汽車ABS系統(tǒng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器的研究與設(shè)計(jì)

李赫 江薇

摘 要：ABS即防抱死制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于汽車制動(dòng)安全性能有重要影響，目前在實(shí)際應(yīng)用中的ABS系統(tǒng)使用的絕大多數(shù)都是基于門限值的控制方法，由于實(shí)驗(yàn)條件有限，該方法受到數(shù)據(jù)的限制，無法達(dá)到很好的效果。本文深入研究汽車防抱死機(jī)理以及變結(jié)構(gòu)控制策略，并以此設(shè)計(jì)了滑模控制器，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物仿真，取得很好效果。

關(guān)鍵詞：防抱死制動(dòng)系統(tǒng);變結(jié)構(gòu)控制策略;模糊滑?？刂?/p>

1 引言

從80年代末起，一些高級(jí)轎車上開始安裝ABS裝置，隨著汽車電控技術(shù)的不斷發(fā)展，ABS裝置現(xiàn)在己經(jīng)成為轎車的必裝部件，其基本功能就是通過傳感器檢測(cè)制動(dòng)輪任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果相應(yīng)地調(diào)節(jié)制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力，從而防止車輪抱死，有利于汽車在制動(dòng)時(shí)制動(dòng)距離的縮短和方向穩(wěn)定性的維持，使汽車行駛時(shí)的安全性得到保證。[1]

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車防抱死系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主控芯片采用運(yùn)動(dòng)控制芯片TMS320F2812，在主控芯片基礎(chǔ)上擴(kuò)充相應(yīng)的外圍電路，輸出信號(hào)到執(zhí)行元件，通過控制算法來實(shí)現(xiàn)防抱死制動(dòng)功能。

本系統(tǒng)采用4傳感器4通道的ABS控制系統(tǒng)。對(duì)于主要是硬件設(shè)計(jì)的外圍電路包括如下幾個(gè)模塊：輪速傳感器、輪速信號(hào)輸入處理裝置、CPU、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、電磁閥故障診斷電路等?？傮w硬件框架如圖1所示。

2.1 電源模塊

整個(gè)系統(tǒng)中需要用到3.3V的直流電，還需要用到隸屬度函數(shù)。采用芯片LM7812和LM7805產(chǎn)生5V和12V的電源。 而3.3V的電是為DSP供電的，需要專用芯片TPS733Q來實(shí)現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。電源電路如圖2所示。

2.2 電子控制單元及外圍電路

2.2.1 測(cè)速電路

電磁式輪速傳感器是測(cè)速系統(tǒng)的主要部件，其原理為在齒圈相對(duì)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生不同的磁阻，從而使傳感器激勵(lì)出相應(yīng)車速變化的正弦波。因?yàn)檐囕喌霓D(zhuǎn)速與頻率成正比，通過測(cè)量傳感器信號(hào)的頻率，我們就可以得出車輪的輪速。

當(dāng)輪速信號(hào)為方波信號(hào)，并進(jìn)行了濾波處理（以防止干擾信號(hào)，發(fā)生誤操作），在此前提下，我們把傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠接受的信號(hào)。濾波電路如圖3所示。

經(jīng)過處理后的方波信號(hào)，經(jīng)過光電隔離輸入到DSP的捕獲輸入口，我們就能接受到脈沖信號(hào)，從而通過算法得到速度值。隔離電路如圖4所示。

2.2.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)及故障診斷電路

液壓系統(tǒng)壓力大小是由電磁閥動(dòng)作決定的，電磁閥動(dòng)作又進(jìn)一步?jīng)Q定了制動(dòng)力矩的大小。其控制關(guān)系圖如圖5所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4通道輸出控制8個(gè)開關(guān)電磁閥（4個(gè)常開，4個(gè)常閉）。為實(shí)現(xiàn)電磁閥的驅(qū)動(dòng)，我們采用高端驅(qū)動(dòng)芯片MC33289。為了減少干擾及匹配電壓，采取光電隔離。單通道的控制電路如圖6所示。

對(duì)于比例閥，設(shè)計(jì)四通道輸出控制4個(gè)比例閥。單通道電路圖如圖7所示：

2.2.3 上位機(jī)通信電路

為了讓車體的電腦控制系統(tǒng)對(duì)ABS控制器進(jìn)行監(jiān)控，我們需要把ABS的實(shí)時(shí)情況傳輸給上位機(jī)，在這里我們采用DSP的SCI外設(shè)接口來實(shí)現(xiàn)，電路圖如8所示：

該電路采用MAX485接口芯片，來實(shí)現(xiàn)SCI和PC機(jī)的連接。由于通信時(shí)容易出現(xiàn)干擾，一般都要采用光電隔離，這里采用快速光耦進(jìn)行光電隔離。

2.2.4 擴(kuò)充汽車總線接口

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子控制單元管理的部件越來越多，為滿足汽車電控系統(tǒng)一體化的設(shè)計(jì)要求，為便于安裝ABS控制系統(tǒng)，必須要擴(kuò)充CAN總線接口。該電路采用CAN 總線收發(fā)器的型號(hào)是PCA82C250，為使其處于高速模式下，在硬件連接的時(shí)候要注意將RS引腳接地，而且為完成檢測(cè)功能，CAN-H引腳和CAN-L引腳應(yīng)連接阻值為120Ω的終端匹配電阻器。

3 系統(tǒng)仿真與分析

3.1 仿真模型的建立

防抱死控制系統(tǒng)在車輛直行制動(dòng)時(shí)的仿真框圖如圖10所示：

3.2 仿真結(jié)果及分析

對(duì)汽車在干瀝青路面制動(dòng)過程仿真，設(shè)定車輛行進(jìn)在最佳滑移率為0.2，輪速了50r/s時(shí)開始啟用防抱死系統(tǒng)。

3.2.1 仿真結(jié)果

以下曲線是系統(tǒng)模糊滑模控制法的仿真結(jié)果，如下圖12-圖15所示：

3.2.2 仿真結(jié)果分析

可以看出，在車輪制動(dòng)過程中，我們所設(shè)計(jì)的ABS系統(tǒng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器能夠使車輪滑移率處于理想范圍內(nèi)，對(duì)于不同路況的最佳滑移率有很好的跟蹤能力。同時(shí)，我們還可以看出車輪摩擦力此時(shí)達(dá)到較大值，車速平穩(wěn)下降，制動(dòng)力矩波動(dòng)幅度較小，制動(dòng)效果最佳。因此，我們認(rèn)為本文所設(shè)計(jì)的控制器在整個(gè)制動(dòng)過程中基本達(dá)到了預(yù)計(jì)的控制效果，能夠有效防止車輪在制動(dòng)過程中發(fā)生抱死現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制法進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出一種ABS系統(tǒng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器，通過MATLAB軟件，對(duì)該控制器進(jìn)行仿真分析，取得很好效果，以此作為一種汽車制動(dòng)時(shí)消除抖動(dòng)的實(shí)用方法。

注：吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（編號(hào)：JJKH20170157KJ）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王聰.軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用[M]：第1版.北京：科學(xué)出版社，2000.

[2]阮新波，嚴(yán)仰光. 直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M]：第1版. 北京：科學(xué)出版社，2000.

[3] 張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[D].北京：電子工業(yè)出版社，2004.340-367.