车用防抱死制动系统优化设计

丁子野，孟俊焕

（德州学院，山东德州 253000）

车用防抱死制动系统优化设计

丁子野，孟俊焕

（德州学院，山东德州 253000）

车用制动防抱死控制系统（ABS）是基于传统制动系统的基础之上所采用的智能控制技术，为提高其使用安全性，在原有 ABS 基础上引入预测控制技术、增设非接触速度传感器、牵引力控制系统、总线技术，极大地提高了制动操纵的稳定性和制动方向的准确性，进而得到最大制动力缩短制动距离，从而最大程度地避免发生交通事故的安全装置。

车用制动防抱死系统（ABS）；滑移率；逻辑门；优化设计

1 车用防抱死制动系统的作用

英文 Anti-lockBraking System（防抱死刹车系统）其缩写即 ABS。其目的是改善车辆的制动能力以及汽车的安全性能，并防止车轮在制动过程中抱死（即停止滚动），从而保证驾驶员紧急制动时还能够控制方向并防止后轴侧滑。通常情况下，汽车遇到突发情况刹车时，驾驶员往往会将刹车踩到底导致急刹车的出现。汽车在这时极易产生滑移并引发侧滑，这种现象极易造成车祸。其根本原因是汽车在紧急制动时，车轮与地面的滚动摩擦会瞬间变为滑动摩擦，轮胎的抓地力几乎丧失。为解决此种现象，开发了一种防抱死制动系统。ABS 按其种类可分为机械式和电子式两种。机械式 ABS 结构简单，其制动效果是通过本身结构相互作用产生的。而电子式 ABS 是把传送到 ECU 中的各项数据进行分析比较得出结果，进而进行准确制动。电子式 ABS 有单参数控制和双参数控制两种控制方式，根据其控制管道可分为四通道防抱死制动系统、三通道防抱死制动系统、双通道防抱死制动系统和单通道防抱死制动系统。其原理是让轮胎多个点与地面摩擦，进而增大摩擦力来使制动效果达到最佳。防抱死制动系统不仅具有常规制动装置的制动功能，而且还可以避免车轮锁死。这样在进行紧急制动时，既保证了汽车制动方向的稳定性又使汽车在制动时不至于跑偏或者侧滑。

2 防抱死制动系统（ABS）的基本构成与工作原理

2.1 基本组成

添加了 ABS、ECU、传感器以及执行器的普通制动系统就构成了电控防抱死系统。其结构形式与控制方法在不同的车辆上是不同的。

图1 防抱死制动系统组成

（1）传感器：检测车轮的运行状态，得到车轮速度信号，并传送给 ECU。

（2）电子控制单元（ECU）：接收各传感器传送来的信号，进而判断各轮制动情况，并在必要时发出调节命令进行调节。

（3）执行器：根据电控单元指令，调整分泵的制动压力。从而达到调整制动力的目的。

（4）ABS 警示装置：报警灯可显示系统工作状态和自诊断报警。

2.2 工作原理

（1）普通制动（ABS 不工作）时。电磁阀断电，制动主缸与制动分缸自由连通。当主缸与分缸断开时，分缸持续制动。制动结束时主缸与分缸连通，油液返回主缸。

（2）ABS 工作时。制动压力增大：制动液压油由制动主缸流入制动分缸进行制动。制动压力保持：车轮在抱死边缘时，电磁线圈经电控单元的控制流入小电流，从而制动主缸与制动分缸不连通，保持车轮制动压力。制动压力减小：当车轮持续趋于抱死时，电磁线圈经电控单元的控制流入大电流，使制动分缸的油液由回油管路流入主缸，制动力逐渐减小，车速上升。继而电控单元再让电磁线圈断电，车轮制动力增加，如此重复操作。制动系统反复持续增压、保压、降压、升压过程，进而使制动器一直处于抱死与未抱死的临界状态中，控制滑移率在最佳范围内浮动，以获得最佳制动效果。

随着制动力的增加，滑动所占比例大于滚动，通常用滑动率（S）来说明滑动在制动过程中所占的比例，滑动率（S）越大，滑动所占比例越少。

式中：u 为车轮中心速度；r为没有地面制动力时车轮滚动半径；ω为车轮角速度。

3 车用防抱死制动系统应用过程中存在问题

（1）尽管逻辑门限控制方法可以有效地避免一系列复杂的理论分析和剩余不确定性的计算，且控制器设计很简单，安装成本低，但它不是最完美的控制算法。

（2）单独工作的传感器测量精度不是很高，并且接触式轮速传感器为了测量连续转动速度，常安装滚动触头在传感器的可动端头上。长时间的测量会导致磨损的出现，从而导致误差的加大，增加了刹车距离。

（3）在汽车转向制动时，左右轮的转速不同，ECU 无法对从轮速传感器传送来的速度数据做出准确的判断，当左右轮速度差达到一定程度，打滑现象继而会发生，这对汽车安全行驶造成威胁。

（4）随着汽车电子技术的发展，传感器数量的增加，但各传感器之间的数据无法相互通用，造成信息传递的迟缓以及资源的浪费。

4 汽车防抱死系统优化设计

（1）预测控制技术方案。鉴于目前 ABS 中的逻辑门限值控制算法被广泛应用于所具有的缺点，研究可以根据道路的特点进行改变，使系统的性能指标始终处于最佳状态的控制算法是解决其缺点的方法。其中预测控制技术就是其解决办法之一。由于在制动过程中，防抱死制动系统由于车轮与地面摩擦特性的改变致使其时变性、非线性与不确定性十分明显，其数学模型难以被建立。然而，预测控制具有预测模型、滚动优化和反馈校正的突出特点，可以用来确定控制系统中的时间序列，使接下来的控制时间和经由柔化后的预期轨迹之间的差值降为最低。由于该算法所使用的是对线性滚动不断的改良，并且在改良过程中不停的使系统实际值与预期模型值的误差进行反复矫正，所以能最大限度减小误差，从而使其实际输出效果达到最佳。

（2）增设非接触速度传感器。随着速度传感器的更小、更便宜、更可靠，在制动系统中增加速度传感器的数量成为可能，这样可以更准确、更迅速地测量车轮滑移率。在被测转轴上设有齿盘，在齿盘附近设有霍尔器件及磁路系统。因齿盘的转动致使磁路的间隙发生周期性变化，从而经霍尔元器件计算后可得到被测车轮的转速。①采用霍尔式非接触速度传感器。测速原理如图2 所示。当齿盘对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大电动势，再经放大、整形后输出高电平；反之则输出低电平。优点：霍尔器件结构可靠、寿命长、安装简单、耗能小、频率高、不受空气污染物的污染或腐蚀，取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。霍尔元件安装位置如图3 所示。②采用霍尔式非接触速度传感器。它是由旋转盘、光源、光接收器等组成，被测轴与输入轴相连接。光源发出的光通过缝隙旋转盘照射到光敏器件上，使光敏器件感光并产生电脉冲。旋转轴连续旋转，光敏感装置输出一系列电脉冲与间隙旋转盘的旋转速度和槽数成正比。光电转速传感器为非接触式结构紧凑体积小,其抗干扰能力极强，普通光线不会对其起到干扰，而且测量能力好，运行稳定，具有良好的可靠性，测量精度高。如图4 所示。

图2 霍尔元件测速原理

图3 霍尔元件安装位置

图4 光电式速度传感器原理图

（3）牵引力控制系统和 ABS 的配合使用。是由一个单一的 ABS 控制目标变化到多个目标转变而来的，牵引力控制系统（TCS）随之应运而生。TCS 和 ABS 的配合使用，会对汽车的安全性能起到提高作用。车轴上的轮速传感器可被 TCS 和ABS 共同使用，并与 ECU 相连，对各轮的速度进行实时监控，当出现打滑现象时，TCS 会与 ABS 共同控动来降低此车轮的打滑现象。

（4）总线技术在 ABS 系统上的应用。在现代汽车中，电控单元应用的越来越多，各电子设备之间的信息交互变得重要起来。构建汽车车载电子网络系统变得尤为重要。汽车电子网络系统应具有数据的快速交互、可靠性以及廉价性等特点。在此系统中，控制器不仅可以独立控制车辆一个方面的性能，而且可以为其他设备提供其他服务。总线传输技术是汽车内部网中最主要的部分，汽车中各种电控单元、传感器、仪表等通过某种协议连接起来在汽车总线传输中，减少了连接线的数量与体积，不仅提高了可靠性而且节省了空间，提高了系统的灵活性。

5 结语

随着汽车产业的不断发展和人们对安全需求的不断增长，ABS 逐渐成为汽车的标准配置，提高和改善 ABS 的性能一直是对其改进的目标。随着新理论、新材料、新技术等不断应用，结构更简化、性能更强、成本更低的 ABS产品将不断推出，汽车安全性也因此得到进一步的改善和提高。未来汽车电子控制系统将以网络的方式实现数据共享和综合控制的方向转变与发展，从而使整车综合性能得到提高与保证。

［1］俊松，宋仲康.汽车车速传感器测试系统的开发［J］.汽车电器，2002，（2）：13-15.

［2］陈德玲，制动过程的主动转向干预控制［J］.系统仿真学报，2008，20（10）：2640-2645.

［3］吕泉，现代传感器原理及应用［M］.北京：清华大学出版社，1995.

［4］李果，余达太.电动车制动防抱死控制系统［J］.控制理论与应用，2005，22（1）：134-138.

Optimization Design of Automotive Anti-lock Braking System

DING Zi-ye，MENG Jun-huan
（Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

Automotive anti-lock braking controlsystem （ABS） is intelligentcontroltechnology based on the traditionalbraking system.To improve the safety，it introduces predictive controltechnology,adds non-contact speed sensor，traction controlsystem，and bus technology based on the original ABS，which has greatly improved the stability ofthe brake control and accuracy of brake control direction，and thus obtains maximum braking force to shorten braking distance，so as to maximize avoid traffic accident.

automotive anti-lock braking system （ABS）；slip rate；logic gate；optimization design

U463.526

A

2095-980X（2016）12-0028-02

2016-10-07

丁子野（1992-），男，江苏新沂人，大学本科。