基于PLC模拟ABS防抱死实验平台的设计

常云泽 杨 风 康海洋 张成法 王建伟

（中北大学，太原 030051）

1 ABS的工作原理

一套典型的汽车ABS主要是由轮速传感器，电子控制单元，压力调节装置组成，基本结构与工作原理如图1所示。

图1 ABS结构与工作原理图

装有 ABS的汽车在制动过程中，ABS电子控制单元收集各车轮轮速传感器的信号，经信号处理后计算参考车速，并计算出各车轮的滑移率。根据其内存中设定的程序，适时地发出命令控制各压力调节器的动作，从而使制动系统在增压、保压和泄压3个阶段循环，防止各车轮抱死。

2 PLC模拟构建ABS系统

在本论文当中，笔者采用PLC作为ABS的电子控制单元，电机的转速作为轮子的转速信号，采用观点编码器采集电子的转速，并把采集到的信号传递给PLC进行数据处理，从而使PLC及时的发出控制信号；并以模拟的电压信号作为车身的速度信号与制动踏板的信号。

在制动的过程中，采用组态软件的方式实现了上位机的监控。这样，实验员可以直观的检测到ABS系统的工作状况。

3 PLC实验内容

3.1 分析工艺过程，明确控制要求

（1）在上位机上按下启动按钮，以脉冲输出的方式控制变频器，从而控制电机。

（2）缓慢调节PLC上的外部输入电压，改变电机的转速。

（3）当快速的减小PLC上的外部输入电压，PLC判断并启动ABS。

（4）记录启动ABS时的电压对应输入值，并做出相应的记录。

（5）通过PLC记录光电编码器的脉冲输入，可以使计算机在组态软件上实时反应出电机的转速。

（6）电机分九段减速，最终自动停止。

3.2 统计I/O点数并选择PLC型号

输入：模拟电压输入、光电编码器脉冲输入；两个。输出：脉冲输出；一个。

PLC的型号：松下FP0可编程控制器。

3.3 程序实现的功能如下

（1）通过PLC与变频器，控制电机的运转。

（2）通过PLC运算，判断是否启动ABS。

（3）启动ABS后，电机的转速分段速减速。

（4）利用 PLC的高速计数器与光电编码器，反馈电机的转速。

4 PLC控制程序设计及分析

4.1 PWM脉冲输出控制

PWM 控制的理论基础是冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。占空比就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。PWM脉冲输出控制实质就是通过改变占空比来改变频率。

在本实验中，程序采用的PWM类型分别为：频率100Hz、周期10ms、占空比99.9%脉冲输出；频率100Hz、周期10ms、占空比10%的脉冲输出。

4.2 A/D模块的应用

在现代的生产中，模拟量的控制显得越来越重要，许多控制对象的控制要求都期望实现迷你量的输入与输出。

日本松下FP1A/D转换单元是专门为FP1系列可编程序控制器生产的模拟量输入、输出模块。

在本实验中，A/D模块模拟汽车的刹车信号与油门信号。在对A/D转换单元编程时，直姐使用传送指令来读取外部输入的模拟值。

4.3 判断是否启动ABS防抱死系统

这部分是程序编写的关键部分。在这部分，主要是采用了电压值的变化作为启动ABS的条件。

当外部电压的跳变达到程序的设定值，PLC立即启动ABS，防止轮胎抱死。

5 上位机与PLC的通信设计

系统的上位机监控部分应用MCGS组态软件来实现。

MCGS 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件, 帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程, 以用户指定的方式运行, 并进行各种处理, 完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义, 必须与组态结果数据库一起才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成, 运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。

5.1 设计要求

（1）能够控制整个模拟实验系统的启动和停止。

（2）监控画面能够直观的表现出汽车的运动过程。

（3）反映汽车的实时转速。

（4）绘制汽车的速度/时间曲线。

（5）为试验系统制定安全机制。

5.2 设计过程

（1）制作监控画面

在此工程中，建立两辆车的模型，这是为了达到实时监控的目的。同时建立输出速度的图表框。

（2）构建实时数据库，并进行数据对象及其画面属性设置

在MCGS中，用数据对象来描述系统中的实时数据，用对象变量代替传统意义上的值变量，把数据库技术管理的所有数据对象的集合称为实时数据库。

实时数据库是MCGS系统的核心，是应用系统的数据处理中心。系统各个部分均以实时数据库为公用区交换数据，实现各个部分协调动作。

设备窗口通过设备构件驱动外部设备，将采集的数据送入实时数据库；由用户窗口组成的图形对象，与实时数据库中的数据对象建立连接关系，以动画形式实现数据的可视化；运行策略通过策略构件，对数据进行操作和处理。

在ABS防抱死实验平台的数据设置中，建立关于ABS系统中的相关数据变量。并且设定相关的属性，为脚本程序的编写提供基础。

（3）完成脚本程序的编制

（4）与PLC进行通信

MCGS读写松下FP系列PLC设备的各种寄存器。MCGS通过上位机中的串行口设备和PLC上的通讯单元（如 FP0）建立串行通讯连接，从而达到操作PLC设备的目的。

在设备窗口中选用COM口编程协议建立设备通道, 将实时数据库中定义的各种变量与 PLC 中相对应的I/O分配相对应起来, 通过读写PLC 中的信号来实现监控。这是整个过程中最关键和最重要的部分。

5.3 MCGS的运行过程描述

图2 MCGS运行界面

当按动启动按钮后，小车A开始运动即电机开始转动。当改变外电压值，电机会随着电压的变化而变化。在监控界面上，我们可以清晰地看到位移与转速的变化。

当电压的变化值达到临界条件，即进入ABS状态，小车A停止运动，正常启停的灯停止闪烁，ABS

启停的灯开始闪烁，小车B开始运动。

6 结论

经过实验证明，该装置能够基本模拟出ABS防抱死系统的过程，并且能够直观的观察到减速的整个过程。这个实验平台使实验室设备贴近工业现状，使学生直面实物模型，掌握基本的控制思想和操作手段，具有较高的现实价值。

[1] 常斗南.可编程控制器[M].北京:机械工业出版社,2003:1-6.

[2] 冯渊.汽车电子控制技术[M]. 北京:北京工业出版社,2009:213-216.

[3] 台晓虹,申荣卫.汽车ABS技术发展与展望[J]. 汽车与配件,2006(18).