第1章汽车行驶安全性控制系统.ppt

汽车电子控制技术（下）,主讲：赵迎生,第一章汽车行驶安全性控制系统,教学目的及要求：,第一章汽车行驶安全性控制系统,电子控制系统概述,第一章汽车行驶安全性控制系统,人,车,路,第一章汽车行驶安全性控制系统,车,路,第一章汽车行驶安全性控制系统,“无人驾驶车辆穿越欧亚大陆项目”是一次具有历史性意义的前沿实验。一支包括4辆无人驾驶车、7辆后勤和技术保障车在内的11辆越野车队，自7月20日从意大利始发，循着当年马可波罗的旅行路线。在3个月的行程中，车辆满载着意大利最新科技成果，经过塞尔维亚、匈牙利、乌克兰、俄罗斯、哈萨克斯坦等国，最后进入中国边境。,行进过程中，两辆车编为一组，第一辆车由人驾驶，在驶过许多没有地图的地区时，通过GPS导航系统，向第二辆车报告定位。由此，第二辆无人驾驶的车可以找到车道位置，避开可能遇到的障碍。该项目研究负责人、来自意大利帕尔马大学的阿尔贝托伯洛奇教授介绍说，每辆汽车都配备有传感器、监测系统、太阳能接收板和控制软件，12个精密传感器可以让车辆在各种不同类型的交通、天气和道路状况下安全行驶。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一章汽车行驶安全性控制系统,汽车电子技术发展的社会背景：安全、节能、环保,汽车的安全性是人类社会的一大祸害，车辆的制动安全性、驱动安全性与行驶安全性是道路交通安全事故的三大主要根源。全世界每年由于交通事故死亡约50万人，排在人类死亡原因的第10位；我国目前每年因交通事故死亡占全国总死亡人数的1.5%，约每年10万人。为此，科技人员从汽车的主动安全性和被动安全性两个方面着手，设计了防滑控制系统、车辆姿态控制系统、智能防撞预警与应急保护系统、碰撞后的保护系统等一系列电子控制装置。,当今世界汽车业正处于技术大变革、产业大调整时代。这一时代的主题是汽车的安全、节能、环保。而贯穿这一时代的主线是汽车的电子化、电气化、电脑化。,汽车电子：汽车新技术革命的核心,汽车电子是现代汽车技术发展的最主要驱动力。无论是燃油汽车、燃气汽车、还是电动汽车、智能汽车，汽车电子都是它们的共性关键技术。,汽车工业是使用微处理器最多的工业。汽车电子占整车成本的比例在90年代达到2530，未来将达到3050。汽车电子的发展有力促进了信息产业发展。,汽车电子系统的基本框架,高实时性要求发动机5000rpm，1CA用时约33s(波音747客机1000km/h飞行，33s飞过9mm)高控制精度要求动力性、经济性、排放、安全性直接受控制精度影响高可靠性要求温度变化范围-40125200km/h高速移动和剧烈震动DC/DC变换器、电机带来的强烈电磁干扰低成本、高产量要求市场对价格的敏感性适合大批量生产,汽车电子控制系统的难点,（1）第一阶段(19651980)：部件层次分立式半导体元件开始用于汽车交流发电机整流器、起动电机、转速表等。主要集中于个别部件的开发；（2）第二阶段(19801995)：子系统层次采用微处理器及单片机用来完成信息的检测和处理，使得控制系统具有了数字化和智能化的特征。典型的系统有发动机控制系统、自动变速箱控制系统、汽车防抱死制动系统、电子悬架控制系统、空调控制系统等。,汽车电子系统发展的三个阶段,（3）第三阶段(1995-)：集成网络化层次采用先进的微电子技术，车载网络技术，集成智能功率器件、智能传感器、大容量EEPROM或者FLASHROM、专用集成电路等，形成了车上的分布式、网络化的电子控制系统。例如动力系统（Powertrain)综合控制，集成了发动机和变速箱的综合控制(Drive-by-Wire)；驾驶和悬架综合控制系统(Steering-by-Wire)；主被动安全控制系统（Brake-by-Wire)；整个车被联成一个多ECU、多节点的有机的整体，使得其性能也更加完善。,四层网络结构,网络层次的发展,整车分布式控制系统,车身电子网络构成,汽车电子控制子系统,发动机电子控制；变速器电子控制；悬架电子控制；转向系统电子控制；制动（ABS)电子控制；气囊和安全带控制；车身电子控制智能汽车电子技术电动汽车,发动机电子控制,点火提前角控制,电磁气门,ExhaustGasRecirculation控制,柴油机燃油喷射系统,电控共轨喷射发动机,变速器电子控制,悬架电子控制,制动（ABS）电子控制,汽车防抱制动系统ABS,R,转向系统电子控制,安全气袋ECU系统,研究了安全气袋匹配的原理，技术；研制开发的HCQ-2智能型ECU应用了先进的电容式传感器和全数字化硬件，自行开发了移动窗式和神经网络算法等先进的控制算法软件，拥有自主的知识产权；运用模拟计算和台车试验等先进手段，减少了匹配气袋所需的实车碰撞试验次数，缩短了匹配周期；完成了TRW、GM公司委托的气袋模拟计算项目,拥有自主的知识产权的安全气袋ECU系统,过台阶,过坑槽路面,过凸块扭曲路面,过大鹅卵石路面,过石块路面(甲，乙，丙),过小波扭曲路面,防止气袋误爆-路面干扰试验,过台阶,过坑槽路面,过凸块扭曲路面,过石块路面(甲，乙，丙),过小波扭曲路面,过减速带,过大鹅卵石路面,车身电子控制,座椅控制系统,汽车主动安全性控制技术,系统特点：,行使环境感知：单光束扫描式雷达测距系统及信息融合安全状态辨识：基于驾驶员模型的行驶安全模式辨识车辆运动控制：具有主动避撞功能的自适应巡航,轮胎电子控制,利用现代信息、控制技术将车辆-道路-使用者紧密结合，以解决汽车交通事故、堵塞、污染及能源消耗等问题为目标的智能化车辆交通系统,智能汽车与智能交通系统,N,智能汽车电子系统,时间,电功率,电力电子与电气化发展趋势,N,电动汽车分布式控制系统,32bitECU,OSEK/Linux软件平台,P=1.2kWU=24Vn=6000rpm,同步磁阻永磁电机,基于起动机/发电机一体化的混合动力基本装置（IntegratedStarter/AlternatorISA）,基于起动机/发电机一体化的混合动力,RearviewofISA,SideviewofISA,N,第一章汽车行驶安全性控制系统,电子控制系统的一般组成,第一章汽车行驶安全性控制系统,控制系统的分类：1.按控制系统有无反馈环节分类2.按输入量变化的规律来分类3.按系统传输信号对时间的关系分类4.按系统输出量和输入量的关系分类5.简化的汽车电子控制系统模型,第一章汽车行驶安全性控制系统,1.按控制系统有无反馈环节分类,(1)开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响(即无检测反馈单元)，则称为开环控制系统。(2)闭环控制系统系统的输出通过检测反馈单元返回来作用于控制部分，形成闭合回路，这种控制系统就称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统。,第一章汽车行驶安全性控制系统,2.按输入量变化的规律来分类,(1)恒值控制系统恒值控制系统的特点是，系统的输入量是恒值，并要求系统的输出量相应地保持恒定值。(2)随动控制系统随动控制系统的特点是，输入量是变化的(有时是随机的)，并且要求系统的输出量能跟随输入量的变化而作出相应的变化，故随动系统又称为伺服系统或跟踪系统。(3)过程控制系统该系统的输出量是按给定的时间函数实现控制的。,第一章汽车行驶安全性控制系统,3.按系统传输信号对时间的关系分类,(1)连续控制系统连续控制系统的特点是，控制作用的信号是连续量或模拟量。(2)离散控制系统又称采样控制系统。,第一章汽车行驶安全性控制系统,4.按系统输出量和输入量的关系分类,(1)线性系统线性系统的特点是，系统的输出量和输入量的关系是线性的，它的各个环节或系统都可以用线性微分方程来描述，可以应用叠加原理和拉氏变换解决线性系统中的问题。(2)非线性系统非线性系统的特点是，其中的一些环节具有非线性性质(例如出现饱和死区、滞环等)。,第一章汽车行驶安全性控制系统,5.简化的汽车电子控制系统模型,第一章汽车行驶安全性控制系统,插入电子控制系统视频,车轮滚动的三种情况：（还有转向）自由滚动、加制动力矩的滚动、加驱动力矩的滚动,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS/ASR引言,第四章底盘电子控制系统,第一节汽车防滑控制系统,第四章底盘电子控制系统,第一节汽车防滑控制系统,制动过程中车轮的三种运动状态第一阶段：纯滚动，路面印痕与胎面花纹基本一致车速V=轮速V,第四章底盘电子控制系统,第一节汽车防滑控制系统,第二阶段：边滚边滑，路面印痕可以辨认出轮胎花纹，但花纹逐渐模糊。车速V轮速V,第四章底盘电子控制系统,第一节汽车防滑控制系统,第三阶段：抱死拖滑，路面印痕粗黑。轮速V=0,第四章底盘电子控制系统,实验证明：弹性轮胎与地面之间的附着系数与滑转率有关。,第一节汽车防滑控制系统,第四章底盘电子控制系统,第一节汽车防滑控制系统,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS-AntilockBrakingSystem(防抱死制动系统）ASR-AccelerationSlipRegulation(驱动防滑系统）,一、ABS的作用,1.ABS的作用,汽车的最大制动力取决于地面附着力：FF附着力分为纵向附着力和侧向附着力。在汽车制动过程中，纵向附着力决定汽车的纵向运动，影响汽车的制动距离；侧向附着力决定汽车的侧向运动，影响汽车的方向稳定性和转向操纵能力。附着力F=FZ，影响附着系数的因素除了路面和轮胎以外，还有车轮滑移率。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,车轮滑移率是指实际车速V与车轮速度VW之差同实际车速的比值：S=S=0，纯滚动；S=100%，纯滑动；S=0100%，边滚边滑。影响车轮滑移率的因素包括以下几个方面：汽车的载质量前、后轴的载荷分布情况；轮胎种类及轮胎与道路的附着状况；路面种类和路面状况；制动力大小及其增长速率。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,滑移率与附着系数之间的关系：,附着系数取决于路面性质。在各种路面上，附着系数都随滑移率的变化而变化。在各种路面上，当滑移率为20%左右时，纵向附着系数最大，制动效果最好。,附着系数与滑移率的关系(虚线与实线标注的上下顺序一一对应)B纵向附着系数；S横向附着系数；S滑移率,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,干燥硬实路面上的滑移率与附着系数的关系：,纵向附着系数最大时的滑移率称为理想滑移率或最佳滑移率。车轮抱死时，纵向附着系数变小，使制动距离变长。车轮抱死时，横向附着系数趋于零，汽车将失去方向稳定性和转向控制能力。如果前轮抱死，虽然汽车能沿直线向前行驶，但是失去转向控制能力。如果后轮抱死，汽车制动时在横向外力的作用下就会发生侧滑(甩尾)，甚至出现调头等危险现象。,为了获得最佳制动性能，应将滑移率控制在10%到30%范围内。ABS的作用，就是使汽车在制动过程中自动调节车轮的制动力，防止车轮抱死滑移，从而缩短制动距离，提高方向稳定性，增强转向控制能力，减少交通事故的发生。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,二、ABS系统的基本组成与工作过程,ABS的基本组成与工作过程,组成：车轮转速传感器、ECU、制动压力调节装置和报警灯等组成的。制动压力调节装置主要由调压电磁阀总成、电动泵总成和储液器组成。,1车轮转速传感器；2右前制动器；3制动主缸；4储液室；5真空助力器；6电子控制装置(ECU)；7右后制动器；8左后制动器；9比例阀；10ABS警示灯；11储液器；12调压电磁阀总成；13电动泵总成；14左前制动器,播放ABS工作视频,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS分类,四通道防抱死制动系统1制动压力调节分装置2转速传感器,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,三通道防抱死制动系统1制动压力调节分装置2转速传感器,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,双通道防抱死制动系统1制动压力调节分装置2转速传感器,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,前轮按高选择原则一同控制时对方向稳定性的影响a)前后车轮均处于附着系数分离路面b)前车轮驶入附着系数均一路面的瞬间,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,两前轮从附着系数分离路面驶入附着系数均一路面时的制动力变化a)两前轮按高选择原则一同控制b)两前轮独立控制,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,单通道防抱死制动系统1制动压力调节分装置2转速传感器,第一章汽车行驶安全性控制系统,逻辑门限值控制、最优控制和滑动模态变结构控制等。逻辑门限值控制通常都是将车轮的减速度和加速度作为主要控制门限，而将车轮滑移率作为辅助控制门限。车轮加速度、减速度、参考滑移率门限值都是通过反复试验获得的经验数据。,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS控制方法,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,高附着系数时间的制动控制,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,低附着系数时的制动控制,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,典型的防抱死制动系统的组成1车轮轮速传感器2右前制动器3制动主缸4储液室5真空助力器6ECU7右后制动器8左后制动器9比例阀10ABS报警灯11储液器12调压电磁阀总成13电动泵总成14左前制动器,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS的电磁感应式轮速传感器,(a)驱动车轮(b)非驱动车轮车速转速传感头在车轮上的安装,三、ABS主要部件的结构与工作原理,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,(a)主减速器(b)变速器车轮转速传感器在传动系统中的安装位置1、5传感器；2、3齿圈；4变速器,传感头与齿圈之间的间隙很小，通常只有0.5mm到1mm左右，多数车轮转速传感器的间隙是不可调的。,电磁感应式车轮转速传感器的工作原理:,(a)齿隙与磁心端部相对时(b)齿顶与磁心端部相对时,(c)传感器输出电压1齿圈；2磁心端部；3感应线圈引线；4感应线圈；5永久性磁心；6磁力线；7电磁感应式传感器；8磁极；9齿圈齿顶,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,电磁式轮速传感器分类：根据磁心端部的结构形状，可分为凿式极轴、柱式极轴车轮转速传感器,(a)凿式极轴轮速传感器(b)柱式极轴轮速传感器电磁感应式车轮转速传感器的结构1电缆；2永久磁铁；3外壳；4感应线圈；5极轴；6齿圈,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,由于结构形式的不同，传感头与齿圈的相对安装方式也有区别：,(a)凿式极轴传感头,(b)菱形极轴传感头(c)柱式极轴传感头(柱式极轴的一种),电磁感应式车轮转速传感器的传感头与齿圈的相对安装方式,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,电磁式车轮转速传感器结构简单，成本低，但存在以下缺点：电磁感应式轮速传感器向ABS的ECU输送的电压信号的强弱是随转速的变化而变化的，信号幅值一般在1V到15V的范围内变化。当车速很低时，传感器输出的电压信号若低于1V，则ECU无法检测到如此弱的信号，ABS也就无法正常工作。电磁感应式轮速传感器频率响应较低。当车轮转速过高时，传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信号。电磁感应式轮速传感器的抗电磁波干扰能力较差，尤其在输出信号幅值较小时。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS的霍尔效应式轮速传感器,霍尔式轮速传感器优点：输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化。在汽车电源电压为12V的条件下，信号的幅值保持在11.5V到12V不变，即使车速很低时也不变。传感器频率响应高达20kHz，用于ABS中，相当于车速为1000km/h时所检测的信号频率，因此不会出现高速时频率响应跟不上的问题。霍尔式车轮转速传感器输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化，且幅值较高。因此，霍尔式车轮转速传感器抗电磁波干扰能力较强。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,霍尔式车轮转速传感器的组成和工作原理,(a)霍尔元件磁场较弱(b)霍尔元件磁场较强霍尔式车轮转速传感器磁路,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,霍尔式车轮转速传感器电子线路：霍尔元件输出的毫伏级的准正弦波电压首先经放大器放大为伏级电压信号，然后送往施密特触发器转换成标准的脉冲信号，再送到输出级放大后输出给ECU。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,电子线路原理：其工作电压为8V到15V，负载电流为100kA，工作频率为20kHz，输出信号电压幅值为7V到14V。,用于测量汽车制动时的减速度，识别是否是雪路、冰雪等易滑路面。减速度传感器利用差动变压器原理获得加速度信号。差动变压器的铁心处于绕组线圈的中部位置，当汽车制动减速时，铁心受惯性力作用向前移动，从而使差动变压器绕组内的感应电流发生变化。四轮驱动汽车用水银开关型减速传感器，用于检测车身的减速度。,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS的减速传感器（G传感器）,播放ABS.mpg视频,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,ABS的ECU,ABSECU的作用：把各车轮转速传感器传来的信号进行比较、分析和判别；再通过精确计算得出车轮制动时的滑移状况，形成相应的指令，控制制动压力调节器控制制动压力，将滑移率控制在10%到30%的范围内，以达到最佳制动效果。,控制系统示意图1制动踏板；2报警灯；3ECU；4车轮转速传感器；5车轮；6制动分泵；7制动液压力调节装置；8制动总泵,第一章汽车行驶安全性控制系统,第一节汽车防抱死制动系统（ABS）,1液压泵和电动机总成；2右前轮电磁阀；3左前轮电磁阀；4右后轮电磁阀；5左后轮电磁阀；6执行器；7ECU；8减速度传感器；9诊断接口；10左后轮速度传感器；11制动灯；12右后轮速度传感器；13制动灯失效传感器；14左前轮速度传感器；15右前轮速度传感器；16制动灯开关；17制动灯熔丝