车辆工程毕业设计（论文）车辆ABS控制器设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计本科学生毕业设计ABS控制器设计院系名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 B07-7班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 实验师 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月IIThe Graduation Design for Bachelor's DegreeDesign of ABS ControllerCandidate：You HaoyuSpecialty：Vehicle EngineeringClass：BW07-7Supervisor：Wang YuexinHeilongjiang Institute of Technology2011-06·Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 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；dSPACE；滑移率；逻辑控制；制动ABSTRACTAlong with the advancement of science and technology and the improvement of people's living standards, the safety of human society, especially for automobile braking safety performance is put forward higher request. Auto anti-lock braking system (ABS) is a braking which can automatically adjust the wheel braking force, prevent from achieving the best wheel lock braking brake system. This system can effectively shorten braking distance, improve the direction of braking stability, it has an important significance to cars. This paper analyzes the control principle of ABS, on the basis of detail introducing the structure and ABS parts and working principle. For ABS control algorithm is studied, and the choice of hardware and the design of ABS controller was ABS controller software. Software is the core chip. With the function of raising the level of technology and application research on ABS, microcomputer application fields will further researche on the performance. This is the core of ABS controller chip development train of thought and design method. Anyhow, the results of the research can see logic threshold method used in automobile anti-lock braking system is not only of theoretical significance and practical value, is a kind of simple, convenient and have better handling, brake, and the method has good adaptability. Further research will be continued doing.Key words：ABS；dSPACE；Sliding Rate；Logic controlling；Brake黑龙江工程学院本科生毕业设计目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1选题的目的意义11.2 ABS技术的国内外发展现状21.3本文的主要研究内容31.4 ABS技术发展的最新成果和未来发展方向3第2章ABS系统构成原理及控制方法52.1汽车ABS系统的组成及各结构部件的作用52.1.1车轮转速传感器72.1.2电子控制单元(ECU)82.1.3制动压力调节器82.2 ABS系统的工作原理92.2.1车轮的滑移率与附着系数的关系102.2.2制动过程中的加减速度112.2.3制动过程中的载荷转移112.3 ABS系统的控制方法112.4本章小结13第3章ABS控制器硬件的设计143.1硬件流程图143.2ABS制动泵153.3 驱动电路163.4本章小结16第4章ABS控制器软件的设计174.1dSPACE简介174.2dSPACE软件环境介绍18 4.2.1代码生成及下载软件18 4.2.2实验软件234.3dSPACE硬件254.3.1智能化的单板系统254.3.2标准组件系统25第5章 基于dSPACE的ABS控制器实现275.1程序编制275.2controldesk实现28结论29参考文献30致谢31附录A外文文献32附录B外文文献翻译34第一章 绪 论1.1 选题的目的、意义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。汽车防抱死制动系统（Anti-lock Braking System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。1.2 ABS技术的国内外发展现状 1920年ABS技术由英国人霍纳摩尔研制成功，并申请了专利。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，第二次世界大战以后，成功开发了飞机用ABS并成为飞机的标准装置，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，利用dSPACE实验仿真部分。1.4 ABS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(Vehicle Dynarnics Control)系统又称ESP系统(Electronic Stability Program),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(Adaptive Cruise Control)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(Electronic Mechanical Braking-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EMB类似的还有电子液压制动系统(Electronic Hydraulic Braking. 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(Electronic Brake Force Distribution-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。第二章 ABS系统组成、原理及控制方法2.1 汽车ABS系统的组成及各结构部件的作用 1-制动压力调节装置 2-制动器总成 3-ECU 4-车轮转速传感器 图2.1较为典型的汽车ABS系统的基本组成原理图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2.2 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。警示灯中央控制器电 磁 阀 车轮制动踏板主制动缸 图2.3 ABS基本组成部分框图汽车的制动系统随车型的不同而不同，同样ABS系统也因车而异。因此ABS的类型较多但基本都由由中央控制器、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(Electronic Control Unit)，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。2.2 ABS系统的工作原理(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。 1主缸 2ABS ECU 3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 10A孔 11回位弹簧 12C孔 13车速传感器 14轮缸 15B孔图2.4汽车ABS工作原理示意图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。轮速方向 车速方向 轮上横向力方向图2.5 车轮横向、纵向力 很显然，当滑移率为零时，由定义知， 图2.5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530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，车轮失去转向能力，车辆将沿轨迹的切线方向甩出，使车辆失控。当后轮先抱死时，车辆将产生较大的横摆力矩，加剧过转向特性，最后也将导致车辆的失稳。2.2.2制动过程中的加减速度对正在旋转的车轮施加制动，随着制动压力的升高，在车轮旋转的相反方向上将产生制动力矩，轮速减小并产生滑移。制动完全解除时，制动力矩消失，车轮从滑移状态恢复到滚动状态。即车轮速度逐步增加到汽车速度，在这个过程中车轮的加减角速度处于不断变化的过程中。一般讲，制动强度越大，车轮减速度越大；在滑动状态下，解除制动越快车轮加速度越大。2.2.3制动过程中的载荷转移汽车重量是靠各个车轮来支撑的。在轮胎和路面的接触面上有一个垂直方向的作用力，这个力叫做轮胎载荷。轮胎载荷随着车辆制动力和转弯时的离心力而变化。直线制动时，汽车制动时根据总制动力的大小做减速运动。制动时所产生的地面制动力等于车轮载荷与附着系数之积。制动时所产生的惯性力与总制动力大小相等、方向相反、指向行驶方向，并作用在汽车质心上。这两个力将使汽车产生一个前倾力偶距，使前轮载荷增加，后轮载荷减少假定附着系数为，车重G、轴距L、质心高度，则：(2.2)可知，质心越高、轴距越短，载荷转移的幅度越大。汽车转弯制动时，汽车的离心力为，作用在汽车的质心上。侧倾力偶矩产生后，使外侧轮胎载荷增加，内侧轮胎减少假定轮距为C，离心力所产生的力偶距对每个车轮平均分配， 则：(2.3)上述这种车轮载荷的变化叫做动载荷转移，由于载荷的转移，汽车转弯使前外车轮的制动力最大，后内车轮的制动力最小。2.3 ABS系统的控制方法汽车ABS系统的工作环境十分恶劣，要求系统本身抗干扰能力强，可靠性高。车轮在紧急制动中的抱死过程很快，约为0.2-0.5s，要求ABS系统实时监控能力强，控制过程迅速，大部分系统的循环都要求毫秒量级。以上特点对研究可行的ABS控制算法有很大的限制，复杂的算法很难实现。如果采用高级的硬件设备，则系统硬件成本太高，无法满足要求。传统的ABS控制方法是基于经验式的逻辑门限方法，每装配一种新的车型都需要通过大量的道路试验来确定经验参数。产品的发展往往经历了漫长的历史。由于这些因素，汽车电子学的实用化进展并不是像人们预料的那样快速。随着硬件设备性能飞速提高，在ABS算法领域也出现了基于现代控制理论的方法，较为典型的有滑模变结构控制方法。它是一种非线性控制策略，是根据系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按照滑模面规定规律运行的一种控制方法。在ABS过程中，车轮滑移率的变化也是一个非线性过程，为了达到控制滑移率的目的，可以用滑模变结构理论进行控制，具体控制方法可参阅文献。另一类方法是智能控制的方法，比较典型的方法是模糊控制方法。模糊控制是基于经验规则又可以结合数学过程的新型控制方法，它与系统的模型无关，不需要建立控制过程精确的数学模型，而是完全凭人的经验，将语言变量代替数字变量进行自动控制。ABS系统利用模糊逻辑可通过制动时车辆运动特征与路面特性间的关系估计路面特征，根据滑移率和滑移率误差的变化，确定防抱系统压力调节器的压力调节值。这种方法具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性，但调试设定参数比较困难，对设计人员经验依赖性很大。具体方法可参阅文献。虽然近年在ABS控制算法领域提出了许多新的方法，但这些方法在应用中并不顺利，这主要是由于车辆本身参数及行驶工况的复杂特性。其中的较为有代表性的一种是： 公式四轮速车速比较计算四轮滑移率 进入工作状态（减压保压增压三个工作状态）是否超过设值15%-20%控制继电器电磁阀 Y 正常制动压力上升 通过dSPACE软件模拟PWM波来实现对开关电路的控制从而完成对abs泵的控制1) 在制动的初始阶段，制动压力上升，车轮产生制动减速度当车轮达到某一减速度值，说明车轮已有抱死倾向，加速度车轮状态已处于不稳定的区域，此时则命令减小制动压力。2) 车轮由于惯性仍有一段制动减速度下降，随后制动减速度开始上升，最终产生车轮角加速度。这表明车轮已恢复到稳定的车轮特性区域，我们希望车辆尽可能多的时间内停留在这一区域内。所以保持制动压力。车轮由于惯性的原因加速度会继续上升一段时间，然后呈下降趋势。这时如果维持保压，车轮减速度比较小，达不到峰值附着系数，所以当加速度下降到某一门限时，制动压力要重新开始增加。为使制动状态能较长时间地停留在稳定区域内，则采用交替式的增压减压，一获得不同的压力增加速率，得到最优的制动效果。门限值控制法大多选择加、减速度门限作为主要门限，以滑移率作为辅助门限。2.4 本章小结本章分析了ABS系统的基本构成，结合汽车传统制动系统结构分析了ABS各部分的作用。说明了ABS中央控制器在ABS系统中起到的核心作用。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。轮速传感器可以将车轮速度转化为频率信号，经过信号处理电路后可以转化为方波信号，通过测量两个方波之间的时间间隔，可以得到轮速度。压力调节器是主要的执行部件，通过控制各电磁阀的通断状态达到调节制动压力的目的。中央控制器是整个系统的核心，将信号输入，经过逻辑判断后，控制电磁阀产生相应的动作输出。第3章 ABS控制器硬件的设计3.1 硬件设计流程目前常见的ABS控制器总体结构图如下图3.1所示：其以单片机控制为主。 图3.1 ABS控制器的硬件组成结构图我们设计的系统以dSPACE作为控制中枢控制ABS执行器。制动踏板 dSPACEABS泵电磁阀开关电路（电磁阀电路）图3.2硬件设计流程图3.2 ABS制动泵 本设计选择的是捷达ABS制动系统中的制动泵。液压控制单元装在制动主缸与制动轮缸之间。主要任务是转换执行ABS ECU的指令，自动调节制动器中的液压压力。低压储液罐与电动液压泵合为一体装于液压控制单元上。低压储油罐的作用是用于暂时存储从轮缸中流出的制动液，以缓和制动液从制动轮缸中流出时产生的脉动。电动液压泵的作用是将在制动压力阶段流入低压储液罐中的制动液及时送至制动主缸，同时在施加压力阶段，从低压储液罐中吸取剩余制动力，泵入制动循环系统，给液压系统以压力支持,增加制动效能。电动液压泵的运转是由电子控制单元控制的。 图3.3 ABS制动泵液压控制单元阀体内包括8个电磁阀，每个回路各一对，其中一个是常开进油阀，一个是常闭出油阀。它在制动主缸、制动轮缸和回油路之间建立联系，实现压力升高、压力保持和压力降低的功能，防止车轮抱死，其工作原理如下：(1) 开始制动阶段（系统油压建立）开始制动时，驾驶员踩制动踏板，制动压力由制动主缸产生，经常开的不带电压的进油阀作用到车轮制动轮缸上，此时，不带电压的出油阀依然关闭，ABS系统没有参与控制，整个过程和常规液压制动系统相同，制动压力不断上升。(2) 油压保持当驾驶员继续踩制动踏板，油压继续升高到车轮出现抱死趋势时，ABS电子控制单元发出指令使进油阀通电并关闭阀门，出油阀依然不带电压仍保持关闭，系统油压保持不变。 (3) 油压降低若制动压力保持不变，车轮有抱死趋势时，ABS ECU给出油阀通电打开出油阀，系统油压通过低压储液罐降低油压，此时进油阀继续通电保持关闭状态，有抱死趋势的车轮被释放，车轮转速开始上升。与此同时，电动液压泵开始起动，将制动液由低压储液罐送至制动主缸。(4) 油压增加为了使制动最优化，当车轮转速增加到一定值后，电子控制单元给出油阀断电，关闭此阀门，进油阀同样也不带电而打开，电动液压泵继续工作从低压储液罐中吸取制动液泵入液压制动系统。随着制动压力的增加，车轮转速又降低。这样反复循环地控制(工作频率为56次/s，将车轮的滑移率始终控制在20%左右）。3.3 驱动电路 驱动电路如图3.4所示，利用dSPACE产生PWM波，控制继电器开关，进而完成对ABS电磁阀的开关频率控制。通过控制占空比来达到10赫兹左右的电磁阀开关频率。 5v510TLP127IN4007+5V4.7kCD406950P20PIRF540NIN4007电磁阀线圈+12v 图3.4 驱动电路图3.4 本章小结本章根据要实现的功能进行了硬件系统的选择，同时对选择的硬件从经济、硬件来源等方面分析其结构功能、选择理由。尤其是对轮速传感器、制动泵的选择更是针对到车型，这样的选择给了自己足够信息来源，也不至于让选择太盲目。第四章 ABS控制器软件的设计4.1 dSPSCE简介dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink 的控制系统在实时环境下的开发及测试工作平台,实现了和MATLAB/Simulink 的无缝连接。dSPACE实时系统由两大部分组成，一是硬件系统,二是软件环境。其中硬件系统的主要特点是具有高速计算能力，包括处理器和I/O 接口等；软件环境可以方便地实现代码生成/下载和试验调试等工作。dSPACE 具有强大的功，可以很好地完成控制算法的设计、测试和实现，并为这一套并行工程提供了一个良好的环境。dSPACE 的开发思路是将系统或产品开发诸功能与过程的集成和一体化，即从一个产品的概念设计到数学分析和仿真，从实时仿真实验到实验结果的监控和调节都可以集成到一套平台中来完成。dSPACE 的软件环境主要由两大部分组成,一部分是实时代码的生成和下载软件RTI(Real-Time Interface),它是连接dSPACE 实时系统与MATLAB/Simulink纽带,通过对RTW(Real-Time Workshop)进行扩展,可以实现从Simulink模型到dSPACE 实时硬件代码的自动下载。另一部分为测试软件，其中包含了综合实验与测试环境（软件)CtrolDesk、自动试验及参数调整软件MLIB/MTRACE 、PC与实时处理器通信软件CLIB 以及实时动画软件RealMotion 等。dSPACE 实时仿真系统具有许多其它仿真系统具有的无法比拟的优点：dSPACE 组合性很强。dSPACE 在设计时就考虑了大多数用户的需求，设计了标准组件系统，可以对系统进行多种组合。对不同用户而言，可以在运算速度不同的多种处理器（如：TI公司的TMS 系列、DEC 公司的Alpha 系列、Motorala 公司的PowerPC 系列）之间进行选择，最快的处理器浮点运算速度高达1000MFlops；I/O 也具有广泛的可选性，通过选择不同的I/O 配置，即可组成不同的应用系统。dSPACE 的过渡性和快速性好。由于dSPACE 和MATLAB 的无缝连接，使MATLAB 用户可以轻松掌握dSPACE 的使用，方便地从非实时分析、设计过渡到实时的分析和设计上来，大大节省了时间和费用。性能价格比高。dSPACE 是一个操作平台，它可用于许多产品的开发或实时仿真测试，而不是一物一用。dSPACE 是基于PC 机的Windows 操作系统，dSPACE 实时系统与主机的硬件接口使用标准ISA 总线，从而避免用户再投资别的设备。实时性好。一旦代码下载到实时系统，代码本身将是独立运行的，试验工具软件只是通过内存映射来访问试验过程中的各种参数及结果变量，不会产生对试验过程的中断。可靠性高。dSPACE 实时系统硬件、代码生成及下载软件、试验工具软件都经过dSPACE工程师的精心设计、制造和调试，不存在任何兼容性问题，可靠性高，是可以信赖的软/硬件平台。灵活性强。dSPACE 实时仿真系统允许用户在单板系统和组件系统、单处理器系统和多处理器系统、自动生成代码和手工编制代码之间进行选择，使dSPACE 系统具有很大的灵活性，从而可以适应用户各方面的应用需求。正是由于 dSPACE 的优越性，使得dSPACE 从诞生之日起就引起众多工程技术人员及专家学者的注意。目前，dSPACE 已经广泛应用于航空航天、汽车、发动机、电力机车、机器人、驱动及工业控制等领域。越来越多的工厂、学校及研究部门开始用dSPACE 来解决实际工作及研究中遇到的问题。由于他们的努力，dSPACE 的应用领域正在日益拓宽。许多汽车界的用户都把dSPACE 作为可以信赖的开发测试工具，如：Audi 公司用dSPACE 实现了ABS 控制器测试台；有的汽车界用户如：Chrysler、Delphi、Ford、General Motors、Honda、Toyota Motor、Nissan、Mazda Motor 等公司，用dSPACE 进行动力控制原型的开发；而德国的铁路运输巨头Adtranz 则用dSPACE 实现了电力机车的仿真；美国的Boeing, Calspan 公司用dSPACE 进行飞行器的控制系统设计和仿真；还有一些研究部门如荷兰的Delft 工业大学、日本的Waseda 大学等用dSPACE 进行机器人控制算法的研究；而且，由于dSPACE 的高度可靠性，许多工业用户用dSPACE 实现工业过程控制，如Achenbach Buschütten 公司就依赖dSPACE 的高可靠性来控制型材的平面度；丹麦的Grundfos 还用dSPACE 来验证专用集成电路的设计可行性。dSPACE 已成为众多用户解决实际问题的一条可以信赖的途径，而且，正是由于 dSPACE 的存在，使得控制系统的开发、产品型控制器的仿真测试变得更加方便易行，大大加快了新产品的研制速度，也使技术研究人员对控制算法及仿真测试方案的研究进入更高的境界。4.2 dSPACE软件环境介绍4.2.1 代码生成及下载软件 (Implementation Software)1.代码的生成过程代码的生成及下载可以自动完成也可手工完成。无论是单处理器系统还是多处理器系统，均可由Simulink 方框图自动生成代码并下载到实时系统硬件中。另外，dSPACE 还提供了方便易用的软件工具来实现手工代码的下载。从 Simulink 自动生成并下载将控制原型或仿真模型从离线仿真转到实时仿真的最快捷的方式就是用Simulink。dSPCACE 的实时接口库RTI（Real-Time Interface）允许通过图标的方式来指定用户I/O。RTI与MathWorks 的 RTW（Real-Time Workshop）共同生成dSPACE 硬件所需的代码。因此，无论用的是单处理器系统还是多处理器系统，代码的生成及下载过程被简化成鼠标的轻轻一击。2.MATLAB/Simulink-现代控制设计平台MATLAB集计算、可视化及编程于一身。在MATLAB 中，无论是问题的提出还是结果的表达都采用用户习惯的数学描述方法，而不需要用传统的编程语言进行前后处理。这一特点使MATLAB 成为数学分析、算法开发及应用程序开发的良好环境。MATLAB 是MathWorks 产品家族中所有产品的基础。MATLAB 省去了工程师用C 或Fortan 等高级语言编程的需求，使他们集中精力于数据分析和算法开发。它相对于C 语言的地位就和C 相对汇编语言的地位相当。MATLAB 工具箱MATLAB 包括下列常用工具箱：控制系统工具箱；系统识别工具箱；模糊逻辑工具箱；LMI 控制工具箱；模型预测控制工具箱；-分析及综合工具箱；神经网络工具箱；优化工具箱等。SimulinkSIMULINK是用来建模、分析和仿真各种动态系统的交互环境，包括连续系统，离散系统和混杂系统。Simulink 提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互界面。通过Simulink 提供的丰富的功能块，用户可以迅速地创建系统的模型，而不需要书写一行代码。StateflowStateflow提供了图形工具帮助用户设计和分析事件驱动系统。Stateflow 基于有限状态机理论，能够快速建立和仿真复杂事件驱动系统的逻辑行为。这样，Simulink 的用户可以在他们的模型之中描述事件驱动行为。通过Simulink 和Stateflow用户可以在统一的环境下设计、建立和仿真整个控制系统的行为。RTW（Real-Time Workshop）Real-Time Workshop可从Simulink 方框图中自动生成C 代码。RTW 与dSPACE 的RTI（Real-Time Interface）联合可完成从方框图到dSPACE 实时硬件的无缝转换。Stateflow CoderStateflow Coder 是一个单独提供的与 Stateflow 结合使用的工具，能够生成独立的控制逻辑代码。3.RTI(Real-Time Interface)-从方框图自动生成代码并下载RTI 是连接dSPACE 实时系统与软件开发工具MATLAB/Simulink 之纽带。RTI 对Simulink库进行了扩展,利用这些框图无需编写任何代码就能完成包括I/O 接口及初始化过程的全部设置。同时通过对RTW 进行扩展，可实现从Simulink 模型到dSPACE 实时硬件代码的无缝自动下载。这可使用户完全致力于实际设计过程并能迅速完成设计的更改，费力的手工编程已成为过去。首先，可以用图形方式从 dSPACE 的RTI 库中选定相应的I/O 模型，将之拖入Simulink 模型中并指定其参数，以完成对dSPACE I/O 板的选定。之后，只要鼠标点一下，RTI 就会自动编译、下载并启动实时模型。另外，RTI 还根据信号和参数产生一个变量文件，可以用dSPACE的试验工具软件如ControlDesk 进行变量的访问。通过 RTI 来实现控制原型或对象仿真实时代码的生成一般有下列几个步骤： 用 Simulink 建立模型并进行离线仿真图4.1 加入 dSPACE I/O，将离线模型转为实时模型图4.2 用 RTW“Build”命令生成实时代码并下载到实时硬件中图4.3 用 dSPACE 试验工具进行试验过程中的交互操作图4.4除标准 I/O 功能外，RTI 还支持用户在SIMULINK 框图中完成：􀁺 指定部分模型为定时执行􀁺 指定部分模型为软件中断􀁺 指定部分模型为硬件中断􀁺 指定中断及定时任务的优先级􀁺 支持单采样频率和多采样频率􀁺 支持单任务模式和多任务模式另外，RTI 还充分考虑了实际工程应用中可能遇到的各种问题，如：􀁺 通过附加手段解决采样频率不同的模块之间数据传送的不一致性􀁺 支持多处理器，允许在SIMULINK 中完成多处理器模型的分割􀁺 允许指定处理器之间的数据通讯协议，可采用：同步BUFFER，异步BUFFER，及共享存储区方式􀁺 允许处理器之间进行中断RTI 可以处理连续系统、离散系统、混合系统和多采样频率系统。当系统比较复杂，单处理器系统难以完成时，需要多个