汽车防抱死控制系统设计

武汉纺织大学

毕业设计（论文）任务书

课题名称：汽车悬架的建模与仿真

完成期限： 2015 年01 月10 日至 2015年 05月31日

学院名称机械工程与自动化专业班级

学生姓名学号

指导教师指导教师职称副教授学院领导小组组长签字

武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告

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目录

1. 绪论...............................................VII 1.1 防抱死制动系统概述. (1)

1.1.1 防抱死制动系统的产生 (1)

1.1.2 防抱死制动系统的优点 ..............................错误！未定义书签。

1.2 防抱死制动系统的发展历史 (3)

1.3 防抱死制动系统的发展趋势 (4)

1.4 国内防抱死制动系统的研究和应用概况 (6)

2. 汽车防抱死控制系统设计 (7)

2.1 防抱死制动系统（ABS）的基本组成 (7)

2.1.1 ABS的组成 (7)

2.2 防抱死制动系统（ABS）的工作原理 (9)

2.2.1 ABS控制原理.................... (9)

2.3 ABS控制器主要硬件部分 (10)

2.4 汽车车速传感器的工作原理 (15)

2.5 轮速处理算法 (16)

2.6 防抱死制动系统软件设计 (17)

3. ABS的使用与检修 (18)

3.1 ABS故障检修基础 (18)

3.2 防抱死制动系统使用与检修注意事项 (19)

3.3 防抱死制动系统故障自诊断20 3.4 防抱死制动系统主要部件的故障检修 (21)

4. 系统软件设计 (27)

5. 结束语 (30)

参考文献 (31)

附录I系统硬件原理图 (32)

附录ⅡABS在整车上的布置 (40)

附录Ⅲ系统程序...... . (41)

致谢 (50)

1. 绪论

1.1 防抱死制动系统概述

1.1.1 防抱死制动系统的产生

当汽车以较高的车速在表面潮湿或有冰雪的路面上紧急制动时，很可能会出现这样一些危险的情况：车尾在制动的过程中偏离行进的方向，严重的时候会出现汽车旋转掉头，汽车失去方向稳定性，这种现象称为侧滑；另一种情况是在制动过程中驾驶员控制不了汽车的行驶方向，即汽车失去方向可操纵性，若在弯道制动，汽车会沿路边滑出或闯入对面车道，即便是直线制动，也会因为失去对方向的控制而无法避让对面的障碍物。产生这些危险状况的原因在于汽车的车轮在制动过程中产生抱死现象，此时，车轮相对于路面的运动不再是滚动，而是滑动，路面作用在轮胎上的侧滑摩擦力和纵向制动力变得很小，路面越滑，车轮越容易出现抱死现象；同时汽车制动的初速度越高，车轮抱死所产生的危险性也越大。这将导致汽车可能会出现下面三种情况：

① 制动距离变长；

②方向稳定性变差，出现侧滑现象，严重时出现旋转掉头；

③ 方向操纵性丧失，驾驶员不能控制汽车的行驶方向。

防抱死制动系统ABS（Anti-lock Braking System）是一种主动安全装置，它在制动过程中根据“车辆一路面”状况，采用电子控制方式自动调节车轮的制动力矩来达到防止车轮抱死的目的。即在汽车制动时使车轮的纵向处于附着系数的峰值，同时使其侧向也保持着较高的附着系数，防止车轮抱死滑拖，提高制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离，使制动更为安全有效[1]。

随着汽车行驶速度的提高、道路行车密度的增大、以及人们对汽车行驶安全性的要求越来越高，汽车行驶的安全性理所当然是最应受到关注的问题。影响汽车安全性的因素很多，诸如汽车的制动性、操纵性、行驶的稳定性、抵御外界影响（碰撞、擦挂等）的能力等都影响汽车的安全性。统计资料显示，在道路交通事故中，大约10%的事故是由于车辆在制动瞬间偏离预定轨道或甩尾造成的.因此完善制动性能是减少交通事故的重要措施。

汽车行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在下长坡时能维持

一定车速的能力称为汽车的制动性。汽车的制动性还应包括汽车能在一定坡度的坡道上长时间停车不动的性能.

汽车的制动性主要由下列三个方面来评价：

１．制动效能

在一定车速行驶时，采取制动措施后能使之停下的距离己相应的制动减速制动距离越短，越有利于避免交通事故的发生，它是制动性最基本的评价指标２．制动时汽车的方向稳定性

汽车制动时，维持原有的行驶方向，不发生跑偏，侧滑，性能。汽车制动过程中，失去方向稳定性和失去转向控制能力。

３．制动效能的恒定性

汽车在连续多次制动或涉水后仍具备必要的制动功能的能力，即抗衰退性。抗衰退性是指汽车在繁重工作条件下制动时（如下长坡时长时间连续制动），制动器温度升高后，其制动效能的保持程度。它是设计制动器及选材中必须认真考虑的一个重要问题。

以上三项指标中，前两项指标采用 ABS装置后，其性能都会有明显的改善和提高，对避免交通事故的发生能起到很好的作用，因此 ABS是汽车上十分重要的主动安全装置[2]。

1.1.2 防抱死制动系统的优点

ABS与常规制动系统相比，有以下优点：

１．改善制动效能．这是因为在同样紧急制动情况下，ABS系统可以将滑移率控制在20%左右，充分利用纵向峰值附着系数和较大的侧向附着系数，使车轮和地面间产生最大的地面制动力，缩短了制动距离。

２．改善汽车制动时的方向稳定性。汽车制动时，四个轮子的制动力是不一样的。如果汽车的前轮抱死滑拖，驾驶员就无法控制汽车的行驶方向，汽车就失去了转向操纵能力，只能按惯性力的方向运行，无法避开行人和障碍物：若后轮先抱死，则会出现侧滑、甩尾，甚至使汽车整个调头等严重事故。

３．改善汽车制动时的横向稳定性．如果车轮抱死，横向附着系数（也称侧向附着系数）就非常小，汽车极易侧滑。ABS把滑移率控制在8%~25%之间，横向附着系数较大，有足够的抵抗横向千扰的能力。

４．改善车轮的磨损状况。汽车车轮抱死滑拖会造成轮胎局部杯型磨损，轮胎面磨损也会不均匀，使轮胎磨损消耗增加。经测定，汽车在紧急制动时，车轮抱死所造成的轮胎累加磨损费，己超过一套防抱死制动系统的造价，缩短轮胎的使用寿命，ABS系统可以防止这种情况出现。

５．减轻驾驶员的劳动强度，减少驾驶员紧张情绪，提高了乘客的乘坐舒适性和安全性。

６．使用方便，工作可靠，维修简便。制动时只要把脚踏在制动踏板上，ABS 系统就会根据情况自动进入工作状态，如遇雨雪路滑，驾驶员也没有必要用一连串的点刹车方式进行制动，ABS系统会使制动状态保持在最佳点。如果发现系统有故障，就会自动恢复为常规制动状态。

1.2 防抱死制动系统的发展历史

ABS发展至今，其发展史大致可划分为三个阶段。

20世纪30年代至50年代，这一时期是 ABS诞生和初步发展的时期。制动防抱死系统最初不是用在汽车上，而是首先用在铁路机车上，以防止火车车轮制动抱死后在钢轨上滑行使制动距离延长，同时造成局部摩擦，致使车轮、钢轨早期损坏和车轮不能平稳旋转而产生噪声和振动。随后又应用于飞机上，以防止飞机着陆后制动跑偏、甩尾和轮胎剧烈磨损，缩短滑行距离。在30年代机械式防抱死制动系统就开始在飞机上获得应用。由于飞机对制动时的方向稳定性要求高，而 ABS的价格占飞机总价格比例较小，机场的场面条件简单，尾部机轮可以精确测量机速，从而可获得正确的滑移率，实现精确控制等一系列有利条件，使 ABS 在飞机上的应用取得成功，普及率很快上升，并很快成为飞机上的标准装备[3]。

汽车上使用 ABS始于20世纪50年代，福特汽车公司首先将它装配在汽车上，这开创了汽车使用 ABS的先河。1969年，林肯大陆牌III型汽车安装了由凯。海斯研制成功的奥托一林纳防抱死装置。装在后轮上的传感器能发送讯号到杂物箱后面的计算机，当传感器向计算机发出制动器将要抱死讯号时，计算机便控制制动管路上的真空操纵阀，以降低后制动器的油压。

装用 ABS的轿车在光滑路面制动时确实提高了其稳定性，但在不好路面上制动，其制动距离较一般制动系的汽车长，加上ABS的体积、质量大，价格高，

销路很有限。制动厂家终于在70代中期停止了ABS汽车的生产。由于科学技术的发展，欧洲随后研制成由数字计算机组成的较为现代型的 ABS。数字计算机不易受干扰，速度快，可以把降低增加制动液压循环的次数增加到每秒十余次。其速度完全可以与数字计算机处理数据的速度相匹配。这种较为现代的ABS体积小、质量轻、动作更快、更准确。

波许公司在 20世纪 60年代初就开始ABS的开发工作，于 1978年正式生产出ABS１型汽车防抱死制动系统，以后相继开发出将汽车防抱死制动系统与驱动力自动调节装置有机结合的ABS／ASR系统。该公司于 1975年研制出部分集成模拟信号处理的第一代 ABS产品，以后又相继研制出全数字化和高度集成化的ABS 产品，并将微机控制用于制动系统中。德国的坦威斯公司（TEVES）于1984 年首次推出了整体式 ABS—坦威斯MK11 ，该系统将防抱死制动压力调节装置与制动主缸和液压制动助力器组合为一个整体，而在该系统出现以前，所有的ABS 都是将制动压力调节装置作为一个单独的整体，附加在常规的制动系统中，即采用的都是分离式结构。

20世纪30-50年代，西方国家研制出纯机械式的ABS并少量装备于汽车。到了60年代，模拟电子技术在 ABS上开始使用，但因成本太高，可靠性也不稳定，未能在汽车上广泛使用。70年代后期出现了数字式电子控制的ABS，从而揭开了现代ABS大发展的序幕。通过数字化和集成化，使ABS的组件数目大大减少，降低了成本，提高了可靠性，欧、美、日的汽车公司逐步在汽车上装备了ABS。进入70年代后，随着电子技术的进步，数字电子技术、大规模集成电路的发展和微机的运用，电子控制式ABS日趋成熟，成本不断降低，并且体积小、质量轻、控制精度高，其安全效能十分显著，普遍受到人们的欢迎和认可，为其迅速普及创造了条件。20世纪80年代ABS向着提高效能成本比的方向发展，是汽车ABS研制生产应用迅速发展的阶段，加之法规的推动作用，ABS已成为汽车上标准装备或选择装备。

1.3 防抱死制动系统的发展趋势

1. ABS本身控制技术的提高。

现代制动防抱死装置多是电子计算机控制，这也反映了现代汽车制动系向电

子化方向发展。基于滑移率的控制算法容易实现连续控制，且有十分明确的理论加以指导，但目前制约其发展的瓶颈主要是实现的成本问题。随着体积更小、价格更便宜、可靠性更高的车速传感器的出现，ABS 系统中增加车速传感器成为可能，确定车轮滑移率将变得准确而快速。

全电制动控制系统BBW(Brake-By-Wire)是未来制动控制系统的发展方向之一。它不同于传统的制动系统，其传递的是电，而不是液压油或压缩空气，可以省略许多管路和传感器，缩短制动反应时间，维护简单，易于改进，为未来的车辆智能控制提供条件。但是，它还有不少问题需要解决，如驱动能源问题，控制系统失效处理，抗干扰处理等。目前电制动系统首先用在混合动力制动系统车辆上，采用液压制动和电制动两种制动系统。

2. 防滑控制系统

防滑控制系统ASR(Acceleration Slip Regulation)或称为牵引力控制系统TCS(Traction Contro System)是驱动时防止车轮打滑，使车轮获得最大限度的驱动力，并具有行驶稳定性，减少轮胎磨损和发动机的功耗，增加有效的驱动牵引力。防滑控制系统包括两部分：制动防滑与发动机牵引力控制。制动部分是当驱动轮（后轮）在低附着系数路面工作时，由于驱动力过大，则产生打滑，当ASR制动部分工作时，通过传感器将非驱动轮及驱动轮的轮速信号采集到控制器中，控制器根据轮速信号计算出驱动车轮滑移率及车轮减、加速度，当滑移率或减、加速度超过某一设定阀值时，则控制器打开开关阀，气压由储气筒直接进入制动气室进行制动，由于三通单向阀的作用气压只能进入打滑驱动轮的制动气室，在低附着系数路面上制动时，轮速对压力十分敏感，压力稍稍过大，车轮就会抱死。为此利用ABS电磁阀对制动压力进行精细的调节，即用小步长增压或减压，以达到最佳的车轮滑移的效果既可以得到最大驱动力，也可保持行驶的稳定性。

3．电子控制制动系统

由于ASS在功能方面存在许多缺陷,如气压系统的滞后，主车与接车制动相容性问题等。为改善这些,出现了电子制动控制系统EBS(Electronics Break System)它是将气压传动改为电线传动，缩短了制动响应时间。最重要的特点是各个车轮上制动力可以独立控制。控制强度则由司机踏板位移信号的大小来决

定，由压力调节阀、气压传感器及控制器构成闭环的连续压力控制，这样可以在外环形成一个控制回路，来实现各种控制功能，如制动力分布控制、减速控制、牵引车与挂车处祸合力控制等。

４．车辆动力学控制系统

车辆动力学控制系统VDC(Vehicle Dynamics Control)是在ABS的基础上通过测量方向盘转角、横摆角速度和侧向加速度对车辆的运动状态进行控制。VDC 系统根据转向角、油门、制动压力，通过观测器决定出车辆应具有的名义运动状态。同时由轮速、横摆角速度和侧向加速度传感器测出车辆的实际运动状态。名义状态与实际状态的差值即为控制的状态变量，控制的目的就是使这种差值达到最小，实现的方法则是利用车轮滑移率特性。车辆动力学控制系统目的是改善车辆操纵的稳定性，它可以在车辆运动状态处于危险状态下自动进行控制。其主要作用就是通过控制车辆的横向运动状态，使车辆处于稳定的运动状态，使人能够更容易地操纵车辆。

５．控制系统总线技术

随着汽车技术科技含量的不断增加，必然造成庞大的布线系统。因此，需要采用总线结构将各个系统联系起来，实现数据和资源信息实时共享，并可以减少传感器数量，从而降低整车成本，朝着系统集成化的方向发展。目前多使用 CAN 控制器局域网络（Controller Area Network)用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

1.4 国内防抱死制动系统的研究和应用概况

我国ABS的研究始于20世纪80年代初，现刚刚进入产品试制和装车试验阶段。随着我国市场经济的不断发展及汽车保有量和车速的不断提高，行车安全问题变得越来越突出。ABS系统的研究在我国成为热门课题，许多高校、科研单位和生产厂家正在加快研究攻关和技术引进步伐。国内研制ABS的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院、清华大学、西安艾韦机电科技公司等单位和部门。东风公司从80年代初就开始研究ABS，是较早研究ABS的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收。重庆公路研究所相继开发出了两代 ABS产品，

第一代 ABS的ECU采用了Ｚ80芯片。第二代ABS产品为 FKX-ACI型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国工NTEL公司的MCS－96系列8098单片机。我国目前己着手制定有关车辆安全性方面的法规，并决定首先在重型汽车和大客车上安装ABS系统。从 1998年起，国产的奥迪、桑塔纳和富康等轿车，己普遍装上了ABS[6]。

2 汽车防抱死控制系统设计

2.1 防抱死制动系统（ABS）的基本组成

2.1.1 ABS的组成

ABS由传感器、电子控制元件（ECU）和执行器三部分组成，如图2-1所示。

图2-1制动防抱死系统（ABS）的基本组成

ABS硬件原理图如图2-2所示。

图2-2 ABS的硬件原理图

2)进行车速、轮速、滑移率等的计算

3)输出泵电动机、电磁阀的驱动电平信号。

4)能接收、判断外部故障信号，并采取相应的

表2-1 各种识别系统优缺点的比较

3. ABS的使用与检修

3.1 ABS故障检修基础

对于ABS的检修，要了解装备有ABS的车辆容易出现的一些特殊现象，比如某些装有ABS的汽车，在发动机起动时，踏下制动踏板会弹起，而在发动机熄火时，制动踏板会下沉；制动时，转动转向盘，会感到转向盘有轻微的振动；制动时，有时会感到制动踏板有轻微下沉；制动时，制动踏板会有轻微振动；高速行驶急转弯时，或冰滑路面上行驶时，有时会出现制动警告灯亮起的现象；制动时，ABS继电器不断地动作；装有ABS的汽车，在制动后期，会有车轮抱死，地面留下拖滑的印痕。

在ABS故障检修要区分出ABS系统和常规制动系统故障：

噪声：大多数的ABS系统工作时，都会产生一定晨读的噪音，例如液压调节器内的电磁阀动作的噪声。

制动抱死：制动抱死大多出现在常规制动系统中，ABS系统很少发生这种情形，但有几种情形会造成ABS系统制动抱死，例如前轮回路的ABS系统分离阀卡在开关位置。

踏板震动：ABS工作时的液压回馈到踏板时，会引起踏板快速震动。但在常规制动工作时，若有震动发生，则检测制动碟是否不平；另外，制动鼓失圆或者车轮轴承松动，也会造成踏板震动。

迟滞：在常规制动时，若制动容易出现抱死的倾向，则检测制动蹄片是否脏污，并且检查制动盘、制动鼓是否严重磨损。

拖拽：在附带巡航控制系统的ABS系统中，当电流流经巡航控制系统中的控制电磁阀及液压泵时，可能会引起系统对驱动轮施以制动而发生拖拽的现象。

制动踏板下沉：发生这种症状时，应检查总泵是否磨损；在有油平面指示灯的系统中，检查“ABS”或“BREAKE”警示灯；在使用KELSES-HAYES防抱制动系统（RWAL/RABS）的卡车上，若有油污卡死在ABS控制阀内，会导致踏

图4-1 主程序流程图

4.3 软件设计与IC卡流程

4.3.1 软件设计和水表工作流程图

考虑到MSP430F449的资源相对较为丰富，内存和程序FLASH区较大，其开发支持C编译，调试灵活方便以及C语言本身所具有的灵便性，所以选用C语言开发本系统[18]。采用自顶向下和自底向上相结合的软件设计方法，大大缩短了开发周期。主程序采用顺序执行的方法，逐个扫描各个自定义标志位，检查是否有动作发生，若有发生则转入相应子程序处理，处理完后回到主程序，继续扫描其后的标志位，最后进入低功耗状态，等待中断唤醒，唤醒后再扫描一遍，进入低功耗状态。由于各信号以中断的方式进入的，所以要特别注意中断的优先级及中断的嵌套问题。

采用模块化方法设计各个子程序。根据不同功能，定义了不同的功能模块。明确入口出口，相互之间的调用关系，以供调用。主要软件模块有:主监控程序、IC卡处理子程序、水计量子程序、串行中断服务子程序、低电保护子程序等组成。水表工作流程图如图4.4所示。系统开机后首先系统初始化然后进行安全检查，判断电源电压等是否正常，若一切正常则开阀供水，然后系统设置参数准备计量。否则报警，显示相应的故障。在计量工作中主要处理两个信号:工作信号和计量信号(计量信号为脉冲信号)。系统实时监测水表光电编码器发来的脉冲信号，随时计算水的流量。无论在什么情况下，只要有故障信号出现，系统就出现提示，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户。

图4.4 主控水表工作流程