ABS系统工作原理(2)解析

汽车电子控制技术东南大学机械工程学院冯崇毅复习上节课（2015-05-16）内容：第十五章、汽车制动系统控制15.1汽车制动控制系统基本原理15.1.4ABS的基本功能：15.2ABS基本组成、控制方式15.3ABS控制过程有关内容复习：本节课（2015-05-23）内容：绪论4防抱死制动系统ABS（Anti-BrakingSystem）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。防抱死制动系统概念绪论5轮胎与地面的附着特性车辆制动距离和制动减速度是由车辆制动力即地面制动力所决定。取决于地面制动力、制动器制动力及附着力。1.当地面制动力Fxb附着力Fφ时Fxb=Fμ（制动器力）2.地面制动力Fxb的最大值不能超过附着力。Fxb≤Fφ汽车的制动力绪论6轮胎与地面的附着特性附着力和附着系数实际制动时道路作用于车轮上的纵向附着力Fφx就等于汽车的制动力。道路给予汽车转向轮的横向附着力Fφy就是使汽车转向的侧向力。NFNFyyxx横向附着系数纵向附着系数绪论7轮胎与地面的附着特性附着系数与滑移率实验证明，道路的附着系数受车轮结构、材料，道路表面形状、材料有关，不同性质道路其附着系数变化甚大。滑移率来表示车轮滑动所占的份额。车轮完全抱死时，滑移率为1，车轮纯滚动，滑移率为0。绪论8轮胎与地面的附着特性附着系数与滑移率此外，由下图可知，汽车制动时的附着系数与制动时滑移率有很大关系。结论：1.附着系数与路面“状态”有关；2.附着系数随滑移率发生变化。3.前轮抱死，汽车将失去转向能力4.后轮抱死，汽车易发生侧滑现象绪论9前轴侧滑后轴一旦侧滑，离心力与侧滑方向相同，导致侧滑程度不断加剧，以至可能翻车，这是十分危险的运动状态。Fy：侧向干扰力Gx：制动惯性力Fy1：前轮侧向力Fy2：后轮侧向力目前已经认识到：制动时，若后轴比前轴先拖滑，就可能发生侧滑；前后轴同时抱死可后轴始终不抱死，则能防止后轴侧滑。后轴侧滑前轴产生侧滑，由于离心力与侧滑方向相反能减小侧滑量。滑移率—汽车制动的稳定性绪论10车轮抱死的危害前轮抱死—失去转向能力；后轮抱死—统计表明，后轴侧滑是造成交通事故的主要原因；制动效能下降；绪论11防抱死制动系统的作用有效防止后轮抱死而导致的侧滑、甩尾等现象，大大提高车辆制动过程的方向稳定性；防止前轮抱死导致车辆丧失转向能力，提高了汽车躲避前方障碍物的操纵性和弯道制动时的轨迹保持能力；制动距离比同类车型不带防抱死系统的车辆的制动距离要短。绪论12防抱死制动系统的控制目的ABS正是利用道路与轮胎系统的关系，强制性地把车轮的滑移率控制在临界点Sp的附近，使路面附着性能得到最充分的发挥，从而达到最佳效果。ABS的基本结构与工作原理13ABS的基本结构ABS的组成如上图所示。主要由转速传感器、电子控制器和制动压力调节器等三大部分组成。ABS的基本结构与工作原理14ECU根据轮速传感器的“滑移率”信号，调节制动器的制动压力，达到控制车轮“滑移率”的目的。ABS基本工作原理轮速传感器轮速传感器液压调节单元ABS的基本结构与工作原理15ABS的基本元件轮速传感器—电磁式传感器与普通的交流发电机原理相同，永久磁铁产生一定强度的磁场，齿圈在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙以一定的速度发生变化，这样会使齿圈和电极组成的磁路中的磁阻发生变化。ABS的基本结构与工作原理16其结果使磁通量周期性衰减，在线圈两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压。ABS的基本元件轮速传感器—电磁式ABS的基本结构与工作原理17液压式制动压力调节器ABS的基本元件ABS系统中的制动压力调节器是ABS的执行机构。其主要作用是接受来自于ECU的指令，直接或间接地控制制动压力的增、减。是由电磁阀、液压泵和电动机等组成。又可分为循环式和可变容积式。ABS的基本结构与工作原理18ABS的基本元件ABS的基本结构与工作原理19ABS的基本元件—常规制动电磁阀不工作。主缸与制动分泵直接相通。液压式制动压力调节器—循环式ABS的基本结构与工作原理20ABS的基本元件液压式制动压力调节器—循环式—紧急制动ABS参与工作。电磁阀的工作电流为1电流。制动分泵与储油器直接相通，分泵的制动压力减小。ABS的基本结构与工作原理21ABS的基本元件液压式制动压力调节器—循环式电磁阀的工作电流为0电流。制动主缸与制动分泵直接相通，分泵的制动压力增加。电磁阀的工作电流为1/2电流。所有通路均不通，分泵的制动压力为保压状态。ABS的基本结构与工作原理22ABS的基本元件液压式制动压力调节器—循环式ABS的基本结构与工作原理23ABS的基本元件液压式制动压力调节器—循环式回流泵：回流泵将制动分泵中排出的制动液泵回到制动总泵。储压器：储压器为在减压过程中大量回流的制动液提供暂时的储存所。阻尼器：阻尼器及其下游的节流装置能减少返回到制动总泵中的液压脉冲幅值，使噪声减少。ABS的基本结构与工作原理24ABS的基本元件制动压力调节器—变容式ABS的基本结构与工作原理25ABS的基本元件制动压力调节器—变容式制动主缸制动主缸ABS的基本结构与工作原理26ABS的基本元件制动压力调节器—变容式ABS的基本结构与工作原理27ABS系统的电子线路凌志LS400ABS系统（波许）ABS警示灯ABS执行器轮速传感器ABS控制器ABS控制原理28ABS控制ABS可以分为逻辑门限控制、滑动模块变结构优化控制等不同的控制方法；采用何种方法实行ABS控制往往取决于车辆的设计思想、结构与基本运用范围；现仅介绍较为成熟的、绝大多数现代车辆所普遍采用的逻辑门限（阈值）控制方法。ABS控制原理29ABS逻辑控制算法—简单逻辑控制算法设路面条件是一定的，则无论车轮的滑移率在任何范围内，其路面附着系数都不会超过某一给予定的值，即作用在四个轮子上的总制动力必定满足不等式：mgFxxbmax汽车制动时的最大减速度也必然满足条件：0agaxmax当车轮角速度超过极限条件：dra/此时，表明制动力已超过路面所提供的最大附着力，车轮可能出现抱死倾向。基于上述分析，最简单的ABS控制逻辑可确定为：ardABS控制原理30ABS逻辑控制算法—简单逻辑控制算法当上述条件成立，表明车轮可能出现抱死的倾向，于是制动缸减压，反之制动缸增压。这是最简单的防抱死制动控制方案。它的动态调节过程如图所示。ABS控制原理31ABS逻辑控制算法—简单逻辑控制算法在制动刚开始时，采用快速升压，车轮角速度超出固定的门限值-a开始减压，至负加速度进入门限值-a内结束。随后以慢速升压到车轮减速度再次超出-a门限值，似此周期地重复，直至汽车完全制动。仅以减速度-a作为门限值的逻辑控制，车轮的滑移率变化较大，也不能适应路面附着系数的变化。ABS控制原理32以车轮减速度和加速度为控制参数ABS控制原理33双门限控制逻辑可以适应不同的路面特性，一般能消除汽车轮抱死现象。但当路面附着系数出现跃变时，就不能快速适应，故对快速变化的路面跟踪性能较差。车轮正负加速度门限值防抱死控制以车轮减速度和加速度为控制参数ABS控制原理34以滑移率为控制参数的单参数控制方式参考车速和滑移率的计算汽车上一般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车速（见右图）。在初始制动时，当车轮的负加速度小于-a时，把此时对应的车轮速度当作初始参考速度VRe0，以后以减速度aRe（通常取汽车在一般路面制动时能达到的减速度）计算参考车速。taVVReReRe0则车轮的参考滑移率为：ABS控制原理35在制动刚开始时，采用快速升压，车轮轮速度低于的门限值λ开始减压，至负加速度超过门限值λ内结束。随后以慢速升压到车轮减速度再次低于门限值λ，似此周期地重复，直至汽车完全制动。仅以减速度-a作为门限值的逻辑控制，车轮的滑移率变化较大，也不能适应路面附着系数的变化。以滑移率为控制参数的单参数控制方式vR—车轮转动速度，由轮速传感器测得；vF—汽车车速；vRe0—汽车参考车速，可由公式计算；λ—车轮瞬时运动滑移率，公式计算ABS控制原理36【在ABS实际控制过程中，一般很少单独采用其中一种控制参数的门限值来进行控制，因为单独采用一种参数作为控制门限均会产生较大的局限性】a）在低μ的路面上紧急制动时，车轮易抱死，故附着系数利用率较低，会严重影响制动效果。b）在各种路面上紧急制动时，仅以车轮滑移率做为门限来进行控制，由于路面情况不同时，Sp（8-30%）也不相同，不能保证在各种路面下均能获得最佳制动效果。c）一般多采用，主控为车轮加、减速。辅控为车轮滑移率；路面为低μ、低速行驶紧急制动时，则相反。以加、减速度和滑移率为控制参数ABS控制原理37高附着系数路面制动以加、减速度和滑移率为控制参数-a+a，增压、保压-7a保压-2vRλ且超过-a时，减压-3+A-a，保压-4+A，减压-5+A+a，保压-6ABS控制原理38低附着系数路面制动因为在高附着系数路面和低附着系数路面的控制逻辑不一样，故制动开始往往用于识别路面特性。第3与第6阶段使得制动系统即保持较大的滑移率，又使得车轮只在短时间处在大滑移率状态，改善了操纵稳定性以加、减速度和滑移率为控制参数阶跃变化的路面制动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位+A。而当路面附着系数向小值跃变，则以第二滑移门限值λ2作为识别依据。以加、减速度和滑移率为控制参数ABS控制原理40以加、减速度和滑移率为控制参数综上所述，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λ1，λ2。在由下降信号切换到保压的阶段，在规定的时间间隔里监测可能出现的几种门限信号（+a，+A，λ1，λ2）作为识别路面特性（低、一般和高附着系数路面三种情况）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。ABS的布置方式及性能41ABS的整车控制技术如前所述，ABS单轮控制技术的本质是把车轮的滑移率控制在附着系数的峰值点。因此在制动时可保证取得最短的制动距离和转向时和操纵稳定性。但作为整车，如所有车都采用单轮方式进行独立控制，在非对称路面制动时，会产生偏转力距，使汽车不能保持行驶方向的稳定性。在当前技术下，最为实用方法就是通过ABS自身的整车布置方式和整车控制技术来满足汽车在不同路面条件下的操纵性和稳定性。ABS的布置方式及性能42ABS的整车控制技术ABS的布置方式及性能43ABS系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。四通道ABS由于四通道ABS可以最大程度地利用每个车轮的附着力进行制动，因此汽车的制动效能最好。但在附着系数分离(两侧车轮的附着系数不相等)的路面上制动时，由于同一轴上的制动力不相等，使得汽车产生较大的偏转力矩而产生制动跑偏。因此，ABS通常不对四个车轮进行独立的制动压力调节。ABS的布置方式及性能44三通道ABS可采用两前轮独立控制（轮控），按低选方式对后轮施加相等的制动力矩（轴控）。故称为四传感器三通道系统由于三通道ABS对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速。汽车紧急制动时，会发生很大的轴荷转移，使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多(前置前驱动汽车的前轮附着力约占汽车总附着力的70%-80%)。故可充分利用两前轮的附着力对汽车进行制动，有利于缩短制动距离，并且汽车的方向稳定性却得到很大改善。ABS的布置方式及性能45双通道ABS两前轮可以根据附着条件进行高选和低选转换，两后轮则按低选原则一同控制。双通道ABS多用于制动管路对角布置的汽车上，两前轮独立控制，制动液通过比例阀(P阀)按一定比例减压后传给对角后轮。由于双通道ABS难以在方向稳定性、转向操纵能力和制动距