毕业论文（设计）-汽车防滑刹车控制器硬件设计01422.doc

本科毕业论文（设计） 题目：汽车防滑刹车控制器硬件设计姓 名： 学 号： 专 业： 院 系： 指导老师： 实习单位： 完成时间： xxxxxxxx教务处制内容摘要随着现代电子技术的发展,汽车的使用量在不断增加，人们对汽车的行车安全性也越来越重视，汽车防滑刹车控制系统是衡量汽车的安全性能一项重要指标，是防止车抱死的一种机电一体化系统。汽车防抱死制动系统abs是改善汽车主动安全性的重要装置，可以防止汽车在紧急刹车时出现的侧滑、跑偏、失去转向操纵能力等不利因素，缩短刹车距离，保证汽车安全制动。本文首先介绍了国内外的abs系统的发展现状，然后着重介绍了防抱死控制系统的基本构成及其特点，并详细讨论了防抱死控制器的工作原理，以及各个组成部分的结构及其原理，并根据其原理设计出一种汽车防滑刹车控制器的硬件部分。关键词：防抱死制动系统；组成及工作原理；控制电路abstractalong with the development of modern electronic technology, automobile usage increases, and the people for the automobile driving safety also pay more and more attention to, car antiskid brake control system to measure the safety performance of the car is an important index, is to prevent car lock of a kind of electromechanical integration system. auto ant-ilock braking system is to improve the safety car abs initiative the important device, can prevent car in the emergency brake arise when lateral spreads, running deviation and lose steering control ability, shorten the braking distance adverse factors, guarantee car safety brake. this paper firstly introduces the development status of the abs system, then introduces the basic structure, antilock brake control system and its characteristic, and discussed in detail the working principle, antilock brake controller and component part of the structure and principle, and according to the principle designed an automobile antiskid brake system controller hardware parts. key words：anti-lock braking system; composition and working principle; control circuit 目 录第一章 绪论 .11.1国内外对防滑刹车控制器的研究背景 11.2 本课题研究的意义 . 3第二章 防滑刹车控制系统的布置形式及组成 32.1 常见abs系统的布置形式 42.2 abs系统的组成结构 52.2.1轮速传感器 62.2.2电子控制单元ecu 62.2.3制动压力调节装置 .7第三章 防滑刹车控制系统的控制原理 83.1汽车滑移率与附着系数 .83.1.1滑移率的定义 .83.1.2附着系数 .93.2汽车制动时受力分析 .103.3 abs的工作原理 .12第四章 防滑刹车控制器的硬件设计 .144.1 防滑控制单元单片机的选择 154.2 传感器的设计 164.3 abs电子控制器（abs ecu）的设计 .174.4输入信号处理模块 .194.5制动压力调节装置的设计 .204.6输出控制电路 .21第五章 总结.22参考文献 22致谢 23第一章 绪论随着人们生活水平的提高，家庭轿车越来越普及，因而越来越多的人考虑到汽车制动的安全性能，开始注意到与人生安全密切相关的设备，如abs、安全气囊等。汽车制动防抱死系统，简称abs，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。制动防抱死系统是汽车安全措施中继安全带之后的最大进展，是提高汽车制动安全性的又一大进步。在汽车防抱死制动系统出现之前，汽车所用的都是开环制动系统。其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员的操纵力、制动力的分配调节以及制动器的尺寸和型式有关。由于没有车轮运动状态的反馈信号，无法测知制动过程中车轮的速度和抱死情况，汽车就不可能据此调节轮缸或气室制动压力的大小。因此在紧急制动时，不可避免地出现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小，汽车在受到任何微小外力的作用下就会出现方向失稳问题，极易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上制动时，这种方向失稳的现象会更加严重。汽车防抱死制动系统（anti-lock braking system简称abs）的出现从根本上解决了汽车在制动过程中的车轮抱死问题。它的基本功能就是通过传感器感知车轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小以避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有成就的应用项目之一，汽车制动防抱死系统可使汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效提高行车的安全性。1.1国内外对防滑刹车控制器的研究背景基于制动防抱理论的制动系统首先是应用于火车和飞机上。1936年，德国博世公司（bosch）申请一项电液控制的abs装置专利，促进了abs技术在汽车上的应用。汽车上开始使用abs始于1950年代中期福特汽车公司，1954年福特汽车公司在林肯车上装用法国航空公司的abs装置，这种abs装置控制部分采用机械式，结构复杂，功能相对单一，只有在特定车辆和工况下防抱死才有效，因此制动效果并不理想。机械结构复杂使abs装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高。abs技术在汽车上的推广应用举步艰难。直到70年代后期，由于电子技术迅猛发1展，为abs技术在汽车上应用提供了可靠的技术支持。abs控制部分采用了电子控制，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，制动效果也明显改善，同时其体积逐步变小，质量逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的abs装置。进入90年代后，abs技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛采用abs技术，abs装置已成为汽车的必要装备。北美和西欧的各类客车和轻型货车abs的装备率已达90以上，轿车abs的装备率在60左右，运送危险品的货车abs的装备率为100。abs装置制造商主要有：德国博世公司（bosch），欧、美、日、韩国车采用最多；美国德科公司（delco），美国通用及韩国大宇汽车采用；美国本迪克斯公司（bendix），美国克莱斯勒汽车采用；还有德国戴维斯公司（teves）、德国瓦布科（wabco）、美国凯尔西海斯公（kelseyhayes）等，这些公司的abs产品都在广泛地应用，而且还在不断发展、更新和换代。近年来，abs技术在我国也正在推广和应用，1999年我国制定的国家强制性标准gb12676-1999汽车制动系统结构、性能和试验方法中已把装用abs作为强制性法规。此后一汽大众、二汽富康、上海大众、重庆长安、上海通用等均开始采用abs技术，但这些abs装置我国均没有自主的知识产权。国内研究abs主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、济南捷特汽车电子研究所、清华大学、西安交通大学、吉林大学、华南理工大学、合肥工业大学等单位，虽然起步较晚，也取得了一些成果。在气压abs方面，国内企业包括东风电子科技股份有限公司、重庆聚能、广东科密等都已形成了一定的生产规模。液压abs由于技术难度大，国外技术封锁严密，国内企业暂时不能独立生产，但在液压abs方面也在做自主研发，力图突破国外跨国公司的技术壁垒，已经取得了一些新的进展和突破。如清华大学和浙江亚太等承担的汽车液压防抱死制动系统（abs）“九五”国家科技攻关课题，在abs控制理论与方法、电子控制单元、液压控制单元、开发装置和匹配方法等关键技术方面均取得了重大成果。采用的耗散功率理论，避免了传统的逻辑门限值研究方法的局限性，取得了理论上的突破，研发abs成功且进入产业化、批量生产阶段。其试样在南京iveco轻型客车上匹配使用全面达到了国家标准gb12676-1999和欧洲法规eecr13的要求。这对振兴我国汽车工业与汽车零部件业具有划时代意义，标志着我国汽车液压abs国产化已迈出坚实的一步。同时合肥工业大学也研制出国内具有自主知识产权的液压制动电子防抱系统，率先在hf6700轻型汽车上匹配使用获得成功。国内液压abs技术含量与国外虽有一定的差距，但在政府的大力支持和国内丰富的人力资源配合下，相信国内可以在较短的时间内在abs技术某些领域赶超国际水平。abs的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。2004年5月1日我国开始实施新的中华人民共和国道路交通安全发，同时颁布了一系列关于车辆安全性方面的标准和法规，并规定：abs装置强制安装在规定的车辆上。预计不久的将来，我国自己生产的汽车将会装上国产的abs装置。1.2 本课题研究的意义随着市场竞争的日趋激烈，世界经济全球化的日益发展，尤其在我国加人世贸组织后，汽车行业面临前所未有的挑战和机遇。提高汽车整车和零配件的国产化，赶超世界先进水平，是国人的共同愿望。在产品设计水平的提高、开发周期的缩短和生产成本的降低等各方面，都是我门机械和汽车行业设计人员亟待解决的问题。近年来，随着我国汽车工业的大规模投资及国内外汽车工业合资得到迅速发展，汽车产量大幅度增长。但另一方面我国交通基础设施虽然得到各级政府的大力支持，总的趋势是车流量和车辆密度还在不断增加。为了有效减少交通事故，必须在车辆上安装abs系统。abs是充分利用轮胎和地面附着系数，采用控制制动液压压力的方法，给各车轮施加最合适的制动力其具有如下优点：增强了汽车制动时的稳定性；减少了浮滑现象；有效缩短制动距离；减轻轮胎的磨损；使用方便，工作可靠等。我国的abs技术研究工作始于上世纪末，落后于欧美等国家几十年，因此加强abs的研究和应用，完善汽车的制动性能，对于我们发展汽车及相关行业和保护人生安全具有现实意义。 第二章 防滑刹车控制系统的布置形式及组成防抱死制动系统abs全称是anti-lock brake system，即abs，“它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。abs是常规刹车装置基础上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。它既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置可安装在任何带液压刹车的汽车上。2.1 常见abs系统的布置形式abs系统中，能够独立进行制动压力调节的制动管路称为控制通道。如果对某车轮的制动压力可以进行单独调节，称这种控制方式为独立控制；如果对两个（或两个以上）车轮的制动压力一同进行调节，则称这种控制方式为一同控制。在两个车轮的制动压力进行一同控制时，如果以保证附着力较大的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按高选原则一同控制；如果以保证附着力较小的车轮不发生制动抱死为原则进行制动压力调节，称这种控制方式为按低选原则一同控制。按控制通道数目的不同，abs系统分为：单通道、双通道、三通道和四通道四种形式，而其布置形式却多种多样，由于三通道形式有利于缩短制动距离，并且很大程度上改善了汽车方向的稳定性，故三通道系统使用较为广泛，本课题采用三通道方式。在这里着重介绍三通道系统。四轮abs大多为三通道系统，三通道系统都是对两前轮的制动压力进行单控制，对两后轮的制动压力按低选原则一同控制，对应于双制动管路的h型（前后）或x型（对角）两种布置形式，其布置形式如图2_1(a)：图2_1(a)图2_1（a）所示的按对角布置的双管路制动系统中，虽然在通往四个制动轮缸的制动管路中各设置一个制动压力调节装置，但两个后制动压力调节分装置却是由电子控制装置一同控制，实际上仍是三通道abs。由于三通道abs对两后轮进行一同控制，对于后轮驱动的汽车可以在变速器或主减速器中只设置一个转速传感器来检测两后轮的平均转速在三通道系统中，两个前轮单独控制，两个后轮选择哪个轮先抱死作为参考同时控制，其典型的实物结构图如下：图2_1(d) 三通道abs系统汽车紧急制动时会发生很大的轴荷转移（前轴荷增加，后轴荷减小）使得前轮的附着力比后轮的附着力大很多。对前轮制动压力进行独立控制，可充分利用好两前轮的附着力对汽车进行制动，故使用较为广泛。对于四通道、二通道以及单通道系统，其布置形式都有两种方式：x型（对角）和h型（前后）两种，其主要区别在于前后轮安装传感器的数目以及制动压力调节分装置（通道）数目及形式。由于这三种形式通道系统在控制汽车稳定性以及防抱死等方面不及三通道，较不常使用，故在此就不作详细介绍。2.2 abs系统的组成结构abs通常都由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子控制单元ecu和abs警示灯等组成，在不同的abs系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能不尽相同。其结构图（三通道abs）如下图2-2 （a）abs系统组成与结构图2.2.1轮速传感器轮速传感器是汽车轮速的检测元件，它能产生与车轮速近速度成正比的近似正弦信号，将有关各车轮转速的信号输入电子控制装置，abs控制单元根据处理后的信号计算车轮速度。本课题采用的是霍尔轮速传感器。霍尔轮速传感器由传感头和磁圈组成，传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，结构图见图2_2（b）1、磁体 2、霍尔元件 3、齿轮图2_2（b）霍尔轮速传感器结构图2.2.2电子控制单元ecu电子控制单元是整个防抱死系统的核心控制部件，它接收车轮速度传感器送来的频率信号，对各个车轮的运动状态进行监测和判定产生相应的控制电信号，操纵电磁阀去调节制动压力，使轮速上升或下降，将汽车车轮滑移率控制在一定范围内，实现汽车的安全、可靠制动2.2.3制动压力调节装置制动压力调节装置主要由调压电磁阀、电动泵、储液器和一些控制开关等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。（1）电磁控制阀是液压调节器的重要部件，由它完成对abs的控制。abs系统中都有一个或两个电磁阀体，其中有若干对电磁控制阀，分别控制前、后轮的制动。常用的电磁阀有三位三通阀和二位二通阀等多种形式。在没有控制信号的情况，该制动系统相当于常规系统，直接输出最大制动压力；当ecu发出控制信号时，电磁阀动作，调节车轮的滑移率，使制动力接近峰值但又不达到峰值制动力，实现最佳制动效率（2）电动泵是一个高压泵，它可在短时间内将制动液加压（在储能器中）到1518mpa，并给整个液压系统提供高压制动液体。电动泵能在汽车起动一分钟内完成上述工作。电动泵的工作独立于abs电脑，如果电脑出现故障或接线有问题，电动泵仍能正常工作。（3）储能器的结构形式多种多样。用得较多的为活塞-弹簧式储能器，该储能器位于电磁阀与回油泵之间，由轮缸来的液压油进入储能器，进而压缩弹簧使储能器液压腔容积变大，以暂时储存制动液。 （4）压力控制、压力警告和液位指示开关 。压力控制开关（pcs）独立于abs电脑而工作，监视着储能器下腔的压力。压力报警开关（pws）和液位指示开关（fli）的功能是，当压力下降到一定值（14mpa以下）时或制动液面下降到一定程度时，点亮制动系统故障指示灯和abs故障指示灯，同时让abs电脑停止防抱死制动工作。图2_2（f）制动压力调节装置第三章 防滑刹车控制系统的控制原理abs系统是利用阀体内的一个橡胶气囊，在踩下刹车时，给予刹车油压力，充斥到abs的阀体中，此时气囊利用中间的空气隔层将压力返回，使车轮避过锁死点。当车轮即将到达下一个锁死点时，刹车油的压力使得气囊重复作用，如此在一秒钟内可作用60120次，相当于不停地刹车、放松，即相似于机械的“点刹。因此，abs防抑死系统，能避免在紧急刹车时方向失控及车轮侧滑，使车轮在刹车时不被锁死，不让轮胎在一个点上与地面摩擦，从而加大摩擦力，使刹车效率达到90%以上，同时还能减少刹车消耗，延长刹车轮鼓、碟片和轮胎两倍的使用寿命。3.1汽车滑移率与附着系数3.1.1滑移率的定义汽车在制动过程中，随着制动强度的增加，车轮的运动状态逐渐从滚动向抱死拖滑变化，车轮滚动成分逐渐减少，而滑动成分逐渐增加。制动过程中车轮的运动状态一般用滑移率来说明。滑移率是指制动时，在车轮运动中滑动成分所占的比例，用s表示，式中车轮中心的速度（m/s）；r车轮不受地面制动力时的滚动半径（m）；车轮角速度（rad/s）；车轮纯滚动时，s0；纯滑动时s100%；边滚动边滑动时，0s100%。3.1.2附着系数在汽车制动过程中，车轮与路面间的附着系数随着车轮滑移率的变化而变化如图3_2（a）附着系数sopt80侧向纵向10060402000.61.00.80.40.2滑移率s（%）图3-1(a)滑移率与附着系数的关系由图可见，在滑移率为20%左右时纵向附着系数最大，制动时能获得的地面制动力也最大，汽车的制动效能最高，一般情况下汽车的滑移率控制在15%30%范围内可认为汽车的制动性能最佳。0ssopt称为稳定区，sopts100%称为非稳定区，sopt称为稳定界限。随着滑移率的增加。侧向附着系数降低，当车轮抱死滑移率达到100%时，侧向附着系数接近零，即导致侧滑，同时还会失去转向能力。abs的功用就是在汽车制动过程中，当车轮滑移率超过稳定界限时，abs将自动减少制动压力，以减小车轮制动器制动力，从而减小车轮滑移率；而车轮滑移率低于稳定界限时，又自动增加制动压力，以增大车轮制动器的制动力，从而增大车速滑移率。汽车在制动过程中，abs不断的调整制动压力，使车速滑移率始终保持在20%左右，以便获得最大纵向附着系数，提高汽车的制动效能，同时，也可在制动中保持较大的侧向附着系数，防止汽车侧滑或失去转向能力提高汽车制动时的方向稳定性。不同的类型的路面，汽车的滑移率由于受到力不同，故滑移率也各不相同，其滑移率与纵向附着系数之间的关系如下图所示图3_1(b)不同路面上纵向、侧向附着系数与滑移率曲线关系总之，对于在一种路面上制动的汽车，车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是决定汽车制动性能的主要因素。实际上，汽车的制动过程就是车轮和路面之间的一种非线性变化过程，即车轮附着系数随车轮运动状态非线性变化的过程，所以说汽车的制动过程是一种非线性的制动过程。制动时汽车通过制动系统改变车轮的运动状态，从而改变车轮的滑移率，形成整个非线性的制动过程。3.2汽车制动时受力分析汽车在制动过程中的受力情况：转弯力越大，汽车的方向操纵性越好；侧向力越大，汽车的方向稳定性越好。汽车制动的本质原因是由于与轮胎接触的路面给相应车轮提供了路面制动力。路面制动力是使汽车制动并减速行驶的外力，它取决于两个摩擦力：一个是制动器内制动盘与车轮间的摩擦力即制动器制动力，另一个是轮胎与路面间的摩擦力即附着力（路面制动力）。当车轮在路面制动力不超过车轮与路面的附着力制动时的路面制动力可由下式确定：fbm/r式中fb为路面制动力，m为制动器摩擦力矩，r为车轮半径。制动器制动力fu相当于将汽车架离路面，并踩住制动踏板，在车轮周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需要的力，可由下式：fu=m/r当制动踏板力较小，制动器摩擦力矩不大，路面与轮胎之间的摩擦力足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动，显然车轮滚动时的路面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力（fp）的增长而增长，如图3_3（c）所示，但它的值不能超过附着力，即：fbf=w,fbmax=ffbmax=ffb=ffpff式中：f为路面附着力；w为车轮上的垂直载荷；为路面附着系数，其关系见图3_2(c)：图3_2（c）地面制动力、制动器制动力及附着力的关系当路面制动力达到附着力时，车轮即抱死不转而出现纯滑移现象，此时，若继续增大制动器踏板力，制动器制动力将由于制动器摩擦力矩的增长而继续增长，但是，若作用在车轮上的垂直常熟载荷为常数，路面制动力达到附着力后就不再增加。所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时路面又能提供足够高的附着力时，才能获得足够高的路面制动力。3.3 abs的工作原理abs就是在汽车制动过程中不断检测车轮速度的变化，按一定的控制方法，通过电磁阀调节制动轮缸压力，以获得最高的纵向附着系数，使车轮始终处于较好的制动状态。在汽车以大于或等于20公里小时的车速运行过程中，驾驶员踩下制动踏板紧急制动时，abs控制单元接收到的制动灯开关接通信号，由装在车轮上的转速传感器采集四个车轮的转速信号，送到abs控制单元计算出每个车轮线速度和车速进而推算出车轮的减速度及车轮的滑移率判断车轮是否有抱死的趋势。abs的基本工作图见图3_3(a)制动器制动管路压力制动力ecu轮速轮胎轮速传感器控制信号压力调节装置图3_3（a）abs基本工作图abs的工作过程可以分为制动压力建立、制动压力保持、制动压力减小和制动压力增大等阶段。吸入阀液压泵常闭阀总泵助力器低压储能器车轮制动器压力阀常开阀图33（b）abs液压电动机 (1)建压阶段：制动时，通过助力器和总泵建立制动压力，此时常开阀打开，常闭阀关闭，制动压力进入车轮制动器，车轮转速迅速降低，直到abs电子控制单元通过转速传感器识别出车轮有抱死的倾向为止（2）保压阶段：abs电子控制单元通过转速传感器得到的信号识别出车轮有抱死的倾向时，即向液压控制单元发出控制信号关闭常开阀。此时常闭阀仍然关闭，使制动器中的压力保持不变（3）降压阶段：在制动压力保持不变后，控制单元还不断检测车轮转速信号，若判断出车轮仍有抱死倾向时，abs电子控制单元立即向液压控制单元发出控制信号打开常闭阀，启动液压泵工作，制动液压从制动器经低压蓄能器被送回到制动总泵，制动压力降低，制动踏板微量顶起，车轮抱死程度降低，车轮速度开始上升。（4）增压阶段：为了取得最佳的制动效果，当车轮达到一定转速后，abs电子控制单元再次命令常开阀打开，常闭阀关闭，随着制动压力的增加，车轮再次被制动和减速。在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，abs就进入防抱制动压力调节过程。 abs通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达320hz。在该abs中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。下面以基于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法对直线单一路面的制动过程的控制为例进行简单说明。汽车开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动管路中油压由零开始上升，制动器使车轮上产生制动力矩，同时产生地面制动力使汽车和车轮都开始减速，此时，abs系统不对制动过程进行干预，所以制动油压迅速增加，车轮减速度也增加。当车轮减速度值达到规定的门限值-a时，产生减压信号，abs系统开始工作，降低制动油压。由于液压制动系统的惯性，车轮减速度仍下降一段时间，然后开始减小并小于门限值-a时，产生保压信号，abs保持制动油压不变，车轮由减速状态进入加速状态，车轮速度开始回升并接近车速，当车轮加速度值达到设定的门限值+a时，产生升压信号，abs使制动油压上升，车轮加速度在上升一段时间后开始减小，车轮由加速状态进入减速状态，并在次进入另一个控制循环。这种控制方法关键在于对车轮加、减速度门限值的设定，还可以根据控制质量和路面类型的不同设定不同的门限值来提高控制质量，如参考滑移率门限值等。尽管各种abs的结构形式和工作过程并不完全相同，但都是通过对趋于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调节，来防止被控制车轮发生制动抱死。 第四章 防滑刹车控制器的硬件设计汽车防滑控制系统是一个典型的计算机控制系统，其核心部分是控制器，主要负责将传感器信号通过a/d转换或数字输入di将采集的信号送到计算机内存中中进行分析处理，并且将控制命令通过d/a转换或数字输出去驱动制动系统，而控制器内部cpu通过软件编程来实现各种控制算法，所以控制器是控制系统的关键。其典型的模块图见图4-1（a）所示控制器d/a转换期望值a/d转换传感器制动系统车辆系统图4-1（a）典型的计算机控制系统本系统采用门限值的控制方法来对车轮的加、减速度进行控制。输入控制器的信号是速度脉冲，它由传感器采集感应出正弦信号，经过模拟电路的滤波整形修正为标准的系列方波信号，可通过频率/电压变换转变为连续模拟电压信号再通过单片机的a/d转换端口采集到单片机内存中去。也可将方波信号通过单片机的定时、计数器端口或数字输入端口输入到单片机内存中去。单片机内部微处理芯片将输入的各轮速信号按一定算法进行计算如车辆参考速度和车轮角减速度，根据这些值大小确定出相应控制命令，即压力增加、压力减小、压力保持，再将这些控制信号通过数字输出端口do输出，经过模拟电路的驱动功率放大就可驱动电磁阀，从而控制制动压力。同时输出的信号还包括警号指示等。4.1 防滑控制单元单片机的选择就目前而言，实现汽车的控制系统一般采用单片机作为电子控制单元的核心部件。所谓单片机就是中央处理器（cpu）、随机存储器（ram）、只读存储器（rom/eprom）、定时器/计数器和一些输入、输出（i/o）接口集成在一块芯片上的微型计算机。它的特点是体积小、控制功能强、功耗小、成本低，所以广泛用于汽车电子控制系统。选用单片机要充分利用各种外部端口资源，同时利用内部的存储器、中断，充分发挥它的运算速度，主要考虑cpu的运算速度、内外部存储器以及输入输出端口资源等。应基于以下几个原则选择abs控制的单片机：（1） cpu的运算速度cpu的 时间一般消耗在数学运算过程中，特别是32位的浮点数计算，计算时间成倍增加，因为sabs系统要求计算频率高，一般5毫秒道10毫秒之间，要完成各种计算，如加减速度、参考滑移率等，都是实时完成的，故应避免采用浮点数计算。（2） 内外部存储器电子控制单元要根据需要选择不同的内外部存储器，提高编程时的内存利用率，多用通用的变量，少定义专用变量。目前abs系统程序容量一般在8k32k之间，内存数据存储器在256字节以上（3） 输入、输出端口资源输入、输出端口要充分的利用，外部总线8位单片机u0资源太少，无法用于ass系统，外部总线16位能满足abs系统的要求。本文采用了mcs96系列80c196kc单片机，由于该单片机自身带有a/d转换器、pwm（d/a）输出、高速输入（his）、高速输出（hso）及多个硬件定时器等i/o功能部件，能进行带符号和不带符号的32位除16位、16位除8位以及16位乘16位、8位乘8位的算术运算，使其具有很强的数据处理能力，加上它的cpu采用了面向寄存器的结构，其一条指令相当于5系列等单片机的多条指令的功能。80c196kc使用的稳定电压为4.5v5.5v。78xx系列集成三端稳压电源输出电流为100ma3ma，稳压系数为0.005%0.02%，纹波抑制比为5668db，能够较好的满足单片机对电压的需求。4.2 轮速传感器的设计本设计采用霍尔轮速传感器霍尔轮速传感器包括开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种。集成霍尔传感器是制造硅集成电路的同时，在硅片上制造具有传感器功能的霍尔效应器件。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级组成。在外磁场作用下当磁感应强度超过导通阀时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后bz增加，仍保持导通。若外加磁场的b值降低到brp2，输出管截止，输出高电平。本系统采用三通道传感器布置形式，需要四个传感器。霍尔轮速传感器的关键是霍尔元件，要求它能够输出较大的霍尔电压，温度漂移尽可能小，并且要求它后面的电路尽可能简单。本系统采用了cs3121型开关电路：应用参数满足：电源电压范围宽vcc4.5v30v;工作温度范围宽40125摄氏度；电压极性反向保护器，无触点、快速响应性好、频率高、寿命长、可直接同ttl、mos等逻辑电路接口、体积小、安装方便。经过霍尔元件的信号变化过程如下图：霍尔元件运算放大器施密特触发器输出级图4_2(a）信号变化过程其开关电路原理图见图4_2(b)：稳压vcc132霍尔元件放大整形vt1引脚接5v电源；2引脚接地；3接输出图4_2(b）霍尔开关电路原理图霍尔传感器在abs系统中的接线图如图4_2(c)所示5vttl sroutgnd图4_2(c)霍尔传感器在abs系统中的接线图霍尔元件与永久磁铁封装在一起，经过ttl缓冲电路传输到单片机的高速输入端口。4.3 abs电子控制器（abs ecu）的设计：（1）电控单元ecu的功用：abs系统中，电控单元ecu是核心部分，其功用是接受轮速传感器信号、制动信号、液面信号、手制信号，并经电脑中a/d电路，进行测量、比较、放大、分析判断处理以及综合精确计算处理后，得出制动时车轮的滑移率、车轮的加速度和减速度，以判断车轮是否有抱死的倾向，再由输出级发出指令，控制液压总电磁阀，调节分泵制动力，如有故障也会指示故障并记忆。其信号的变化见图4_2（a）电源电路轮速传感器故障诊断电路轮速处理电路制动信号单片机80c196kc故障指示灯液压源电机电磁阀功率驱动图4_3(a)ecu的输入和输出信号（2）abs ecu的基本组成框图：典型的abs ecu的基本组成框图如图4_3(b)所示：图4_3(b)abs ecu的组成框图4.4输入信号处理模块车轮速是abs系统的主要输入信号，该信号的采集、处理对整个系统的控制起着至关重要的作用。轮速信号的频率一般低于1000hz，在复杂的车辆环境中滤除干扰信号，获得需要的频率低于1khz，所以前级采用rc低通滤波电路，经滤波的信号幅度较小，需进行放大，经整形后，将轮速正弦信号转变为方波信号。车轮的运动状态转化为电信号，是采用轮速传感器转化为脉冲信号，经过处理送给ecu做分析计算。本系统采用的霍尔传感器，它是将传感器与信号处理电路制成一体，80c196kc的四个his可以直接接收四个轮速传感器的脉冲信号，并可以同时记录某一时刻触发时的状态和时间。轮速传感器输出的脉冲信号经光电耦合器进行电平转换和隔离，缓冲器整形，输入到80c196kc的高速输入端，对输入信号进行逻辑运算和处理。其信号连接图见图4-4（a）轮速传感器光电耦合器单片机缓冲器74ls06图4-4（a）轮速信号输入方框图轮速处理电路见下图u2轮速传感器低通滤波低通滤波施密特比较器小回差迟滞比较器uinuou1u3图4-4（b）轮速处理电路图4-4（c）有源低通滤波处理电路4.5制动压力调节装置的设计电磁阀是制动压力调节装置的核心部件，控制由它完成abs的控制，故电磁阀驱动电路设计是重点。本文选用的电磁阀为stnc天工气动生产的型号tg2511 -06c dc24v。单片机输出的是高低电平，高电平为3.3v左右，低电平为0，所以普通的i/o口就可以通过电磁阀驱动来驱动电磁阀。汽车制动系统中电磁阀的工作电流为1.52.5a，而微控制器的输出电流远达不到这一要求，本文采用的电磁阀驱动电路均由分立元件组成，以功率晶体管为主，以光耦隔离以保证可靠性，要对其进行故障检测还需专门的自诊断回路。使用gfp50n03来驱动电磁阀线圈。gfp50n03为小功率的mosfet，其漏极与源极最大耐压值vds为30v，导通时导通电阻rds为13m，导通电流为id为50a，常温下最大功率62.5w。用东芝公司生产的tlp250光电耦合器来驱动gfpn03，该器件内部集成有放大电路，可直接驱动mosfet、igbt等功率器件。设计的电磁阀驱动电路如图4_3(a)所示，图中rg为门极电阻取值为50w，由rs和cs构成缓冲电路，减少开关损耗。图4_5（a）电磁阀驱动电路设计4.6输出控制电路：控制输出电路采用p1.5与p1.6引脚控制7407来控制两路固态继电器的开关，通过固态继电器来控制abs的电磁阀，实现加压、减压和保压，具体电路如图4-6（a）所示，80c196kc的p1口