丁子野，孟俊煥

（德州學(xué)院，山東德州 253000）

車用防抱死制動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁子野，孟俊煥

（德州學(xué)院，山東德州 253000）

車用制動防抱死控制系統(tǒng)（ABS）是基于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上所采用的智能控制技術(shù)，為提高其使用安全性，在原有 ABS 基礎(chǔ)上引入預(yù)測控制技術(shù)、增設(shè)非接觸速度傳感器、牽引力控制系統(tǒng)、總線技術(shù)，極大地提高了制動操縱的穩(wěn)定性和制動方向的準(zhǔn)確性，進(jìn)而得到最大制動力縮短制動距離，從而最大程度地避免發(fā)生交通事故的安全裝置。

車用制動防抱死系統(tǒng)（ABS）；滑移率；邏輯門；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 車用防抱死制動系統(tǒng)的作用

英文 Anti-lockBraking System（防抱死剎車系統(tǒng)）其縮寫即 ABS。其目的是改善車輛的制動能力以及汽車的安全性能，并防止車輪在制動過程中抱死（即停止?jié)L動），從而保證駕駛員緊急制動時還能夠控制方向并防止后軸側(cè)滑。通常情況下，汽車遇到突發(fā)情況剎車時，駕駛員往往會將剎車踩到底導(dǎo)致急剎車的出現(xiàn)。汽車在這時極易產(chǎn)生滑移并引發(fā)側(cè)滑，這種現(xiàn)象極易造成車禍。其根本原因是汽車在緊急制動時，車輪與地面的滾動摩擦?xí)查g變?yōu)榛瑒幽Σ粒喬サ淖サ亓缀鯁适?。為解決此種現(xiàn)象，開發(fā)了一種防抱死制動系統(tǒng)。ABS 按其種類可分為機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式 ABS 結(jié)構(gòu)簡單，其制動效果是通過本身結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的。而電子式 ABS 是把傳送到 ECU 中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較得出結(jié)果，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確制動。電子式 ABS 有單參數(shù)控制和雙參數(shù)控制兩種控制方式，根據(jù)其控制管道可分為四通道防抱死制動系統(tǒng)、三通道防抱死制動系統(tǒng)、雙通道防抱死制動系統(tǒng)和單通道防抱死制動系統(tǒng)。其原理是讓輪胎多個點(diǎn)與地面摩擦，進(jìn)而增大摩擦力來使制動效果達(dá)到最佳。防抱死制動系統(tǒng)不僅具有常規(guī)制動裝置的制動功能，而且還可以避免車輪鎖死。這樣在進(jìn)行緊急制動時，既保證了汽車制動方向的穩(wěn)定性又使汽車在制動時不至于跑偏或者側(cè)滑。

2 防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的基本構(gòu)成與工作原理

2.1 基本組成

添加了 ABS、ECU、傳感器以及執(zhí)行器的普通制動系統(tǒng)就構(gòu)成了電控防抱死系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)形式與控制方法在不同的車輛上是不同的。

圖1 防抱死制動系統(tǒng)組成

（1）傳感器：檢測車輪的運(yùn)行狀態(tài)，得到車輪速度信號，并傳送給 ECU。

（2）電子控制單元（ECU）：接收各傳感器傳送來的信號，進(jìn)而判斷各輪制動情況，并在必要時發(fā)出調(diào)節(jié)命令進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）執(zhí)行器：根據(jù)電控單元指令，調(diào)整分泵的制動壓力。從而達(dá)到調(diào)整制動力的目的。

（4）ABS 警示裝置：報警燈可顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和自診斷報警。

2.2 工作原理

（1）普通制動（ABS 不工作）時。電磁閥斷電，制動主缸與制動分缸自由連通。當(dāng)主缸與分缸斷開時，分缸持續(xù)制動。制動結(jié)束時主缸與分缸連通，油液返回主缸。

（2）ABS 工作時。制動壓力增大：制動液壓油由制動主缸流入制動分缸進(jìn)行制動。制動壓力保持：車輪在抱死邊緣時，電磁線圈經(jīng)電控單元的控制流入小電流，從而制動主缸與制動分缸不連通，保持車輪制動壓力。制動壓力減小：當(dāng)車輪持續(xù)趨于抱死時，電磁線圈經(jīng)電控單元的控制流入大電流，使制動分缸的油液由回油管路流入主缸，制動力逐漸減小，車速上升。繼而電控單元再讓電磁線圈斷電，車輪制動力增加，如此重復(fù)操作。制動系統(tǒng)反復(fù)持續(xù)增壓、保壓、降壓、升壓過程，進(jìn)而使制動器一直處于抱死與未抱死的臨界狀態(tài)中，控制滑移率在最佳范圍內(nèi)浮動，以獲得最佳制動效果。

隨著制動力的增加，滑動所占比例大于滾動，通常用滑動率（S）來說明滑動在制動過程中所占的比例，滑動率（S）越大，滑動所占比例越少。

式中：u 為車輪中心速度；r為沒有地面制動力時車輪滾動半徑；ω為車輪角速度。

3 車用防抱死制動系統(tǒng)應(yīng)用過程中存在問題

（1）盡管邏輯門限控制方法可以有效地避免一系列復(fù)雜的理論分析和剩余不確定性的計(jì)算，且控制器設(shè)計(jì)很簡單，安裝成本低，但它不是最完美的控制算法。

（2）單獨(dú)工作的傳感器測量精度不是很高，并且接觸式輪速傳感器為了測量連續(xù)轉(zhuǎn)動速度，常安裝滾動觸頭在傳感器的可動端頭上。長時間的測量會導(dǎo)致磨損的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致誤差的加大，增加了剎車距離。

（3）在汽車轉(zhuǎn)向制動時，左右輪的轉(zhuǎn)速不同，ECU 無法對從輪速傳感器傳送來的速度數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的判斷，當(dāng)左右輪速度差達(dá)到一定程度，打滑現(xiàn)象繼而會發(fā)生，這對汽車安全行駛造成威脅。

（4）隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，傳感器數(shù)量的增加，但各傳感器之間的數(shù)據(jù)無法相互通用，造成信息傳遞的遲緩以及資源的浪費(fèi)。

4 汽車防抱死系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）預(yù)測控制技術(shù)方案。鑒于目前 ABS 中的邏輯門限值控制算法被廣泛應(yīng)用于所具有的缺點(diǎn)，研究可以根據(jù)道路的特點(diǎn)進(jìn)行改變，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)始終處于最佳狀態(tài)的控制算法是解決其缺點(diǎn)的方法。其中預(yù)測控制技術(shù)就是其解決辦法之一。由于在制動過程中，防抱死制動系統(tǒng)由于車輪與地面摩擦特性的改變致使其時變性、非線性與不確定性十分明顯，其數(shù)學(xué)模型難以被建立。然而，預(yù)測控制具有預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正的突出特點(diǎn)，可以用來確定控制系統(tǒng)中的時間序列，使接下來的控制時間和經(jīng)由柔化后的預(yù)期軌跡之間的差值降為最低。由于該算法所使用的是對線性滾動不斷的改良，并且在改良過程中不停的使系統(tǒng)實(shí)際值與預(yù)期模型值的誤差進(jìn)行反復(fù)矯正，所以能最大限度減小誤差，從而使其實(shí)際輸出效果達(dá)到最佳。

（2）增設(shè)非接觸速度傳感器。隨著速度傳感器的更小、更便宜、更可靠，在制動系統(tǒng)中增加速度傳感器的數(shù)量成為可能，這樣可以更準(zhǔn)確、更迅速地測量車輪滑移率。在被測轉(zhuǎn)軸上設(shè)有齒盤，在齒盤附近設(shè)有霍爾器件及磁路系統(tǒng)。因齒盤的轉(zhuǎn)動致使磁路的間隙發(fā)生周期性變化，從而經(jīng)霍爾元器件計(jì)算后可得到被測車輪的轉(zhuǎn)速。①采用霍爾式非接觸速度傳感器。測速原理如圖2 所示。當(dāng)齒盤對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大電動勢，再經(jīng)放大、整形后輸出高電平；反之則輸出低電平。優(yōu)點(diǎn)：霍爾器件結(jié)構(gòu)可靠、壽命長、安裝簡單、耗能小、頻率高、不受空氣污染物的污染或腐蝕，取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。霍爾元件安裝位置如圖3 所示。②采用霍爾式非接觸速度傳感器。它是由旋轉(zhuǎn)盤、光源、光接收器等組成，被測軸與輸入軸相連接。光源發(fā)出的光通過縫隙旋轉(zhuǎn)盤照射到光敏器件上，使光敏器件感光并產(chǎn)生電脈沖。旋轉(zhuǎn)軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，光敏感裝置輸出一系列電脈沖與間隙旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度和槽數(shù)成正比。光電轉(zhuǎn)速傳感器為非接觸式結(jié)構(gòu)緊湊體積小,其抗干擾能力極強(qiáng)，普通光線不會對其起到干擾，而且測量能力好，運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的可靠性，測量精度高。如圖4 所示。

圖2 霍爾元件測速原理

圖3 霍爾元件安裝位置

圖4 光電式速度傳感器原理圖

（3）牽引力控制系統(tǒng)和 ABS 的配合使用。是由一個單一的 ABS 控制目標(biāo)變化到多個目標(biāo)轉(zhuǎn)變而來的，牽引力控制系統(tǒng)（TCS）隨之應(yīng)運(yùn)而生。TCS 和 ABS 的配合使用，會對汽車的安全性能起到提高作用。車軸上的輪速傳感器可被 TCS 和ABS 共同使用，并與 ECU 相連，對各輪的速度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象時，TCS 會與 ABS 共同控動來降低此車輪的打滑現(xiàn)象。

（4）總線技術(shù)在 ABS 系統(tǒng)上的應(yīng)用。在現(xiàn)代汽車中，電控單元應(yīng)用的越來越多，各電子設(shè)備之間的信息交互變得重要起來。構(gòu)建汽車車載電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得尤為重要。汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)的快速交互、可靠性以及廉價性等特點(diǎn)。在此系統(tǒng)中，控制器不僅可以獨(dú)立控制車輛一個方面的性能，而且可以為其他設(shè)備提供其他服務(wù)?？偩€傳輸技術(shù)是汽車內(nèi)部網(wǎng)中最主要的部分，汽車中各種電控單元、傳感器、儀表等通過某種協(xié)議連接起來在汽車總線傳輸中，減少了連接線的數(shù)量與體積，不僅提高了可靠性而且節(jié)省了空間，提高了系統(tǒng)的靈活性。

5 結(jié)語

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和人們對安全需求的不斷增長，ABS 逐漸成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，提高和改善 ABS 的性能一直是對其改進(jìn)的目標(biāo)。隨著新理論、新材料、新技術(shù)等不斷應(yīng)用，結(jié)構(gòu)更簡化、性能更強(qiáng)、成本更低的 ABS產(chǎn)品將不斷推出，汽車安全性也因此得到進(jìn)一步的改善和提高。未來汽車電子控制系統(tǒng)將以網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和綜合控制的方向轉(zhuǎn)變與發(fā)展，從而使整車綜合性能得到提高與保證。

［1］俊松，宋仲康.汽車車速傳感器測試系統(tǒng)的開發(fā)［J］.汽車電器，2002，（2）：13-15.

［2］陳德玲，制動過程的主動轉(zhuǎn)向干預(yù)控制［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（10）：2640-2645.

［3］呂泉，現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1995.

［4］李果，余達(dá)太.電動車制動防抱死控制系統(tǒng)［J］.控制理論與應(yīng)用，2005，22（1）：134-138.

Optimization Design of Automotive Anti-lock Braking System

DING Zi-ye，MENG Jun-huan
（Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

Automotive anti-lock braking controlsystem （ABS） is intelligentcontroltechnology based on the traditionalbraking system.To improve the safety，it introduces predictive controltechnology,adds non-contact speed sensor，traction controlsystem，and bus technology based on the original ABS，which has greatly improved the stability ofthe brake control and accuracy of brake control direction，and thus obtains maximum braking force to shorten braking distance，so as to maximize avoid traffic accident.

automotive anti-lock braking system （ABS）；slip rate；logic gate；optimization design

U463.526

A

2095-980X（2016）12-0028-02

2016-10-07

丁子野（1992-），男，江蘇新沂人，大學(xué)本科。