shù)達(dá)到峰值，又可以有較大的橫向附著系數(shù)。在這樣的情況下，汽車制動(dòng)平穩(wěn)且方向穩(wěn)定。ABS就是根據(jù)這一原理研制的。
圖2-2 滑移率與附著系數(shù)關(guān)系
2.3 ABS的工作原理
汽車在制動(dòng)過程中，車輪轉(zhuǎn)速傳感器把所有的車速信號(hào)傳輸給ABS的中央控制器（ECU),ABS ECU會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制邏輯對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行分析，由此計(jì)算出理論速度和實(shí)際速度及制動(dòng)時(shí)減速度，可以分析得出滑移率。一旦滑移率處于不正常，ABS的中央控制器就會(huì)制動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力。如果滑移率處于正常范圍之內(nèi)，ECU會(huì)保持原先的制動(dòng)壓力，從而防止車輪抱死。
在制動(dòng)過程中，ABS出現(xiàn)問題，中央控制器將不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的壓力進(jìn)行控制，此時(shí)儀表盤上的故障燈點(diǎn)亮，駕駛員通過警告燈知道系統(tǒng)發(fā)生故障。此時(shí)，ABS不再工作，制動(dòng)過程與沒有ABS的傳統(tǒng)系統(tǒng)的工作步驟一樣。
ABS工作過程可以分為常規(guī)制動(dòng)過程、減壓過程、保壓過程和增壓過程四個(gè)過程。
（1）常規(guī)制動(dòng)過程如圖2-4所示
當(dāng)駕駛員剛踩住制動(dòng)踏板時(shí)，ABS不會(huì)工作，電磁閥線圈無電流通過。此時(shí)電磁閥將液壓控制活塞工作腔與回油管道連通，液壓控制活塞在彈簧的作用下移動(dòng)到最左端，從而打開單向閥（不制動(dòng)時(shí)，單向閥常開），使制動(dòng)主缸與制動(dòng)工作缸連通，制動(dòng)工作缸的液壓隨著制動(dòng)主缸的液壓升高而升高，車輪制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)力，來使汽車減速及停止。
圖2-4 常規(guī)制動(dòng)過程
（2）減壓過程如圖2-5所示
當(dāng)車輪滑移率接近20%左右時(shí)，電控單元給電磁閥線圈通一種大電流（通過繼電器），柱塞克服彈簧作用力右移，關(guān)閉液壓控制活塞工作腔和回油管道的通道。同時(shí)連通工作腔與儲(chǔ)能器及油壓泵。此刻來自儲(chǔ)能器及油壓泵的高壓液體進(jìn)入控制活塞的工作腔，克服強(qiáng)力彈簧作用力使活塞向右移動(dòng)，關(guān)上單向閥，切斷制動(dòng)主缸和制動(dòng)工作缸的通道，使制動(dòng)工作缸的壓力停止增大。活塞繼續(xù)向右移動(dòng)，繼而使活塞左端的空腔體積變大，制動(dòng)工作缸的壓力變小，制動(dòng)作用力下降，來防止車輪抱死。
圖2-5 減壓過程
（3）保壓過程如圖2-6所示
電控單元給電磁閥線圈通較小的電流，電磁閥柱塞在彈簧的作用力下向左移動(dòng)，切斷了液壓控制活塞工作腔和儲(chǔ)能器的通道，這樣液壓控制活塞左工作腔油壓和制動(dòng)工作缸液壓與彈簧力達(dá)到平衡，液壓控制活塞處于一個(gè)不變的位置，單向閥常閉，從而使過制動(dòng)工作缸一旁的容積不再變化，制動(dòng)工作缸壓力保持不變，一直維持制動(dòng)狀態(tài)。
圖2-6 保壓過程
（4）增壓過程如圖2-7所示
電控單元切斷電磁閥中線圈電流，柱塞在彈簧力的作用下向左移動(dòng)，連通工作腔和儲(chǔ)能器，液壓控制活塞在彈簧力的強(qiáng)力作用下向左移動(dòng)，左側(cè)容積減小，制動(dòng)液壓力增大，直至打開單向閥，制動(dòng)工作缸的制動(dòng)液壓隨著制動(dòng)主缸液壓增加而增加，從而使制動(dòng)器的制動(dòng)力變大。
圖2-7 增壓過程
3 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的組成
ABS主要由傳感器、中央控制器和任務(wù)處理器三部分組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。轉(zhuǎn)速傳感器通常用來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)傳送給中央控制器。中央處理器主要接收轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)及其他信號(hào)，并將信號(hào)進(jìn)行處理（放大、計(jì)算和比較），然后進(jìn)行特定的分析之后向任務(wù)處理器輸送，通過調(diào)壓電磁閥的動(dòng)作順序來調(diào)節(jié)ABS制動(dòng)壓力的大小。
1、 前輪轉(zhuǎn)速傳感器 2、制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置 3、中央控制器 4、ABS警告燈 5、后輪轉(zhuǎn)速傳感器
6、 停車燈開關(guān) 7、制動(dòng)主缸 8、比例分配閥 9、制動(dòng)輪缸 10、蓄電池 11、點(diǎn)火開關(guān)
（a）ABS的組成（分置式）
（b）ABS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
圖 3-1 ABS系統(tǒng)的構(gòu)成
3.2 轉(zhuǎn)速傳感器的選擇
車輪轉(zhuǎn)速傳感器的作用是檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)傳輸?shù)街醒肟刂破?，目前常見的有電磁感?yīng)式和霍爾式。它安裝位置如圖3-2所示。
（a）前輪 （b）后輪
圖3-2 轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置
1、電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器
該轉(zhuǎn)速傳感器通過切割線圈內(nèi)的磁感應(yīng)線，來改變磁通量的大小，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)的電子器件。它由傳感應(yīng)頭和齒圈兩部分組成。根據(jù)極軸的結(jié)構(gòu)形式不同，又可以分為鑿式和柱式兩種。結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。
（a）鑿式極軸 （b）柱式極軸
1.電纜 2.永磁體 3.外殼 4.感應(yīng)線圈 5.極軸 6.齒圈
圖3-3 車輪轉(zhuǎn)速傳感器剖面圖
電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理：車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)齒圈的齒頂和齒根的距離發(fā)生變化，使得線圈內(nèi)的磁通量也發(fā)生改變，從而產(chǎn)生交流電壓。它的頻率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，電壓也隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。然后根據(jù)傳感器輸出的電壓信號(hào)確定車輪轉(zhuǎn)速，并計(jì)算出瞬時(shí)制動(dòng)減速度和滑移率，從而控制制動(dòng)壓力，防止車輪出現(xiàn)抱死。
電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器具有以下特點(diǎn)：
（1）輸入信號(hào)隨著轉(zhuǎn)速的變化波動(dòng)較大。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速過低時(shí)通過線圈的磁通變化速率變低，從而使電磁感應(yīng)式傳感器輸出的信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)?反之，車輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)的強(qiáng)度變強(qiáng)。由于過低的電壓信號(hào)ECU是無法接收的，故在車速小于15km/h時(shí)，ABS將無法正常工作。
（2）頻率響應(yīng)性差。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)速大于160km/h時(shí)，有時(shí)候會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)，同樣造成ABS無法正常工作。
（3）電磁波的抗干擾能力差。特別是轉(zhuǎn)速過低時(shí)，輸出信號(hào)的幅值小，易受到外界的信號(hào)干擾，故其輸出線是屏蔽線，而不能用其他線代替。
2、霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器
霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器是一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的傳感器。它的主要部分是傳感應(yīng)頭和齒圈。傳感應(yīng)頭由永磁體、霍爾開關(guān)元件和電子電路三部分組成。
其工作原理圖如圖3-4所示。圖（a）中磁感應(yīng)線分布比較稀疏，導(dǎo)致其磁場(chǎng)強(qiáng)度較?。慌c此相反的是圖（b）磁感應(yīng)線分布比較密集，導(dǎo)致其磁場(chǎng)強(qiáng)度較大。該傳感器通過改變磁感應(yīng)線的疏密程度來控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變從而產(chǎn)生基爾霍夫電壓，該電壓信號(hào)經(jīng)過電子電路進(jìn)行整流，轉(zhuǎn)換成直流的電壓信號(hào)輸送給ECU.
1、永磁體 2、霍爾元件 3、齒圈
圖3-4 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器示意圖
霍爾轉(zhuǎn)速傳感器與其他傳感器相比，具有以下特點(diǎn)：
（1）霍爾傳感器輸出的電壓信號(hào)跟車輪的轉(zhuǎn)速無關(guān)。在汽車電源電壓12V的條件下，其輸出信號(hào)電壓保持在11.5～12V恒定。
（2）拆裝方便，基本上能適用于大部分的ABS制動(dòng)系統(tǒng)。
（3）檢測(cè)速度的精準(zhǔn)度較高，操作也比較方便。
（4）霍爾傳感器抗干擾能力較強(qiáng)，能在復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)工作，而且壽命較長(zhǎng)。
鑒于霍爾式比電磁感應(yīng)式的性能更加優(yōu)越，所以本設(shè)計(jì)采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。
3.2.1 霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器的選擇
霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器有開關(guān)型和線性型兩種。因?yàn)榧呻娐穼?duì)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱十分敏感，所以把霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器加工在集成電路上的同時(shí)，還添加了一個(gè)霍爾效應(yīng)的元件?；魻栭_關(guān)電路又叫霍爾數(shù)字電路，是一種采用霍爾效應(yīng)原理，具有開關(guān)功能的集成電路。它由電壓調(diào)節(jié)器、反向保護(hù)器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償器、互補(bǔ)輸出器、高靈敏的無觸點(diǎn)開關(guān)、直流無刷電機(jī)和直流無刷風(fēng)機(jī)組成。在外磁場(chǎng)力的作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出了導(dǎo)通閥的設(shè)定強(qiáng)度時(shí)，霍爾電路開始工作。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值低于導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出電路截止，輸出高點(diǎn)位。導(dǎo)通時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與截止時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的差通常被稱作磁滯回差，它能有效地提高霍爾電路的抗干擾能力。
霍爾轉(zhuǎn)速傳感器由磁阻較小的鐵磁性材料制成的齒圈和傳感應(yīng)頭組成。傳感應(yīng)頭為靜止部件，通常安裝在車輪的托架上，有兩根引線接至電控單元。齒圈為運(yùn)動(dòng)部件，一般安裝在輪轂或輪軸上，和車輪一起旋轉(zhuǎn)。為了能夠確保轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)的正確，轉(zhuǎn)速傳感器的兩個(gè)部件應(yīng)精密的對(duì)接在一起，還要在里面適當(dāng)?shù)牧粢稽c(diǎn)空氣間隙，然后安裝緊
固。這種情況下汽車在緊急制動(dòng)過程中的震動(dòng)才不會(huì)影響傳感信號(hào)的正確。當(dāng)然為了避免臟水和污物的進(jìn)入，應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芊馓幚怼?
本論文采用的是三通道四傳感器的結(jié)構(gòu)。其四個(gè)車輪都有一個(gè)傳感器，兩前輪獨(dú)立控制，兩后輪則一起控制。
3.2.2 霍爾開關(guān)電路的選擇
霍爾開關(guān)是轉(zhuǎn)速傳感器的關(guān)鍵部分，它可以提供較大的霍爾電壓，使得溫度波動(dòng)較小。這樣合理地縮小了器件的體積，使得電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，電路的安全性能得到提高。本論文采用的是CS3121型霍爾開關(guān)電路，它能把輸入的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為輸出的電壓信號(hào)。該開關(guān)原件工作可靠，開關(guān)速度快，運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)。它能在4.5～30V的電壓內(nèi)工作，其工作溫度在-40℃～125℃之間。
霍爾元件的信號(hào)變化過程如下：
霍爾元件→運(yùn)算放大器（可以對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行放大，還可以做反向、電壓跟隨器，可以對(duì)電信號(hào)加減運(yùn)算）→施密特觸發(fā)器（可以對(duì)波形進(jìn)行變換，幅度鑒別，脈沖整形）→輸出端口
霍爾開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示：
1接5V電壓的引線 2接地線 3輸出端口
圖3-5 霍爾開關(guān)電路結(jié)構(gòu)圖
霍爾元件在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)中的接線如圖3-6所示：
圖3-6 霍爾元件在防抱死制動(dòng)系統(tǒng)中的接線圖
霍爾元件安裝在磁場(chǎng)附近，通過TTL電路進(jìn)行緩沖處理后，傳輸?shù)絆UT端口。
3.2.3 齒盤的設(shè)計(jì)
齒盤的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：
在選擇了轉(zhuǎn)速傳感器之后，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的技術(shù)參數(shù)，來設(shè)計(jì)齒盤。設(shè)計(jì)齒盤的同時(shí)要保證頻率的測(cè)量數(shù)值在轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)，波動(dòng)不能太大，實(shí)際數(shù)值要跟理論數(shù)值接近，而且設(shè)計(jì)的齒盤結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，方便加工和安裝。
（1）齒盤齒數(shù)的計(jì)算：
設(shè)計(jì)齒盤時(shí)所產(chǎn)生的車輪轉(zhuǎn)速應(yīng)在轉(zhuǎn)速傳感器所能檢測(cè)的范圍里，齒盤的大?。X數(shù)）和車輪的轉(zhuǎn)速這兩個(gè)參數(shù)確定了傳感器所能測(cè)量的頻率范圍。
轉(zhuǎn)速傳感器所檢測(cè)出的車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)換所得車速的測(cè)量范圍50～300km/h
轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量頻率范圍1～100KHZ
由下式可得速度： 為了方便計(jì)算，我們通常把為定值
式中：r-車輪的半徑，取0.3m；
z-齒盤的齒數(shù)；
f-轉(zhuǎn)速傳感器所測(cè)定的頻率；
由此可以得出齒數(shù)的設(shè)計(jì)區(qū)域：
22.6≤z≤135.7
由上式可得齒盤齒數(shù)的設(shè)計(jì)范圍，為了方便加工制造，通常把z設(shè)為整值。齒盤齒數(shù)越大，加工精度越高，所以z的取值不能太小。本文z的取值為100個(gè)。
（2）齒高、齒寬的計(jì)算：
齒高主要是由傳感器信號(hào)的強(qiáng)度，以及傳感器的靈敏度所決定的。齒盤的齒寬直接影響到傳感器輸出信號(hào)的波形，主要是影響脈沖信號(hào)的占空比，占空比過大或過小時(shí)，由于汽車行駛過程中，車輪的振動(dòng)等原因，導(dǎo)致傳感器的輸出信號(hào)出現(xiàn)失真，即少一部分脈沖信號(hào)，使得轉(zhuǎn)速傳感器的檢測(cè)數(shù)值出現(xiàn)誤差。綜上所述齒高和齒寬對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)尤為重要。
齒槽寬與齒頂寬與轉(zhuǎn)速傳感器齒盤的外徑成正比，與齒盤的齒數(shù)成反比。他們的和dn其計(jì)算公式如下：
式中：—齒距
最終的齒槽寬dp=11.31mm和齒頂寬dt=11.31mm。
3.3 電源的選擇
中央控制器的主要核心是單片機(jī)，它對(duì)供電電源的要求十分高。但是蓄電池的供電電壓經(jīng)常出現(xiàn)波動(dòng)，用電器件在斷電時(shí)電路中會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩電磁波，電壓最高可達(dá)到280V，同時(shí)點(diǎn)火線路造成的負(fù)脈沖電壓最高可達(dá)50～100V，并以一定的頻率在電器系統(tǒng)中體現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)電源時(shí)需要考慮這些因素。系統(tǒng)穩(wěn)壓電源如圖3-7，他能把蓄電池24V不穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)變成可以供單片機(jī)80C196KC使用的4.5～5.5V的穩(wěn)定高電壓。此電壓變換電路采用的是78XX系列的集成三端穩(wěn)壓器。三端穩(wěn)壓電源提供的輸出電流為100mA～3A,穩(wěn)壓系數(shù)為0.005%～0.02%，紋波抑制比為56～68dB,電壓能夠完美地滿足單片機(jī)的要求。如圖3-7所示，C1用來防止由于輸入電路較長(zhǎng)帶來的電感效應(yīng)所造成的自激現(xiàn)象。C2用來減小由于負(fù)載電流突然變化而引起的高頻性號(hào)干擾。
圖3-7 電源電路
3.4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
由于中央控制電路輸出的電壓信號(hào)十分微弱，所以每個(gè)信號(hào)都要經(jīng)過放大電路進(jìn)行處理?，F(xiàn)在常用的是把P1口輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)電磁閥工作的電壓信號(hào)，利用電磁閥的中位機(jī)能來使ABS進(jìn)行常規(guī)制動(dòng)、減壓、保壓和增壓這四個(gè)工作過程。本文采用的是改變P1口的高低點(diǎn)位，來使控制電路的導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)制動(dòng)、減壓、保壓和增壓這四個(gè)工作過程。
單片機(jī)80C196KC的P1口可以作為輸入信號(hào)或輸出信號(hào)的端口，其內(nèi)部被緩沖寄存器鎖死。緩存寄存器有輸入和輸出緩沖器組成，前者是將輸入進(jìn)的數(shù)據(jù)和信號(hào)暫時(shí)存放，以便處理器工作時(shí)將他取出，后者是暫時(shí)存放處理器向外輸出的數(shù)據(jù)和信號(hào)。輸出緩沖器上安裝了一個(gè)上拉電阻，它能在P1端口的電平從0到1時(shí)，加快了緩沖器的轉(zhuǎn)變過程。輸出數(shù)據(jù)的時(shí)候，它具有保存功能，P1端口的數(shù)據(jù)與前面一致。
P1的輸出邏輯狀態(tài)表如下所示：
表 P1口的邏輯狀態(tài)表
第三章 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
車輪
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
壓力變化
左前輪
0
1
x
x
x
x
保壓
1
1
x
x
x
x
增壓
0
0
x
x
x
x
減壓
右前輪
x
x
0
1
x
x
保壓
x
x
1
1
x
x
增壓
x
x
0
0
x
x
減壓
后輪
x
x
x
x
0
1
保壓
x
x
x
x
1
1
增壓
x
x
x
x
0
0
減壓
由上表可以看出只要改變P1的輸出狀態(tài)，就能控制電磁閥的工作狀態(tài)。
圖3-8 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路
如圖3-8所示的74LS04為集電極開路六反相緩沖器，它的作用是提高輸出電路的帶負(fù)載能力，使得電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的工作更加可靠。
光電耦合器是以光為工作介質(zhì)來傳遞電信號(hào)，它能將輸入和輸出電路隔離開來，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，而且價(jià)格比較便宜，安裝方便。因此在電路的輸出端安裝一個(gè)光電耦合器。
根據(jù)實(shí)際要求，本文采用的光電耦合器是4N35型，其參數(shù)：正向電流，電流放大倍數(shù)。光電耦合器的輸入端阻值由下式可得：
式中；VCC-電源電壓，一般取+5V;
IF--輸入的正向?qū)娏鳎ǔ?5mA；
VF-二極管的正向?qū)▔航担渲禐?.5V；
VCS-驅(qū)動(dòng)電路的電壓降；
將已知值帶入公式，得。
光電耦合器輸出端阻值由下式可得：
式中： UCEN- 三極管的飽和壓降，其值為0.3V.
將已知值帶入公式，得
將輸出電路進(jìn)行分離，可以防止干擾信號(hào)沿電路向各級(jí)輸送，也可以防止電路運(yùn)行過程所造成的干擾脈沖逆向傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。
驅(qū)動(dòng)電路由晶體三極管、繼電器、功率變換器和控制器組成。按照晶體管的結(jié)構(gòu)形式不同，可以分為共基極放大電路、共集電極放大電路、共發(fā)射機(jī)放大電路三種。其中共發(fā)射極的功率放大性能最好，所以本論文選用共發(fā)射極放大電路組成驅(qū)動(dòng)電路。
光電耦合器的,工作電流,因?yàn)檩敵鲂盘?hào)太過微弱要經(jīng)過功率放大電路放大才能控制電磁閥工作,考慮到實(shí)際應(yīng)用的影響，選擇為1.5倍。則電磁閥的電流放大倍數(shù)K由下式可得：
本論文選用2SD880晶體管來驅(qū)動(dòng)ABS換向閥工作，,。
3.5 泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)ABS系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)要求，泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在管路減壓時(shí)將對(duì)蓄能器提供油液，保證管路處于高壓狀態(tài)。ABS系統(tǒng)常用繼電器來控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。
繼電器的選擇：根據(jù)泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作電壓、工作電流、接點(diǎn)工作電壓和接點(diǎn)工作電流的大小，確定了選用型的繼電器。其性能參數(shù)為：最高工作電壓；線圈電阻；繼電器上線圈能夠吸合的電壓；線圈消耗的功率；接點(diǎn)最大承載電壓；最大承載電流。其電路如圖3-9所示，根據(jù)繼電器工作時(shí)的額定電壓和電流，可以得到繼電器的工作電流，六反相緩沖器可以向光電耦合器輸入的電流為，光電耦合器的電流傳輸比為，所以它的輸出電流為,經(jīng)過晶體管電流放大處理就可以滿足電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。
圖3-9泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
光電耦合器的輸入輸出電阻的計(jì)算同電磁閥驅(qū)動(dòng)電路一樣。
二極管D1的作用是保護(hù)晶體管正常工作。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，二極管D1截止，電路正常工作。由于繼電器線圈存在電感此時(shí)二極管已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性是下正上負(fù)，正端接在的晶體管的集電極上，當(dāng)電感電動(dòng)勢(shì)與之和大于晶體管的集電極反向電壓時(shí)，晶體管可能會(huì)燒壞。而加入了二極管D1后，繼電器線圈內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流從二極管D1流出，因此不會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管得到保護(hù)。
3.6 車輪制動(dòng)器的選用
制動(dòng)器按結(jié)構(gòu)形式不同可以分為鼓式和盤式兩種。由于盤式制動(dòng)器與鼓式相比：因?yàn)橹苿?dòng)盤大部分裸露在外，所以盤式散熱性更好，制動(dòng)效果更加明顯。盤式能夠方便地調(diào)整間隙，其維護(hù)也比較便宜和方便。而且滑銷式的浮鉗盤式制動(dòng)器更容易進(jìn)行密封和潤(rùn)滑處理，所以本文采用的是滑銷式。如圖3-10所示：
1、摩擦塊 2、密封圈 3、鉗體4、活塞 5、滑銷 6、支架 7、制動(dòng)盤
圖3-10 浮動(dòng)鉗式制動(dòng)器示意圖
4 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 控制方案和控制參數(shù)的選取
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)槠渥陨淼奶攸c(diǎn)，除汽車本身環(huán)境差要求ABS的抗干擾能力及可靠性高以外，還要控制過程必須快速，大部分系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間的單位都是毫秒量級(jí)。這對(duì)控制算法有很大的限制,復(fù)雜的算法將無法應(yīng)用。但是實(shí)用的硬件又十分昂貴,而太簡(jiǎn)單的算法又不能滿足系統(tǒng)的需求。高性能的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)必須確保汽車在各種情況下制動(dòng)時(shí),車輪均能獲得較大的縱向制動(dòng)力和防側(cè)滑力,而且盡量降低車輪的制動(dòng)力矩。
經(jīng)典控制理論主要以單輸入-單輸出特性為系統(tǒng)教學(xué)模型,以頻率響應(yīng)法或根軌跡法來作為分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。ABS控制系統(tǒng)中的被控制對(duì)象-汽車的制動(dòng)過程,它是一個(gè)非線性的多輸入、輸出過程,所以不能將經(jīng)典控制理論作為ABS的控制方法。1936年德國(guó)BOSCH公司發(fā)現(xiàn)了一種基于經(jīng)驗(yàn)和邏輯的控制方法。其工作原理：首先觀察車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與控制車輪制動(dòng)的控制量之間的關(guān)系,分析出當(dāng)車輪處于最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)車輪制動(dòng)的控制規(guī)則。在制動(dòng)過程中,用車輪的加減角速度和理論滑移率及其門限值來代表車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并根據(jù)結(jié)果分析控制車輪制動(dòng)的控制量的大小,以達(dá)到控制車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。
除了基于車輪加減角速度邏輯門限值的控制方法以外,還有一種基于經(jīng)典控制理論的控制方法。此方法直接以滑移率為控制目標(biāo),直接得出理論控制量和實(shí)際控制量之間的關(guān)系?？刂品椒ㄔ诳刂浦行枰儡囁傩盘?hào),但是實(shí)際的車速信號(hào)一般很難獲取。
考慮到控制精度、經(jīng)濟(jì)性和效率等因素，本ABS設(shè)計(jì)方案采用門限控制方法。
在門限控制方案中,重要的是參照量的選擇，也就是根據(jù)什么參數(shù)來控制車輪的滑移率。但是如果直接把滑移率作為比較對(duì)象，因?yàn)锳BS系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變調(diào)節(jié)系統(tǒng),其操作比較困難,不適用這種場(chǎng)合。由試驗(yàn)表明：在制動(dòng)過程中,車輪抱死總是出現(xiàn)在比較大的時(shí)刻。因此先選一個(gè)角減速度門限值,當(dāng)實(shí)際的角減速度大于門限值時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出指令,加大制動(dòng)輪缸的壓力輸出,使得車輪提高轉(zhuǎn)速。然后在選一個(gè)角加速度門限值,當(dāng)實(shí)際的角加速度大于門限值時(shí),控制系統(tǒng)發(fā)出指令,加大制動(dòng)輪缸的壓力輸出,使得車輪降低轉(zhuǎn)速,以保證滑移率在20%左右。
所以本方案，以角減速度和角加速度為主要門限值，以滑移率為次要門限值。因?yàn)閱为?dú)的角加、減速度門限值有很大的局限性,在速度突變的情況下,ABS的控制會(huì)失效。如果只以滑移率作為ABS的控制門限值,在不同的路況,控制效果也大不一樣。因此需要將角加、減速度和滑移率結(jié)合起來使用,以適應(yīng)不同的控制情況。這種控制系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí),能將車輪的速度控制最佳范圍內(nèi)。
控制器根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)計(jì)算得到角減速度和角加速度比較容易,但要得到實(shí)際的滑移率,就需要用多普勒雷達(dá)或加速度傳感器測(cè)定車速,這使得的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,成本很高。因此,采用車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和設(shè)定的一個(gè)車輛制動(dòng)減速度值來計(jì)算得到參考滑移率。角加、減門限值以及車輛制動(dòng)減速度值通過試驗(yàn)確定,不同車型,一般不具有通用性。
第四章 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.2 控制參數(shù)的計(jì)算
4.2.1 車輪速度的求取
因?yàn)樽罱K的控制效果跟檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度有很大關(guān)系，所以提高數(shù)據(jù)的精確度變得至關(guān)重要。通常測(cè)量車速有兩種方法：①通過CPU的計(jì)數(shù)功能得到車速。通常有頻率法、周期法、多倍周期法和精度自適應(yīng)法等方法；②先轉(zhuǎn)換成,再傳輸?shù)紺PU進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出車速。
周期法適用于低頻測(cè)量，而頻率法適用于高頻測(cè)量。多倍周期法就是將周期法和頻率法結(jié)合在一起,它能擴(kuò)大測(cè)量的范圍，提高測(cè)量的精度。但是多倍周期法在提高高頻車輪轉(zhuǎn)速計(jì)算精度的同時(shí),也加大了低頻車輪轉(zhuǎn)速計(jì)算的時(shí)間間隔,降低了低速控制的效率。
多倍周期法就是把輸入信號(hào)按固定的分頻數(shù)進(jìn)行分頻，使被測(cè)周期得到倍乘。它們之間的關(guān)系如下：
式中：—周期放大倍數(shù)
—單個(gè)周期內(nèi)脈沖的次數(shù)
—信號(hào)的周期
精度自適應(yīng)法是在多倍周期法的基礎(chǔ)上，考慮到控制的實(shí)效性和測(cè)量精度。此方法和多倍周期法的區(qū)別：后者的輪速脈沖倍乘數(shù)為定值,低速時(shí)控制效率差。而前者則優(yōu)化了這一缺點(diǎn),保證了在低速和高速時(shí)控制的時(shí)效性。所以本文采用了精度自適應(yīng)法。
為了更好的發(fā)揮精度自適應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)，改善它的缺點(diǎn)。在低頻時(shí)，值越小越好，以保證控制的時(shí)效性。在高頻時(shí)，取越大越好，以提高數(shù)據(jù)的測(cè)量精度。
首先，為了保證控制的時(shí)效性，其時(shí)間限制條件確定的最大值為：
式中：—實(shí)際頻率信號(hào)的周期
—控制的最大周期
其次，根據(jù)測(cè)量精度要求的限制條件，可以求出的最小值。
由可以得出誤差范圍
若測(cè)量的精度要求為，即
由和可以得到值
在設(shè)計(jì)過程中,以控制周期內(nèi)第一個(gè)脈沖周期作為計(jì)算的脈沖，得到的最小值。再由計(jì)算出的最大值。通常我們固定車輪轉(zhuǎn)速來計(jì)算控制精度，所以車輪轉(zhuǎn)速越大，值越大；車輪轉(zhuǎn)速越小，值越小。通過這樣，既保證了控制的時(shí)效性，又能提高計(jì)算的精度。
4.2.2 滑移率的計(jì)算
滑移率是ABS的主要控制參數(shù)之一。因?yàn)閷?shí)際中滑移率的取值比較困難，所以下文給出了一種通過制動(dòng)輪缸壓力計(jì)算滑移率的方法。
4.2.2.1 汽車制動(dòng)過程的動(dòng)力模型
在四輪獨(dú)立調(diào)節(jié)ABS系統(tǒng)中,（如圖4-1所示為其單輪模型）緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力是滾動(dòng)阻力的幾十倍,通常忽略滾動(dòng)阻力因素,只考慮制動(dòng)輪缸內(nèi)壓力產(chǎn)生的力矩和地面阻力對(duì)車輪的作用。其關(guān)系為：
式中：-單輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
-角速度；
-車輪的半徑；
-汽車的質(zhì)量
-汽車的行駛速度
圖4-1 制動(dòng)過程單輪受力模型
通常與有關(guān)，當(dāng)越大，越大。通常定義為制動(dòng)力矩系數(shù)，可以得到：
可以得出地面的阻力的大小由制動(dòng)輪缸的壓力和角速度有關(guān)。
4.2.2.2 制動(dòng)輪缸壓力函數(shù)
在ABS系統(tǒng)中，因?yàn)橛凸芎椭苿?dòng)輪缸等硬件結(jié)構(gòu)一定，所以只能在短暫的時(shí)間內(nèi)用制動(dòng)輪缸壓力函數(shù)經(jīng)行調(diào)壓，來產(chǎn)生制動(dòng)效果。
為了考慮到各種因素，用能量法進(jìn)行擬合，求出各種調(diào)壓下制動(dòng)輪缸的壓力函數(shù)
4.2.2.3 計(jì)算滑移率
滑移率反映了汽車的真實(shí)行駛工況，其公式可以由定義求得：
式中：—汽車行駛的速度
—車輪的轉(zhuǎn)速
—角速度
根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速傳感器，得到各輪的；由、、得出汽車制動(dòng)時(shí)的減速度，由可以計(jì)算出任何時(shí)刻的車速。
由可以求出制動(dòng)時(shí)的滑移率，然后利用進(jìn)行制動(dòng)控制。
4.3 控制過程
精度自適應(yīng)法的工作過程如圖4-2所示。圖中V為車速,為輪速。制動(dòng)開始時(shí)，系統(tǒng)的制動(dòng)壓力立刻增大，車輪經(jīng)過一定延遲時(shí)間后，汽車開始減速而減速度持續(xù)變大。當(dāng)角減速度小于角減速度門限值，ABS開始介入控制。當(dāng)滑移率穩(wěn)定在理想范圍內(nèi)，制動(dòng)系統(tǒng)的壓力保持恒定。若滑移率高于理想范圍，則制動(dòng)系統(tǒng)迅速減小制動(dòng)壓力使得角減速度變大直至角減速度回歸正常，制動(dòng)系統(tǒng)開始保持壓力恒定。
由于ABS系統(tǒng)具有滯后作用，角減速度回歸正常之后還會(huì)增大，此時(shí)角減速度變?yōu)榻羌铀俣?。過了一段時(shí)間，角加速度還不能回歸正常說明路面的附著系數(shù)太小，需要重新設(shè)定。
如果角加速度大于角加速度門限值，制動(dòng)系統(tǒng)保持恒定,則會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況:?角加速度持續(xù)上升，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)增大制動(dòng)壓力使得車輪回到角減速度狀態(tài)。?角加速度慢慢下降到門限值以下，則系統(tǒng)回歸穩(wěn)定狀態(tài)。以上兩種情況都會(huì)使系統(tǒng)回歸穩(wěn)定狀態(tài)，從而開始下一次控制循環(huán)。
車
速
/
輪
速
車
輪
角
加
速
度
電
磁
閥
狀
態(tài)
制
動(dòng)
壓
力
圖4-2邏輯門限值法防抱死制動(dòng)過程
4.4 防抱死控制部分軟件流程設(shè)計(jì)
防抱死制動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)是程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，采用的是基于加、減角速度為主要門限值，以滑移率為輔助門限值的控制策略。其程序流程如圖4-3所示。
控制開始
初始化
關(guān)閉ABS，常規(guī)制動(dòng)
V>8Km/h？
N
Y
循環(huán)等待
中斷否？
N
Y
計(jì)算車輪加速度與滑移率
路面識(shí)別，判斷路面狀態(tài)
路面附著系數(shù)
由低到高突變
路面附著系數(shù)
由低到低變化
路面附著系數(shù)
由高到低突變
路面附著系數(shù)
由高到高變化
載入門限值
載入門限值
載入門限值
載入門限值
實(shí)行路面附著系數(shù)由低到高控制
實(shí)行路面附著系數(shù)由低到低控制
實(shí)行路面附著系數(shù)由高到低控制
實(shí)行路面附著系數(shù)由高到高控制
圖4-3防抱死控制程序流程圖
4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計(jì)的ABS電子控制單元ECU以液壓制動(dòng)系統(tǒng)為配置對(duì)象,并在ABS試驗(yàn)臺(tái)及其檢測(cè)系統(tǒng)上進(jìn)行了基本性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)的主要目的是檢測(cè)有無ABS時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)的控制效果如何。
制動(dòng)系統(tǒng)基本性能試驗(yàn)結(jié)果如表4-1所示：
表4-1 制動(dòng)系統(tǒng)基本性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
序號(hào)
制動(dòng)初速度
（km/h）
制動(dòng)距離
（m）
平均減速度
（m/s2）
制動(dòng)時(shí)間
(S)
備注
1
52.78
14.89
7.67
3.76
有ABS
2
58.81
17.27
7.82
4.03
3
48.46
11.95
7.69
3.57
4
52.19
16.68
6.89
4.21
無ABS
5
58.36
19.59
6.95
4.56
6
48.25
13.87
6.76
3.90
從表4-1可以看出，在基本相同的制動(dòng)初速度下，有ABS制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)的制動(dòng)距離、平均減速度、制動(dòng)時(shí)間3個(gè)參數(shù)都比無ABS制動(dòng)系統(tǒng)是的參數(shù)更好。
5 結(jié)論與發(fā)展方向
5.1 研究工作總結(jié)
本文首先分析了ABS的結(jié)構(gòu)、工作原理和門限控制方法。本文采用基于車輪滑移率的防抱死理論，根據(jù)汽車的行駛速度和車輪轉(zhuǎn)速來計(jì)算汽車的滑移率。以80C196KC單片機(jī)為輔助，完成了驅(qū)動(dòng)電路等硬件電路的設(shè)計(jì)。闡述了ABS控制軟件的設(shè)計(jì)思想和方法，完成了對(duì)控制軟件的流程設(shè)計(jì)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：ABS的硬件設(shè)計(jì)合理可行，軟件設(shè)計(jì)所采用的控制策略合理可行，能夠及時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力和制動(dòng)力矩。當(dāng)滑移率達(dá)到20%左右，制動(dòng)過程中車輪不會(huì)抱死，達(dá)到了控制的目的和需要。既改善了汽車的制動(dòng)性能和安全性，又為后續(xù)研究ABS和車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP打下基礎(chǔ)。
5.2 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展方向
現(xiàn)代防抱死制動(dòng)裝置多是由電子計(jì)算機(jī)控制的，這也體現(xiàn)出了現(xiàn)代汽車向電子化方向發(fā)展的趨勢(shì)。ABS已被當(dāng)今世界公認(rèn)為提高汽車被動(dòng)安全性必不可缺少的系統(tǒng)。目前在我國(guó)生產(chǎn)的車型中基已安本都裝了ABS系統(tǒng)，借助了電子控制技術(shù)的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)更靈敏、成本更低、安裝更方便。它的發(fā)展趨勢(shì)如下：
（1）輕量化，降低制造成本，并簡(jiǎn)化安裝。
（2）優(yōu)化電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高電磁閥的響應(yīng)速度。
（3）由單一的ABS控制目標(biāo)轉(zhuǎn)向多目標(biāo)的綜合控制。
（4）在液壓ABS的基礎(chǔ)上演化成穩(wěn)定性能更好的ESP系統(tǒng)。
（5）采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行ABS與汽車的匹配，同時(shí)加強(qiáng)道路實(shí)驗(yàn)，以提高在不同路面上的適應(yīng)能力。
可見將來汽車在電子控制系統(tǒng)的發(fā)展下變得更加清潔、舒適和安全。
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致 謝
本論文是我在凌秀軍導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的。從剛開始的選題、分析的方向到最后的定稿，凌老師給了我提了許多寶貴的意見。凌老師為人謙虛誠(chéng)懇和一絲不茍的治學(xué)態(tài)度，使我受益匪淺。在此，我對(duì)凌老師懷以衷心的感謝！
在完成畢業(yè)論文過程中，我遇到了許多困難，幸虧有幾位同學(xué)的幫助才使我攻克難關(guān)，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時(shí)我還要感謝和我同一設(shè)計(jì)小組的幾位同學(xué)，他們經(jīng)常指出我設(shè)計(jì)上的缺點(diǎn)，讓我能夠及時(shí)找到不足之處加以修改。
最要感謝的我的父母，他們多年來的悉心照料，在生活上和精神上給與我無私的支持及鼓勵(lì)！