abs电子控制单元硬件电路设计

1一.引言现在越来越多的人开始注意与人身安全密切相关的设备，如ABS、安全气囊等。汽车制动防抱死系统，简称为ABS，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。有人说制动防抱死系统是汽车安全措施中继安全带之后的最大进展，是提高汽车制动安全性的又一重大进步。ABS有的四大优点：1.加强对车辆的控制。装备有ABS的汽车，驾驶员在紧急制动过程中仍能保持着很大程度的操控性，可以及时调整方向，对前面的障碍或险情做出及时、必要的躲避。而未配备ABS的车辆紧急制动时容易产生侧滑、甩尾等意外情况，使驾驶员失去对车辆的控制，增加危险性。2.减少浮滑现象。没有配备ABS的车辆在潮湿、光滑的道路上紧急制动，车轮抱死后会出现车辆在路面上保持惯性继续向前滑动的情况。而ABS由于减少了车轮抱死的机会，因此也减少了制动过程中出现浮滑的机会。3.有效缩短制动距离。在紧急制动状态下，ABS能使车轮处于既滚动又拖动的状况，拖动的比例占20％左右，这时轮胎与地面的摩擦力最大，即所谓的最佳制动点或区域。普通的制动系统无法做到这一点。4.减轻了轮胎的磨损。使用ABS消除了在紧急制动过程中抱死的车轮使轮胎遭受不能修复的损伤，即在轮胎表面形成平斑的可能性。大家留心就会发现，在道路上留下长长刹车痕迹的是未装备ABS的车辆，而装备了ABS的车辆，只会留下轻微的刹车痕迹，并且是一小段一小段的，明显减少了轮胎和地面的磨损程度。二.ABS的基本工作原理ABS通常都由控制装置和ABS警示灯等组成。在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑以及车轮转速传感器、制动压力调节装置都不尽相同。在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转2速的信号输入电子控制装置。电子控制装置根据各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀组成，电动泵组成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。ABS的工作过程可以分为常规制动，制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱制动压力调节过程。例如，电子控制装置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮刮动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍末通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的刮动压力就保持一定，而其它末趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制装置判定右前轮仍然趋于抱死，电子控制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动波就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速；当电子控制装置根据车轮转速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸泵输送制动液，由制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开抬减速转动。3ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达3~20HZ。在该ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大这三个阶段会在每秒内循环2－6次，直至没有车轮抱死的顾虑。早期的系统控制速率是相当低的，然而随着电子元件的发展，控制速率可以提高，但是因为液压太低的关系，这个作用就抵消了。此外，控制频率太高，可能会造成前、后轴的共振而损坏零件。尽管各种ABS的结构形式和工作过程并不完全相同，但都是通过对趋于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调节，来防止被控制车轮发生制动抱死。汽车上安装的液压或气压制动器，称为常规制动装置。这种装置在紧急刹车时往往将车轮完全抱死，使车轮滑移(拖印)，从而使汽车制动停车距离相对延长，并伴有制动跑偏、侧滑和失去转向能力等危及行车安全的现象发生。常规制动系统的正常工作，是ABS系统工作的基础。若常规制动装置发生故障，ABS系统失效。若ABS系统发生故障，常规制动装置仍会正常工作，只是没有防止车轮抱死的功能而已。三、ABS的理论分析3.1制动时车轮的受力分析1.地面制动力(FB)如图3－1所示，Mμ为制动器中的摩擦力矩，VF为汽车瞬时速度，FB为地面制动力,G为车轮垂直载荷，C乙为地面对车轮的反作用力，r为车轮滚动半径，VR为图3－14车轮圆周线速度(VR=ω·r)，Fs为侧向力,ω为车轮角速度,α为侧偏角。当汽车使用车轮制动器制动时，由于制动盘(鼓)与制动蹄摩擦衬片之间的摩擦作用，形成了摩擦力矩Mμ，此力矩与车轮转动方向相反。车轮在Mμ的作用下给地面一个向前的作用力，与此同时地面给车轮一个与行驶方向相反的切向反作用力FB，这个力就是地面制动力，它是迫使汽车减速或停止的外力。由力矩平衡原理可得到：FB=Mμ/r2.制动器的制动力(Fμ)若把车轮架离地面，这时阻止车轮转动的便是制动器的摩擦力矩Mμ。由图1可知：Fμ=Mμ/r制动器制动力是由制动器的参数决定的，并与制动踏板力(即制动时液压或汽压压力)成正比。3.地面制动力，制动器制动力与轮胎道路附着力的关系如图3－2所示为不考虑制动过程中附着系数φ值变化的地面制动力FB、制动器制动力Fμ以及轮胎与道路附着力Fμ三者的关系。由图可知，当驾驶员踩制动踏板的力较小，制动器摩擦力矩Mμ较小时，车轮只做减速滚动，并且随着Mμ的增加，Fμ和FB也随之成正比增长，且在车轮未抱死之间，FB=Fμ，此时Fμ可全部转化为地面制动力，但FB不可能超过Fφ，即：FB≤Fφ=φG乙或地面最大制动力FBmax为FBmax=Fφ当制动器压力(制动踏板力)增大到某一值，FB达到Fφ值，即地面制动力达到图3－25最大值(FBmax)时，车轮即开始抱死不转而出现抱死拖滑现象。当再增大制动器的压力时，Fμ随Mμ片的增长仍按直线关系上升(见图2中虚线上升段)。但是，FB已达Fφ值，因此FB不再随制动器制动力的增加而增加。由上述分析知，要想获得好的制动效果，必须同时具备两个条件，即汽车具有足够的Fμ，同时又要有附着系数较高的路面提供足够的FB。3.2滑移率(S)与最佳制动状态1.滑移率的定义及其表达式所谓滑移率，是指车轮在制动过程中滑移成份在车轮纵向运动中所占的比例，用S表示。其定义表达式为：S=VF-VR/VF×100%其中S为制动时车轮滑移率，VF为实际车速，VR为车轮滚动时圆周速率。由上式可知:当汽车的实际车速等于车轮滚动时的圆周速度（VF=VR）时，滑移率为零(S=O)，车轮为纯滚动；当VR=O时，S=l00%，车轮完全抱死而作纯滑(移)动；当0S100%时，车轮既滚动又滑动。2.附着系数与滑移率的关系在实际制动过程中，附着系数(φ)是经常变化的，它的大小随着滑移率的变化而变化。实验测定，当滑移率为15%一30%的范围内时，车轮具有最大的纵向附着系数，即可产生的地面制动力最大，制动距离相对最短，制动效果最佳。由实验还可知，当车轮处在纯滚动状态时，侧向附着系数最大，此时汽车保持转向和防止侧滑的能力最强。随着滑移率的增加，与制动过程方向稳定性有直接关系的侧向附着系数却急剧下降。当S=100%时，车轮抱死滑动，侧向附着系数变得极小，轮胎与路面之间的侧向附着力接近于零，车轮将完全丧失抵抗外界侧向力作用的能力。此时，稍有侧向力干扰(如路面不平产生的侧向力，汽车重力的侧向分力，侧向风力等)，汽车就会产生侧滑而失去稳定性。63.最佳制动状态由上述分析，汽车制动时，若能将滑移率(S)控制在最大附着系数所对应的滑移率范围内，即S为15%--30%时制动效果最佳。此时，不仅车轮的纵向附着系数最大，因而汽车获得的最大的地面制动力最大，制动停车距离相对最短；而且车轮的侧向附着系数也较大(侧向附着系数约为最大侧向附着系数的50%一75%)，所以可使汽车获得转向和防止横向侧滑所需要的侧向附着力，从而保持制动时的稳定性。汽车在运行中，普通轮胎与道路的附着系数变化很大，在结冰道路上为0.1，在干混凝土道路上为0.8。在变化范围如此大的道路条件下行驶，要使制动接近或达到最佳制动状态，单纯靠驾驶员操作控制是不可能实现的，只有机电一体化的防抱死制动系统(ABS)，通过电子控制器(ECU)，车轮速度传感器和液压调节器，对制动压力进行瞬时控制(每秒约10次)，从而使汽车的实际制动过程接近于最佳制动状态成为可能。四.ABS计算机基本控制系统期望值图4－1典型计算机控制系统汽车防抱死制动控制系统是一个典型的计算机控制系统，它由上图所示的框图所构成，其核心部分是控制器，它一方面要负责将传感器信号通过A/D转换或数字输入DI将信号采集道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，而控制器内部CPU通过软件编程来实现各种控制算法，所以控制器是控制系统的关键，它的实现取决了所选取的计算机的类型。相对于ABS系统，对基于车轮加、减速度门限值的控制方控制器D/A转换作动系统车辆系统A/D转换传感器7式而言，输入控制器的信号是速度脉冲，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，也可以将方波信号通过频率/电压变换变为连续模拟电压信号后再通过单片机的A/D转换端口采集到单片机的内存中去。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DO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警告指示等。ABS系统是一类涉及车辆安全的系统，为保障这一系统的可靠性，控制器本身还有一套附加的安全检测系统，一般附加一个CPU专门用于安全检测，它对工作CPU进行监测。例如微处理器的功能检查：1.ROM区数据和RAM区数据输入输出的A/D转换的检查，I/O口的检查；2.电磁阀的检查，使电动机转动判断是否正常；3.电动机检查，使电动机转动判断是否正常；4.确认各轮速传感器采集的信号是否合适正常；5.电源电压的检查，当电压低于或高于工作电压允许的范围时，安全电路则向CPU送信息，所有这些故障都可以向CPU发送输入信号，由CPU经过处理后，再发出相应的故障代码，便于诊断和寻找故障。就目前而言，实现汽车的控制系统一般采用单片机计算机，在开发阶段也有采用通用微机的，采用微机在于可以利用微机强大的软、硬件资源以及网络功能实现复杂控制算法、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，无一例外都是采用单片机作为控制器的核心。所谓单片机就是一块硅晶片上把