基于飛思卡爾芯片的汽車液壓ABS系統(tǒng)及其仿真

　　引言

　　汽車制動性能的好壞,主要從以下3方面進行評價: 1)制動效能,即制動距離與制動減速度; 2)制動效能的恒定性,即抗熱或水衰退性能; 3)制動時汽車的方向穩(wěn)定性,即制動時汽車不發(fā)生跑偏、側滑以及失去轉向能力的性能。

　　通常,汽車在制動過程中存在著兩種力:一種是制動器摩擦片與制動鼓或制動盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動系統(tǒng)的阻力,由于它提供制動時的制動力, 因此也稱為制動系制動力;另一種力是輪胎與道路表面之間產(chǎn)生的摩擦阻力,也稱為輪胎- 道路附著力。如果制動系制動力小于輪胎- 道路附著力,則汽車制動時會保持穩(wěn)定狀態(tài);反之,如果制動系制動力大于輪胎- 道路附著力,則汽車制動時會出現(xiàn)車輪抱死。如果前輪抱死,汽車基本上沿直線向前行駛,汽車處于穩(wěn)定狀態(tài),但汽車失去轉向控制能力,這樣駕駛員制動過程中躲避障礙物、行人以及在彎道上所應采取的必要的轉向操縱控制等就無法實現(xiàn)。如果后輪抱死,汽車的制動方向穩(wěn)定性變差,在很小的側向干擾力下,汽車就會發(fā)生甩尾,甚至調(diào)頭等危險現(xiàn)象。尤其是在某些惡劣路況下,諸如路面濕滑或有冰雪,車輪抱死將難以保證汽車的行車安全。另外,由于制動時車輪抱死,從而導致局部急劇摩擦,將會大大降低輪胎的使用壽命。

　　1 ABS工作原理

　　汽車防抱死制動系統(tǒng)ABS (Anti - Lock BrakingSystem)是指在制動過程中,通過控制作用于車輪制動分泵上的制動管路壓力,自動調(diào)節(jié)車輪制動力,防止車輪抱死以取得最佳制動效能的電子裝置,ABS是目前世界上普遍公認的提高汽車制動安全性的有效措施之一。

　　2 基于MC9S12DP256芯片的液壓ABS系統(tǒng)

　　液壓ABS系統(tǒng)主要應用于轎車、微型車與輕型車制動系統(tǒng)。與氣動ABS系統(tǒng)不同,大部分液壓ABS系統(tǒng)的控制器與調(diào)節(jié)器是一個集成的系統(tǒng),盡管制造難度較大,但由于近年國內(nèi)轎車市場的發(fā)展和對交通安全的要求的提高,液壓ABS系統(tǒng)越來越受到廠家的關注,許多廠家紛紛開始進行液壓ABS系統(tǒng)的開發(fā)。

　　飛思卡爾半導體公司(原摩托羅拉半導體部)的MC9S12DP256芯片是以速度很高的CPU12內(nèi)核(Star Core)為核心的單片機,總線速度達 25MHz.MC9S12DP256單片機由標準片上外圍設備組成,包括一個16 位中央處理器(HCS12CPU) 、256K字節(jié)的Flash, 4K的EEPROM 、12K字節(jié)的RAM。5路CAN總線,溫度適用范圍為- 40～125 ℃,采用5 V供電,主要用于工業(yè)控制,特別適合用在汽車上?；贛C9S12DP256控制的液壓ABS系統(tǒng)配置框圖如圖1所示。

　　由于MC9S12DP256 芯片的總線內(nèi)置,抗干擾能力特別強,使用自動編程/擦除算法,提高了性能,而擴展的指令集和尋址模式提高了編碼效率,背景調(diào)試模式模塊(Background DebuggingMode, BDM)能夠允許全速在線仿真。另外,利用CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment,IDE),通過后臺調(diào)試方式(Background debug mode, BDM) ,下載控制程序和修改相關參數(shù),在不干擾目標程序運行情況下,實時監(jiān)測各寄存器和存儲器,實現(xiàn)了控制程序的板上在線調(diào)試,從而提高了集成系統(tǒng)的開發(fā)效率和試驗的方便性,可以大大縮短試驗周期。

　　3 液壓控制原理

　　液壓ABS系統(tǒng)采用一體化的結構即控制器與調(diào)節(jié)器集成為一體,可以使系統(tǒng)結構簡單, 節(jié)省線束。同時,由于采用了MC9S12DP256芯片,足以滿足ABS的計算、實時控制和診斷等方面的要求。液壓控制部分主要是利用三位三通電磁閥的特點。其調(diào)壓方式與工作原理如下:

　　(1)正常制動(ABS不工作)

　　正常制動時制動力較小, 車輪尚未抱死滑移,ABS不起作用, 三位電磁控制閥處于第1種狀態(tài),即三位電磁閥的左位。來自制動主缸的制動液經(jīng)3個電磁控制閥直接進入4個輪缸, 產(chǎn)生制動作用。放松制動踏板解除制動時, 輪缸中的油液仍經(jīng)電磁控制閥流回主缸。此時, 由于ECU (ABS電子控制單元) 未發(fā)出指令, 故電動油泵處于不工作狀態(tài)。

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　　(2)降壓狀態(tài)當汽車制動使車輪處于即將抱死狀態(tài)時, ECU根據(jù)傳感器的信號發(fā)出指令,給三位電磁閥的線圈通以較大的電流,使三位電磁閥處于第3種狀態(tài),即圖中三位電磁閥處于右位工作,通往主缸的油路被關閉,而4個輪缸與儲壓器相通, 輪缸內(nèi)的高壓油液經(jīng)電磁閥流入儲壓器,制動壓力降低,防止了車輪抱死,與此同時,受ECU的指令,電動油泵工作,把流入儲壓器的油液加壓后輸送回主缸,為下一次制動作好準備。

　　(3)保壓狀態(tài)當制動分 泵減壓(或增壓)到最佳制動狀態(tài)時,根據(jù)輪速傳感器發(fā)出的信號, ECU 發(fā)出相應指令,給線圈通以較小的電流,此時,三位電磁閥處于第2種狀態(tài),即圖中三位電磁閥處于中位工作,各閥口關閉,保持輪缸中的油壓處于最佳制動狀態(tài)。

　　(4)升壓狀態(tài)當制動力不足時,輪速傳感器發(fā)出信號, ECU停止向線圈供電,三位電磁閥回到第1種狀態(tài),主缸和輪缸再次相通,主缸中的高壓制動液經(jīng)三位電磁閥進入輪缸使制動力迅速上升。

　　ABS控制上述降壓、保壓、升壓各狀態(tài),使之相互交替進行, 從而保證汽車獲得最佳制動效果。ABS系統(tǒng)液壓回路如圖2所示。

　　4 仿真試驗結果

　　SIMUL INK 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng),連續(xù)的和離散的時間模型,或是兩者的混合。SIMU2L INK已經(jīng)在工業(yè)控制等領域得到了廣泛的應用。汽車的實際制動過程是一個非常復雜的過程,所以要完全精確地描述制動過程幾乎是不可能的,在仿真之前,可以對汽車的制動過程做適當?shù)暮喕图僭O,經(jīng)過簡化和假設后的汽車實際上成為一個二自由度做直線運動的模型。

　　制動時車身運動方程式為:

　　文中采用MATLAB /SIMUL INK軟件進行仿真研究,仿真采用五階變步長Runge - Kutta法進行,最小仿真步長為0. 001 s, 最大仿真步長為0. 01 s。以某型轎車為仿真試驗對象,該車的主要參數(shù)為:滿載質(zhì)量1 795 kg;軸距2 800 mm;重心距地面高度 655 mm;重心距前軸距離1 430 mm;重心距后軸距離1370 mm;風阻系數(shù)0. 4;風阻中心高度965mm;迎風面積1 736