基于單片機(jī)的間歇制動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

栗 忍，段本昌

（滕州市中等職業(yè)教育中心學(xué)校，山東棗莊 277599）

0 引言

車輛在行駛過程中，如果發(fā)生緊急制動，車輪與制動器容易因抱死而發(fā)生打滑[1]。因此，采用科學(xué)的技術(shù)手段進(jìn)行間歇制動，能夠有效地確保制動距離，降低安全事故發(fā)生的概率。由于制動系統(tǒng)一般為液壓或氣壓控制，油液壓力易于采用電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制[2]，從而有效提升制動力矩的有效性。緊急制動過程中的油壓提升速率較高，在較高的壓力響應(yīng)環(huán)境下，車輪與地面的附著系數(shù)將發(fā)生瞬時變化，導(dǎo)致摩擦副的滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?。為有效避免連續(xù)制動帶來的安全失效，文中對一種間歇制動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，能夠基于單片機(jī)的控制將制動力進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，從而不會出現(xiàn)因壓力過載出現(xiàn)的拖滑問題。根據(jù)制動機(jī)理[3]可知，慣性是影響車輛滑動摩擦的關(guān)鍵因素之一，而間歇制動壓力保持的時間和大小均依據(jù)車輛的承載和行駛狀態(tài)。因此，系統(tǒng)重點(diǎn)考慮多個外界因素的影響，提升信號檢測的可靠性和穩(wěn)定性。

間歇制動控制系統(tǒng)包括檢測單元、信號處理單元、控制單元和執(zhí)行單元等。其中，檢測單元主要由速度傳感器、壓力傳感器等組成。各個電控單元之間的響應(yīng)效率非常高，能夠根據(jù)車輛的位姿狀態(tài)判定運(yùn)動狀態(tài)。在單片機(jī)的控制下，各個檢測信號能夠轉(zhuǎn)換為制動壓力的控制信號。在閉環(huán)反饋?zhàn)饔孟耓4]，制動力矩能夠獲得精確的調(diào)節(jié)效果。

1 間歇制動原理

1.1 滑移過程分析

車輛的滑動方向包括橫向和縱向，車輪與地面在不同方向上的附著系數(shù)對滑移率[5]的影響效果不同。一般來說，高頻間歇制動條件下的附著系數(shù)更高，因此車輛與地面的滑移率更低。與間歇制動控制相關(guān)的外界因素較多，主要包括：車輛承載重量、路面摩擦因數(shù)、行駛速率等。這些外界因素共同影響了附著系數(shù)。在控制系統(tǒng)中，各路傳感器[6]將根據(jù)車輛在單位時間內(nèi)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)對附著力進(jìn)行計(jì)算，將滑移率保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。通過分析可知，當(dāng)車輛的橫向附著力更大時，能夠獲得更好的制動效果，制動距離的控制也更穩(wěn)定。

在電控系統(tǒng)中，信號的處理形式主要為邏輯門的控制，即針對不同的檢測信號進(jìn)行邏輯門運(yùn)算，已獲得最佳的速度控制效果。由于滑移率的最終表現(xiàn)為車輛制動失效和打滑，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)定合理的限速門。當(dāng)減速變化超過限速門數(shù)值時，應(yīng)當(dāng)及時解除連續(xù)制動。目前，對于邏輯門選取的依據(jù)和發(fā)生滑移率過大的因素主要有。

（1）當(dāng)?shù)孛鏋樗婊蛘弑鶅雒鏁r，摩擦因數(shù)小，使得車輛行駛過程中與地面之間的附著力難以提升，此時路面壓力將隨著車輛速率的增大而急劇降低。

（2）當(dāng)路況不均衡時，即車輛從高附著系數(shù)路面向低附著路面行駛，車輛發(fā)生抱死的概率較高，因此，限速門應(yīng)當(dāng)為動態(tài)的。

（3）當(dāng)車輛在低檔位進(jìn)行制動時，由于驅(qū)動力較大，車輛也有發(fā)生抱死的可能性。

1.2 間歇制動控制方案

針對車輛發(fā)生滑移的問題和影響因素，文中間歇制動控制系統(tǒng)采用PID控制策略作為閉環(huán)[7]方案。在PID控制算法中，需要兩個控制器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)滑移率信號的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。對于制動系統(tǒng)，油壓的改變屬于控制內(nèi)環(huán)過程，因此，在建立閉環(huán)控制算法時，無需再重新構(gòu)建制動模型，僅需要根據(jù)不同的工況預(yù)設(shè)PID控制參數(shù)即可。

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對PID參數(shù)的調(diào)節(jié)[8]是非常重要的。由于該控制方案的靈敏度較高，能夠在復(fù)雜多變的工況下得到較為準(zhǔn)確的輸出信號，同時也會在實(shí)際操作中出現(xiàn)干擾性過大等問題，從而在一定程度上降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 核心控制器

在工程上，單片機(jī)得到廣泛和良好的應(yīng)用，能夠基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9]，性價比較高，且性能穩(wěn)定。對于間歇制動控制系統(tǒng)，單片機(jī)可結(jié)合復(fù)位電路、振蕩電路、電源電路、復(fù)位電路等實(shí)現(xiàn)完成的控制回路[10]，組成較小且功能完備的控制單元，系統(tǒng)的總體組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

根據(jù)控制目標(biāo)法，文中選取MSP430F149芯片作為核心控制器。該類型的芯片具有較小的功率損耗，且內(nèi)置了2 kB的RAM，串口數(shù)量較多，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的中斷功能。此外，單片機(jī)還集成了模數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器、寄存器等，能夠在間歇制動系統(tǒng)中獲得良好的應(yīng)用效果，表現(xiàn)出得主要優(yōu)勢包括。

（1）有效運(yùn)行環(huán)境溫度范圍較大，能夠在-40～+85℃保持電氣元件的可靠性和穩(wěn)定性；供電電壓較低，有效取值為1.8～3.6 V。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)程序的實(shí)時編譯和修改；工作模式為1 MHz的時鐘頻率，能夠在多種節(jié)能模式下工作，其中，待機(jī)電流為0.1 A。

（3）能夠在復(fù)雜環(huán)境下抵抗較強(qiáng)的干擾，具備多重保護(hù)功能；具有多個時鐘電路，系統(tǒng)調(diào)控靈活且易于實(shí)現(xiàn)。

（4）具有穩(wěn)定的中斷功能，在待機(jī)模式下轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髂Ｊ剿璧臅r間較短，反應(yīng)靈敏；通訊效率高，不會出現(xiàn)誤碼問題。

2.2 時鐘電路設(shè)計(jì)

時鐘電路對于控制系統(tǒng)非常重要，其能夠有效地監(jiān)測不同電氣元件以及控制回路的工作狀態(tài)。若出現(xiàn)異常，也可以通過時鐘電路進(jìn)行判斷故障或問題。對于單片機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時鐘電路如圖2所示，能夠有效地影響其實(shí)際的工作效率，因此，對間歇制動的響應(yīng)速度有著重要的影響。

圖2 時鐘響應(yīng)電路

車輛行駛速率或車輪轉(zhuǎn)速是間歇制動控制系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)采集對象之一，該數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性是影響系統(tǒng)功能的關(guān)鍵[11]。為此，文中優(yōu)先選擇霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)速傳感器，能夠有效地識別輪速，并將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。由于單片機(jī)的采集信道均為高速通道，因此非常便于波形的轉(zhuǎn)換。

2.3 傳感電路設(shè)計(jì)

傳感電路能夠有效地確保各路傳感器能夠正常和穩(wěn)定的工作，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)如圖3所示。相比普通的外圍，單片機(jī)端口傳感接線電路的優(yōu)勢在于：

圖3 傳感電路接線圖

（1）能夠有效地監(jiān)測不同端口處被測對象的瞬時狀態(tài)，并且在能夠根據(jù)程序記錄不同條件下的輸入和輸出日志；

（2）系統(tǒng)設(shè)置有多種寄存器供選擇，對于同一事件能夠選取最佳的記錄方式，便于傳感器與單片機(jī)的信號處理；

（3）具有多通道輸入，傳感器的可拓展性強(qiáng)，能夠根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求增加對應(yīng)硬件。

霍爾傳感器內(nèi)部具有齒輪結(jié)構(gòu)，其磁性和磁力與齒輪的位置狀態(tài)有關(guān)。轉(zhuǎn)速測量并處理后，將在單片機(jī)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?，進(jìn)而控制電磁閥動作。電磁閥的驅(qū)動除了包括繼電器、晶體管、閘管等之外，還包含外部放大電路，用于傳感器信號的縮放處理。為確保系統(tǒng)的性價比要求，系統(tǒng)采用共射極放大電路來驅(qū)動電磁閥電路。

2.4 電控單元設(shè)計(jì)

電控單元是間歇制動控制系統(tǒng)的核心組成部分，其工作原理如圖4所示。電控單元以單片機(jī)為中央控制器，能夠?qū)⒏髀穫鞲衅鞯男盘栠M(jìn)行收集與處理，最終以電信號的形式輸出。當(dāng)信號確立后，系統(tǒng)將調(diào)用對應(yīng)的控制算法[12]，驅(qū)動電磁閥動作，從而實(shí)現(xiàn)油壓的控制。

圖4 電控單元控制原理

在電控單元中，車輛的行駛狀態(tài)以車輪單側(cè)傳感器檢測到的脈沖信號作為依據(jù)。為確保該信號的可靠性，需要基于光電耦合器對被測信號進(jìn)行隔離，然后進(jìn)行高低電平的切換，結(jié)合電信號的整形處理，最終輸送至單片機(jī)控制端，進(jìn)行相關(guān)指令的運(yùn)算。光電耦合器是電控單元的重要組成部分，其最大輸出電流為15 mA，遠(yuǎn)小于傳感單元的輸入電流，因此需要進(jìn)行功率運(yùn)算放大處理。針對系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，優(yōu)先選用1.5倍的放大元件。

2.5 預(yù)警設(shè)計(jì)

為確保系統(tǒng)工作的安全性，設(shè)置預(yù)警單元。其中，發(fā)光二極管的接線電路如圖5所示，能夠與單片機(jī)直連。當(dāng)檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)異?；蛘甙l(fā)生滑移失效時，驅(qū)動器將釋放低電平信號，此時發(fā)光預(yù)警。此外，為進(jìn)一步提升被測信號的安全性和抗干擾性，設(shè)置獨(dú)立的濾波屏蔽電路，并將電容外接，確保各個電路的基準(zhǔn)電位保持一致，能夠從電信號方面避免干擾。

圖5 發(fā)光二極管電路

2.6 抗干擾策略

在間歇制動控制系統(tǒng)中，受到的干擾因素較多，比如電磁信號、電壓波動、兼容性拓展、設(shè)備安裝、突發(fā)路況等。為確保系統(tǒng)的可靠性，需要對各個干擾特性進(jìn)行分析，并提出抗干擾方案。針對系統(tǒng)主要組成和功能，分析抗干擾因素及策略如下。

（1）降低數(shù)據(jù)采集誤差。在基于單片機(jī)控制的信號檢測與控制系統(tǒng)中，模擬信號的數(shù)據(jù)往往會受到外部因素的影響，比如傳感器的安裝位置，工作狀態(tài)等。因此，應(yīng)合理布局檢測單元。

（2）提升控制狀態(tài)的靈敏度。由于單片機(jī)的受控?cái)?shù)據(jù)容量較大，被環(huán)境因素干擾的概率較高，因此需要增大反饋靈敏度。被測數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算包含著干擾數(shù)據(jù)，因此在虛擬狀態(tài)下對這些信號進(jìn)行預(yù)處理能夠有效地提高控制的穩(wěn)定性。在反饋系統(tǒng)中，可調(diào)試并降低偏差。

（3）增強(qiáng)RAM安全性。一般情況下，RAM集成在單片機(jī)中，當(dāng)被測數(shù)據(jù)量較大時需要拓展。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較強(qiáng)的干擾信號時，RAM中的數(shù)據(jù)可能發(fā)生部分失效甚至破壞。因此，應(yīng)選取具有保護(hù)功能的外部RAM，或在軟件控制中增加保護(hù)程序。

（4）軟件控制的抗干擾設(shè)計(jì)。在間歇制動控制系統(tǒng)中，程序計(jì)數(shù)器能夠有效地確保整個控制流程的順利進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較強(qiáng)的干擾因素時，計(jì)時器將發(fā)生明顯改變，進(jìn)而影響后續(xù)信號的邏輯運(yùn)算。由于干擾具有顯著的隨機(jī)性，因此需要采用程序來約定指令的有效性。軟件控制的抗干擾設(shè)計(jì)能夠避免功能死循環(huán)，結(jié)合硬件技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的效果。比如，增加隔離電路、接地電路等。

2.7 路面識別設(shè)計(jì)

路面識別能夠有效地確保信號檢測的可靠性和準(zhǔn)確性，目前常用的方法主要基于速度測量，包括五輪儀以及普勒雷達(dá)等兩種形式。由于后者的成本費(fèi)用較高，因素應(yīng)用較少。在五輪儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合霍爾傳感器，能夠有效地判定路面狀態(tài)，為滑移率的計(jì)算提供重要依據(jù)。

在進(jìn)行路面識別計(jì)算時，主要應(yīng)用高速輸入通道HIS設(shè)定方式。由于系統(tǒng)所采用的單片機(jī)具有多通道高速接口，因此可以將其應(yīng)用于每個輪軸。在預(yù)設(shè)的中斷程序控制下，每個通道將分布式處理被控信號。不同的觸發(fā)指令對于信號檢測和處理的方式均有明顯的影響，當(dāng)路面檢測程序運(yùn)行時，將在單片機(jī)特定的通道中確定對應(yīng)的中斷程序。如果該控制對象為首次觸發(fā)中斷，將在初始寄存器中寫入HIS-TIME內(nèi)容。不同寄存器之間的差值是決定輪速子程序調(diào)用的關(guān)鍵，當(dāng)子程序運(yùn)行完成后，將返回主程序。

3 結(jié)束語

隨著電氣自動化技術(shù)的發(fā)展，車輛行駛的安全性越來越高。傳統(tǒng)的機(jī)械式制動逐漸朝著電子化方向改進(jìn)，而且在各個領(lǐng)域內(nèi)的車輛有著不同的應(yīng)用效果。本文通過對間歇制動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，將單片機(jī)有效地應(yīng)用在制動系統(tǒng)中，能夠?yàn)樘囟ㄜ囕v的一體化改造提供良好的方向。滑移率是多方面因素影響的結(jié)果，為改善系統(tǒng)控制的可靠性，需要將汽車行駛狀態(tài)等外部因素進(jìn)行綜合、準(zhǔn)確地衡量。在單片機(jī)控制下，PID控制策略能夠獲得良好的應(yīng)用效果，進(jìn)而改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。車輛的安全制動離不開駕駛員的合法合規(guī)操作，即使車輛的自動化程度飛速發(fā)展，也要從根本上發(fā)揮安全行駛的作用。