汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)" title="防抱死制動(dòng)系統(tǒng)">防抱死制動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱ABS（Anti-Lock Brake System）,，是在汽車制動(dòng)過(guò)程中，防止車輪完全抱死,，提高汽車在制動(dòng)過(guò)程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力,，縮短制動(dòng)距離。針對(duì)汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS), 國(guó)際上流行的控制方法" title="控制方法">控制方法有邏輯門(mén)限值控制,、PID控制,、滑模變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制,、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制方法,。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)ABS采用的控制方法主要是最基本的邏輯門(mén)限值控制方法。目前,，國(guó)內(nèi)研究ABS理論的科研單位有很多,，比較有代表性的有：以郭孔輝院士為代表的吉林大學(xué)汽車動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、華南理工交通學(xué)院汽車系,、濟(jì)南程軍電子科技公司等。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)ABS的公司不少, 但大多數(shù)公司是和國(guó)外著名ABS公司合作生產(chǎn), 其產(chǎn)品并非自主研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的,。完全自主開(kāi)發(fā)ABS的國(guó)內(nèi)比較有代表性的公司有重慶聚能汽車技術(shù)有限責(zé)任公司和西安博華機(jī)電股份有限公司等^[1],。
　　汽車在制動(dòng)過(guò)程中，車輪可能相對(duì)于路面發(fā)生滑移,，滑移成分在車輪縱向運(yùn)動(dòng)中所占的比例可由滑移率來(lái)表征,。定義滑移率為s：
　　
　　式中: v為車身速度,，ω為車輪角速度，r為車輪半徑,。在不同的滑移率時(shí),，附著力系數(shù)也不同。試驗(yàn)表明,，縱向和側(cè)向附著力系數(shù)與滑移率關(guān)系如圖1所示,。

　　防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理就是將車輪的滑移率控制在最佳滑移率sc附近，以獲得較高的縱向和側(cè)向附著系數(shù)從而減小制動(dòng)距離以及保證汽車制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性,。
1 ABS硬件設(shè)計(jì)
1.1 MC9S12DP256B單片機(jī)^[2]
　　MC9S12DP256B是Motorola 16位單片機(jī)HCS12家族中的一員,，其處理單元采用16位的STAR12CPU。片內(nèi)資源包括256KB的Flash ROM,、12KB的RAM,、4KB的EEPROM、一個(gè)8通道的脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM),、一個(gè)8通道的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器模塊(ECT),、兩個(gè)8通道的A/D轉(zhuǎn)換模塊(ATD)、兩個(gè)串行通訊接口(SCI),、三個(gè)串行設(shè)備接口(SPI)等,。在Codewarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編輯,、編譯,、下載和在線調(diào)試，使其開(kāi)發(fā)十分便利,。
　　ECT模塊具有八個(gè)輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）通道，四個(gè)8位或兩個(gè)16位的脈沖累加器" title="累加器">累加器（PAI）通道,。當(dāng)該模塊運(yùn)行時(shí),，16位的自由定時(shí)器按照設(shè)定的時(shí)鐘頻率在＄0000～＄FFFF之間循環(huán)計(jì)數(shù)。若某個(gè)通道設(shè)置為I/O功能,，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的設(shè)定邊沿到來(lái)時(shí),，輸入捕捉邏輯立即將自由定時(shí)器的內(nèi)容捕捉到16位的IC/OC寄存器中，其分辨能力高達(dá)1μs甚至更高,，并設(shè)置中斷請(qǐng)求標(biāo)志,，隨后程序進(jìn)行中斷處理。若某個(gè)通道設(shè)置為OC功能,，輸出比較邏輯自動(dòng)將IC/OC寄存器的內(nèi)容與自由定時(shí)器的內(nèi)容進(jìn)行比較,，一旦相符立即操作對(duì)應(yīng)的引腳，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的中斷標(biāo)志,，隨后程序進(jìn)行中斷處理,，引腳輸出波形的時(shí)間分辨能力也可以達(dá)到1μs甚至更高,。脈沖計(jì)數(shù)器則只對(duì)輸入脈沖的個(gè)數(shù)或者邊沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，不產(chǎn)生中斷,。在輪速采集算法中使用了該功能,。
　　IC/OC與通用I/O口PORTT共享八個(gè)引腳。四個(gè)8位的PAI通道0～3與前四個(gè)IC通道IC0~3共享引腳PORTT0~3,。本控制器中,，PORTT0~3使用脈沖累加器功能，注錄四個(gè)輪速傳感器的脈沖個(gè)數(shù),。當(dāng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷（RTI）后,，中斷程序讀取脈沖累加器的值，計(jì)算車輪的速度,，同時(shí)脈沖累加器清零,，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。PORTT4~7使用輸出比較功能,，當(dāng)IC/OC寄存器的值與自由計(jì)數(shù)器的值相等之后,，產(chǎn)生中斷，四個(gè)中斷程序分別處理各自輪子的ABS控制策略,。
1.2 電子控制單元ECU硬件結(jié)構(gòu)
　　ABS的核心部件是電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）,。ECU電路主要包括四個(gè)模塊:電源模塊、輪速信號(hào)處理模塊,、運(yùn)算模塊,、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，其基本功能是要實(shí)現(xiàn)輪速的采集,、ABS的故障檢測(cè),、按照控制規(guī)律對(duì)電磁閥發(fā)控制信號(hào)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

2 ABS控制算法
　　ABS控制算法采用邏輯門(mén)限值控制,。它的基本原理是以車輪的加減速度作為主要控制門(mén)限，以車輪的滑移率作為輔助控制門(mén)限,，在減速度達(dá)到下門(mén)限值時(shí)發(fā)出減壓控制信號(hào),，在加速度達(dá)到第一上門(mén)限值時(shí)發(fā)出增壓控制信號(hào)。如此反復(fù)循環(huán),，直到輪速降至一個(gè)較低的數(shù)值,，退出ABS控制。
　　不同的路面附著系數(shù)使用不同的控制策略,，所以算法的第一步就是識(shí)別路面,。路面識(shí)別的方法是：首先給車輪發(fā)出保壓信號(hào)，保壓一段時(shí)間后，根據(jù)此時(shí)的輪減速度來(lái)識(shí)別路面,。如果此時(shí)的輪減速度超過(guò)了第二上門(mén)限值,，則說(shuō)明是高附著路面；如果輪減速度在第一上門(mén)限值和第二上門(mén)限值之間,，說(shuō)明是一般附著路面,；如果輪減速度小于第一上門(mén)限值，則說(shuō)明是低附著路面,。這樣做的結(jié)果是每個(gè)輪子的保壓等待時(shí)間占據(jù)一個(gè)循環(huán)周期的大部分時(shí)間,，如果采用四個(gè)輪子的循環(huán)順序來(lái)執(zhí)行則需要很長(zhǎng)時(shí)間，不能滿足時(shí)效性要求,。但如果引入多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)勢(shì)必使得算法過(guò)于復(fù)雜,。因此，提出了引入四個(gè)中斷處理的方法,，即每個(gè)輪子都有獨(dú)立的計(jì)時(shí)時(shí)鐘,，ABS控制完全按照各自設(shè)定的中斷時(shí)間執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了四個(gè)輪子的并行控制,。中斷時(shí)間的設(shè)定是保證一秒鐘ABS控制循環(huán)執(zhí)行十幾到幾十次,。
2.1 ABS詳細(xì)控制策略
　　Step 1：輪減速度剛達(dá)到下門(mén)限值時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始保壓,，同時(shí)計(jì)算滑移率,，直到判斷出車輪進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域,，置階段標(biāo)志位Flag＝2，減壓,。
　　Step 2：判斷減速度,，直到減速度小于下門(mén)限值,，置Flag＝3,，保壓,。
　　Step 3：保壓一定時(shí)間，判斷此時(shí)加速度的大?。?1)如果加速度小于第一上門(mén)限值,，判斷為低附著路面，置Flag＝41,，減壓。(2)如果加速度在第一上門(mén)限值和第二上門(mén)限值之間,，判斷為一般路面,，置Flag＝42，保壓,。(3)如果加速度大于第二上門(mén)限值,，判斷為高附著路面，置Flag＝43，增壓,。
　　Step 4：根據(jù)Step3得出的Flag值執(zhí)行不同的控制方案,。
　　Step 5：一個(gè)階段完畢，置Flag＝1,，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)循環(huán),。
　　這樣程序每次進(jìn)入中斷后都將根據(jù)階段標(biāo)志位的值執(zhí)行不同的控制階段，直到完成整個(gè)ABS控制,。
2.2 輪速處理算法^[4]
　　輪速是ABS 程序中計(jì)算車輪加減速度的基礎(chǔ),。對(duì)輪速的處理必須滿足：(1)實(shí)時(shí)性好。ABS 的防抱死控制一秒鐘要進(jìn)行多次循環(huán),，因此對(duì)輪速處理的及時(shí)性要求很高,，要求輪速處理程序不能過(guò)于復(fù)雜。(2)精度高,。ABS 輪速的精度對(duì)其以后的輪加減速度和參考車速的計(jì)算精度影響很大,。
　　輪速采集的方法通常有周期法和脈沖計(jì)數(shù)法，這里采用脈沖計(jì)數(shù)法,。脈沖計(jì)數(shù)法是利用一定時(shí)間內(nèi)輪速傳感器采集進(jìn)來(lái)的齒圈個(gè)數(shù)即脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算輪速,。其計(jì)算公式為：
　　ω=2（πr/N)×(n/△t)　　　　　　　　　　　(2)
　　式中，ω為車輪角速度,；r為車輪半徑,；N為齒圈齒數(shù)；n為記錄的脈沖個(gè)數(shù),；△t為測(cè)量時(shí)間間隔,。由式（2）可以看出，計(jì)算誤差主要由后半部分引起,。單片機(jī)的計(jì)時(shí)很精確,，因此△t的誤差可以忽略不計(jì)，但脈沖個(gè)數(shù)n易造成±1齒的測(cè)量誤差,。誤差產(chǎn)生示意圖如圖3所示,。

　　在低速時(shí)，這±1齒的誤差很可能會(huì)造成ABS的誤動(dòng)作,。如果增加測(cè)量時(shí)間間隔△t,，ABS控制時(shí)效性變差。這里采用平均值法,，即保持△t不變,，每次計(jì)算輪速取最近四次的脈沖計(jì)數(shù)值的平均值，這樣就減小了隨機(jī)誤差,，既能反映出車輪減速度的變化趨勢(shì),，又能防止±1齒的誤差給計(jì)算帶來(lái)大的干擾,。
2.3 程序流程
　　程序流程圖分別如圖4、圖5,、圖6所示,。

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3 仿真平臺(tái)" title="仿真平臺(tái)">仿真平臺(tái)及結(jié)果
　　仿真方式采用xPC Target結(jié)構(gòu)。xPC Target是MathWorks公司發(fā)行的一個(gè)基于RTW（Real-Time Workshop）體系框架的補(bǔ)充產(chǎn)品,，它可將Intel 80x86/Pentium計(jì)算機(jī)或PC兼容機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng),，而且支持許多類型的I/O接口板，采用宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的“雙機(jī)型”解決途徑,，使用兩臺(tái)PC機(jī),，其中宿主機(jī)用于運(yùn)行Simulink，而目標(biāo)機(jī)則用于執(zhí)行實(shí)時(shí)代碼,。目標(biāo)機(jī)運(yùn)行了一個(gè)高度緊縮的實(shí)時(shí)操作內(nèi)核,，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間的通信。仿真結(jié)束后可將結(jié)果數(shù)據(jù)上傳至宿主機(jī),，進(jìn)行分析處理,。
　　客車整車模型在宿主機(jī)Matlab/Simulink環(huán)境中搭建，然后采用xPC工具將模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C代碼,，通過(guò)以太網(wǎng)下載到工控機(jī)中作為被控對(duì)象,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。硬件部分的信號(hào)接收及轉(zhuǎn)換使用Advantech公司的數(shù)據(jù)采集卡PCL-726完成,?？刂破鞯拈_(kāi)發(fā)平臺(tái)使用Metrowerks公司的Codewarrior3.1，程序編譯之后下載至控制器（ECU）中,，并在BDM模式下調(diào)試程序,。半實(shí)物仿真平臺(tái)如圖7所示。
　　其中一個(gè)輪子的仿真結(jié)果如圖8所示,。

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