汽車防滑控制系統(tǒng)ABS/ASR基本原理及發(fā)展趨勢

2 ABS/ASR的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

早在1928年防抱死制動理論就被提出。BOSCH公司在1936年第一個獲得了防抱死制動系統(tǒng)的專利權(quán)。1954年，F(xiàn)ORD公司將ABS裝在林肯轎車上。這一時期的各種ABS的輪速傳感器和制動壓力調(diào)節(jié)裝置都是機械式，因此，獲取的輪速信號不夠精確，制動壓力調(diào)節(jié)的適時性和精確性也難以保證。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，ABS進入電子控制時代。20世紀(jì)60年代后期到70年代初期，凱爾塞?海伊斯公司研制生產(chǎn)的兩輪制動的ABS、克萊斯勒公司與BENDIX公司合作研制的四輪制動的ABS、BOSCH和TEVES公司研制的ABS、WABCO公司與BENZ公司合作研制的裝備在氣壓制動的載貨汽車上的ABS，都是由模擬式電子控制裝置對設(shè)置在制動管路中的電磁閥進行控制，直接對各制動輪以電子控制壓力進行調(diào)節(jié)。由于模擬式電子控制裝置反應(yīng)速度慢、控制精度低、易受干擾，致使各種ABS均未達到預(yù)期的控制效果。

20世紀(jì)70年代后期，ABS采用數(shù)字式電子技術(shù)，反應(yīng)速度、控制精度和可靠性都顯著提高，ABS進人實用化階段。BOSCH公司在1978年首先推出了采用數(shù)字式電子控制裝置的ABS――BOSCH ABS2。自此，歐、美、日的許多公司相繼研制了形式多樣的ABS。自1985年起，BOSCH、TEVES、BENDIX、WABCO等公司開始對ABS的生產(chǎn)大力投資，以滿足汽車對ABS需要量增加的要求。

目前，國際上ABS在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，已成為絕大多數(shù)汽車的標(biāo)準(zhǔn)裝備，北美和西歐的各類客車和輕型載貨汽車，ABS的裝備率已達90%以上，轎車ABS的裝備率在60%左右，運送危險品的載貨汽車ABS的裝備率為100%。

1971年BUICK公司研制了由電子控制裝置自動中斷發(fā)動機點火，以減小發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，防止驅(qū)動車輪發(fā)生滑轉(zhuǎn)的驅(qū)動防抱死系統(tǒng)，成為ASR的雛形。1985年，VOLVO公司試制了電子牽引力控制系統(tǒng)ETC（Electronic Traction Control），通過調(diào)節(jié)燃油供給量來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，以控制驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率，產(chǎn)生最佳驅(qū)動力。1986年，BOSCH推出了該公司的第一個牽引力控制系統(tǒng)TCS。

僅依靠調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩不能解決汽車在對開路面上很好地起步加速的問題。為了解決這一問題，需要對附著不好的一側(cè)驅(qū)動輪施加部分制動，以充分發(fā)揮附著條件較好的一側(cè)的地面驅(qū)動力。隨著ABS技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，利用ABS壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實現(xiàn)這一目標(biāo)。采用制動干預(yù)控制的ASR系統(tǒng)通常都是同ABS集成在一起的，形成ABS/ASR系統(tǒng)。1986年12月，BOSCH公司第一次將ABS與ASR結(jié)合起來，率先推出了具有防抱死制動和驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)功能的防滑控制系統(tǒng)ABS/ASR 2U裝置。同期，BENZ公司與WABCO公司也聯(lián)合開發(fā)出了應(yīng)用在載貨汽車上的ABS/ASR系統(tǒng)。

此后，各大汽車公司紛紛開始應(yīng)用ABS/ASR系統(tǒng)，使其成為頂級豪華車的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著各大公司不斷開發(fā)出結(jié)構(gòu)更緊湊、成本更低、可靠性更強、功能更全面的ABS/ASR系統(tǒng)，ABS/ASR系統(tǒng)也逐漸應(yīng)用于中、低檔汽車上。到1997年時，已經(jīng)有23家汽車廠商的近50種車型使用了ABS/ASR系統(tǒng)。

2.2國內(nèi)發(fā)展概況

國內(nèi)研究開發(fā)ABS起步較晚，約始于20世紀(jì)80年代中期。但我國對ABS的系統(tǒng)開發(fā)十分重視，制定相應(yīng)的法規(guī)力促ABS的發(fā)展。1993年4月1日開始實施的GB 13594-92《汽車防抱死制動系統(tǒng)性能要求和試驗方法》，為ABS成為標(biāo)準(zhǔn)裝備提供了試驗方法和依據(jù)。1999年10月1日實施的GB 12676――1999《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》規(guī)定：2003年10月1日以后，大型客車和大型載貨汽車必須安裝符合GB 13594中規(guī)定的一類ABS。

目前，國內(nèi)研究ABS有代表性的科。研機構(gòu)有以下幾個：吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室、北京理工大學(xué)汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實驗室、清華大學(xué)汽車安全與節(jié)、能國家重點實驗室、華南理工交通學(xué)院汽車系、濟南程軍電子科技公司等。這些單位在ABS的仿真、控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱電磁閥動作響應(yīng)等方面的研究取得了很多成果。同時對防抱死制動時、的滑移率的計算、滑移率和附著系數(shù)之間的關(guān)系及ABS的控制算法也有很深的研究。

國內(nèi)現(xiàn)在生產(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)。完全自主生產(chǎn)開發(fā)ABS的有代表性的國內(nèi)公司有：廣州市科密汽車制動技術(shù)開發(fā)有限公司、重慶聚能汽車技術(shù)有限責(zé)任公司、東風(fēng)科技汽車制動系統(tǒng)公司、西安博華機電股份有限公司等。已開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品有單通道、三通道、四通道、六通道的氣壓和液壓式的，適用于摩托車、轎車、大中型客車一、重型載貨汽車、掛車的ABS及相關(guān)零部件。這些ABS的制動性能指標(biāo)達到了國外同類產(chǎn)品的水平，部分試驗數(shù)據(jù)優(yōu)于國外公司同類產(chǎn)品，在國內(nèi)占有一定的市場。

估計2005年我國新生產(chǎn)的中、重型載貨汽車，大、中型客車ABS的裝車率為100%，而小、微型客車ABS的裝車率為20％，轎車ABS裝車率為50%。

國內(nèi)對ASR的研究，大約開始于20世紀(jì)90年代。一些科研單位如清華大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、同濟大學(xué)、上海交通大學(xué)、濟南重汽技術(shù)中心等對ASR技術(shù)的發(fā)展進行跟蹤、研究，并取得了階段性進展。目前，我國科研人員主要針對ASR控制系統(tǒng)的控制策略、控制算法、邏輯等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行研究。由于受電控發(fā)動機的限制，我國目前在ASR系統(tǒng)的控制理論方面大多側(cè)重于采用以制動控制為主、發(fā)動機控制為輔的控制方法?？偟膩碚f，距離產(chǎn)品化研究還有一定的差距。因此國內(nèi)尚無自主研發(fā)的集ABS和ASR為一體的ABS/ASR防滑控制系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)。

3 ABS/ASR的發(fā)展趨勢

3.1 ABS/ASR控制技術(shù)的提高

目前，雖然ABS/ASR已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但控制方法還是以邏輯門限值控制為主。該控制方法雖比較簡單，但邏輯復(fù)雜，所有的門限值都需要大量的實驗來確定，調(diào)試起來很困難。而且，采用邏輯門限值控制的ABS/ASR系統(tǒng)通用性比較差，需要針對不同的車型重新開發(fā)。隨著各種現(xiàn)代控制理論不斷發(fā)展和完善，采用優(yōu)化控制理論，可實現(xiàn)伺服控制和高精度控制。將智能控制技術(shù)如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用到ABS/ASR系統(tǒng)中，可以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性和可靠性。相對于目前的基于滑移率的控制算法，基于路面附著系數(shù)的控制算法容易實現(xiàn)連續(xù)控制，能適應(yīng)各種路面變化，控制滑移率在最佳滑移率附近，使ABS/ASR的控制效果得以改善。

通過先進的測試手段可進一步完善ABS/ASR功能。例如，ABS控制車輪制動防滑時，車速沒有直接測量，而是通過輪速的波動情況估取參考車速作為車速，然后計算滑移率用以控制，所以，ABS控制時的滑移率不能保證其準(zhǔn)確性。隨著傳感器制造和集成技術(shù)的發(fā)展，添加車身速度傳感器來測量車身速度，可提高ABS/ASR的控制效果。

線制動系統(tǒng)BBW（Brake-by-Wire）是制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。BBW將傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的液壓油或空氣等傳力介質(zhì)完全由電制動取代，電能作為能量來源。制動時由電動機驅(qū)動制動鉗塊，整個系統(tǒng)內(nèi)沒有液、氣壓管路，可省略許多管路和傳感器，因而結(jié)構(gòu)簡捷。BBW由電線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號，制動反應(yīng)時間縮短，極大地提高了汽車的制動安全性，并為將來的智能汽車控制提供條件。此外，在電子控制系統(tǒng)中設(shè)計相應(yīng)程序，操縱電控元件來控制制動力的大小及各軸制動力分配，可完全實現(xiàn)ABS及ASR等功能。BBW是一種全新的制動理念，但仍有一些問題需要解決：目前車輛的12 V/24 V電源系統(tǒng)無法提供如此大的能量，需采用高品質(zhì)的42 V電源；因為不存在獨立的主動備用制動系統(tǒng)，因此需要一個備用系統(tǒng)保證制動安全；車輛在運行過程中會有各種干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響是急需解決的問題。

電子制動系統(tǒng)EBS（Electronically ControlledBraking System）是適應(yīng)對汽車及掛車制動系統(tǒng)穩(wěn)定性逐步提高的要求，在ABS/ASR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一套綜合電子控制系統(tǒng)。它除了包含ABS/ASR的基本功能外，還具有以下特點：①EBS優(yōu)化了各車輪間、主車與掛車或半掛車間的制動力分配。通常，對于常規(guī)制動系統(tǒng)而言，牽引車和掛車之間的制動協(xié)調(diào)性不能總是處于理想的匹配狀態(tài)，尤其在與牽引車相配的掛車經(jīng)常更換的情況下。EBS會在任何狀態(tài)下監(jiān)控到主車與掛車的不兼容性，自動調(diào)整主車與掛車之間的制動力分配，滿足主車和掛車制動協(xié)調(diào)性的要求，改善車輛的安全性。前后橋襯片磨損協(xié)調(diào)，總磨損量達到最小，所有襯片更換間隔一致，縮短了維修時間，降低運行成本。同時，制動力的協(xié)調(diào)還可以增加制動舒適性。②EBS通過制動管理系統(tǒng)將輔助制動和行車制動統(tǒng)一管理。它確保在每一次制動時，實現(xiàn)無磨損制動（緩速器、發(fā)動機制動承擔(dān)大部分的制動工作，因此可以使行車制動器的溫度保持在一個最低的水平，制動襯片的磨損降低）。③改善了ABS/ASR的功能，改善了制動響應(yīng)時間和車輛的制動反應(yīng)，縮短了制動距離，改善制動穩(wěn)定性。舒適的制動感應(yīng)，幾乎達到轎車的制動感受。④EBS具有完善的診斷和自檢測功能，可提供關(guān)于制動系統(tǒng)的即時信息，任何故障都可以被系統(tǒng)監(jiān)測到，并準(zhǔn)確顯示以提示維修。維修專家據(jù)此排除故障。

目前，EBS在載貨汽車和客車上得到應(yīng)用，是ABS/ASR在商用車領(lǐng)域的替代產(chǎn)品。ABS/ASR市場將逐漸減少，因為EBS將考慮用于輕型車。

3.2 減小體積與質(zhì)量，簡化結(jié)構(gòu)

汽車上加裝一些安全裝置，質(zhì)量隨之增加，對燃油經(jīng)濟性不利。所以，在保證安全性的前提下，盡量減少質(zhì)量。另外，不論是大型車還是小型車，其安裝空間都是非常緊湊的，因此要求ABS/ASR裝置的體積盡可能的小。減小ABS/ASR體積的主要途徑是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計（如減小壓力調(diào)節(jié)器尺寸）、增加集成度。目前，經(jīng)過優(yōu)化的ABS已將制動主缸、壓力調(diào)節(jié)器和電控單元等集成為一體，從而大大減小了體積和成本。

3.3 控制功能的擴展和集成

將各個功能不同的汽車電子控制系統(tǒng)集成，在實現(xiàn)各自基本功能的前提下，形成新的具有更強大功能的集成電控系統(tǒng)是汽車電子控制的必然趨勢。把其它控制系統(tǒng)擴展進來，成為綜合的汽車控制系統(tǒng)，是ABS/ASR系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，ABS/ASR向以下幾個方向發(fā)展。

a.和電子制動力分配EBD（Electric Brake force Distribution）集成，形成ABS/ASR/EBD系統(tǒng)，可以明顯改善并提高ABS的功效。EBD的功能就是在汽車制動的瞬間，高速計算出4個輪胎由于附著力不同而導(dǎo)致的摩擦力數(shù)值，然后調(diào)整制動裝置，使其按照設(shè)定的程序在運動中高速調(diào)整，達到制動力與摩擦力（牽引力）的匹配，以保證車輛的平穩(wěn)和安全。當(dāng)緊急制動車輪抱死的情況下，EBD在ABS動作之前就已經(jīng)平衡了每一個輪胎的有效地面附著力，可以防止甩尾和側(cè)移，并縮短汽車制動距離。

b.和電子穩(wěn)定性程序ESP（Electronic Stability Program）系統(tǒng)集成，形成ABS/ASR/ ESP綜合控制系統(tǒng)，可解除汽車制動、起步和轉(zhuǎn)向時對駕駛員的高要求。ESP又稱汽車動態(tài)控制VDC（Vehicle Dynamics Control）。1995年，BOSCH推出基于ABS/ASR系統(tǒng)開發(fā)出的電子穩(wěn)定性程序ESP。ESP在吸收ABS/ASR優(yōu)點的基礎(chǔ)上，添加轉(zhuǎn)向傳感器、側(cè)滑傳感器、橫向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器等傳感器，具有啟動對制動力和汽車行駛方向進行修正、補償?shù)墓δ?。ESP通過對各傳感器傳來的車輛行駛狀態(tài)信息進行分析，使ABS/ASR自動地向一個或多個車輪施加制動力，將車輛保持在駕駛者所選定的車道內(nèi)，來幫助車輛維持動態(tài)平衡。因此，可以使車輛在各種狀況下保持最佳的穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)向過度或轉(zhuǎn)向不足的情形下效果更加明顯。

c.和汽車巡航自動控制ACC（Adaptive Cruise Control）系統(tǒng)集成，形成ABS/ASR/ACC綜合控制系統(tǒng)，可解除汽車制動、起步和保持安全車距方面對駕駛員的高要求。ACC裝置是近年來發(fā)展起來的一項汽車主動安全技術(shù)。裝備ACC裝置，可自動根據(jù)主目標(biāo)車輛與主車車輛的相對距離、相對速度和路面狀況參數(shù)，判定主車的理想安全距離，并實時自動調(diào)節(jié)主車車速，使之實際車距不小于理想安全距離，因而，可在較大程度上避免碰撞事故發(fā)生，具有良好的安全行駛效果。由于ABS/ASR和ACC都要用到相同的輪速采集系統(tǒng)、制動力調(diào)節(jié)裝置以及發(fā)動機調(diào)節(jié)裝置，在汽車ABS/ASR集成裝置的硬件基礎(chǔ)上，添加一個車距傳感器及相應(yīng)的電磁閥即可實現(xiàn)ACC功能。因此ABS/ASR與ACC的集成，不僅可以降低成本，而且可以提高汽車的整體安全行駛性能。

3.4 與其他控制系統(tǒng)的信息交換和共享，提高整體控制性能

隨著汽車電子化程度不斷提高，汽車上ECU數(shù)目越來越多。為了提高信號的利用率，要求大量的數(shù)據(jù)信息能在不同的ECU中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實時交換。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點對點的單一通訊方式，已遠(yuǎn)不能滿足這種需求。為此，總線技術(shù)被引人到汽車電控系統(tǒng)中。今后，ABS/ASR控制系統(tǒng)的開發(fā)將基于總線技術(shù)進行，實現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的信息共享。例如，利用CAN總線和SAE J1939，可以很容易實現(xiàn)機械式自動變速器AMT（Automatic Mechanical Transmission）和ABS/ASR之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)資源共享。ABS采集的汽車輪速信號，可以通過變換得到變速器的輸出軸轉(zhuǎn)速為AMT所用，可減少傳感器，降低控制系統(tǒng)的成本。同時，減少了插接件，使AMT和ABS/ASR系統(tǒng)的可靠性和實時性提高。ABS工作時，可向AMT發(fā)出控制信息，要求AMT掛空檔，提高ABS的工作性能，使車輛制動更平穩(wěn)、更有效。ASR工作時可要求AMT向上換檔減少力矩，使ASR的控制效果更好。ASR可使AMT避免在低附著路面起步和加速時出現(xiàn)反復(fù)換檔現(xiàn)象。因此，信息交換和共享可以使兩個控制系統(tǒng)的功能比它們單獨控制的功能更豐富和有效，使每個控制器的功能都更加完善，便于進行更復(fù)雜的控制，為整車控制奠定基礎(chǔ)。