基于dSPACE的汽車ABS控制器開發(fā)

王悅新，齊曉杰，張金柱，孫遠濤

（黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

汽車防抱死制動系統（ABS）是一種在制動時能夠自動調節(jié)車輪制動力，防止車輪抱死以取得最佳制動效果的制動系統。該系統能夠有效地縮短制動距離、提高制動時的方向穩(wěn)定性，對汽車的行駛安全具有重要的意義。dSPACE是基于 MATLAB／Simulink仿真系統開發(fā)的軟硬件實時控制工作平臺，利用它可縮短系統的開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)費用。本文利用該系統開發(fā)ABS控制器，選擇了ABS控制器的硬件并設計了ABS控制器的軟件。

1 ABS系統控制策略及控制方法

1.1 ABS系統的控制策略

圖1為一個四輪汽車防抱死控制系統的示意圖。汽車的制動系統隨車型的不同而不同，同樣ABS系統也因車而異。因此，ABS的類型較多但基本都由中央控制器、壓力調節(jié)器（電磁閥）、輪速傳感器、警示燈以及一些控制繼電器組成。車輪轉速傳感器一般為電磁感應式，通常安置在被控車輪上。電磁閥既可以設置在制動總泵至制動分泵的制動管路中形成分離結構，也可與制動總泵合為一體形成整體結構，對制動壓力進行調節(jié)。電子控制器是防抱死制動系統的控制中樞，它主要接收車輪轉速傳感器和制動燈開關等輸入的信號，對制動過程中被控車輪的運動狀態(tài)進行監(jiān)測，根據需要對壓力調節(jié)器進行控制，使壓力調節(jié)器對被控車輪的制動壓力進行保持、減小和增大等調節(jié)，并根據車輪轉速傳感器反饋的信號修正控制指令。電子控制器還具有對防抱死制動系統的工作狀態(tài)進行監(jiān)測的功能。ABS報警燈安置在儀表板上，由電子控制器控制其亮滅，指示防抱死制動系統的工作狀態(tài)。

圖2為增壓階段ABS工作原理，ABS系統控制策略如下所述：

1）普通制動（ABS不工作狀態(tài)）。在制動力較小、車輪未出現滑移或車速較低時，ABS處于不工作狀態(tài)，此時，電動泵的電動機也是處于不工作狀態(tài)。

2）緊急制動（ABS工作）。開始制動時，駕駛員踩制動踏板，制動壓力由制動主缸產生，經常開的不帶電壓的進油閥作用到車輪制動輪缸上，此時，不帶電壓的出油閥依然關閉，ABS沒參與控制，整個過程和常規(guī)液壓制動系統相同，制動壓力不斷上升。當駕駛員繼續(xù)踩制動踏板，油壓繼續(xù)升高到車輪出現抱死趨勢時，ABS電子控制單元發(fā)出指令使進油閥通電并關閉閥門，出油閥依然不帶電壓保持關閉，系統油壓保持不變。若制動壓力保持不變，車輪有抱死趨勢時，ABS電子控制單元給出油閥通電打開出油閥，系統油壓通過低壓儲液罐降低油壓，此時進油閥繼續(xù)通電保持關閉狀態(tài)、有抱死趨勢的車輪被釋放，車輪轉速開始上升。與此同時，電動液壓泵開始起動，將制動液由低壓儲液罐送至制動主缸。為了制動最優(yōu)化，當車輪轉速增加到一定值后，電子控制單元給出油閥斷電，關閉此閥門，進油閥打開使得制動液被泵入液壓制動系統，隨著制動壓力的增加，車輪轉速又降低，如此反復循環(huán)控制。

1.2 ABS系統的控制方法

通過dSPACE軟件模擬PWM波來實現對開關電路的控制，從而完成對ABS泵的反復循環(huán)控制（工作頻率為5～6次／s），將車輪的滑移率始終控制在20%。在制動的初始階段，制動壓力上升，車輪產生制動減速度，當車輪達到某一減速度值，說明車輪已有抱死傾向，車輪狀態(tài)處于不穩(wěn)定的區(qū)域，這時減小制動壓力。此時Matlab模型要求每組電磁閥中的出油閥關閉，進油閥打開，此時處于增壓階段。車輪由于慣性仍有一段制動減速度下降，隨后制動減速度開始上升，最終產生車輪角加速度。這表明車輪已恢復到穩(wěn)定的車輪特性區(qū)域，希望車輛盡可能多的時間內停留在這一區(qū)域內，所以保持制動壓力。此時Matlab模型要求每組電磁閥中的出油閥關閉，進油閥打開。減壓階段則進油閥關閉，出油閥打開。增壓階段電動液壓泵工作，其它時間電動液壓泵不工作。

2 ABS控制器硬件開發(fā)

2.1 驅動電路設計

電磁閥的開關需要繼電器控制，繼電器驅動電路如圖3所示，利用dSPACE產生PWM（Pulse Width Modulation）波，控制繼電器開關，進而完成對ABS電磁閥的開關頻率控制。通過控制周期和占空比得到10Hz的電磁閥開關頻率。此頻率符合ABS電磁閥的開關頻率。

圖3 繼電器驅動電路

2.2 dSPACE硬件部分及外圍電路

本系統利用dSPACE普通I／O口作為信號采集和信號輸出端口。其中開始信號按鍵與Y3 Group 4ch 1in端口相連，提示測試開始，其開關電路如圖4所示。本系統采用的車速信號模擬裝置為十轉繞線電位計。電路由R1與R2＋R3組成分壓電路，再由U1緩沖器得到一穩(wěn)定的參考電壓Vf1，將此穩(wěn)定的參考電壓送至電位計。參考電壓為3.6V，經過十轉的電位計，每一轉360°，十轉計有3 600°，因此，可以達到每一度的電壓為1mV的精度。R6、R7、U4、R5、R4組成 OFFSET 電路，使V0輸出電壓在0°時，電壓為0V。電路如圖5所示。輸出端由 MicroAutobox的DIO＿TYPE1＿BIT＿OUT＿M1＿G1＿C1和DIO＿TYPE1＿BIT＿OUT＿M1＿G1＿C2端口引出，連到繼電器電路上進而控制相應ABS電磁閥。

2.3 程序編制

本系統利用 Matlab／Simulink建立控制模型，對三路輸入信號進行處理，從而得到三路輸出。通過對輸入信號進行轉化，得到相應的控制信號。如：開始信號（ABS開始工作）、車速信號及滑移率信號，其中信號為低電平單脈沖信號，由于這個系統的信號大多為布爾型，而Matlab／Simulink沒有封裝好的布爾變量的延時子系統，所以封裝了如圖6所示的布爾型變量延時子系統，這個子系統在主程序和低電平脈沖的系統中被調用。此封裝的子系統只有在上升沿的跳變激勵下才會產生一個低電平脈沖。輸出分別是進出油閥開關和電動液壓泵啟動信號。

圖6 布爾變量延時子系統

主程序如圖7所示。

圖7 ABS控制器主程序

此程序包括對滑移率及車速信號的模擬及電磁閥的輸出響應，out1和out2分別對應一組進出油閥?；坡实呐R界值為20，通過把constant等于15的數值和幅值為10、頻率為1的正弦函數相加來得到峰值達到20的正弦函數。當滑移率達到20時，constant1經開關量switch輸出1，經case后out1輸出1，同理經not邏輯取反out2輸出0，由程序控制最后輸出信號為1、0，1、0對應控制每個車輪兩個電磁閥的開關狀態(tài)，進油閥關閉、出油閥打開此時進入ABS減壓狀態(tài)。當滑移率小于20時，constant1經開關量switch輸出0，經case后out1輸出0，同理經not邏輯取反out2輸出1，進油閥打開、出油閥關閉進入增壓狀態(tài)。當 ADC（選擇converter2、channel4接口）模擬的車速信號大于20km／h時，case1里的default才起作用，經switch2處理，switch case中的default起作用使得out1和out2都輸出0，此時是常規(guī)制動系統起作用。Bit in是個輸入開關量表示車速大于20km／h時ABS準備工作。只有增壓狀態(tài)下點動液壓泵才工作，比較進油閥打開時刻，電動液壓泵延時工作，通過封裝好的布爾變量的延時子系統來實現。

2.4 Controldesk實現

基于MicroAutobox的Controldesk實現如圖8所示，當踩下制動踏板，且車速大于20km／h時，電磁閥開始進行增壓和減壓的動作。車速小于20km／h，ABS不工作。

圖8 Controldesk實現

利用ControlDesk對輸入信號和輸出信號進行監(jiān)測。當按動開關的時候，在狀態(tài)指示中能夠顯示按鍵信息，右端顯示發(fā)送的相應動作信號，用一個車速表顯示模擬車速。

3 結束語

基于 MATLAB／Simulink和dSPACE開發(fā)的汽車ABS控制器，通過半實物仿真獲得了滿意的效果。開發(fā)的ABS控制器能夠滿足車輛的實際要求。本文最終實現用dSPACE軟件模擬PWM波，來實現對繼電器電路及電磁閥的控制，從而實現ABS控制器的功能。但該控制器在實車上應用即通過targetlink定標把程序下載到單片機中實現對滑移率信號和車速信號的實時提取、精確控制還要作進一步的研究，油壓信號的應用也在后續(xù)的考慮范圍內。

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