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ABS控制器开发流程


ABS 控制器开发流程介绍

2008.9.12

(一)制动方面基础知识 ABS基本功用 (二)ABS基本功用 ABS控制器的开发流程 (三)ABS控制器的开发流程 概念设计, 1、概念设计,开发控制逻辑 建模仿真(离线仿真) 2、建模仿真(离线仿真) 试验台半实物仿真(硬件在环) 3、试验台半实物仿真(硬件在环) 4、实车验证 国内外ABS ABS研发应用现状 (四)国内外ABS研发应用现状 国内ABS ABS研究的不足之处 (五)国内ABS研究的不足之处

(一)制动方面基础知识
1、制动性的评价指标
(1)制动效能,即制动距离与制动减速度; )制动效能,即制动距离与制动减速度; (2)制动效能的恒定性,即抗热衰退性能; )制动效能的恒定性,即抗热衰退性能; (3)制动时汽车的方向稳定性,即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以 及失去转向能 )制动时汽车的方向稳定性,即制动时汽车不发生跑偏、 力的性能。 力的性能。

2、制动跑偏
制动时汽车自动向左或向右偏驶。 制动时汽车自动向左或向右偏驶。 原因: 原因: 相等。 (1)汽车左、右车轮,特别是前轴左、右车轮(转向轮)制动器的制动力不 相等。 )汽车左、右车轮,特别是前轴左、右车轮(转向轮) 属于制造、调整误差) (属于制造、调整误差) (2)制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调(互相干涉)。(设计 )制动时悬架导向杆系与转向系拉杆在运动学上的不协调(互相干涉)。(设计 )。( 原因) 原因)

3、侧滑
制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。 制动时汽车的某一轴或两轴发生横向移动。

4、前轮失去转向能力
弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出;直线行驶制动时, 弯道制动时汽车不再按原来的弯道行驶而沿弯道切线方向驶出;直线行驶制动时, 虽然转动方向盘,但汽车仍然按直线方向行驶的现象。 虽然转动方向盘,但汽车仍然按直线方向行驶的现象。

5、侧滑运动分析

前轴侧滑

后轴侧滑

(二)ABS基本功用 ABS基本功用
1、ABS的定义 ABS的定义
汽车防抱死制动系统是指汽车在制动过程中能实时判定车轮的滑移率, 汽车防抱死制动系统是指汽车在制动过程中能实时判定车轮的滑移率,自动调节作 用在车轮上的制动力矩,防止车轮抱死取得最佳制动效能的电子装置。 用在车轮上的制动力矩,防止车轮抱死取得最佳制动效能的电子装置。

2、车轮抱死的负面效应
由于车轮被抱死,车辆不能实现弯道转向,躲避障碍物或行人而造成交通事故。 (1)由于车轮被抱死,车辆不能实现弯道转向,躲避障碍物或行人而造成交通事故。 (2)在非对称附着系数的路面,车轮抱死将丧失直线行使稳定性,易出现侧滑、甩 在非对称附着系数的路面,车轮抱死将丧失直线行使稳定性,易出现侧滑、 尾及急转等危险现象。 尾及急转等危险现象。 车轮抱死时的附着力一般低于路面所能提供的最大附着力, (3)车轮抱死时的附着力一般低于路面所能提供的最大附着力,车轮在全抱死状态 的制动距离反而有所增加。 的制动距离反而有所增加。 因为车轮被抱死导致轮胎局部急剧摩擦,降低了轮胎的使用寿命。 (4)因为车轮被抱死导致轮胎局部急剧摩擦,降低了轮胎的使用寿命。

3、ABS功用 ABS功用
ABS制动系统在相当多的路面条件下(如峰值附着系数不明显的路面),在缩短制动距 ABS制动系统在相当多的路面条件下(如峰值附着系数不明显的路面),在缩短制动距 制动系统在相当多的路面条件下 ), 离方面比常规制动器并无明显优势,甚至没有优势。ABS制动系统首先是用来改善汽车 离方面比常规制动器并无明显优势,甚至没有优势。ABS制动系统首先是用来改善汽车 的操纵性和方向稳定性,其次是用来缩短汽车的制动距离。 的操纵性和方向稳定性,其次是用来缩短汽车的制动距离。而最大限度地缩短汽车的 制动距离和方向稳定性是相互矛盾的, 制动距离和方向稳定性是相互矛盾的,例如单轮独立控制可最大限度地利用路面的附 着系数,使制动距离缩短到极限,但由此导致汽车方向稳定性恶化。相反, 着系数,使制动距离缩短到极限,但由此导致汽车方向稳定性恶化。相反,采用低选 控制方式是为了保证汽车的方向稳定性而牺牲了制动距离。 控制方式是为了保证汽车的方向稳定性而牺牲了制动距离。

(三)ABS控制器的开发流程 ABS控制器的开发流程
1、概念设计,开发控制逻辑
(1)轮胎与地面间的关系

制动滑移率s=(车辆速度-车轮速度)/车辆速度 车辆的制动性能取决于轮胎与地面的附着系数,而附着系数主要与车轮 滑移率有关。 试验研究表明轮胎和路面间的附着系数与车轮滑移率有直接关系。当滑 移率从0开始增大到S0时,纵向附着系数增大并达到最大值φxmax,当 滑移率从S0到1时,纵向附着系数减小,在附着系数上升区为稳定区, 0 可得到最佳制动力。侧向附着系数随滑移率的增大而减小,在0时取最 大值φYmax,在1时接近于0,车轮侧向极不稳定。为了保证制动稳定 性,制动轮纵向滑移率应控制在峰值附着系数时对应的滑移率S0,在 0.2附近,这时既能保证获得最大的纵向附着力右能保证车辆的侧向稳 定性。附着系数还与其它因素有关,如路面的条件、轮胎的条件、车辆 的轴荷、车辆的速度、环境的温度、车轮的横向力等。 附着系数与滑移率的关系如图A,图B表示不同路面的滑移率与路面附 着系数的关系

A 附着系数与滑移率关系

B 不同路面上的?- s曲线

(2)ABS控制逻辑 ABS的控制逻辑非常的多,包括基于车轮加、减速度门限值和滑移率门 限值的防抱死控制逻辑,基于车轮滑移率的防抱死控制逻辑。其中基 于车轮滑移率的防抱死控制逻辑又有PID控制、最优控制、滑模变结构 控制、模糊控制、鲁棒控制等经典控制理论和现代控制理论。 各种控制方法的比较:基于车轮滑移率的各种控制算法,从理论上优 于门限逻辑控制算法,但在实现时有两个实际问题需要解决,其一是 车速的测量问题。随着传感技术的发展,当车速传感器可以得到普遍 应用时,基于车轮滑移率的控制算法将可能取代当前广泛应用的逻辑 控制算法。当第一个问题解决以后,精确实时估计峰值附着系数对应 的滑移率是该类控制算法能否获得应用的第二个问题。因为在不同的 路面条件下,峰值附着系数对应的滑移率变化很大,只有当滑移率的 设定目标与路面峰值附着系数的滑移率保持一致时,才能保证这种算 法最终可达到最优的控制效果。 因此现在用的最成熟的还是基于车轮加、减速度门限和滑移率门限值 相结合的控制逻辑,因为人们已经积累大量的经验,完全可以用此种 方法得到比较好的控制方法。 逻辑门限法的基本原理是选择车轮加速度门限和滑移率门限来控制制 动压力的增压,减压,保压,以获得车轮的滑移率控制在最佳滑移率 附近。

A、高附着系数路面ABS控制逻辑 下图为典型的ABS控制,控制采用逻辑门限方式,其门限为:车轮减速度门 限-b, 车轮加速度门限+b和车轮参考滑移率门限λ1、λ2。制动开始时制动压 力增加,车轮开始减速,在点1,车轮减速度超过了车辆整车减速度物理上 所能达到的最大极限值,在这一点以及之前车轮速度与参考速度是相同的, 在这点之后参考速度与轮速分离,参考速度以预定义的车轮减速度减速,由 这些轮的参考速度找出最大参考速度,把它作为车轮的共同参考速度,每个 车轮相应的车轮滑移率由轮速和车轮共同参考速度计算。在点2车轮减速度 门限被超过,车轮向轮胎滑移特性曲线?-λ(见图3)的不稳定区域移动,这 时车轮达到最大制动力,即制动器制动力矩的再增加时,都将导致车轮减速 度的急剧增加(指减速度的绝对值)。 因此,制动压力应迅速减小,车轮减速度在经过一个暂短的延时后开始减小 ,这个延迟本质上是由车轮制动器的滞后和?-λ 特性曲线的不稳定部分所决 定的。一旦车轮制动器的滞后被克服,制动压力的减小就会导致车轮减速度 的减小。 在点3车轮减速度减小到门限值-b,这时制动压力开始保持并延时一个规 定的时间T1,通常在这一时间内车轮减速度会恢复为加速度并超过加速度门 限+b,例如点4,只要车轮减速度超过这一个门限,制动压力就这样维持保 持。一般在高附着系数路面上就是这种现象。但如果在规定的时间T1内,车 轮加速度不能达到门值+b,这种情况往往发生在低附着系数路面,这时应根 据参考滑移率门限λ1进一步降低制动压力,在这一控制循环时不应超过较大 滑移率门限λ2 。

当车轮加速度不再高于加速度门限+b时,这时车轮运动状态处于轮胎特 性曲线?-λ的稳定区域,附着系数的利用率要略低于最大值,这时开始给 一个快速的增压状态,延续时间为T2,以克服制动器的滞后。在随后的 ABS循环中,时间T2要根据上一个ABS循环的控制情况重新计算,经过 这个T2时间后,压力以脉冲的方式进行增加,即交替进行增压和保压。 直到车轮减速度再次到达减速度门限-b,这样就完成了一个ABS循环, 开始下一轮的ABS控制循环。

B、低附着系数路面上ABS控制 在低附着系数路面上的控制情况如下图所示,其防抱制动过程的第1、2 阶段与在高附着系数路面时相同,在进入第3阶段后,在给定的保压时 间内,由于附着系数低,车轮速度恢复很慢,故无法达到+a门限。为使 系统稳定,采用较小的减压梯度,直到车轮角减速度超过+a门限,此时 进入第4阶段,进行保压(与高附着系数路面相同)。保压至车轮角减速度 再次低于+a门限,下一阶段就是采用较小梯度的增压方法使车轮减速度 再次低于-a门限,此时就开始进入下一循环的防抱制动了。高、低附着 系数路面的识别,关键在于保压阶段时在给定的时间段里车轮角减速度 是否能达到+a门限值;根据识别出的路况不同,施加不同的防抱控制逻 辑
速度 V VRef VF VR

+a -a 阶段

1 2
T1

3

4

5

6

7

8

制动压力

C、对接路面(从高到低或从低到高)ABS控制
在防抱制动过程中,有时会出现路 面由高附着系数过渡到低附着系数 的情况。假设在防抱制动的上一循 环的最后阶段结束而下一循环刚开 始时,路况突然由高附着系数变化 到低附着系数路面,此时制动气室 的气压仍保持在上一防抱制动循环 中处于高附着系数路况时的高压。 由于本循环中的附着系数比较小, 因而在第2阶段(减压阶段)就会出现 车轮滑移率分别超过S1、S2门限的 情况。因此,在此阶段车轮角减速 度从低于-a门限变化到再高于-a门 限时,要判断一下车轮滑移率是否 超过S2。如果超过S2,则说明车轮 处于?一S曲线的不稳定区域,此时 不应进行保压而是继续减压,直至 车轮角减速度高于+a门限。其后的 控制方式与前述相同,即进行保压 阶段,直到车轮角减速度再次低于 +a;然后用小梯度的压力升高,直 至角减速度低于-a门限。至此这一 控制循环结束了。从这一循环可以 看出:在高附着系数路面,制动气 室保持较高的气压,通过此循环, 就能变化到在低附着系数路面需要 的较低的制动气压,使防抱控制系 统具有较强的自适应性。
jump

Phase 1

2

3 -a

4 +a R1 R2

5 -a

6 +a R1

跳变附着系数路面上ABS控制

D、对开路面(左高右低或左低右高,也称为分离附着系数路面)ABS控制 分离附着系数路面是一种常见的特殊工况,如在冬季的北方地区,积雪被扫到 路边,车辆靠近路边行驶就会有一边车轮处在冰雪路面上,而另一边车轮则处 在无积雪的干燥路面,两边车轮附着系数差别很大。 在分离附着系数路况下制动,单轮控制方式最大限度地利用路面附着系数,必 然导致两边车轮的摩擦力不一致,车辆向高附着系数路面一侧偏转,但其制动 距离较短;低选控制方式按低附着系数路面的控制方式动作,虽然消除了偏转 力矩,具有方向可控性,但导致较长的制动距离,这也是所不希望的;修正的 单轮控制方式则综合了前面两种控制方式,兼顾了制动距离和方向可控性。国 外的实用产品一般都采用这种控制方式。

在门限值控制逻辑中,加速度门限值、减速度门限值的设置和路面识别都 是非常关键的问题,如果设置的不好,将会使ABS逻辑失效。 ABS失效的原因主要有: 防抱死逻辑加、减速度门限本身选择不合理导致防抱死失效; 制动工况的特殊性引起防抱死失效 路面和轮胎间的摩擦力特性曲线的异常情况导致的防抱死失效。 路面识别是一个重要的问题,这在于需要根据路面来确定加、减速度门限 。不同的路面其抱死特征是不同的,需要根据路面来确定合适的门限。同 时参考速度的计算也要求有一个合适的设定的参考减速度,而参考减速度 是由路况来决定的。

2、建模仿真(离线仿真)
在这一阶段根据系统的要求可以采用MATLAB/SIMULINK软件建立控制器和车辆模型, 在这一环境进行离线模拟,研究各种控制算法,寻求适当的算法,这是这一阶段的工作 。 (1)建立车辆系统模型 如四轮、两轮、单轮模型。更多时候是以自由度的个数进行建模的。 (2)建立轮胎模型 轮胎模型分为两种: 第一种为理论模型(物理模型),即通过对轮胎结构和形变机制的数学描述,建立剪切 力和回正力矩与相应参数的函数关系。这一模型主要描述单独纵向力、横向力以及它们 之间的联合作用力。 第二种为经验模型,与ADAMS/CAR中的轮胎建模基本上相同。 (3)制动系统模型 A、气动系统建模(制动气室是最重要的部分) 分为理论模型、试验模型和辨识模型。 动态系统辨识是研究如何从动态系统的输入和输出数据来建立系统数学模型的理论和方 法,系统辨识是根据试验数据用拟合法估计出系统的数学模型,合理地确定模型结构是 系统辨识的关键性问题。 B、制动执行机构动态建模 ABS系统是一种快速响应系统,它的动态特性起着至关重要的作用,决定着高性能控制性 能能否实现的问题。 C、液压制动系统的建模 包括液压柱塞泵流量、制动分泵中的容积变化率、贮压容器容积变化率、管路中容积变 化率、制动主缸踏板位置、贮能器能量变化率、制动主缸中的压力、第一二回路中的压

力、贮能器中的压力、制动分泵中的压力 D、制动器的建模 (4)驱动系统模型 包括发动机模型、传动系统模型、车轮系统模型。 (5)控制器建模 把第一阶段的控制算法利用软件模拟出来,在这里用的是Matlab/Simulink中的Stateflow来 进行实现的。 Stateflow是有限状态机的图形实现工具,它可以用于解决复杂的监控逻辑问题,用户可以 用图形化的工具来实现各个状态之间的切换。 Stateflow的仿真原理是有限状态机理论,所谓有限状态机,就是指在系统中有可数的状态 ,在某些事件发生时,系统从一个状态转换成另一个状态。

有限状态机示意图

Kxe Z Vx0 Vy0

Kye Fz Sx Sy Kx Ky

δ γ ω

Fz = Cz Z , R = R0 ? Z Fz Vx 0 ? ρy δ& ? ωR S xn = ωR Syn V y 0 ? ρxδ& + γ& R S yn = Sxn ωR ρx = ρx 0 ? a ρ x ? Fz ?x0 ?y0
Vcx Vcy

1 Vsx V ( s) = , S x = sx 1 + lx s Vr Vsxn Vsy Vsy 1 ( s) = , Sy = 1 + ly s Vsyn Vr Calculate relaxed K x and Ky as Fz changes
Vsx Vsy

φx = φy =

Kx Sx ? x Fz Ky Sy

? y Fz

φ = φx2 + φ y2
?x ?y

Fz

R

δ ω

γ

γ

?x = ( ?x 0 ??xe )exp(? Vsx Vcx ) +?xe ?y = ( ?y 0 ??ye )exp(? Vsy Vcy ) +?ye
?x ?y

Calculate all structure parameters as Fz changes ; Calculate loading relaxation of K x , Ky , D x .

Fx Fy

F = 1 ? exp( ?φ ? E1φ 2 ? ( E12 + Fx = ?x Fz ? F φx φ Fy = ?y Fz ? F φy φ

1 3 )φ ) 12

Calculate Fx , Fy based on Sx , S y , δ , γ , γ , ω , F z

φ

Fz

K x? (δ& Vr + sin γ R ) Effects of inclination b 2 ) ?M z = ? ?x Fz (1 ? F ) ? th ( 2 ?x Fz ?Vr and turn-slip

φx

Dx = ( Dx 0 + De ) exp(? D1φ ? D2φ 2 ) ? De

Calculate force arm for

φ

模型搭建好之后,就可以进行调试来分析自己所建立模型的运行情况和开 发的控制逻辑的准确性了。程序调试是一个非常繁杂的过程,很多时候还要回 去重新建模。

7自由度模型示意

左前轮控制逻辑示意

在建模离线仿真过程中所采用的软件有很多,最常用的是MATLAB/SIMULINK,另外

ADAMS和CARSIM也可以。 但是ADAMS中的制动器模型是非常简单的,因此必须重新开发比较合理详细的 制动系统。

3、试验台半实物仿真(硬件在环)
前面我们搭建模型在电脑上进行的离线仿真都是纯数字的仿真方法,并没有 考虑和外部真实世界之间的关系。在很多实际过程中,不可能准确获得系统 的数学模型,所以也就无从建立起Simulink所描述的框图,有时还因为实际 模型的复杂性,建立起来的模型也不准确,所以需要将实际系统模型放置在 仿真系统中进行仿真研究,这样的仿真称为“硬件在环”,又称为半实物仿 真。 在实际控制中,半实物仿真通常有两种情况:其一是控制器用实物,而受控 对象使用数字模型,这种情况多用于航空航天领域。 另外一种是用计算机实现其控制器,而将受控对象作为实物直接放置在仿真 回路中,构造起半实物仿真的系统,常用于一般工业控制。 xPC Target是一种快速原型设计的方法,用于控制器的实时测试和开发。它 允许使用多种通用的PC卡,如一般台式计算机、工控机、笔记本等用的输入 输出卡,另外,它在代码翻译和编译过程中需要C语言编译器,只有在这些编 译器下才能生成独立的可执行文件,用于实时控制。这里所谓的快速原型设 计是指可以用Simulink/Stateflow等设计出来的控制器直接去控制受控实物 ,通过半实物仿真过程观察控制效果,如效果控制不理想,则可以在 Simulink/Stateflow级上调整控制器的结构或者调试控制器参数,直至获得 满意的控制效果。这适用于实验室的一般教学实验,但不太适应更高层次的 产品开发。 德国dSPACE适用于控制器的快速原型设计、半实物仿真、自动产品级代码生 成和虚拟系统测试等。

Matlab/dSPACE 集成开发环境
通过离线仿真对控制系统测试

初步控制系统设计 控制对象理论模型的建立

定义模型 I/O

生成模型实时代码 通过ControlDesk 采集 通过 数据及观测、 数据及观测、修改变量

硬件在环阶段也是非常重要的。在此阶段可以验证自己设计的控制逻辑的可 行性和正确性,并可以在线进行调参,直到符合自己的需求。 Autobox相当于ECU,但是在此阶段还没有生成实际产品需要的代码,还需要 进行下一步的工作。 当在硬件在环阶段的程序调试完成之后,需要把由Stateflow开发的控制逻辑 转化成实际ECU能够接受的代码。在这里需要专门的生成软件,用嵌入 MATLAB/Simulink的Target link生成C代码,并用CodeWarrior软件编译生成实 际ECU所能接受的汇编语言或者机器语言。然后嵌入到ECU中,就可以进行 下一阶段的实车验证了。

4、实车验证
试验工况: (1)高附着路面; (2)低附着路面; (3)对接路面; (4)对开路面; (5)弯道制动; (6)搓板路; (7)棋盘路面; (8)倒车制动。 一般ABS控制器的开发需要两冬两夏两年的时间进行验证。 国内的试验场: (1)高附着路面(柏油路):飞机场; (2)低附着路面:农安试验场,黑河试验场; (3)海南试验场等。

(四)国内外ABS研发应用现状 国内外ABS研发应用现状 ABS
1、气动ABS: 国外:WABCO KNORR BENDIX 国内: 济南程军电子科技有限公司 西安博华科技有限公司 焦作制动器股份有限公司 2、液压ABS: 国外:BOSCH 大陆 国内:浙江亚太机电

国内气压ABS所占比例大约在80%;液压只占有3%的份额。

(五)国内ABS研究的不足之处 国内ABS研究的不足之处 ABS
对液压ABS,阀体加工落后;控制逻辑开发经验积累不足; 信息反馈不好。


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