【正文】 ABS 通過這樣的控制過程可以使車輪的速度控制在一定的范圍內而不產生抱死。但顯然門限值的確定需要大量的試驗來確定。 在 ABS 中，每個車輪上各安置一個轉速傳感器，將各車輪轉速信號輸入電子控制裝置 ECU. ECU 根據各車輪轉傳感器輸入的信號對各個車輪的運動狀態(tài)進行監(jiān)測和判定并形成相應的控制指令。 本科生畢業(yè)設計 第 21 頁 圖 27 基于車輪加減速度邏輯門限值控制方法的 ABS 系統油壓控制循環(huán)圖 ABS 的工作過程 可以分為常規(guī)制動、制動壓力保持、制動壓力減小和制動壓力增大等階段。在制動過程中，電子控制裝置根據車輪轉速傳感器輸入的車輪轉速信號判定有車輪趨于抱死時， ABS 就進入防抱 死制動壓力調節(jié)過程。 ABS 通過使趨于抱死車輪的制動壓力循環(huán)往復地經歷保持一減小一增大過程，而將趨于抱死車輪的滑移率控制在峰值附著系數滑移率的上范圍內，直至汽車速度減小到很低或者制動主缸的輸出壓力不再使車輪趨于抱死時為止，制動壓力調節(jié)循環(huán)的頻率可達 320Hz。 本科生畢業(yè)設計 第 23 頁 3 防抱死制動系統硬件設計 3． 1 防抱死 制動系統的 布置形式 與組成 3． 1． 1 防抱死制動系統的 布置形式 ABS 系統中，能夠獨立進行制動壓力調節(jié)的制動管路稱為控制通道。在兩個車輪的制動壓力進行一同控制時，如果以保證附著力較大的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調節(jié)，稱這種控制方式為按高選原則一同控制；如果以保證附著力較小的車輪不發(fā)生制動抱死為原則進行制動壓力調節(jié)，則稱這種控制方式為按低選原則一同控制。 (1)四通道 ABS 對應于雙制動管路的 H 型 (前后 )或 X 型 (對角 )兩種布置形式，四通道 ABS 也有兩種布置形式，見圖 31(a,b)。 本科生畢業(yè)設計 第 24 頁 由于四通道 ABS 可以最大程度地利用每個車輪的附著力進行制動，因此汽車的制動效能最好。因此， ABS 通常不對四個車輪進行獨立的制動壓力調節(jié)。 圖 31(c)、 (d)、 (e) 圖 (c)所示的按對角布置的雙管路制動系統中，雖然在通往四個制動輪缸的制動管路中各設置一個制動壓力調節(jié)分裝置，但兩個后制動壓力調節(jié)分裝置卻 是由電子控制裝置一同控制的，實際上仍是三通道 ABS。 汽車緊急制動時，會發(fā)生很大的軸荷轉移 (前軸荷增加，后軸荷減小 )，使得前輪的附著力比后輪的附著力大很多 (前置前驅動汽車的前輪附著力約占汽車總附著力的 70%— 80%)。本設計就是為三通道 ABS。兩前輪可以根據附著條件進行高選和低選轉換，兩后輪則按低選原則一同控制。當在附著系數分離的路面上進行緊急制動時，兩前輪的制動力相差很大，為保持汽車的行駛方向，駕駛員會通過轉動轉向盤使前輪偏轉，以求用轉向輪產生的橫向力與不平衡的制動力相抗衡，保持汽車行駛方向的穩(wěn)定性。 圖 31 （ f）（ g） 圖 31(g)所示的雙通道 ABS 多用于制動管路對角布置的汽車上，兩前輪獨立控制，制動液通過比例閥 (P 閥 )按一定比例減壓后傳給對角后輪。而對于采用此控制方式的后輪驅動汽車，如果將比例閥調整到正常制動情況下前輪趨于抱死時，后輪的制動力接近其附著力，則緊急制動時由于離合器往往難以及時分離，導致后輪抱死，使汽車喪失方向穩(wěn)定性。 (4)單通道 ABS 本科生畢業(yè)設計 第 26 頁 所有單通道 ABS 都是在前后布置的雙管路制動系統的后制動管路中設置一個制動壓力調節(jié)裝置，對于后輪驅動的汽車只需在傳動系中安裝一個轉速傳感器，如圖 31(h)。在附著系數分離的路面上進行制動時，兩后輪的制動力都被限制在處于低附著系數路面上的后輪的附著力水平，制動距離會有所增加。 但由于單通道 ABS 能夠顯著地提高汽車制動時的方向穩(wěn)定性，又具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，因此在輕型貨車上得到廣泛應用。傳感器一般安裝在車輪上以測量車輪的轉速，傳感器一般為磁電感應式。液壓控制單元接收到信號后對車輪分泵的壓力進行調節(jié)。 本科生畢業(yè)設計 第 27 頁 32（ a） ABS 系統的組成 （分置式） 前輪速度傳感器 制動壓力調節(jié)裝置 ABS 電控單元 ABS 警告燈 后輪速度傳感器 停車燈開關 制動主缸 比例分配閥 制動輪缸 蓄電池 1點火開關 32（ b） 系統原理結構框圖 圖 32 ABS 系統的組成 輪速傳感器是汽車輪速的檢測元件，它能產生頻率與車輪速度成正比的近似 本科生畢業(yè)設計 第 28 頁 正弦電信號， ABS 控制單元根據處理后的信號計算車輪速度。定性的來說，就是當車輪的滑移率不在控制范圍之內時， ECU 就輸出一個控制信號，命令電磁閥打開或閉合，從而調節(jié)制動輪缸壓力，使輪速上升或下降，將汽車車輪滑移率控制在一定范圍之內，實現汽車的安全、可靠制動。 電磁閥是防抱死制動系統的執(zhí)行部件，在沒有控制信號的情況下，該制動系統相當于常規(guī)制動系統，直接輸出最大制動壓力 。 ABS 就是在汽車制動過程中不斷檢測車輪速度的變化，按一定的控制方法，通過電磁閥調節(jié)制動輪缸壓力，以獲得最高的縱向附著系數，使車輪始終處于較好的制動狀態(tài)。它一方面負責將傳感器信號 AID 轉換或將數字輸入信號采集到計算機的內存中去進行分析處理，另一方面要將控制命令通過 D/A 轉換或數字輸出去驅動作動系統，而電子控制單元內部 CPU 通過軟件編程來實現各種控制算法，所以電子控制單元是控制系統的關鍵，它的實現取決于所選取的計算機的類型。單片機內部的微處理芯片將輸入的各個輪速信號按一定的算法進行計算，如 本科生畢業(yè)設計 第 29 頁 計算車輛參考速度和車輪角減速度，根據這些值的大小確定出相 應的控制命令，即壓力增加、壓力減小及壓力保持，然后將控制信號通過數字輸出端口輸出，經過模擬電路的驅動功率放大就可以直接驅動電磁閥，進而控制制動壓力。 就目前而言，實現汽車的控制系統一般采用單片計算機，在開發(fā)階段也有采用通用 CPU 的，采用 CPU 在于可以利用 CPU 強大的軟、硬件資源以及網絡功能實現復雜的控制算法、高效的編程手段以及高速的運算速度。 由于單片機體積小，重量輕，高可靠性，價格低廉，使用方便，因此十分適用于開發(fā)汽車電子系統。目前防抱死系統采用較多的單片機是摩托羅拉 (Motorola)、英特爾 (Intel)、德州儀器 (TI)公司及西門子 (Siemens) 16 位單片機。 （ 1） CPU的運算速度 CPU 的時間一般消耗在數學運算過程中，特別是 32 位的浮點數計算，計算時間 成倍的增加，一般情況下應避免采用浮點數計算，因為 ABS 系統要求計算頻率非常高，一般 5 毫秒到 10 毫秒之間， CPU 要完成各種計算，例如加減速度、參考滑移率等，這種計算都是實時完成的。目前 ABS 系統的程序容量一般在8K32K 之間，內存數據儲存器在 256 個字節(jié)以上。它真正符合了單片機的小型、簡單、可靠、廉價的設計初衷。 3. 2. 1 CPU 簡介 本文中單片機選用了 MCS%系列產品中的 80C196KCo 80C196 高性能 16位單片機是 Intel 公司繼 80%之后推出的一系列高性能 CHMOS16 位單片機，它特別適合要 本科生畢業(yè)設計 第 30 頁 求很 高的實時控制場合，目前，已成功地應用于汽車上，諸如點火，燃料等控制[[52, 53, 55] CHMOS 芯片耗電少，除正常工作外還可工作于 2 種節(jié)電方式 :待機方式和掉電方式，進一步減少了芯片的功耗 .MC196 家族中的全部成員都享用一套指令系統，有一個共同的 CPU 組織結構。 8OC196KC 的內部 EPROM/ROM 為 8K 字節(jié)，內部 RAM 為 232 字節(jié)，都可作為通用寄存器使用，加上 24 字節(jié)專用寄存 器，相當于有 256 字節(jié)內部寄存器。因為 ABS 作為一種實時控制，而整個制動過程在短短的幾秒鐘內必須完成，因此它對時間要求非常高 。 高速輸入 HSI 部件 : HSI 有四個輸入端 。HSI 用定時器 T1 作事件記錄變化的時間基準源，把各個輸入端的變化時刻記錄在 FIFO中。這樣，對 HSI_ STATUS 和 HSIJIME 寄存器的訪問就能讀取事件變化狀態(tài)和發(fā)生時刻。每兩位組成一個方式控制字 HSI_ STATUS 寄存器表示 , 的四個輸入端的狀態(tài)，每兩位表示一個輸入端： 本科生畢業(yè)設計 第 31 頁 低位 1: 事件出現過； 0: 沒出現 高位 1: 從 HISTIME 讀取的事件，此時的輸入端為高電平 0: 從 HISIME 讀取的事件，此時的輸入端為低電平 通常，對脈沖信號的記數就利用了檢測 HSI_ STATUSZH 狀態(tài)變化次數的辦法。定時器 2 與 HSO 單元配 合使用，作為事件觸發(fā)的時間基準， T2 的記數值存放在地址 OCH(低 8位 )和 ODH(高 8 位 )的特殊功能寄存器中。 在實際應用中，汽車有四個輪速信號同時輸入，數字控制器中沒有足夠多的計數器，就需要擴展一塊 8253 芯片。這樣，程序初始化時，設定好記數處值和方式控制字，在中斷服務程序中 就能同時讀取四輪的輪速信號，因為每條指令占用時間非常短暫 (以微秒計 )，相對于中斷時間 (一般為幾十毫秒 )幾乎可以忽略。 中斷系統 : MCS96 給用戶提供了八種型式的中斷源，每種中斷源都有相對應的中斷向量與之對應。 CPU 對中斷控制是通過對中斷的特殊功能寄存器和總中斷允許位的控制實現的。而每個中斷源都可以通過對中斷屏蔽寄存器工 INT_MASK 相應位的置位和復位而開放或禁止中斷。為 0 則禁止相應的中斷源。中斷登 ia/屏蔽寄存器對應位置 1 。 高速輸出 HSO 部件 : 高速輸出 HSO 的功能是能夠在預定的時刻觸發(fā)某一事件。由于 HSO 主要由專門的硬件來實現對事件的觸發(fā)，因此，與普通的輸出端口相比，具有占用 CPU 開銷少、速度高、使用靈活方便等特點。 與HSO 相關的特殊功能寄存器有 :定時器 T1，定時器 T2, HSO 命令寄存器， 寄存器等。命令寄存器各位定義如下 : 本科生畢業(yè)設計 第 33 頁 該命令字節(jié) D7位為鎖定事件 。 D5 位用來設置事件觸發(fā)時所選中通道 (07 通道 )的電平狀態(tài) (高或低電平 )， 1 為高電平， 0為低電平 。D3 至 DO 位用來選擇觸發(fā)事件對應的通道號。值得注意的是使用 HSOTIME 時，即使需立即觸發(fā)事件，也應考慮硬件執(zhí)行時間，因此，送往HSOTIME 中的立即數最小都應為 0003H。首先確定中斷向量 :GSEG AT 200AH。 假定中斷時間為 T，那么中斷時間初值 時鐘電路設計 時鐘頻率是單片機器各個部分運行的基準，它使各部分有條不紊的按節(jié)奏工 本科生畢業(yè)設計 第 34 頁 作。 圖 34 時鐘電路連線圖 時鐘狀態(tài)周期為： 612 1 0 0 .1 2 516ST ??? ? ? ? 防抱死制動系統輪速傳感器 選擇 轉速傳感器的功用是檢測車輪的速度，并將速度信號輸 入 ABS 的電控單元。 圖 35 轉速傳感器在車輪上的安裝位置 （ 1）電磁式轉速傳感器結構 本科生畢業(yè)設計 第 35 頁 傳感頭的結構如下圖（圖 36）所示，它由永磁體 極軸 5和感應線圈 4等組成 ,極軸頭部結構有鑿式和柱式兩種。在齒圈旋轉過程中，感應線圈內部的磁通量交替變化從而產生感應電動勢，此信號通過感應線圈末端的電纜 1 輸入ABS 的電 控單元。 ABS 電控單元通過檢測感應電動勢的頻率來檢測車輪轉速。若車速過慢，其輸出信號低于 1V，電控單元就無法檢測；二是響應頻率不高。目前，國內外 ABS 系統的控制速度范圍一般為 15～ 160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到 8～ 260km/h以至更大，顯然電磁感應式輪速傳感器很難適應。傳感頭由永磁體，霍爾元件和電子電路等組成，永磁體的磁力線穿過霍爾元件通向齒輪，如圖 37 所示。齒輪轉動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個毫伏 (mV)級的準正弦波電壓。 霍爾輪速傳感器具有以下優(yōu)點：其一是輸出信號電壓幅值不受轉速的影響。其響應頻率高達 20kHz，相當于車速為 1000km/h 時所檢測的信號頻率；其三是抗電磁波干擾能力強。 霍爾式輪速傳感器與電磁感應式輪速傳感器比較具有以下優(yōu)點： （ 1）隨著輪速的變化，輸出信號的幅值是不變的。 （ 3）抗電磁干擾能 力強，由于輸出信號在整個輪速范圍內不變，而且幅值較高，所以抗電磁干擾能力很強。 本科生畢業(yè)設計 第 37 頁 霍爾傳感器的設計 霍爾輪速傳感器要包括開關型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種。霍爾開關電路又稱霍爾數字電路，又穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。若外加磁場的 B 值降低到 BRP2，輸出管截止，輸出高電平。 BOPBRP=BH 稱為回差 。 本系統采用的是三通道四傳感器布置形式，需要四個傳感器。傳感頭由永磁體霍爾元件和電子電路