车辆工程毕业设计论文-车辆abs控制器设计(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-车辆abs控制器设计(编辑修改稿)内容摘要：

图 ABS 基本组成部分框图 汽车的制动系统随车型的不同而不同，同样 ABS 系统也因车而异。 因此 ABS 的类型较多但基本都由由中央控制器、压力调节器 (电磁阀 )、轮速传感器、警示灯以及一些控制继电器组成。 车轮转速 传感器一般为电磁感应式，通常安置在被控车轮上。 电磁阀既可以设置在制动总泵至制动分泵的制动管路中形成分离结构，也可与制动总泵合为一体形成整体结构，对制动压力进行调节。 电子控制器是防抱死制动系统的控制中枢，它主要接收车轮转速传感器和制动灯开关等输入的信号，对制动过程中被控车轮的运动状态进行监测，根据需要对压力调节器进行控制，使压力调节器对被控车轮的制动压力进行保持、减小和增大等调节，并根据车轮转速传感器反馈的信号修正 车轮 中央控制器 电 磁 阀 主制动缸 制动踏板 警示灯 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 控制指令。 电子控制器还具有对防抱死制动系统的工作状态进行监测的功能。 ABS 报警灯安置在仪表板上， 由电子控制器控制其亮灭，指示防抱死制动系统的工作状态。 传统的汽车制动系统的功能是使行驶的汽车车轮受制动力矩的作用而减速停止的安全装置。 在绝大多数情况下汽车设计的制动缸制动力要远远大于路面摩擦力，这使得全制动必定会导致车轮抱死。 在紧急制动情况下，当驾驶员脚踩踏板使制动压力过大时，轮速传感器能够迅速探测到车轮有抱死的倾向，并控制器控制压力调节器动作以减小制动压力，随之车轮轮速恢复；当车轮轮速恢复且地面附着力有减少趋势时，控制器又控制压力调节器动作增加制动压力。 这样反复动作，使车轮一直处于最佳的制动状态，最有效 地利用地面附着力，得到最佳的制动距离和制动稳定性。 并且可以防止制动过程中后轮抱死导致的车辆侧滑甩尾，防止前轮抱死丧失的转向能力，提高汽车躲避车辆前方障碍物的操纵性和弯道制动时的轨迹保持能力，大大提高制动过程的方向稳定性。 同时汽车制动效能得到提高，制动距离一般要比不安装 ABS 系统的同类型车辆要短。 车轮转速传感器 车轮转速传感器是汽车 ABS 系统中主要的信号传感器，其作用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速信号。 目前用于 ABS 系统的轮速传感器主要有磁电式轮速传感器和霍尔式轮速传感器两种类型。 磁电式 传感器是利用电磁感应原理，将物体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度的。 在电控防抱制动系统中使用的传感器，多数为磁电式轮速传感器。 它结构简单、成本低，但存在以下缺点： 1) 输出信号的大小随转速的变化而变化，若车速过慢，其输出信号过低而使得系统认为车辆速度为零； 2) 频率响应低，当转速过高时传感器易出现错误信号，加重软件滤波难度； 3) 抗电磁波干扰能力差，尤其是车速较慢，输出信号幅值较小时。 近年来出现的霍尔式车轮速度传感器克服了磁电式轮速传感器的上述缺点，并且具有下列优点： 1) 输出信号幅值不变。 在 工作电压为 12V 时，输出幅值保持 不变，车速再慢甚至到零，幅值都不变； 2) 频率响应高 (可达 20kHz)，用于 ABS 系统中可检测 1000km/h 的信号，故可满足使用要求； 3) 抗电磁干扰能力强。 由于输出信号在整个轮速范围内不变，且幅值较高，所以抗电磁能力很强。 目前霍尔式轮速传感器越来越广泛地应用在 ABS 系统中。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 电子控制单元 (ECU) ABS 的电子控制单元 (Electronic Control Unit)，常用 ECU 表示，也为称中央控制器。 它的主要作用是接收轮速传感器等输入信 号，实时计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等控制参数，并进行判断、输出控制指令，控制电磁阀进行制动调节。 另外还应具备故障监测等功能，如有故障时会使 ABS 停止工作并将 ABS 警示灯点亮。 制动压力调节器 制动压力调节器是 ABS 中的主要执行器。 目前常用的制动压力调节器为电磁阀，其作用是接受 ABS 电子控制单元的指令，对制动管路进行通、断等动作，调节制动系的压力，使之增大、保持或减小，实现制动压力控制功能。 由于 ABS 是在原来传统制动系统基础上增加一套控制装置形成的，因此 ABS 也是建立在传统的常规制动 过程的基础上进行工作的。 在制动过程中，若车轮没有抱死趋势，其制动过程与常规制动过程完全相同。 只有车轮趋于抱死时， ABS 才会对趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。 通常，只有在汽车速度达到一定速度 (如 8km/h)后，ABS 系统才会对制动过程中趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。 当汽车速度降到一定程度时，由于车速很低，车轮制动抱死对汽车制动性能的不利影响很小，为了使汽车尽快制动停车， ABS 就会自动终止防抱死制动压 .力调节，其车轮仍可能被制动抱死。 在制动过程中，如果常规制动系统发生故障， ABS 会随之失去控制作用。 若只是 ABS发生故障、常规制动系统正常时，汽车制动过程仍像常规制动过程一样照常进行，只是失去防抱死控制作用。 现代 ABS 一般都能对系统的工作情况进行监测，具有失效保护和自诊断功能，一旦发现影响 ABS 正常工作的故障时，将自动关掉 ABS，恢复常规制动，并将 ABS 警示灯点亮，向驾驶员发出警示信号，提醒驾驶员及时进行修理。 ABS 系统的工作原理 (1) 普通制动（ ABS 不工作状态） 在制动力较小、车轮未出现滑移或车速较低时， ABS 处于不工作状态，即 ABS 得 ECU 无指令给液压调节器的电磁线圈，阀体在回位弹簧力的作用 下打开 A 孔、关闭 B 孔，来自主缸的制动液通过 A 孔、 B 孔进入轮缸，产生制动效果；解除制动时，轮缸的制动液经 B 孔、 A 孔及单向阀流回主缸。 此时，电动泵的电动机也是处于不工作状态。 (2) 紧急制动（ ABS 工作） 1）减压状态 当车轮要抱死时， ABS 的 ECU 发出控制指令，给液压调节器的电磁线圈提供较大的电流，电磁线圈产生强磁吸力吸引阀体，阀体克服回位弹簧力将 A孔关闭，切断了主缸的进液通路。 同时打开 C 孔，轮缸内的制动液从 B 孔经 C 孔进入储液器。 由于轮缸制动液经上述回路返回主缸而使压力下降，防止车轮抱死。 至于液压降低的程 度，由 ABS 的 ECU 根据车轮速度传感器的信号进行控制。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 1— 主缸 2— ABS ECU 3— 蓄电池 4— 储液器 5,8,9— 单向阀 6— 电动泵驱动电机 7— 电动泵 10— A 孔 11— 回位弹簧 12— C 孔 13— 车速传感器 14— 轮缸 15— B 孔 图 汽车 ABS 工作原理示意图 2）保持状态 轮缸减压后，如果车轮处于最佳滑移率的范围之内， ABS 的 ECU会根据传感器的信号发出相应指令，使液压调节器的电磁线圈通较小的电流，使阀体保持在中间位置，此时正好关闭 A 孔和 C 孔，使轮缸处于 保持压力状态。 3）增压状态 当车轮制动器制动力不足时，通过车轮速度传感器检测信号， ABS的 ECU 便停止向液压调节器的电磁线圈供电，阀体在弹簧力作用下回位打开 A 孔，关闭 C 孔，主管路中的高压制动液便可通过 A 孔、 B 孔到达轮缸，使其轮缸液压升高，从而加大制动力。 车轮的滑移率与附着系数的关系 车辆的制动过程可以描述为以下几个部分：首先由驾驶员踩踏制动踏板启动制动缸：制动缸提供制动力矩并施加到车轮上；车轮因制动力而减速；轮胎与地面相互作用而产生的地面附着力使车辆减速。 这一过程中，制动力矩与地面附着力构成 动力学系统。 我们定义车轮与地面间滑移率为： vRS 1 （ ） 式中： S—滑移率 ； v—车辆速度 ； —车轮角速度 ； R—车轮半径。 我们称轮胎与地面间的摩擦系数为附着系数，为车轮滑移率的函数．考虑到车辆的转向制动，可以将车轮受力分为横向力和纵向力，相应的附着系数也可分解为横向黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 附着系数和纵向附着系数，如图 所示。 可以分析横向摩擦系数和纵向摩擦系数与车轮滑移率之间的关系，得到轮胎特性曲线。 图 车轮横向、纵向力 很显然，当滑移率为零时，由定义知， 图 车轮横向、纵向力车轮处于滚动状态，车速等于轮速，制动力为零。 随着制动力不断增大，滑移率达到 100％时车轮抱死。 对大多数情况而言，车轮滑移率在某个特定值下有最大的附着系数。 某些特殊路面如沙石路面及未压实的新雪路面，在车轮抱死时 其前方堆积物的增加造成阻力，使附着系数增大。 制动的目的之一是得到最短的制动距离，很显然使车辆滑移率维持在峰值附着系数处就可以得到最大的地面附着力，也就有最短的制动距离。 同时在峰值附着系数处的横向力也较大，对维持车辆的制动稳定性十分有利。 在实际制动过程中驾驶员是很难做到这一点的，并且应急制动情况下驾驶员更无精力去顾及这种最佳的操纵，而 ABS 系统恰恰是为了实现这一目的。 峰值附着系数对应的最佳滑移率随轮胎特性路面的情况而变化，一般其值的变化范围在 5％ — 30％之间。 在制动过程中，轮胎经常会受到侧向力而发生侧偏和侧 滑现象，如制动时要避免障碍物、转弯制动、在分离附着系数路面制动等。 从制动稳定性的角度来说，在转弯制动的情况下，前轮先抱死时，车辆受到的横向力减小，车轮失去转向能力，车辆将沿轨迹的切线方向甩出，使车辆失控。 当后轮先抱死时，车辆将产生较大的横摆力矩，加剧过转向特性，最后也将导致车辆的失稳。 制动过程中的加减速度 对正在旋转的车轮施加制动，随着制动压力的升高，在车轮旋转的相反方向上将产生制动力矩，轮速减小并产生滑移。 制动完全解除时，制动力矩消失，车轮从滑移状态恢复到滚动状态。 即车轮速度逐步增加到汽车速度 ，在这个过程中车轮的加减角速度处于不断变化的过程中。 一般讲，制动强度越大，车轮减速度越大；在滑动状态下，解除制动越快车轮加速度越大。 制动过程中的载荷转移 汽车重量是靠各个车轮来支撑的。 在轮胎和路面的接触面上有一个垂直方向的作用力，这个力叫做轮胎载荷。 轮胎载荷随着车辆制动力和转弯时的离心力而变化。 轮速方向 车速方向 轮上横向力方向 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 直线制动时，汽车制动时根据总制动力的大小做减速运动。 制动时所产生的地面制动力等于车轮载荷与附着系数之积。 制动时所产生的惯性力与总制动力大小相等、方向相反、指向行驶方向，并作用在汽车质心上。 这两个力将使汽 车产生一个前倾力偶距，使前轮载荷增加 bG ，后轮载荷减少 bG ．假定附着系数为 b ，车重 G、轴距L、质心高度 gh ，则： LGhG gbb 2 () 可知，质心越高、轴距越短，载荷转移的幅度越大。 汽车转弯制动时，汽车的离心力为 12 )( grGv ，作用在汽车的质心上。 侧倾力偶矩产生后，使外侧轮胎载荷增加 CG ，内侧轮胎减少 CG ．假定轮距为 C，离心力所产生的力偶距对每个车轮平均分配 ， 则： grCGhvG gC 22 () 上述这种车轮载荷的变化叫做动载荷转移，由于载荷的转移，汽车转弯使前外车轮的制动力最大，后内车轮的制动力最小。 ABS 系统的控制方法 汽车 ABS 系统的工作环境十分恶劣，要求系统本身抗干扰能力强，可靠性高。 车轮在紧急制动中的抱死过程很快，约为 ，要求 ABS 系统实时监控能力强，控制过程迅速，大部分系统的循环都要求毫秒量级。 以上特点对研究可行的 ABS 控制算法有很大的限制，复杂的算法很难实现。 如果采用高级的硬件设备，则系统硬件成本太高，无法满足要求。 传统的 ABS 控制方 法是基于经验式的逻辑门限方法，每装配一种新的车型都需要通过大量的道路试验来确定经验参数。 产品的发展往往经历了漫长的历史。 由于这些因素，汽车电子学的实用化进展并不是像人们预料的那样快速。 随着硬件设备性能飞速提高，在 ABS 算法领域也出现了基于现代控制理论的方法，较为典型的有滑模变结构控制方法。 它是一种非线性控制策略，是根据系统状态偏离滑模面的程度来变更控制器结构，使系统按照滑模面规定规律运行的一种控制方法。 在 ABS 过程中，车轮滑移率的变化也是一个非线性过程，为了达到控制滑移率的目的，可以用滑模变结构理论进行控 制，具体控制方法可参阅文献。 另一类方法是智能控制的方法，比较典型的方法是模糊控制方法。 模糊控制是基于经验规则又可以结合数学过程的新型控制方法，它与系统的模型无关，不需要建立控制过程精确的数学模型，而是完全凭人的经验，将语言变量代替数字变量进行自动控制。 ABS 系统利用模糊逻辑可通过制动时车辆运动特征与路面特性间的关系估计路黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 面特征，根据滑移率和滑移率误差的变化，确定防抱系统压力调节器的压力调节值。 这种方法具有很好的鲁棒性和控制规则的灵活性，但调试设定参数比较困难，对设计人员经验依赖性很大。 具体方法可参阅文献。 虽然近年在 ABS 控。