汽车防抱死制动系统设计论文

摘要

防抱死制动控制系统（ABS）是在传统制动系统的基础上采用智能控制技术，在制动时自动调节制动力防止车轮抱死，充分利用道路附着力，提高制动方向稳定性和操纵稳定性，从而获得最大制动力且缩短制动距离，尽可能地避免交通事故发生的机电一体化安全装置。

本文根据防抱死制动控制系统的工作原理，应用汽车单轮运动的力学模型,分析了制动过程中的运动情况。采用基于车轮滑移率的防抱控制理论，根据车速、轮速来计算车轮滑移率。以MSP430F149单片机为核心，完成了输入电路、输出驱动电路及故障诊断等电路设计，阐述了ABS系统软件各功能模块的设计思想和实现方法，完成了ABS 检测软件、控制软件的设计。

课题所完成的汽车防抱死制动控制系统己通过模拟试验台的基本性能试验，结果表明：汽车防抱死制动控制系统的硬件电路设计合理可行，软件所采用的控制策略正确、有效，系统运行稳定可靠，改善了汽车制动系统性能，基本能够满足汽车安全制动的需要。

本文对汽车防抱死制动系统进行了数学建模，并在Matlab/Simulink 的环境下，对汽车常规制动系统和基于PID 控制器的防抱死制动系统的制动过程进行了仿真，通过对比分析，验证了基于PID 控制器的汽车防抱死制动系统具有良好的制动性能和方向操纵性。

关键词：防抱死制动系统（ABS）；滑移率；控制策略；单片机；建模；仿真；

第一章绪论

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。

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。

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。

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。