车辆abs控制器设计本科学位论文.docx

车辆abs控制器设计本科学位论文.docx

《车辆abs控制器设计本科学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《车辆abs控制器设计本科学位论文.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

车辆abs控制器设计本科学位论文

本科学生毕业设计

ABS控制器设计

系部名称：

汽车与交通工程学院

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

黑龙江工程学院

二○一一年六月

TheGraduationThesisforBachelor'sDegree

DesignofABSController

Candidate：

Specialty：

Class：

Supervisor：

HeilongjiangInstituteofTechnology

2011-06·Harbin

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

ABSTRACT

Alongwiththeadvancementofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,thesafetyofhumansociety,especiallyforautomobilebrakingsafetyperformanceisputforwardhigherrequest.Autoanti-lockbrakingsystem（ABS）isabrakingwhichcanautomaticallyadjustthewheelbrakingforce,preventfromachievingthebestwheellockbrakingbrakesystem.Thissystemcaneffectivelyshortenbrakingdistance,improvethedirectionofbrakingstability,ithasanimportantsignificancetocars.

ThispaperanalyzesthecontrolprincipleofABS,onthebasisofdetailintroducingthestructureandABSpartsandworkingprinciple.ForABScontrolalgorithmisstudied,andthechoiceofhardwareandthedesignofABScontrollerwasABScontrollersoftware.Softwareisthecorechip.WiththefunctionofraisingtheleveloftechnologyandapplicationresearchonABS,microcomputerapplicationfieldswillfurtherresearcheontheperformance.ThisisthecoreofABScontrollerchipdevelopmenttrainofthoughtanddesignmethod.

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

Keywords：

ABS；dSPACE；SlidingRate；Logiccontrolling；Brake

第1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-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

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。

1.4ABS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-ECU4-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

图3.3ABS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，ABSECU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5～6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。

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

4.1dSPSCE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-TimeInterface）,它是连接dSPACE实时系统与MATLAB/Simulink纽带,通过对RTW（Real-TimeWorkshop）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、GeneralMotors、Honda、ToyotaMotor、Nissan、MazdaMotor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AchenbachBuschütten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。

4.2dSPACE软件环境介绍

4.2.1代码生成及下载软件（ImplementationSoftware）

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-TimeInterface）允许通过图标的方式来指定用户I/O。

RTI与MathWorks的RTW（Real-TimeWorkshop）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