李泉明，龍永紅，王 彬

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引 言

汽車制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（anti-lock braking system，ABS）是一種應(yīng)用廣泛的汽車動(dòng)力學(xué)電子控制裝置，在汽車制動(dòng)過程中，可以顯著改善車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性和可操作性，有效減少因緊急制動(dòng)甩尾和前輪抱死不能轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致的交通事故[1]。國外經(jīng)過幾十年的理論研究和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，ABS技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。國內(nèi)ABS的研究起步相對較晚，但發(fā)展十分迅速，加之合資品牌汽車的推動(dòng)，現(xiàn)在國內(nèi)生產(chǎn)銷售的乘用車幾乎均標(biāo)準(zhǔn)配置ABS。但ABS在國內(nèi)商用車市場上的安裝率卻一直較低，除了受車輛成本的影響外，ABS車型研發(fā)匹配周期長、量產(chǎn)成型的成品控制效果不理想，甚至產(chǎn)生制動(dòng)力不足等情況，也是阻礙其在商用車上廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素[2]。

針對以上問題，本文對傳統(tǒng)卡車ABS控制器所采用的輪速、參考車速計(jì)算方法，根據(jù)對象特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的輪速、參考車速計(jì)算的準(zhǔn)確度。通過對傳統(tǒng)邏輯門限控制算法的分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改進(jìn)形成一種復(fù)合邏輯門限控制方法，從而改善了原有算法邏輯復(fù)雜、門限值之間缺乏聯(lián)系、易受干擾、車型匹配難度大等問題。

1 總體控制方案

ABS復(fù)合邏輯門限控制流程如圖1所示，其控制過程如下：

1）控制器采集4路輪速信號，通過輪速信號計(jì)算出4個(gè)受控車輪的輪速。

2）通過特定的算法，根據(jù)4路輪速信號計(jì)算出車輛的參考車速，反映車輛整體運(yùn)動(dòng)速度。

3）根據(jù)計(jì)算得到的各個(gè)輪速和參考車速，計(jì)算得到4個(gè)受控車輪的滑移率和加速度。

4）根據(jù)各個(gè)車輪的滑移率、加速度，結(jié)合參考車速計(jì)算得到4個(gè)受控車輪的復(fù)合邏輯門限參數(shù)值。

5）判斷車輛制動(dòng)信號，如沒有制動(dòng)信號則結(jié)束本次循環(huán)，如果檢測到制動(dòng)信號則立即判斷復(fù)合邏輯門限參數(shù)的值和滑移率是否在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，如果在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)則結(jié)束該次循環(huán)，否則輸出相應(yīng)的控制動(dòng)作。

圖1 ABS復(fù)合邏輯門限控制流程圖Fig.1 Flowchart of ABS composite logic threshold control

在傳統(tǒng)邏輯門限控制算法中，沒有復(fù)合邏輯門限參數(shù)計(jì)算這一步驟，只根據(jù)與車輪加速度、減速度、滑移率等相關(guān)的5個(gè)門限值，以及多個(gè)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行控制規(guī)則判斷。其優(yōu)點(diǎn)是控制量直觀存在、容易理解；缺點(diǎn)是邏輯復(fù)雜，5個(gè)參數(shù)與車型匹配起來難度較大，如果要做到適合各種制動(dòng)工況，通常需要曠日持久的路況實(shí)驗(yàn)[3]。

綜上所述，對邏輯門限算法的改進(jìn)應(yīng)該在保證控制效果的基礎(chǔ)上，對復(fù)雜的邏輯門限進(jìn)行縮減，增加傳統(tǒng)算法門限值之間的聯(lián)系，并且降低車型適配的難度，使得車型匹配簡單，當(dāng)一個(gè)門限出現(xiàn)異常時(shí)不會(huì)對控制效果產(chǎn)生明顯影響?；谏鲜鏊悸?，本文對傳統(tǒng)邏輯門限控制算法加以改進(jìn)，形成了復(fù)合邏輯門限控制方法。該方法將與抱死趨勢有關(guān)的多個(gè)參數(shù)整合為可反應(yīng)抱死趨勢的1個(gè)參數(shù)。當(dāng)參數(shù)值過大時(shí)，表示抱死趨勢明顯應(yīng)該減壓；當(dāng)該值過小時(shí)，表示沒有明顯抱死趨勢可以繼續(xù)增壓；處于中間值時(shí)，表示制動(dòng)壓力可以繼續(xù)保持。

輪速計(jì)算是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)以及車型性能的指標(biāo)，要求能夠準(zhǔn)確計(jì)算15～120 km/h區(qū)間內(nèi)的輪速。通常ABS輪速計(jì)算的方法有頻率法和周期法。頻率法在輪速較低時(shí)誤差較大；周期法也存在抗干擾性差的缺點(diǎn)，特別是卡車工作環(huán)境較差，容易出現(xiàn)傳感器齒圈損壞、沾有泥土等情況[4]。針對這些問題，本文在輪速計(jì)算時(shí)采用固定程序周期均值法，通過一個(gè)程序周期內(nèi)的平均輪速來代表該周期所有時(shí)刻的輪速。該計(jì)算方法既能消除一定的干擾，也能滿足卡車氣壓制動(dòng)系統(tǒng)輪速計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求。

參考車速的計(jì)算是滑移率計(jì)算的基礎(chǔ)，也是ABS控制中的一個(gè)難點(diǎn)。在現(xiàn)有的主流卡車ABS控制器設(shè)計(jì)方案中，因成本原因沒有加入速度傳感器和加速度傳感器，參考車速完全依靠輪速來計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用最大輪速值法、斜率法以及將2種方法融合的綜合法。最大輪速值法是選用所采集到的多路輪速中的最大值作為輪速；斜率法是在確定制動(dòng)初速度后，假設(shè)車輛以一定的斜率進(jìn)行減速，計(jì)算出的假設(shè)值作為輪速值；綜合法則選用最大值法和斜率法計(jì)算值的較大值作為車速[5]。為獲取準(zhǔn)確的輪速，在綜合法基礎(chǔ)上改進(jìn)為斜率可調(diào)綜合法來計(jì)算參考車速，該方法能根據(jù)不同的路面狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)斜率，具有一定的路面辨識能力。

2 復(fù)合邏輯門限控制方法

2.1 輪速與參考車速計(jì)算

根據(jù)卡車的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求相對較低這一特點(diǎn)，輪速計(jì)算采用了以時(shí)間換精度的固定程序周期均值法，以求獲得最準(zhǔn)確的輪速計(jì)算值。

通過捕獲輪速傳感器脈沖并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算可以得到一個(gè)程序周期（20 ms）內(nèi)輪速輸入信號的平均周期，如圖2所示。

圖2 輪速計(jì)算原理圖Fig.2 Schematic of wheel speed calculation

在1個(gè)20 ms程序周期內(nèi)捕獲上升沿4個(gè)，脈沖周期個(gè)數(shù)N=3，周期和為T=T1+T2+T3，因此輸入信號平均周期為T/3，即車輪轉(zhuǎn)過1個(gè)傳感器齒間距的時(shí)間為T/3。在已知輪胎半徑和輪速傳感器齒圈齒數(shù)時(shí)，可計(jì)算得到對應(yīng)1個(gè)傳感器齒間距的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的距離。

輪速計(jì)算公式為

式中：N0為輪速傳感器齒圈齒數(shù)；

r為輪胎半徑。

根據(jù)式（1）計(jì)算得到的輪速經(jīng)過濾波校正后，可以反映輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)速度?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案在理論上可以計(jì)算6.08～120.00 km/h區(qū)間內(nèi)的輪速，符合設(shè)計(jì)要求。

參考車速采用斜率可調(diào)綜合法計(jì)算，在綜合法的基礎(chǔ)上，當(dāng)制動(dòng)開始時(shí)記錄時(shí)間點(diǎn)，按照預(yù)設(shè)斜率開始計(jì)算速度值并與最大輪速值比較，選擇2個(gè)數(shù)據(jù)中較大值為參考車速。當(dāng)最大輪速值超過斜率值時(shí)記錄此時(shí)的時(shí)間，計(jì)算該點(diǎn)到制動(dòng)初始點(diǎn)的減速斜率，將計(jì)算得到的斜率值替換初始斜率，當(dāng)最大輪速再次超過斜率值時(shí)繼續(xù)更新斜率。實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 斜率可調(diào)綜合法實(shí)驗(yàn)效果圖Fig.3 Experimental effect diagram for slope adjustable consolidation method

由圖可知，參考車速斜率在不斷的更新，計(jì)算得到的參考車速與實(shí)際車速雖有一定偏差，但明顯優(yōu)于綜合法，可滿足復(fù)合邏輯門限參數(shù)計(jì)算的要求。

2.2 復(fù)合門限參數(shù)的計(jì)算與邏輯判斷

Bosch邏輯門限控制方法是傳統(tǒng)邏輯門限控制方法中的一個(gè)典型代表，采用的門限值有5個(gè)，分別是車輪角減速度門限a1、車輪角加速度門限a2、車輪角加速度第二門限ak、參考滑移率第一門限S1和第二門限S2。ABS匹配實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是調(diào)整以上5個(gè)門限值。制動(dòng)氣室的壓力調(diào)節(jié)方式為增壓、減壓、保壓、階梯增減壓，采用何種壓力調(diào)整方式直接由門限值決定。

一個(gè)經(jīng)典的Bosch邏輯門限控制循環(huán)的過程為：當(dāng)制動(dòng)壓力升高時(shí)a1決定開始減壓的時(shí)機(jī)，防止車輪抱死。為了避免ABS 剛介入制動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的不必要減壓，讓S1與a1共同起作用。如果在達(dá)到a1門限前，參考滑移率已經(jīng)達(dá)到S1門限，這表明車輪已經(jīng)進(jìn)入不穩(wěn)定滑移階段，則直接減壓。在減壓階段，當(dāng)車輪減速度再次小于a1門限后轉(zhuǎn)入保壓。此時(shí)輪速繼續(xù)回升，如果角加速度超過a2，則繼續(xù)保壓；如果在一定的時(shí)間內(nèi)角加速度不能達(dá)到a2，則判斷為低附著路面，進(jìn)入階梯減壓調(diào)節(jié)；如果角加速度門限超過ak，則增加制動(dòng)壓力[2]。

通過對經(jīng)典Bosch邏輯門限控制算法的分析可知，5個(gè)門限值中任何一個(gè)設(shè)置的不合理都可能導(dǎo)致制動(dòng)抱死或者制動(dòng)力偏低。由于5個(gè)門限值之間的聯(lián)系較小，當(dāng)一個(gè)門限值在一種情況下出現(xiàn)不匹配不能提供最好制動(dòng)效果時(shí)，其他門限不能夠提供反饋補(bǔ)償，且車型匹配難度相對較大。在實(shí)際車輛匹配中往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力[5]。針對以上問題，本文使用了復(fù)合邏輯門限參數(shù)作為主門限參數(shù)，滑移率作為第二門限參數(shù)。

復(fù)合邏輯門限參數(shù)是由多個(gè)反映輪胎抱死趨勢的分離參數(shù)運(yùn)算得到，用1個(gè)參數(shù)來表示輪胎的抱死趨勢。根據(jù)Bosch邏輯和物理知識可知，車輪在減速過程中的加速度大小，可以反映輪胎的抱死趨勢，越大說明抱死的趨勢越明顯。加速度是根據(jù)相鄰程序周期輪速來計(jì)算，它表示本次狀態(tài)和前一次狀態(tài)的變化大小?；坡士芍苯臃磻?yīng)抱死趨勢，但限制于車輛參考速度獲取中存在的誤差和干擾，使得ABS控制器計(jì)算得到滑移率與真實(shí)滑移率可能存在一定偏差，因此在主流的ABS控制算法中均將其作為輔助門限值?；坡时硎颈敬纬绦蛑芷谳喬セ茽顟B(tài)，同樣是數(shù)值越大表示抱死趨勢越明顯，因此，將滑移率δ和車輪加速度a乘以一定的權(quán)值后相加，得到一個(gè)新的參數(shù)

該參數(shù)的大小受滑移率和車輪加速度變化影響，當(dāng)滑移率和車輪加速度中一個(gè)出現(xiàn)異?；蛘邫?quán)值設(shè)定與特殊路面狀態(tài)不匹配時(shí)，另外一個(gè)數(shù)據(jù)可以在一定程度上起到修正作用。通過權(quán)值匹配后的大量路面實(shí)驗(yàn)證明，參數(shù)p在中低速（10～55 km/h）時(shí)制動(dòng)防抱死效果突出，但在高于55 km/h時(shí)容易產(chǎn)生制動(dòng)力不足，并且隨速度增加這種制動(dòng)力不足現(xiàn)象越明顯。由此可知，p值因車輛的高速運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了誤差，過早達(dá)到抱死趨勢門限從而引發(fā)了錯(cuò)誤的保壓或減壓動(dòng)作。因此p參數(shù)需要修改，考慮試驗(yàn)中參考車速對制動(dòng)過程的影響，將p參數(shù)修改為

式中vr為參考車速。

通過初步理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)匹配，式（3）中的p值可以反映抱死趨勢，并且?guī)缀醪皇芩俣茸兓挠绊?，稱其為復(fù)合邏輯門限參數(shù)。該參數(shù)由3個(gè)控制器計(jì)算所得的參數(shù)乘以相應(yīng)權(quán)值求和形成，使得多個(gè)參數(shù)聯(lián)系在一起，當(dāng)某個(gè)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，復(fù)合邏輯門限參數(shù)值受到的影響較小，參考車度作為一個(gè)負(fù)反饋來抵御高速行駛中的制動(dòng)力不足現(xiàn)象。復(fù)合邏輯門限控制全過程原理如圖4所示。

圖4 復(fù)合邏輯門限控制方法原理圖Fig.4 The schematic of composite logic threshold control method

在邏輯判斷時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)得到前一周期的保壓、減壓或加壓情況下的復(fù)合邏輯門限參數(shù)減壓值門限ph和保壓值門限pl。這2個(gè)門限值將復(fù)合邏輯門限參數(shù)分為3個(gè)區(qū)間，當(dāng)高于ph時(shí)減壓，低于pl時(shí)增壓，其余為保壓。第二門限參數(shù)滑移率δ的判斷邏輯為，當(dāng)滑移率超過55%時(shí)保壓，超過80%時(shí)進(jìn)行減壓，第二門限參數(shù)值只是在制動(dòng)力過大，抱死趨勢特別明顯時(shí)介入控制過程，通常情況下僅以第一門限參數(shù)為邏輯判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢驗(yàn)采用復(fù)合邏輯門限參數(shù)控制方法的ABS控制器的控制效果，在陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的某型載重汽車上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對該型車輛原裝的ABS進(jìn)行性能測定，以便與采用復(fù)合邏輯門限控制方法的自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行比較。該型載重汽車使用的輪速傳感器、電磁閥執(zhí)行裝置均符合實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過串口通信的方式，把自主設(shè)計(jì)的ABS控制器計(jì)算得到的4路輪速、參考車速發(fā)送給計(jì)算機(jī)來進(jìn)行分析。在對該型車輛原裝ABS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，將輪速傳感器并聯(lián)到自主設(shè)計(jì)的ABS控制器的輪速輸入端，以獲取該型車輛原裝ABS控制器的輪速信息、參考車速信息。根據(jù)GB/T 13594—2003《機(jī)動(dòng)車和掛車防抱制動(dòng)性能和試驗(yàn)方法》以及GB 12676—1999《汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》分析的主要數(shù)據(jù)見表1～3。

表1 40km/h初速度干燥柏油路面緊急制動(dòng)數(shù)據(jù)Table1 The emergency braking data on dry asphalt surface at 40 km/h initial velocity

表2 50km/h初速度無積水泥濘路面緊急制動(dòng)數(shù)據(jù)Table2 The emergency braking data on no water muddy road at 50 km/h initial velocity

表3 60km/h初速度灑水柏油路面緊急制動(dòng)數(shù)據(jù)Table3 The emergency braking data on watering asphalt road at 60 km/h initial velocity

干燥柏油路面的附著系數(shù)約為0.8，無積水泥濘路面的附著系數(shù)約為0.13，灑水柏油路面的附著系數(shù)約為0.56。以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用復(fù)合邏輯門限參數(shù)的ABS在制動(dòng)過程中有防抱死效果，與原裝產(chǎn)品相比，制動(dòng)距離有明顯縮短。在對開路面、對接路面實(shí)驗(yàn)效果也達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]規(guī)定。

采用復(fù)合邏輯門限控制方法設(shè)計(jì)的ABS控制器簡化了控制邏輯，縮短了車型匹配周期，該產(chǎn)品現(xiàn)已小批量生產(chǎn)試裝，筆者和該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將根據(jù)客戶試用反饋的信息，對算法、硬件設(shè)計(jì)等繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)證明，采用復(fù)合邏輯門限控制方法設(shè)計(jì)的ABS控制器具有良好的制動(dòng)防抱死效果，在各種路況下的控制效果均優(yōu)于現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品。

2）改進(jìn)的輪速、參考車速計(jì)算方法滿足控制器實(shí)時(shí)性要求，在精確度上有一定的提升。

3）車輛匹配工作得到了減少，節(jié)約了人力和物力，產(chǎn)品符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，為產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

[1] 張幽彤，陳寶江，翟 涌，等. 汽車電子技術(shù)原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：190-222.Zhang Youtong，Chen Baojiang，Zhai Yong，et al. The Principle and Application of Automotive Electronic Technology[M]. Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2006：190-222.

[2] 王偉達(dá)，丁能根，張 為，等. ABS邏輯門限值自調(diào)整控制方法研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(22)：90-95.Wang Weida，Ding Nenggen，Zhang Wei，et al. Research and Verification of the Logic Threshold Self-Adjusting Control Method for ABS[J]. Journal of Mechanical Engineering，2010，46(22)：90-95.

[3] 李聚超. 乘用車的ABS邏輯門限控制與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 吉林：吉林大學(xué)，2011.Li Juchao. Research and Experiment of ABS Logical Threshold Control for Passenger Vehicle[D]. Jilin：Jilin University，2011.

[4] 梅育庭. 汽車ABS性能檢驗(yàn)的建模及半實(shí)物仿真[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2006.Mei Yuting. The Modeling about the Appraisement of the Performance of the Automotive ABS and Semi-Practicality Simulation[D]. Dalian：Dalian University of Technology，2006.

[5] 吳誥珪，許 季，劉紹輝. 汽車防抱制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)的車速計(jì)算[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30(2)：76-78.Wu Gaogui，Xu Ji，Liu Shaohui. Calculation for Speed of Braking Vehicle with ABS[J]. Journal of South China University of Technology：Natural Science，2002，30(2)：76-78.

[6] 中國汽車技術(shù)研究中心. GB/T 13594—2003機(jī)動(dòng)車和掛車防抱制動(dòng)性能和試驗(yàn)方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：15-23.China Automotive Technology & Research Center. GB/T 13594—2003 Antilock Braking Performance and Test Procedure for Vehicles and Trailers[S]. Beijing：China Standards Publishing House，2003：15-23.

[7] 中國汽車技術(shù)研究中心. GB 12676—1999汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999：25-40.China Automotive Technology & Research Center. GB 12676—1999 Automobile Braking System Structure,Performance and Test Methods[S]. Beijing：China Standards Publishing House，1999：25-40.