基于飞思卡尔芯片的汽车液压ABS系统及其仿真

引言

   汽车制动性能的好坏,主要从以下3方面进行评价: 1)制动效能,即制动距离与制动减速度; 2)制动效能的恒定性,即抗热或水衰退性能; 3)制动时汽车的方向稳定性,即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。

   通常,汽车在制动过程中存在着两种力:一种是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力,这种阻力称为制动系统的阻力,由于它提供制动时的制动力, 因此也称为制动系制动力;另一种力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力,也称为轮胎- 道路附着力。如果制动系制动力小于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会保持稳定状态;反之,如果制动系制动力大于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会出现车轮抱死。如果前轮抱死,汽车基本上沿直线向前行驶,汽车处于稳定状态,但汽车失去转向控制能力,这样驾驶员制动过程中躲避障碍物、行人以及在弯道上所应采取的必要的转向操纵控制等就无法实现。如果后轮抱死,汽车的制动方向稳定性变差,在很小的侧向干扰力下,汽车就会发生甩尾,甚至调头等危险现象。尤其是在某些恶劣路况下,诸如路面湿滑或有冰雪,车轮抱死将难以保证汽车的行车安全。另外,由于制动时车轮抱死,从而导致局部急剧摩擦,将会大大降低轮胎的使用寿命。

1 ABS工作原理

   汽车防抱死制动系统ABS (Anti - Lock BrakingSystem)是指在制动过程中,通过控制作用于车轮制动分泵上的制动管路压力,自动调节车轮制动力,防止车轮抱死以取得最佳制动效能的电子装置,ABS是目前世界上普遍公认的提高汽车制动安全性的有效措施之一。

2 基于MC9S12DP256芯片的液压ABS系统

    液压ABS系统主要应用于轿车、微型车与轻型车制动系统。与气动ABS系统不同,大部分液压ABS系统的控制器与调节器是一个集成的系统,尽管制造难度较大,但由于近年国内轿车市场的发展和对交通安全的要求的提高,液压ABS系统越来越受到厂家的关注,许多厂家纷纷开始进行液压ABS系统的开发。

  飞思卡尔半导体公司(原摩托罗拉半导体部)的MC9S12DP256芯片是以速度很高的CPU12内核(Star Core)为核心的单片机,总线速度达 25MHz.MC9S12DP256单片机由标准片上外围设备组成,包括一个16 位中央处理器(HCS12CPU) 、256K字节的Flash, 4K的EEPROM 、12K字节的RAM。5路CAN总线,温度适用范围为- 40～125 ℃,采用5 V供电,主要用于工业控制,特别适合用在汽车上。基于MC9S12DP256控制的液压ABS系统配置框图如图1所示。

   由于MC9S12DP256 芯片的总线内置,抗干扰能力特别强,使用自动编程/擦除算法,提高了性能,而扩展的指令集和寻址模式提高了编码效率,背景调试模式模块(Background DebuggingMode, BDM)能够允许全速在线仿真。另外,利用CodeWarrior集成开发环境(Integrated Development Environment,IDE),通过后台调试方式(Background debug mode, BDM) ,下载控制程序和修改相关参数,在不干扰目标程序运行情况下,实时监测各寄存器和存储器,实现了控制程序的板上在线调试,从而提高了集成系统的开发效率和试验的方便性,可以大大缩短试验周期。

3 液压控制原理
   液压ABS系统采用一体化的结构即控制器与调节器集成为一体,可以使系统结构简单, 节省线束。同时,由于采用了MC9S12DP256芯片,足以满足ABS的计算、实时控制和诊断等方面的要求。液压控制部分主要是利用三位三通电磁阀的特点。其调压方式与工作原理如下:

 
(1)正常制动(ABS不工作)

 
   正常制动时制动力较小, 车轮尚未抱死滑移,ABS不起作用, 三位电磁控制阀处于第1种状态,即三位电磁阀的左位。来自制动主缸的制动液经3个电磁控制阀直接进入4个轮缸, 产生制动作用。放松制动踏板解除制动时, 轮缸中的油液仍经电磁控制阀流回主缸。此时, 由于ECU (ABS电子控制单元) 未发出指令, 故电动油泵处于不工作状态。

 
　(2)降压状态当汽车制动使车轮处于即将抱死状态时, ECU根据传感器的信号发出指令,给三位电磁阀的线圈通以较大的电流,使三位电磁阀处于第3种状态,即图中三位电磁阀处于右位工作,通往主缸的油路被关闭,而4个轮缸与储压器相通, 轮缸内的高压油液经电磁阀流入储压器,制动压力降低,防止了车轮抱死,与此同时,受ECU的指令,电动油泵工作,把流入储压器的油液加压后输送回主缸,为下一次制动作好准备。

 
(3)保压状态当制动分 泵减压(或增压)到最佳制动状态时,根据轮速传感器发出的信号, ECU 发出相应指令,给线圈通以较小的电流,此时,三位电磁阀处于第2种状态,即图中三位电磁阀处于中位工作,各阀口关闭,保持轮缸中的油压处于最佳制动状态。

 
(4)升压状态当制动力不足时,轮速传感器发出信号, ECU停止向线圈供电,三位电磁阀回到第1种状态,主缸和轮缸再次相通,主缸中的高压制动液经三位电磁阀进入轮缸使制动力迅速上升。

    ABS控制上述降压、保压、升压各状态,使之相互交替进行, 从而保证汽车获得最佳制动效果。ABS系统液压回路如图2所示。

4 仿真试验结果

   SIMUL INK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,它支持线性和非线性系统,连续的和离散的时间模型,或是两者的混合。SIMU2L INK已经在工业控制等领域得到了广泛的应用。汽车的实际制动过程是一个非常复杂的过程,所以要完全精确地描述制动过程几乎是不可能的,在仿真之前,可以对汽车的制动过程做适当的简化和假设,经过简化和假设后的汽车实际上成为一个二自由度做直线运动的模型。

 制动时车身运动方程式为:

 
    文中采用MATLAB /SIMUL INK软件进行仿真研究,仿真采用五阶变步长Runge - Kutta法进行,最小仿真步长为0. 001 s, 最大仿真步长为0. 01 s。以某型轿车为仿真试验对象,该车的主要参数为:满载质量1 795 kg;轴距2 800 mm;重心距地面高度 655 mm;重心距前轴距离1 430 mm;重心距后轴距离1370 mm;风阻系数0. 4;风阻中心高度965mm;迎风面积1 736 × 1 490 mm2 ;制动初速度80 km /h;路面为普通水泥路面。仿真结果如图3、图4所示。

    
5 结论

 (1)由仿真结果可以看出,基于飞思卡尔芯片的液压ABS系统在制动过程中,能够使滑移率保持在0.1～0.3之间,有效地防止了车轮的抱死,保证了汽车具有良好的制动性能。

 (2)通常采用工业级普通芯片作为ABS控制芯片时,在温度适应性及系统稳定性上都有不尽人意之处,该系统由于采用Motorola公司的专用汽车芯片MC9S12DP256,使系统更加可靠、稳定,为液压ABS系统的开发提供了一种新的选择方案。