第6章汽车行驶安全电控技术(汽车电子控制技术)

6汽车行驶安全电控技术6.1防抱死制动系统6.2驱动防滑调节系统6.3车辆稳定性控制系统6.1防抱死制动系统一、概述汽车安全装置分为主动安全装置和被动安全装置。主动安全装置：ABS、ASR/TCS、ESP/VSC、EBD、EBA等被动安全装置：安全气囊SRS、安全带及安全带紧急收缩装置等防抱死制动系统（Anti-lockBrakingSystem，ABS）：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，防止车轮抱死并取得最佳制动效能的电子装置。汽车在行驶中遇到危急情况，驾驶人会采取紧急制动，有相当多的交通事故是由于汽车在紧急制动时车轮抱死，从而导致各种非稳定因素造成的。ABS就是为消除在紧急制动过程中出现的这些非稳定因素（诸如侧滑、跑偏、失去转向操纵能力）而研制的。6.1防抱死制动系统对装备常规制动器的汽车，当驾驶人猛踩制动踏板时，车轮很快会处于“抱死”状态，不但不能实现最佳的制动效果，反而还会带来负效应：（1）由于车轮被抱死，车辆失去操纵性，不能按驾驶人的要求改变行驶方向以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略有增加。（4）因为车轮被抱死导致轮胎局部急剧摩擦，降低轮胎的使用寿命。在现代汽车的防抱制动系统（ABS）已成为法规要求的必备装置之一。6.1防抱死制动系统二、基本理论路面所能提供的附着力（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Fx与作用在车轮上的垂直负荷FZ之比。φ与轮胎的结构、材料、花纹、气压及路面特性等多种因素有关。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在0.05-1.0的范围，在冰面上最小，为0.05左右，其他路况介于这两者之间。根据汽车的行驶方向可将附着系数分为纵向附着系数φb和侧向附着系数φs。车轮制动时，作用在车轮上的纵向制动力和侧向附着力分别为：xzFFxbzyszFFFF6.1防抱死制动系统附着系数还与车轮的滑移/滑转率有关。车轮的滑转/滑移率定义为：s在[-100％，+100％]范围内变化。s在[-100％，0％）为驱动工况，其轮速大于车速，车轮相对地面滑转，s值称为滑转率。s在（0，100％]为制动工况，车速大于轮速，车轮相对地面滑移，s值称为滑移率。几个特殊点s=0，s=-100％和s=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。100%100%wwwvvsvvvsv驱动制动6.1防抱死制动系统车轮的滑移率与纵向、横向附着系数间的关系如下图。不同的路面特性、轮胎参数及轮胎的侧偏角都会影响φ—s曲线。防抱制动系统（ABS）把车轮的滑移率控制在临界点sｋ附近，使路面附着性能得到最充分发挥，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。6.1防抱死制动系统三、防抱死制动系统的组成ABS主要由轮速传感器、制动灯开关、防抱死制动电控单元、制动压力调节器、ABS指示灯等组成。6.1防抱死制动系统分离式、整体式；轮控式（独立式）、轴控式（低选、高选）；四通道、三通道；液压式、气动式。在ABS中，可以独立地控制车轮制动轮缸压力的执行机构称之为一个通道。6.1防抱死制动系统制动压力调节器（液压式）增压：关闭出油阀打开进油阀；减压：关闭进油阀，打开出油阀；保压：进油阀和出油阀同时关闭。6.1防抱死制动系统轮速传感系统及其输入电路：ABS最主要的计算参数：轮速、轮加速度、参考车速、滑移率等。轮速是计算基础。磁电式轮速传感器+铁磁性材料的齿圈，间隙小于1mm霍尔式轮速传感器：间隙1.0±0.5mm轮速处理电路要求：传感器工作频率50-3000HZ；抗干扰能力强（如迟滞比较电路）；对传感器短路、断路检测能力强。6.1防抱死制动系统电子控制单元：实时性、高速输入、定时器、运算能力、I/O、电磁兼容性8位机用于轮速的输入和计算。16位机计算论加速度、参考车速、车轮滑移率完成ABS控制逻辑的判断，对电磁阀下达控制命令。两个CPU通过串口相互通信，同时通过CAN总线与汽车其他系统进行数据交流。控制单元还包括电源电路、输入电路、输出电路、故障诊断电路等。ABS的控制软件6.1防抱死制动系统轮速计算方法频率法：设定测量时间T0，数次时段内的方波数。误差来此计数误差，高频信号计算精度较高，而低频信号计算误差较大。设方波数为N，齿圈齿数为z,车轮滚动半径为r：车速误差6.1防抱死制动系统周期法：计算每一个方波周期T内的时钟脉冲数Nc。误差与Nc及时钟精度有关。对低频信号计算精度较高，而高频信号计算误差较大。T为每个方波的周期，tc为时钟脉冲，Nc是周期T内时钟的脉冲数，齿圈齿数为z,车轮滚动半径为r：车速误差轮加速度计算方法（1）直接微分法（抖动、毛刺）（2）斜率法：计算某时刻连续N点轮速曲线的斜率，作为轮加速度速度快，减小噪声波动，但计算结果可能滞后于实际值。6.1防抱死制动系统at四、防抱死制动系统的控制算法1简单逻辑控制算法简单的防抱制动算法，仅以减速度-a作为门限值的逻辑控制成立，表明车轮可能出现抱死的倾向，于是制动轮缸减压。反之制动轮缸增压。6.1防抱死制动系统在制动刚开始时，采用快速升压，当车轮角减速度超出了固定的门限值-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，似此周期性地重复，直至汽车完全制动。车轮的滑移率变化较大，也不能适应路面附着系数的变化。2双门限逻辑控制可取一个适当大的正数+a（+a，-a仅表示车轮加、减速度，它们的值可以是不同的）作为车轮加速度的门限，构成双门限的逻辑控制。经组合可得到三个常用的逻辑判定条件，即6.1防抱死制动系统双门限控制逻辑可以适应不同的路面特性，一般可消除车轮抱死现象。但当路面附着系数出现跃变时，就不能快速适应，对快速变化的路面跟踪性能较差。3双参数逻辑控制算法：为了适应路面特性的变化，必须通过相应的逻辑条件识别出这些变化，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，与车轮负加速度组合构成双参数逻辑控制算法。6.1防抱死制动系统初始制动过程中，当车轮的负加速度小于-a时，把此时车轮的速度作为初始参考速度VR0以后以减速度aR（初始时设定汽车在一般路面制动时能达到的负加速度）计算参考速度：车轮的参考滑移率为：(1)参考车速和滑移率的计算确定滑移率要用到车体速度，采用间接的方法构造车辆的参考速度。6.1防抱死制动系统0RRRvvat100%RdRvrsv在减压阶段，车轮反驱增速，当车轮的速度大于参考速度后，把参考速度设定为当前的轮速，使参考速度得到修正。经过第一个循环以后，减速度aR也被估算出来，再反过来修正之前的aR。010RRRvvatt(2)大附着系数路面上的制动控制阶段1轮缸快速升压，直至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s1的门限曲线。阶段2保压。轮速继续下降，当轮速降至低于s1门限值时，电磁阀由保压切换到减压状态。阶段3减压。轮速又开始回升，当车轮的负加速度进入-a门限内，减压过程结束又开始保压。阶段4定时保压。即一个规定时间间隔的保压过程，用于识别路面的附着系数是高、中、低的三种情况。6.1防抱死制动系统s1(2)大附着系数路面上的制动控制在给定的保压时间内，如果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。车轮加速度没超过第二门限值+A，属于一般附着系数路面。车轮加速度超过了第二门限值+A，属大附着系数路面。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。6.1防抱死制动系统s1(3)小附着系数路面的制动控制初始的1、2、3调节阶段和大附着系数的路面相同.阶段4首先有一个定时保压阶段，在给定的时间内车轮的加速度达不到+a门限，属于小附着系数路面的情形。产生一个小的减压－保压脉冲，直到超过+a门限。阶段5保压阶段。直到车轮加速度再低于+a门限。阶段6是以增压－保压（脉宽调6.1防抱死制动系统1制)方式的慢速升压过程，直至直至出现-a门限，到此第一个控制周期结束。在阶段7（第二周期）的制动压力是持续下降到出现+a门限，结果车轮只在短时间处于大滑移状态，改善了操纵稳定性。s1s1(4)附着系数由高到低跃变的控制过程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s2作为识别依据。6.1防抱死制动系统1s2s2s2s1s1s2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s1、s2；利用控制从减压切换到保压后的规定时间间隔里根据可能出现的几种门限信号（+a、+A、s1、s2）识别出路面的特性（低、一般和高附着系数路面三种情况），根据识别结果，分别采用不同的控制逻辑，确保防抱制动系统对路面状况的跟踪性能，保证在各种路面条件下都能取得期望的制动效果。6.1防抱死制动系统1五、防抱死制动系统的整车控制算法对于整车，除了评价ABS的制动距离、操纵性，还必须考虑汽车行驶方向稳定性。1.ABS的通道与传感器可以独立地控制车轮制动轮缸压力的执行机构称之为一个通道，一般一个通道对应一个传感器。4通道4传感器ABS是当前最普遍的配置形式。6.1防抱死制动系统12.ABS整车布置形式按前后方式布置，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，其目的就是提高系统的可靠性。按单轮控制目标进行独立控制，把每个车轮的滑移率都控制在μb－s曲线的峰值点，但在非对称路面上时，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。6.1防抱死制动系统在制动刚开始时，前轮的偏转角为零，因而作用在车轮上的侧向力为零，可得到作用在车辆上的偏转力矩为：车辆将向高附着系数的一侧偏转。为了保持车辆直线状态，由驾驶人和车辆构成的环闭系统，观测到汽车行驶方向与期望的行驶方向出现偏差时，于是会通过转向盘进行校正。当转向轮（假定为前轮转向的车辆）偏转一定的角度后，作用在车辆上的回转力矩成为：6.1防抱死制动系统目前实用产品一般采用修正的单轮控制方式。它是在单轮控制和低选控制之间折中控制，对处于低附着系数的车轮按自己的门限条件（由边界条件确定）进行控制，处于高附着系数的车轮则在低附着侧压力的基础上，适量地逐步增加一个变化的压力差。6.1防抱死制动系统当处于低附着系数的车轮（假定为左轮）到达减速度门限时开始减压，处于高附着系数车轮（右轮）则开始保压，左轮减压结束时车轮减速度达到加速度门限，则左轮开始保压，而右轮则保压结束开始减压，减压幅度为左轮减压幅度乘以修正系数0α1，α具体取值视修正的要求而定，减压结束后右轮又开始保压，直到左轮低于加速度门限时，则两轮同时进入小步长增压阶段，这样每个ABS循环结束形成一个压力差，随着ABS循环的继续，其压差逐步增加。TCS的作用：通过降低发动机的输出转矩或控制制动系统的制动力等方法，防止汽车在加速、起步过程中的滑转，特别防止汽车在非对称路面或在转弯时驱动轮的空转，能够保持方向稳定性、操纵性，提高汽车的动力性和通过性。6.2驱动防滑调节系统一、TCS原理ABS和TCS在利用μ-λ曲线的性质，并把滑转/滑移率控制在某一范围上，两者是一致的；两者的控制区间相反，ABS控制的是滑移率，而ASR控制的是车轮的滑转率。100%100%wwwvvsvvvsvTCSTCSTCS二、TCS的控制（1）制动控制方式（2）发动机转矩控制方式（3）发动机与制动控制的组合方式（4）发动机与限滑差速器的