汽車防抱死制動系統(tǒng)" title="防抱死制動系統(tǒng)">防抱死制動系統(tǒng)簡稱ABS（Anti-Lock Brake System），是在汽車制動過程中，防止車輪完全抱死，提高汽車在制動過程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力，縮短制動距離。針對汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS), 國際上流行的控制方法" title="控制方法">控制方法有邏輯門限值控制、PID控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等控制方法。國內(nèi)開發(fā)ABS采用的控制方法主要是最基本的邏輯門限值控制方法。目前，國內(nèi)研究ABS理論的科研單位有很多，比較有代表性的有：以郭孔輝院士為代表的吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室、清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室、華南理工交通學院汽車系、濟南程軍電子科技公司等。國內(nèi)生產(chǎn)ABS的公司不少, 但大多數(shù)公司是和國外著名ABS公司合作生產(chǎn), 其產(chǎn)品并非自主研制開發(fā)出來的。完全自主開發(fā)ABS的國內(nèi)比較有代表性的公司有重慶聚能汽車技術(shù)有限責任公司和西安博華機電股份有限公司等^[1]。
　　汽車在制動過程中，車輪可能相對于路面發(fā)生滑移，滑移成分在車輪縱向運動中所占的比例可由滑移率來表征。定義滑移率為s：
　　
　　式中: v為車身速度，ω為車輪角速度，r為車輪半徑。在不同的滑移率時，附著力系數(shù)也不同。試驗表明，縱向和側(cè)向附著力系數(shù)與滑移率關(guān)系如圖1所示。

　　防抱死制動系統(tǒng)的工作原理就是將車輪的滑移率控制在最佳滑移率sc附近，以獲得較高的縱向和側(cè)向附著系數(shù)從而減小制動距離以及保證汽車制動時的方向穩(wěn)定性。
1 ABS硬件設計
1.1 MC9S12DP256B單片機^[2]
　　MC9S12DP256B是Motorola 16位單片機HCS12家族中的一員，其處理單元采用16位的STAR12CPU。片內(nèi)資源包括256KB的Flash ROM、12KB的RAM、4KB的EEPROM、一個8通道的脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM)、一個8通道的增強型捕捉定時器模塊(ECT)、兩個8通道的A/D轉(zhuǎn)換模塊(ATD)、兩個串行通訊接口(SCI)、三個串行設備接口(SPI)等。在Codewarrior集成開發(fā)環(huán)境中，可以對單片機進行程序編輯、編譯、下載和在線調(diào)試，使其開發(fā)十分便利。
　　ECT模塊具有八個輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）通道，四個8位或兩個16位的脈沖累加器" title="累加器">累加器（PAI）通道。當該模塊運行時，16位的自由定時器按照設定的時鐘頻率在＄0000～＄FFFF之間循環(huán)計數(shù)。若某個通道設置為I/O功能，當被測信號的設定邊沿到來時，輸入捕捉邏輯立即將自由定時器的內(nèi)容捕捉到16位的IC/OC寄存器中，其分辨能力高達1μs甚至更高，并設置中斷請求標志，隨后程序進行中斷處理。若某個通道設置為OC功能，輸出比較邏輯自動將IC/OC寄存器的內(nèi)容與自由定時器的內(nèi)容進行比較，一旦相符立即操作對應的引腳，同時設置相應的中斷標志，隨后程序進行中斷處理，引腳輸出波形的時間分辨能力也可以達到1μs甚至更高。脈沖計數(shù)器則只對輸入脈沖的個數(shù)或者邊沿進行計數(shù)，不產(chǎn)生中斷。在輪速采集算法中使用了該功能。
　　IC/OC與通用I/O口PORTT共享八個引腳。四個8位的PAI通道0～3與前四個IC通道IC0~3共享引腳PORTT0~3。本控制器中，PORTT0~3使用脈沖累加器功能，注錄四個輪速傳感器的脈沖個數(shù)。當產(chǎn)生實時中斷（RTI）后，中斷程序讀取脈沖累加器的值，計算車輪的速度，同時脈沖累加器清零，重新開始計數(shù)。PORTT4~7使用輸出比較功能，當IC/OC寄存器的值與自由計數(shù)器的值相等之后，產(chǎn)生中斷，四個中斷程序分別處理各自輪子的ABS控制策略。
1.2 電子控制單元ECU硬件結(jié)構(gòu)
　　ABS的核心部件是電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）。ECU電路主要包括四個模塊:電源模塊、輪速信號處理模塊、運算模塊、電磁閥驅(qū)動電路，其基本功能是要實現(xiàn)輪速的采集、ABS的故障檢測、按照控制規(guī)律對電磁閥發(fā)控制信號。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 ABS控制算法
　　ABS控制算法采用邏輯門限值控制。它的基本原理是以車輪的加減速度作為主要控制門限，以車輪的滑移率作為輔助控制門限，在減速度達到下門限值時發(fā)出減壓控制信號，在加速度達到第一上門限值時發(fā)出增壓控制信號。如此反復循環(huán)，直到輪速降至一個較低的數(shù)值，退出ABS控制。
　　不同的路面附著系數(shù)使用不同的控制策略，所以算法的第一步就是識別路面。路面識別的方法是：首先給車輪發(fā)出保壓信號，保壓一段時間后，根據(jù)此時的輪減速度來識別路面。如果此時的輪減速度超過了第二上門限值，則說明是高附著路面；如果輪減速度在第一上門限值和第二上門限值之間，說明是一般附著路面；如果輪減速度小于第一上門限值，則說明是低附著路面。這樣做的結(jié)果是每個輪子的保壓等待時間占據(jù)一個循環(huán)周期的大部分時間，如果采用四個輪子的循環(huán)順序來執(zhí)行則需要很長時間，不能滿足時效性要求。但如果引入多任務實時操作系統(tǒng)勢必使得算法過于復雜。因此，提出了引入四個中斷處理的方法，即每個輪子都有獨立的計時時鐘，ABS控制完全按照各自設定的中斷時間執(zhí)行，實現(xiàn)了四個輪子的并行控制。中斷時間的設定是保證一秒鐘ABS控制循環(huán)執(zhí)行十幾到幾十次。
2.1 ABS詳細控制策略
　　Step 1：輪減速度剛達到下門限值時，系統(tǒng)開始保壓，同時計算滑移率，直到判斷出車輪進入不穩(wěn)定區(qū)域，置階段標志位Flag＝2，減壓。
　　Step 2：判斷減速度，直到減速度小于下門限值，置Flag＝3，保壓。
　　Step 3：保壓一定時間，判斷此時加速度的大小：(1)如果加速度小于第一上門限值，判斷為低附著路面，置Flag＝41，減壓。(2)如果加速度在第一上門限值和第二上門限值之間，判斷為一般路面，置Flag＝42，保壓。(3)如果加速度大于第二上門限值，判斷為高附著路面，置Flag＝43，增壓。
　　Step 4：根據(jù)Step3得出的Flag值執(zhí)行不同的控制方案。
　　Step 5：一個階段完畢，置Flag＝1，準備進入下一個循環(huán)。
　　這樣程序每次進入中斷后都將根據(jù)階段標志位的值執(zhí)行不同的控制階段，直到完成整個ABS控制。
2.2 輪速處理算法^[4]
　　輪速是ABS 程序中計算車輪加減速度的基礎。對輪速的處理必須滿足：(1)實時性好。ABS 的防抱死控制一秒鐘要進行多次循環(huán)，因此對輪速處理的及時性要求很高，要求輪速處理程序不能過于復雜。(2)精度高。ABS 輪速的精度對其以后的輪加減速度和參考車速的計算精度影響很大。
　　輪速采集的方法通常有周期法和脈沖計數(shù)法，這里采用脈沖計數(shù)法。脈沖計數(shù)法是利用一定時間內(nèi)輪速傳感器采集進來的齒圈個數(shù)即脈沖數(shù)來計算輪速。其計算公式為：
　　ω=2（πr/N)×(n/△t)　　　　　　　　　　　(2)
　　式中，ω為車輪角速度；r為車輪半徑；N為齒圈齒數(shù)；n為記錄的脈沖個數(shù)；△t為測量時間間隔。由式（2）可以看出，計算誤差主要由后半部分引起。單片機的計時很精確，因此△t的誤差可以忽略不計，但脈沖個數(shù)n易造成±1齒的測量誤差。誤差產(chǎn)生示意圖如圖3所示。

　　在低速時，這±1齒的誤差很可能會造成ABS的誤動作。如果增加測量時間間隔△t，ABS控制時效性變差。這里采用平均值法，即保持△t不變，每次計算輪速取最近四次的脈沖計數(shù)值的平均值，這樣就減小了隨機誤差，既能反映出車輪減速度的變化趨勢，又能防止±1齒的誤差給計算帶來大的干擾。
2.3 程序流程
　　程序流程圖分別如圖4、圖5、圖6所示。

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3 仿真平臺" title="仿真平臺">仿真平臺及結(jié)果
　　仿真方式采用xPC Target結(jié)構(gòu)。xPC Target是MathWorks公司發(fā)行的一個基于RTW（Real-Time Workshop）體系框架的補充產(chǎn)品，它可將Intel 80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實時系統(tǒng)，而且支持許多類型的I/O接口板，采用宿主機和目標機的“雙機型”解決途徑，使用兩臺PC機，其中宿主機用于運行Simulink，而目標機則用于執(zhí)行實時代碼。目標機運行了一個高度緊縮的實時操作內(nèi)核，通過以太網(wǎng)絡連接來實現(xiàn)宿主機和目標機之間的通信。仿真結(jié)束后可將結(jié)果數(shù)據(jù)上傳至宿主機，進行分析處理。
　　客車整車模型在宿主機Matlab/Simulink環(huán)境中搭建，然后采用xPC工具將模型自動轉(zhuǎn)換成C代碼，通過以太網(wǎng)下載到工控機中作為被控對象，實現(xiàn)實時仿真。硬件部分的信號接收及轉(zhuǎn)換使用Advantech公司的數(shù)據(jù)采集卡PCL-726完成。控制器的開發(fā)平臺使用Metrowerks公司的Codewarrior3.1，程序編譯之后下載至控制器（ECU）中，并在BDM模式下調(diào)試程序。半實物仿真平臺如圖7所示。
　　其中一個輪子的仿真結(jié)果如圖8所示。

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