汽车防抱死制动系统设计毕业论文

摘要防抱死制动控制系统（ABS）是在传统制动系统的基础上采用智能控制技术，在制动时自动调节制动力防止车轮抱死，充分利用道路附着力，提高制动方向稳定性和操纵稳定性，从而获得最大制动力且缩短制动距离，尽可能地避免交通事故发生的机电一体化安全装置。本文根据防抱死制动控制系统的工作原理，应用汽车单轮运动的力学模型,分析了制动过程中的运动情况。采用基于车轮滑移率的防抱控制理论，根据车速、轮速来计算车轮滑移率。以MSP430F149单片机为核心，完成了输入电路、输出驱动电路及故障诊断等电路设计，阐述了ABS系统软件各功能模块的设计思想和实现方法，完成了ABS检测软件、控制软件的设计。课题所完成的汽车防抱死制动控制系统己通过模拟试验台的基本性能试验，结果表明：汽车防抱死制动控制系统的硬件电路设计合理可行，软件所采用的控制策略正确、有效，系统运行稳定可靠，改善了汽车制动系统性能，基本能够满足汽车安全制动的需要。本文对汽车防抱死制动系统进行了数学建模，并在Matlab/Simulink的环境下，对汽车常规制动系统和基于PID控制器的防抱死制动系统的制动过程进行了仿真，通过对比分析，验证了基于PID控制器的汽车防抱死制动系统具有良好的制动性能和方向操纵性。关键词：防抱死制动系统（ABS）；滑移率；控制策略；单片机；建模；仿真；1一、电控防抱死系统分类电控防抱死制动系统（ABS）的分类1）按控制方式分可分为单参数控制和双参数控制（ABS）（1）单参数控制（ABS）它以控制车轮的角减速度为对象，控制车轮的制动力，实现防抱死制动，其结构主要由轮速传感器、控制器(电脑)及电磁阀组成。（2）双参数控制（ABS）双参数控制的ABS，由车速传感器(测速雷达)、轮速传感器、控制装置(电脑)和执行机构组成。其工作原理是车速传感器和轮速传感器，分别将车速和轮速信号输入电脑，由电脑计算出实际滑移率，并与理想滑移率15%—20%作比较，再通过电磁阀增减制动器的制动力。2）控制通道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。2②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ABS①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3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ABS4①（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。5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）减速度传感器作用：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。6图7ABS控制电脑原理图4、执行器1）油泵及储能器作用：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。（1）作用：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。7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。81—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。91—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。10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