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(dòng)性能的好壞,主要從以下3方面進(jìn)行評(píng)價(jià): 1)制動(dòng)效能,即制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度; 2)制動(dòng)效能的恒定性,即抗熱或水衰退性能; 3)制動(dòng)時(shí)汽車的方向穩(wěn)定性,即制動(dòng)時(shí)汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。

　　通常,汽車在制動(dòng)過(guò)程中存在著兩種力:一種是制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)鼓或制動(dòng)盤之間產(chǎn)生的摩擦阻力,這種阻力稱為制動(dòng)系統(tǒng)的阻力,由于它提供制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力, 因此也稱為制動(dòng)系制動(dòng)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(dòng)系制動(dòng)力小于輪胎- 道路附著力,則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)保持穩(wěn)定狀態(tài);反之,如果制動(dòng)系制動(dòng)力大于輪胎- 道路附著力,則汽車制動(dòng)時(shí)會(huì)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(zhuǎn)向控制能力,這樣駕駛員制動(dòng)過(guò)程中躲避障礙物、行人以及在彎道上所應(yīng)采取的必要的轉(zhuǎn)向操縱控制等就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果后輪抱死,汽車的制動(dòng)方向穩(wěn)定性變差,在很小的側(cè)向干擾力下,汽車就會(huì)發(fā)生甩尾,甚至調(diào)頭等危險(xiǎn)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(dòng)時(shí)車輪抱死,從而導(dǎo)致局部急劇摩擦,將會(huì)大大降低輪胎的使用壽命。

　　1 ABS工作原理

　　汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)ABS (Anti - Lock BrakingSystem)是指在制動(dòng)過(guò)程中,通過(guò)控制作用于車輪制動(dòng)分泵上的制動(dòng)管路壓力,自動(dòng)調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)力,防止車輪抱死以取得最佳制動(dòng)效能的電子裝置,ABS是目前世界上普遍公認(rèn)的提高汽車制動(dòng)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(yīng)用于轎車、微型車與輕型車制動(dòng)系統(tǒng)。與氣動(dòng)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(gè)集成的系統(tǒng),盡管制造難度較大,但由于近年國(guó)內(nèi)轎車市場(chǎng)的發(fā)展和對(duì)交通安全的要求的提高,液壓ABS系統(tǒng)越來(lái)越受到廠家的關(guān)注,許多廠家紛紛開始進(jìn)行液壓ABS系統(tǒng)的開發(fā)。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體公司(原摩托羅拉半導(dǎo)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(jī),總線速度達(dá) 25MHz.MC9S12DP256單片機(jī)由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成,包括一個(gè)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(qiáng),使用自動(dòng)編程/擦除算法,提高了性能,而擴(kuò)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(guò)后臺(tái)調(diào)試方式(Background debug mode, BDM) ,下載控制程序和修改相關(guān)參數(shù),在不干擾目標(biāo)程序運(yùn)行情況下,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各寄存器和存儲(chǔ)器,實(shí)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(yàn)的方便性,可以大大縮短試驗(yàn)周期。

　　3 液壓控制原理

　　液壓ABS系統(tǒng)采用一體化的結(jié)構(gòu)即控制器與調(diào)節(jié)器集成為一體,可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 節(jié)省線束。同時(shí),由于采用了MC9S12DP256芯片,足以滿足ABS的計(jì)算、實(shí)時(shí)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(diǎn)。其調(diào)壓方式與工作原理如下:

　　(1)正常制動(dòng)(ABS不工作)

　　正常制動(dòng)時(shí)制動(dòng)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(lái)自制動(dòng)主缸的制動(dòng)液經(jīng)3個(gè)電磁控制閥直接進(jìn)入4個(gè)輪缸, 產(chǎn)生制動(dòng)作用。放松制動(dòng)踏板解除制動(dòng)時(shí), 輪缸中的油液仍經(jīng)電磁控制閥流回主缸。此時(shí), 由于ECU (ABS電子控制單元) 未發(fā)出指令, 故電動(dòng)油泵處于不工作狀態(tài)。

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　　(2)降壓狀態(tài)當(dāng)汽車制動(dòng)使車輪處于即將抱死狀態(tài)時(shí), ECU根據(jù)傳感器的信號(hào)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(guān)閉,而4個(gè)輪缸與儲(chǔ)壓器相通, 輪缸內(nèi)的高壓油液經(jīng)電磁閥流入儲(chǔ)壓器,制動(dòng)壓力降低,防止了車輪抱死,與此同時(shí),受ECU的指令,電動(dòng)油泵工作,把流入儲(chǔ)壓器的油液加壓后輸送回主缸,為下一次制動(dòng)作好準(zhǔn)備。

　　(3)保壓狀態(tài)當(dāng)制動(dòng)分 泵減壓(或增壓)到最佳制動(dòng)狀態(tài)時(shí),根據(jù)輪速傳感器發(fā)出的信號(hào), ECU 發(fā)出相應(yīng)指令,給線圈通以較小的電流,此時(shí),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(guān)閉,保持輪缸中的油壓處于最佳制動(dòng)狀態(tài)。

　　(4)升壓狀態(tài)當(dāng)制動(dòng)力不足時(shí),輪速傳感器發(fā)出信號(hào), 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(dòng)液經(jīng)三位電磁閥進(jìn)入輪缸使制動(dòng)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(jìn)行, 從而保證汽車獲得最佳制動(dòng)效果。ABS系統(tǒng)液壓回路如圖2所示。

　　4 仿真試驗(yàn)結(jié)果

　　SIMUL INK 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)間模型,或是兩者的混合。SIMU2L INK已經(jīng)在工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。汽車的實(shí)際制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,所以要完全精確地描述制動(dòng)過(guò)程幾乎是不可能的,在仿真之前,可以對(duì)汽車的制動(dòng)過(guò)程做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè),經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化和假設(shè)后的汽車實(shí)際上成為一個(gè)二自由度做直線運(yùn)動(dòng)的模型。

　　制動(dòng)時(shí)車身運(yùn)動(dòng)方程式為:

　　文中采用MATLAB /SIMUL INK軟件進(jìn)行仿真研究,仿真采用五階變步長(zhǎng)Runge - Kutta法進(jìn)行,最小仿真步長(zhǎng)為0. 001 s, 最大仿真步長(zhǎng)為0. 01 s。以某型轎車為仿真試驗(yàn)對(duì)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(fēng)阻系數(shù)0. 4;風(fēng)阻中心高度965mm;迎風(fēng)面積1 736