第6章汽车防抱死制动系统(ABS)

汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟第6章汽车防抱死制动系统(ABS)6.1绪论汽车防抱死制动系统(Anti-LockBrakeSystem)是指汽车在制动过程中能实时判定车轮的滑移率,自动调节作用在车轮上的制动力矩,防止车轮抱死,取得最佳制动效能的电子装置。车轮处于“抱死”状态的负效应:(l)由于车轮被抱死,车辆不能实现弯道转向,躲避障碍物或行人而造成交通事故。(2)在非对称附着系数的路面,车轮抱死将丧失直线行驶稳定性,易出现侧滑、甩尾及急转等危险现象。(3)车轮抱死时的附着力一般低于路面所能提供的最大附着力,车轮在全抱死状态的制动距离反而有所增加。(4)因为车轮被抱死导致轮胎局部急剧摩擦,降低了轮胎的使用寿命。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟研究的重点：(l)跟踪路面特性的变化,使ABS各项性能指标始终处在最佳状态的控制算法。(2)提高关键元件的可靠性和性能指标,如用开关阀和调制脉冲宽度实现比例控制；采用低成本比例阀实现连续控制,可弥补开关阀的缺陷。(3)降低ABS的装车成本,扩大ABS在汽车上的普及率。(4)由单一的ABS控制目标转向多目标的综合控制,故ABS系统的软硬件设计应能扩充为多目标的综合控制。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟6.2轮胎与路面间的相互关系路面所能提供约附着力(即最大纵向、侧向作用力)与附着系数有关,附着系数μ定义为路面附着力Ft与作用在车轮上的垂直负荷FN之比:μ=Ft／FN子午线轮胎在干燥路面上附着系数最大。不同路面的附着系数大约在0.05～l的范围,在冰面上最小,约为0.05左右,其它路况介于这两者之间。附着系数还与车轮的滑移/滑转率有关。在分析ABS制动问题时,把车轮的滑移/滑转率定义为:λ=（VV-VW）／VVVV=ωwre滚动半径汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟式中λ在-l00%～+l00%范围内变化：λ在-l00%～0%区间为驱动工况,其轮速大于车速,车轮相对地面滑转,对应的λ值称为滑转率。λ在0%～100%为制动工况,此时车速大于轮速,车轮相对地面滑移,λ称为滑移率。几个特殊点λ＝0、λ＝-l00%和λ＝100%分别对应车轮自由滚动、车轮纯空转和车轮被完全抱死状态。ABS制动系统把λ控制在λk附近,既能使路面提供最大的制动力,又能提供足够大的侧向附着力满足车辆制动时直线行驶稳定性和操纵稳定性。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟６.3单轮车辆系统的数学模型6.3.1车轮制动状态数学模型为研究防抱死制动的控制过程和它在纵向平面的特性，车辆可简化为单轮车辆系统。由于车速通常是指直线运动速度,轮速用角速度表示,故在后文中车速用V表示,车轮角速度用ω表示。由此可得车轮和整车的运动微分方程分别为:wbfbbdFFVmTTFrJ汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟6.3.2驱动机构的数学模型汽车的制动回路主要由制动踏板、主制动缸、控制阀、轮缸及速度传感器等组成。根据液压控制阀的位置可使制动器对应三种不同状态：当控制阀使油源与轮缸接通,制动缸增压；控制阀关闭,制动缸保压；控制阀使制动器和回油路相通,制动缸减压。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟在进行系统分析与设计时,为了简化系统,可在常用的工作压力点线性化：dP／dt=uk0u=1(增压）；-1（减压）；0（保压）作用在车轮上的制动力矩的变化率为:dTb／dt=ukbu=1(增压）；-1（减压）；0（保压）考虑到制动缸在增压和减压时需要不同的变化率以满足不同的使用性能,则作用在车轮上的制动力矩的变化率可进一步写成如下的形式∶dTb／dt=UU=Ui(增压）；Ud（减压）；0（保压）汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟6.4ABS逻辑控制算法防抱死制动的目的是为了把车轮的滑移率控制在λk附近,使路面的附着系数得到最充分的发挥。那么,应以哪些参数作为控制目标才能使控制的效能最佳?事实上,有不同的方法都可以达到预期的目标,但每种方法将以不同的规律逼近期望的点。为了了解各种方法的特点,下面先分析现今车辆上普遍采用的逻辑控制算法,为分析和了解其它算法提供必要的基础。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟6.4.1简单逻辑控制算法总的制动力：制动最大减速度：角减速度超过极限：车轮可能出现抱死。最简单的ABS控制逻辑为：双门限控制逻辑aragamgFdb)0(maxmaxdra/)()()(增压保压减压aaa汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟6.4.2以车轮加、减速度和滑移率结合的逻辑控制1.参考车速和滑移率的计算为了适应路面特牲的变化,必须通过相应的逻辑条件识别出这些变化,再对控制逻辑作相应的修改,使车辆在不同运行环境下都能取得最佳的效果。为此引入了车轮的滑移率作为辅助的门限值,与车轮负加速组合成双参数逻辑控制算法。要确定滑转率要用到车体速度。测定车体速度有接触式和非接触式两种方法,采用非接触式测定(如多谱勒仪)价格较高。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟采用接触方式(如五轮仪),既不方便,其形态也难以被用户所接受。故一般不采用直接测量的方法获得实际车速,而是采用间接的方法由车轮的角速度和负加速度构造车辆的参考速度：VRe=VRe0–aRet2.大附着系数路面上的制动控制在制动开始阶段轮缸压力快速上升,车轮负加速度很快超出门限值-a,电磁阀从升压切换到保压状态,同时估算出参考车速和滑移率为λ1的门限曲线。在保压阶段,轮速继续下降,当轮速降至低于λ1门限值时,电磁阀由保压切换到减压状态。在减压过程中,轮速过一段时间开始回升,当车轮的负加速度进人-a门限又开始保压。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟若在规定的保压时间内,车轮的加速度不能超过+a门限,则属于低附着系数路面的情况。反之,若超过+a门限则继续保压。为了适应附着系数不同的路况,如附着系数较大的情况,又设定了识别高附着系数路面的第二门限值+A。在继续保压过程中可能出现两种情况,一是车轮的加速度没超过第二门限+A就回到+a门限内,二是角加速度超过了第二门限值+A。对于前者,属于一般附着系数路面。对后者则属大附着系数路面,则要对轮缸进行一次增压,直至车轮的加速度低于+A门限,再保压至低于+a门限。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟3.小附着系数路面的制动控制在初始的l、2调节阶段和大附着系数的路面相同。阶段3首先有一段定时保压阶段,由于给定的时间内车轮的加速度达不到+a门限,于是可以判定是小附着系数路面的情形,控制逻辑产生一个小的减压-保压脉冲,使车轮慢慢升速,然后再比较车轮加速度是否到+a门限,如低于此门限值再次产生减压降压--保压脉冲,车轮继续升速直至超过+值门限。到此阶段3结束,并转人第4阶段一保压阶段。当车轮加速度再次低于+a门限时,保压阶段4结束。阶段5是以增压-保压(脉冲方式)方式的慢速升压过程,直至出现-a门限,到此第一个控制周期结束。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟当路面附着系数向大值突变,其识别方法是采用第二加速度门限值+A。而当路面附着系数向小值跃变,则以第二滑移率门限值λ2作为识别依据。综上所述，逻辑控制是把车轮的加速度分为(-a,+a,+A)几个门限值,再辅之以车轮的滑移率门限值λl,λ2。在由下降信号切换到保压的阶段,在规定的定时间隔里监测可能出现的几种门限信号(+a,+A,λl,λ2)作为识别路面特性的依据。再根据识别结果,分别采用不同的控制逻辑,确保防抱死制动系统对路面状况的跟踪性能,在各种路面条件都能取得期望的制动效果。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟6.5ABS的整车控制技术前面已讲述了ABS的单轮控制技术,是否可以把汽车的所有车轮均按前述的方法进行控制就能达到期望的效果呢?若汽车的一侧车轮在高附着系数路面行驶,另一侧在低附着系数路面行驶(如冰面,这在我国东北地区的冬天经常可能遇到的路面条伴)。按前面讲述的单轮控制方式,各个车轮的滑移率都控制在峰值点,于是左右两侧的制动力不等使汽车产生侧向偏转。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟只要适当把前轮偏转一定的角度,就能抵消制动力不等所产生的回转力矩,并保持汽车直线行驶的稳定性。解决上述间题有不同的方法,最好的方法是基于汽车动力学的综合控制。因为汽车期望的横摆角速度由方向盘的输人唯一确定,一但监测到在制动过程中出现了方向盘的转角为零,而车辆的横摆角速度不为零的情形。即可判定车辆当前的工况是属于路面特性的扰动导致车辆非稳态的回转运动。于是通过车辆行驶方向自动控制系统,把导向轮逆上述的非稳态横摆方向转动一个角度,就可抵消制动过程中的非稳态现象,保证车辆在制动过程中的直线行驶稳定性。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟由汽车动力学综合控制系统可以满足车辆在备种路面条件下的操纵定性，但要增加方向转角和汽车横摆角速度传感器及驱动导向轮偏转的自动控制系统,提高了装车成本。因此，最为实用的方法就是通过ABS自身的整车布置方式和整车控制技术来满足车辆在不同路面条件下的操纵性与稳定性。6.5.1整车布置形式如前所述，ABS单轮控制技术的本质是把车轮的滑移率控制在μb-λ的峰值点。因此,在制动时可保证取得最短的制动距离和转向时的操纵稳定性。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟l.四传感器四通道布置方式四个传感器和四个液压控制通道的ABS系统有：按前后方式布置（即前后轮缸分别采用不同的液压回路）按对角(X形方式)方式布置（即处在对角线上的两个轮缸采用同一液压回路）。由于每个车轮都具有一个轮速传感器和一个液压通道,因而可对每个车轮实现任意目标的控制,使ABS总体性能达到最佳状态。如果简单地把每个车轮的滑移率都控制在μb-λ曲线的峰值点,在对称路面,可使制动距离最短,又能保持较好的操纵性；但在非对称路面,将在左右两侧车轮上产生不同的制动力,使汽车很难保持它原来的行驶方向,方向稳定性恶化。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟2.四传感器三通道系统四传感器三通道ABS的布置方式两种形式：对角形式布置（由机械方式实现车轮低选控制）和电子控制系统实现低选控制。在两种布置方式中,两前轮都是采用独立控制,而后轮将以两前轮中较易抱死的车轮所施加的制动力矩作为标准,按选低的方式对后轮施加相等的制动力矩进行控制。这种布置与低选控制方式组合的结果改善了汽车在非对称路面制动时的方向稳定性,但制动距离会有所增加。由此可见,ABS的某些性能指标,如稳定性和制动距离是相互矛盾的。在改善其中一项性能指标的同时,可能会伴随另一项指标的降低。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟所以在设计系统时,必须进行综合评价,使各项性能指标加权后的总体性能指标为最佳。3.三传感器三通道系统该系统通常为前后布置方式,两前轮采用独立控制方式,两后轮取差速器的转速信号,并由同一液压管路控制。这种布置方式,其后轮仅适于采用低选控制方式。4.四传感器二通道系统这是按对角方式布置的ABS所用的简易系统。前轮一殷采用独立控制,后轮控制两种形式：定比例减压阀和低选控制阀。汽车电子控制技术重庆大学机械工程学院汽车系张伟综上所述,ABS总体性能与通道数和传感器数目有关,一般而言,传感器和通道数目愈多,则ABS的住能愈好。四传感器四通道ABS系统是最完备的布置方式,由于各个车轮均能任意设定它的控制目标,因而可取得最佳的效果。但如果所有车轮均采用独立控制,则会导致汽车在非对称路面失去方向稳定性。而简单地按低选方式进行控制,则四传感器四通道ABS系统就降低到四传感器三通道ABS系统、甚至四传感器二通道ABS系统的性能,使部分控制通道的潜力得不到充分的发挥,造成资源浪费。可见,前轮独立控制,后轮按低选控制仅在二通道