车辆电子机械制动系统防抱死制动控制器研究Word下载.docx
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对能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。
独立控制是指某个车轮的制动压力占用一个控制通道可以单独进行调节；
一同控制是指两个车轮的制动压力是一同进行调节的。
高选原则一同控制是指保证附着力较大的车轮不发生制动抱死或驱动防滑为原则进行制动压力调节；
反之，称为低选原则一同控制。
按控制通道数分可以分为：
四通道ABS系统、三通道ABS系统、双通道ABS系统与单通道ABS系统。
（1）四通道ABS系统（如图1）
图1四通道四传感器ABS
（a）双制动管路前后布置（b）双制动管路对角布置
①组成：
四个轮速传感器，在通往四个车轮制动分泵的管路中，各设一个制动压力调节分装置，分别对各个车轮进行独立控制。
②优点：
附着系数利用率高，制动时可以最大限度地利用每个车轮的最大附着力。
③适用：
汽车左右两侧车轮附着系数相近的路面，不仅可以获得良好的方向稳定性和方向操纵能力，而且可以得到最短的制动距离。
④缺点：
如果汽车左右轮附着力相差较大，如：
行驶在附着系数对分的路面上或汽车两侧垂直载荷相差较大时，制动时两个车轮的地面制动力就相差较大，因此会产生横摆力矩，使车身向制动力较大的一侧跑偏，不能保持汽车按预定方向行驶，会影响汽车的方向稳定性，一般驾驶员修正有些困难。
⑤结论：
在具有驱动防滑转（ASR）功能时采用四通道式。
（2）三通道ABS系统（如图2）
图2三通道ABS
（a）三通道四传感器ABS（对角布置）（b）三通道四传感器ABS（前后布置）（c）三通道三传感器ABS
①结构：
四个轮速传感器或三个轮速传感器。
一般三通道ABS是对两前轮进行独立控制，两后轮按低选原则进行一同控制，也称它为混合控制。
②图2-（a）所示适用前轮驱动汽车及按对角布置的双管路制动系统。
该系统中虽然在通往四个车轮制动分泵（轮缸）的制动管路中，各设置一制动压力调节分装置，但两个后轮制动压力调节分装置却是由电子控制器按低选原则一同控制的，因此，实际上仍然是三通道ABS。
③图2-（b）（c）所示适用后轮驱动汽车及按前后布置的双管路制动系统。
在通往两后轮制动分泵（轮缸）的制动总管路中，只设置一个制动压力调节分装置，以便对两后轮制动分泵的制动压力进行一同控制。
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，也可以在传动系统中（如主减速器或变速器中）只设置一个轮速传感器，感测两后轮的平均转速，实现近似低选原则的一同控制。
④两后轮按低选原则进行一同控制时，可以保证汽车在各种条件下左右两后轮的制动力相等，即使两侧车轮的附着力相差较大，两个车轮的制动力都限制在附着力较小的水平，使两个后轮的制动力始终保持平衡，保证汽车在各种条件下制动时都具有良好的方向稳定性。
但也可能出现附着系数大的一侧后轮的附着力不能充分利用的问题，使汽车的总制动力有所减小。
应该看到，在紧急制动时，由于发生轴荷前移，在汽车的总制动力中，后轮的制动力所占的比重较小，尤其是小轿车，使前轮的附着力比后轮的附着力大得多，通常后轮制动力只占总制动力的30％左右，因此，后轮附着力未能充分利用的损失对汽车的总制动力影响不大。
⑤对两前轮进行独立控制，主要考虑到小轿车，特别是前轮驱动的汽车，前轮的制动力在汽车总制动中所占的比例较大（可达70％左右），可以充分利用两前轮的附着力。
一方面使汽车获得尽可能大的总制动力，利于缩短制动距离，另一方面更重要的能在制动中使两前轮始终保持较大的横向附着力，使汽车保持良好转向控制能力。
尽管两前轮独立控制可能导致两前轮制动力不平衡，但由于两前轮制动力不平衡对汽车行驶方向稳定性影响相对较小，而且可以通过驾驶员的转向操纵对由此造成的影响进行修正。
因此，三通道ABS在小轿车上被普遍采用。
（3）双通道ABS系统（如图3）
图3双通道ABS
（a）二通道三传感器ABS（b）二通道四传感器ABS（c）二通道二传感器ABS（d）二通道二传感器ABS
①（a）图中，前轮附着力相差较大时，高选。
②（d）图中，在后制动管路中设置比例阀或低选择阀。
③双通道式：
难以在方向稳定性、转向操纵性和制动距离各方面得到兼顾，目前采用很少。
（4）单通道ABS系统（如图4）
图4一通道一传感器ABS
由于前轮无控制，故易抱死，转向操纵性差，制动距离较长。
二、电控防抱死制动系统（ABS）的基本组成与工作原理
1、ABS的基本组成
ABS是在普通制动系统的基础上，加装ABSECU、传感器、执行器等装置而形成的制动系统，其基本构成如图5。
其结构形式和控制方法因车而异。
图5制动防抱死系统（ABS）的基本组成
2、传感器
1）轮速传感器
（1）作用：
检测车轮运动状态，获得车轮转速信号，并将车轮的减速度（或加速度）信号送给ECU。
典型轮速传感器外形与基本结构如图6。
（2）安装：
一般在车轮处，但也有设置在主减速器或变速器中。
图6轮速传感器的外形与基本结构
（a）轮速传感器外形（b）轮速传感器的基本结构
2）车速传感器
作用：
检测车速，给ECU提供车速信号，用于滑移率控制方式。
3）减速度传感器
在汽车制动时，获得汽车减速度信号。
因为汽车在高附着系数路面上制动时，汽车减速度大，在低附着系数路面上制动时，汽车减速度小，因而该信号送入ECU后，可以对路面进行区别，判断路面附着系数高低情况。
当判定汽车行驶在雪地、结冰路等易打滑的路面上时，采取相应控制措施，以提高制动性能。
多用于四轮驱动控制系统
3、电子控制单元（ECU）
接收轮速、车速信号、发动机转速信号、制动信号、液位等信号，分析判定车轮制动状态，需要时发出调节指令，并具有报警、记忆、存储、自诊断和保护功能。
ECU控制原理如图7。
图7ABS控制电脑原理图
4、执行器
1）油泵及储能器
产生控制油压，使制动压力调节装置工作。
2）制动压力调节器
制动压力调节器是ABS系统中最主要的执行器，一般都设在制动总泵（主缸）与车轮制动分泵（轮缸）之间。
根据ECU的控制指令，自动调节制动分泵（轮缸）的制动压力。
（2）分类
①根据动力来源分可以分为：
气压式与液压式。
气压式：
主要用在大型客车和载重汽车上。
液压式：
主要用在小轿车和一些轻型载重汽车上。
②根据结构关系分可以分为：
分离式与整体式。
分离式：
制动压力调节器自成一体，通过制动管路与制动总泵相连。
图8分离式液压调节器组件整体式ABS系统总成
整体式：
制动压力调节器与制动总泵构成一个整体。
如图8。
③根据调压方式分可以分为：
流通式与变容式。
流通式：
在制动总泵和制动分泵之间串联一个或两个电磁阀，由电磁阀根据ECU的指令，通过控制，使制动分泵的制动液回到制动总泵（或储液器），或使制动总泵（或储能器）的制动液流入制动分泵，或者使制动分泵的制动液既不流入也不流出，以实现制动分泵压力的减小、增大或保持。
变容式：
如图9。
在原制动管路中，并联一套液压装置，该装置中有一个类似活塞的装置。
工作时根据ECU的指令，该装置首先将制动分泵和总泵隔离，然后通过电磁阀的开闭或电动机的转动等不同方式，控制活塞在调压缸中运动，使调压缸工作室至制动分泵的容积发生变化。
容积增大，实现制动压力减小；
容积减小，实现制动压力增大；
容积不变，实现压力保持。
1—制动踏板2—制动主缸3—储能器4—电动泵5—储液室
6—电磁线圈7—电磁阀8—柱塞9—电控单元10—制动轮缸
11—转速传感器12—车轮13—单向阀14—控制活塞
图9可变容积式制动压力调节器常规制动（升压）状态
5、ABS警示装置
1）作用：
报警灯可显示系统工作状态及自诊断报警。
2）黄色的ABS灯可显示ABS控制系统的故障（如4个轮速传感器、4个电磁阀、ABS主继电器、油泵继电器报警灯继电器等），它报警后汽车仍然能维持常规制动，但ABS系统已断电保护，停止工作。
3）红色的BRAKE灯亮，显示驻车制动开关、行车制动开关信号、液压高低信号、液位高低信号等有故障，危险性大，应停车检修。
三、ABS系统制动调节过程
1、常规制动（ABS不工作）时：
电磁阀不通电，制动总缸与分缸之间自由连通。
踩下制动踏板时分缸持续制动，离开制动踏板时油液返回主缸，制动结束。
2、ABS工作时：
1）压力增大：
电磁阀和电动泵不通电，制动油液从主缸流入分缸进行制动。
2）压力保持：
当车轮趋于抱死时，电子控制单元给电磁线圈通小电流，此时主缸与分缸之间的通道被切断，使车轮压力保持不变。
3）压力减小：
当车轮继续趋于抱死时，电子控制单元给电磁线圈通大电流，此时输出阀开启，分缸与回油道接通，车轮制动力下降，转速上升。
然后ABS电子控制单元再给电磁线圈断电，车轮制动力又会上升，如此反复，ECU通过执行器不断地控制制动系统完成增压、保压、降压、升压的过程，使车轮始终处于将要抱死而又未抱死的临界状态，把车轮滑动率控制在最佳（10%—20%）的范围内，以获得最好的制动效果。
具体过程如图10。
1—低压储液器2—由电动机驱动的液压泵3—制动总泵（主缸）
4—进液阀（2/2常开电磁阀）5—出液阀（2/2常闭电磁阀）
6—车轮制动轮缸（分泵）
图10制动压力调节过程
四、防抱死制动系统硬件设计
4.1防抱死制动系统的基本组成
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，其系统原理结构框图如图4-1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。
图4-1ABS系统原理结构框图
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召玄电信号，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。
电子控制单元原理结构框图如图4-2所示。
图4-2电子控制单元原理结构框图
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，以获得最高的纵向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。
4.2MSP43OF149最小系统
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。
就目前而言，实现汽车的控制系统一般采用单片计算机，在开发阶段也有采用通用CPU的，采用CPU在于可以利用CPU强大的软、硬件资源以及网络功能实现复杂的控制算法、高效的编程手段以及高速的运算速度。
但作为研制的最终产品，无一例外都采用单片机作为电子控制单元的核心。
由于单片机体积小，重量轻，高可靠性，价格低廉，使用方便，因此十分适用于开发汽车电子系统。
早期的汽车控制系统采用八位单片机，目前已过渡到十六位，有些系统如发动机管理系统已开发采用32位CPU。
目前防抱死系统采用较多的单片机是摩托罗拉（Motorola）、英特尔（Intel）、德州仪器（TI）公司及西门子（Siemens）16位单片机。
选用单片机要充分利用各种外部端口的资源，同时要利用内部的存贮器、中断，充分发挥它的运算速度，应根据以下几个原则选择ABS控制的单片机。
1.CPU的运算速度
CPU的时间一般消耗在数学运算过程中，特别是32位的浮点数计算，计算时间成倍的增加，一般情况下应避免采用浮点数计算，因为ABS系统要求计算频率非常高，一般５毫秒到10毫秒之间，CPU要完成各种计算，例如加减速度、参考滑移率等，这种计算都是实时完成的。
2.内外部存贮器
同样的CPU类型其内、外部数据与程序存贮器也是多样的，所以电子控制单元要根据需要选择不同的内、外部存贮器，同时编程时要提高内存利用率，多用通用的变量，少定义专用的变量，以节省内存。
目前ABS系统的程序容量一般在8k-32k之间，内存数据储存器在256个字节以上。
进入90年代，已大批量使用带有ROM,EPROM,EEPROM,FLASHEEPROM和一次写入（OPT型）的单片机。
它真正符合了单片机的小型、简单、可靠、廉价的设计初衷。
3．输入、输出端口资源
输入输出端口要充分的利用，如果使用不足则浪费了资源，外部总线8位的单片机I/O资源太少，无法用于ABS系统，外部总线16位基本能满足ABS系统的要求。
4.2.1简介
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）公司近几年开发的新一代高性能、低功耗的单片机。
该系列单片机将大量的外围模块整合到片内，采用存储器一存储器结构，即用一个公共的空间对全部功能模块寻址，同时用16位精简指令组（RISC）对全部功能模块进行操作，其RAM单元也可以实现运算。
在MSP430系列单片机中，系统的各个模块完全是独立运行的。
在运算速度方面，因其是在DSP的基础上发展起来的，所以具有DSP的一些优点，如MSP430系列单片机能在8MHz晶振驱动下实现125ns的指令周期，与其16位的数据宽度以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。
此外，MSP430系列具有方便高效的开发方式，利用单片机本身具有的JTAG接口或片内BOOTROM在一台PC及一个结构小巧的JTAG电子控制单元的帮助下实现程序的下载，完成程序的调试。
本电子控制单元选用的MSP430F149是一款功能强大，性价比极高的FLASH型超低功耗16位RISC指令集单片机，特别适用于各种专用、小型、省电、可移动、对计算、实时性要求很高的仪器仪表设备等控制系统中。
主要由以下几个部分组成：
*CPU内核，由16位ALU、指令控制逻辑和16个寄存器组成，运行正交的精简指令集，可以使应用系统的程序设计实现复杂的寻址模式和软件算法。
*基础时钟模块，包括一个数控振荡器（DCO）和2个晶体振荡器。
灵活的时钟配置及分频系统可以让设计者适应各种对时钟的要求。
*12位的A/D转换器ADC12，具有高速、通用的特点。
ADC12的主要特性如下：
最大采样速率为200ksps：
内装采样／保持电路；
可对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换：
可选内部参考电平1.5V或2.5V；
可以为每个通道的正负参考电平选择内部或外部的电压源；
具有单通道单次、单通道重复、序列通道单次、序列通道重复等转换模式。
* 16位定时器Timer-A和Timer-B，可支持多个同时进行的时序控制、多个捕获／比较功能、多种输出波形（PWM波形），也可以是上述功能的组合。
此外，二者还具有4种工作模式的16位计数器；
可以对每个捕获／比较模块独立编程等。
*6个8位并行端口:
PL-P6。
每一个端口都有各自的控制寄存器，均可独立编程，可以作为I/O端口工作，也可作外围模块的引脚。
特别的是Pi和P2具有中断能力，每一引脚都可以单独选择中断，都可以单独选择中断触发沿、单独允许中断可用于对外部事件的中断处理。
*看门狗定时器（WatchDogTimer），可用作通用定时器。
具有８种软件可选的定时时间；
2种工作模式，即：
看门狗模式和定时器模式等。
*2个串行通信接口：
USARTO和USATR1．支持两种不同的串行协议：
通用异步协议CUART协议）和同步协议（SPI协议）。
*硬件乘法器，它的运行独立于CPU，也不需要特殊的指令。
运行时，只需将操作数装入它的寄存器，在下一条指令就可得到运算结果，对于乘法运算不需要额外的等待周期。
*60Kb的FLASH型程序存储器，256字节的FLASH型信息存储器，2K数据存储器。
4.2.2最小系统设计
MSP430F149单片机本身具有非常丰富的片内资源，最小系统无需配置外围接口芯片就可满足本系统要求，最小系统如图4-3所示。
图4-3单片机最小系统电路图
基础时钟模块的LFXT1振荡器工作在低频模式，外接32.768KHz：
钟表晶振，作为内部看门狗定时器的时钟源，使其能精确定时100毫秒产生中断请求，用于软件复位。
LFXT2振荡器外接3.6864M晶振，工作于高频模式，作为其他外围模块的时钟源，满足外围模块高速采集计算的要求。
图3.3中J1为JTAG接口，用户通过它进行程序下载，实现CPU仿真调试功能，其各管脚定义如下：
TDO：
测试数据输出，由标示寄存器或引脚状态捕捉寄存器移位出来的串行位流从这个引脚输出。
TDI：
测试数据输入，通过它，可以将由命令或数据转换成的串行位流输入测试逻辑单元的控制／命令寄存器或边界扫描寄存器。
TCK：
测试口时钟，提供测试逻辑单元用来交换数据的同步时钟。
TMS：
测试模式选择，与ＴＣＫ配合控制测试访问口状态机的状态，决定数据流的方向。
MSP430F149单片机的低功耗，高抗干扰，高集成度以及多阳口和多中断源的特性大大的简化了外部电路，非常符合我们的设计要求。
在MSP430F149系列单片机中，系统各个模块完全是独立运行的，定时器（Timer）．输入／输出口（I/Oport）．A/D转换、看门狗（Watchdog）等都可以在主CPU休眠的状态下独立运行。
当需要主CPU工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU从而使系统以最低功耗运行。
这一点是MSP430F49系列单片机最突出的优点也是与其他单片机的最大的区别。
此外由于MSP430F149系列单片机具有LCD驱动、A/D转换、模拟比较器、多路中断和定时器、串行通信口，因而其用途极其广泛。
MSP430系列单片机是在DSP的基础上发展起来的，因而继承了DSP的一些优点，比如说用户可以选择具有硬件乘法器的MSP430系列单片机，这一点使得它不但功耗低而且速度快，更加适合于高速的数据处理。
4.3防抱死制动系统轮速传感器
4.3.1轮速传感器的结构
图4-5车轮传感器安装位置
由于电磁式传感器工作稳定可靠，几乎不受温度、灰尘等环境因素影响，所以目前ABS系统中的轮速传感器广泛采用变磁阻式的被动电磁式的结构。
车轮速度传感器是一种通过磁通量变化而感应电压的装置，在每个车轮上安装一个，共4个，一般由磁感应传感头与齿圈组成。
（其安装位置如图4-5）。
传感头是一个静止部件，通常由永久磁铁、电磁线圈和磁极等构成，安装在每个车轮的托架上。
齿圈是一个运动部件，一般安装在轮毅或轮轴上与车轮一起旋转。
传感头磁极与齿圈的端面有一空气隙，一般在1mm左右，通常可移动传感头的位置来调整间隙。
在实际安装中，可以用一个厚度与空气隙大小一样纸盘贴在传感头磁极面上，纸盘的另一面紧挨齿圈凸出端面，然后固定传感头即可。
4.3.2轮速传感器工作原理
轮速传感器的工作原理与交流发电机的工作原理相同。
传感头与齿圈紧挨着固定，当齿圈随车轮旋转时，在永久磁铁的电磁感应线圈中就产生一交流信号（这是因为齿圈上齿峰与图4-6车轮传感器安装位置齿谷通过时引起磁场强弱变化的缘故），交流信号的频率与车轮速度成正比，交流信号的振幅随轮速的变化而变化。
图4-6电磁式传感器工作原理
ABS电子控制单元通过传感器发来交流信号的频率来确定车轮的转速，如果ABS电子控制单元发现车轮的圆周减速度急剧增加，滑移率达到或超过20%时，它立刻给ABS制动调压系统发出指令，减小或停止车轮的制动力，以免车轮抱死。
本设计中轮速传感器磁极采用了ITT公司的产品，齿圈部分自行设计加工。
电磁感应式轮速传感器结构简单，成本低，有一定的抗冲击能力，能在很大的温度范围内工作，但也存在如下缺点：
1.轮速传感
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