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汽车ABS的相关知识总结与展望
姓名：郝逸凡 学号：2220120091 0 前言
ABS（anti-lock braking system）是一种在汽车制动时能后自动调节车轮制动力矩的车载电子控制系统。它能防止车轮抱死，有效的缩短制动时间和制动距离，提高制动时的方向稳定性。ABS对汽车的安全行事有重要的意义，目前已经成为中高档汽车的标准配置。
汽车ABS的研究开发，始于1932年第一个英国防滑专利uK382241。1936年德国Roben-Bosch公司将电磁式传感器用于测量车轮速度并申请专利。20世纪60年代，ABS开始应用电磁式车轮速度传感器，但简单的机械式控制部分并不能适应车辆参数和工况的变化，经常出现防抱死功能失效。70年代初，随着大规模集成电路的发展和应用，依赖于硬件逻辑电路的ABS控制器应运而生。1978年，Bosch公司与Benz公司合作研制出带有数字式微处理控制器的三通道四轮ABS，并批量加装于奔驰轿车上，这是ABS开发中一个突破性的发展，奠定了ABS发展的基本模式。80年代中后期，随着ABS在技术上的进一步发展与成熟，许多汽车零部件公司纷纷开始生产ABS产品，ABS也进入了快速推广应用阶段，其装车率均以直线速度增长。1 ABS系统的组成ABS制动系统主要由轮速传感器、电子控制单元和压力调节器3部分组成。图l为汽车ABS组成的结构示意图。
图1 汽车ABS的组成（1）传感器 1）轮速速传感器
常用的轮速传感器是电磁式的，即利用电磁感应原理检测车轮速度，并把轮速转换成脉冲信号送至ECU。一般轮速传感器都安装在车轮上，有些后轮驱动的车辆，检测后轮速度的传感器安装在差速器内。2）车速传感器
作用：检测车速，给ECU提供车速信号，用于滑移率控制方式。3）减速度传感器
在汽车制动时，获得汽车减速度信号。因为汽车在高附着系数路面上制动时，汽车减速度大，在低附着系数路面上制动时，汽车减速度小，因而该信号送入ECU后，可以对路面进行区别，判断路面附着系数高低情况。当判定汽车行驶在雪地、结冰路等易打滑的路面上时，采取相应控制措施，以提高制动性能。多用于四轮驱动控制系统。（3）电子控制单元(ECU)ECU的作用是接收轮速传感器发出的信号，计算出车轮的运动状态。据此对压力调节装置发出控制指令。当系统发生异常时，由警报灯或蜂鸣器报警，使整个系统停止工作，恢复到常规制动方式。目前ECU主要是由集成度、运算精度都很高的数字电路构成。
图2 ECU控制线路图
（3）压力调节装置
压力调节装置。也就是ABS的执行机构，它根据ECU的指令来调节各车轮制动器的制动压力。制动压力调节器可分为液压式、气压式和空气液压加力式。目前应用最广泛的是液压制动系统。制动压力调节器的主要元件是电动泵、液压控制阀和液压控制通道。（4）ABS警示装置
1）作用：报警灯可显示系统工作状态及自诊断报警。
2）黄色的ABS灯可显示ABS控制系统的故障（如4个轮速传感器、4个电磁阀、ABS主继电器、油泵继电器报警灯继电器等），它报警后汽车仍然能维持常规制动，但ABS系统已断电保护，停止工作。
3）红色的BRAKE灯亮，显示驻车制动开关、行车制动开关信号、液压高低信号、液位高低信号等有故障，危险性大，应停车检修。2 ABS的工作原理
ABS的基本工作原理是通过传感器监测制动过程中的车辆状态，由电子控制单元对各车轮的轮速、参考车速、加减速度以及滑移率等重要参数进行计算、分析、比较，根据这些参数对制动压力发出增压、保压或减压的控制指令，驱动调节制动压力来控制汽车制动过程中的车轮运动状态，使车轮保持在最佳制动状态，获得最佳制动效果。
下面以博世ABS为例来演示ABS的工作过程：（1）、常规制动（ABS不工作）时：
电磁阀不通电，制动总缸与分缸之间自由连通。踩下制动踏板时分缸持续制动，离开制动踏板时油液返回主缸，制动结束。（2）、ABS工作时：
1）压力增大：电磁阀和电动泵不通电，制动油液从主缸流入分缸进行制动。
2）压力保持：当车轮趋于抱死时，电子控制单元给电磁线圈通小电流，此时主缸与分缸之间的通道被切断，使车轮压力保持不变。
3）压力减小：当车轮继续趋于抱死时，电子控制单元给电磁线圈通大电流，此时输出阀开启，分缸与回油道接通，车轮制动力下降，转速上升。
然后ABS电子控制单元再给电磁线圈断电，车轮制动力又会上升，如此反复，ECU通过执行器不断地控制制动系统完成增压、保压、降压、升压的过程，使车轮始终处于将要抱死而又未抱死的临界状态，把车轮滑动率控制在最佳（10%—20%）的范围内，以获得最好的制动效果。具体过程如图3。
1—低压储液器 2—由电动机驱动的液压泵 3—制动总泵（主缸）4—进液阀（2/2常开电磁阀）5—出液阀（2/2常闭电磁阀）
6—车轮制动轮缸（分泵）
图3 ABS制动压力调节过程ABS的控制策略 3.1 单轮控制方法
汽车是复杂的、具有多自由度的模型，要用简单的力学和数学模型来实时地描述汽车所有部件的动力学运动过程几乎是不可能的。因此，在研究汽车动力学的时候，将整车进行适当的简化，用分离体法将整车分解成车身质量集中于一点的质心和簧下质量2个部分。为了研究整车制动模型，需要从简单的单轮制动模型出发，研究ABS制动的本质。
ABS的单轮控制方法一般分为2类：一种是基于车轮加、减速度门限及参考滑移率方法的逻辑门限控制方法，另一种是基于滑移率的防抱死控制方法。3.1.1逻辑门限控制
实际应用中的ABS产品大多采用基于经验的逻辑门限值控制方法，该方法采用车轮加、减速度和车轮滑移率门限值为控制目标。这种控制方式有成熟的产品，产品的可靠性也较好。对于不同路况，各种门限值及保压时间一般是经过反复实验得出的经验数值。对于变化较大的复杂路况，控制过程中逻辑门限会处于波动状态，因此这种情况下控制效果不是太好，制动距离也稍长。2．2基于滑移率的控制
以车轮滑移率为控制目标的ABS，是以连续量的控制形式，使汽车制动过程中保持最佳的滑移率。基于滑移率的控制是理论上最佳的ABS控制系统，其控制难点在于不同路况下的最佳滑移率的确定及车身速度的测量问题。目前国内外的基于滑移率的ABS控制主要有以下几种：(1)模糊控制
模糊控制是一种模拟人类智能的、以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制是基于滑移率的控制，具有良好的鲁棒性和控制规则的灵活性。对于不同的路面和不同的车型，其控制器的比例参数需要重新凋整，而且调整的过程基本上靠试凑的方法得出。(2)PID控制
PID控制是一种基于经典控制理论的比例积分微分控制方法。具有控制简单、易于实现等特点，但其对控制对象的参数比较敏感，对纯滞后的被控对象效果较差。简单的PID控制器不能满足ABS在全工况的使用要求。(3)滑模变结构控制
滑模变结构控制：主要优点是旧]：基于滑移率进行ABS的控制，并且设计相应的切换函数和控制规律就可以满足ABS各种制动工况下的制动情况，只要相应地自动调整有关控制参数，具有很强的自适应性和鲁棒性，但由于本身切换函
数的特性，使得系统存在明显的抖振。此外，清华大学宋健等根据汽车制动过程中的物理本质在国际上首次提出了一种以制动器耗散功率最大为目标的新的ABS控制方法。汽车减速制动的过程，实际上是将汽车的平均动能转化为其他式能量的耗散过程。如果取制动器的摩擦功率(耗散功率)最大为ABS的控制目标，则有可能兼顾制动稳定性和自动效能。该方法比较新颖，实用价值也比较高，但由于尚处于起步阶段，在实际控制中并未完全成型。3.2 整车控制
ABS单轮控制模型及其单轮控制算法，是保证汽车制动时，各个轮胎都保持在最佳滑移率附近，获得最大的纵向制动力。但汽车的行驶运行工况相当复杂：如路面不平度、左右车轮的制动力不对称和侧向风力等，都会导致汽车产生横摆力矩，导致转向不足或者转向过度，严重的时候将会产生跑偏、甩尾等危险现象。因此如果只考虑每个车轮的纵向附着力，忽略整车的行驶工况，将会导致严重的行车事故。
可行的解决方法是从车辆的制动稳定性能出发，把整车作为控制对象，使其实际运动与理想的名义运动的偏差尽可能小，以保证车辆横向操纵稳定性。为得到所要求的轮胎横向力和纵向力，可在牺牲部分车轮滑移率的情况下，根据整车性能调整其数值大小。3.2.1整车模型的建立
整车的动力学模型是进行多工况动力学仿真的基础，要研究汽车运动过程中的各种复杂的变化，必须建立可靠的与实际工况尽可能相近的整车模型。
目前国内外有多种整车动力学建模方法，比较有代表性的是美国密执安大学17自由度模型、我国吉林大学郭孔辉院士等开发的12自由度模型等。
建模中整车自由度的设计主要是根据车辆的控制目标进行安排与简化的。以ABS制动控制为目标，就必须考察各个车轮的转动情况与车身的侧倾、俯仰和横摆等。要充分地反应整车直线制动与转弯制动工况下质心的运动情况和簧上质量与簧下质量的各种的变化情况。3.2.2 EBD控制
虽然单轮模型可以保证制动时车轮不会提前抱死。但是，在实际的整车模型中，前后轮的制动力分配比例是定值。4个车轮由于行驶的路况不同和速度不同(转弯的时候内外车轮的速度就不同)将不会同时抱死。前轮抱死车辆将失去转向能力，后轮抱死则会发生侧滑甚至甩尾，后果更严重。
EBD采用电子技术替代传统的比例阀来控制汽车液压制动系统的前后桥制动力分配，其基本思想是：尽可能增大后轮制动器制动力，由传感器监测车轮的运动情况，一旦发现后轮有抱死趋势，电子控制器控制液压制动器降低制动压力。由于EBD调节频率高、调节幅度小、控制精确，可使实际制动力分配曲线p线始终位于理想制动力分配曲线I线下方且无限接近于I线。因此EBD在保证制动稳定性的同时，使后轮获得了最大制动力，从而提高了整车的制动效能。EBD的使用可以在汽车直线或者转弯制动的工况下，合理地分配前后车轮的制动力矩，防止后轮先抱死，保证汽车行驶的稳定性。3．3转向动力学控制
EBD控制可以使得汽车制动的时候，后轮不会比前轮提前抱死，保证制动时方向稳定性。但是整车制动中除了考虑制动力分配外，还必须考虑各个车轮的滑移率问题。在以往的研究中均采用定滑移率控制，即把滑移率控制在最佳滑移率附近，然而这样的滑移率分配并不是最优的。
在实际路面情况下，如果左右车轮的地面附着系数不同，或者受到侧向风力等都会使得汽车产生一个横摆力矩。因而驾驶员必须根据车辆的运动情况时刻凋节自身的动作。但在极限制动工况下，由于汽车转向特性发生急剧变化(如从不足转向变为过度转向)，如果ABS依然把车轮滑移率控制在最佳滑移率附近，则汽车获得的横摆力矩是很有限的。故在某些极端危险工况下应该考虑以某个车轮的失稳(车轮抱死)为代价，得到一个由地面制动力产生的反向横摆力矩，以获得车辆的稳定性和可控性。取汽车纵向速度和横摆角速度为控制量，采取反馈控制的方法对汽车的横摆角和速度的误差进行控制。控制原理框图如图4所示：
图4 转向控制框图
以汽车制动稳定性为前提，通过横摆角速度与横向车速的反馈控制，调整4个车轮的滑移率。采用横摆力矩和变滑移率的联合控制方法比仅采用横摆力矩控制、滑移率保持固定不变的方法(如最佳滑移率控制)更能迅速地使车辆修正横摆角速度，改善了汽车的侧向性能，保证了汽车行驶的稳定性。
通过EBD控制与转向动力学控制，虽然牺牲了某个车轮的附着性能，降低了车轮与地面间的纵向制动力。但是，两种控制与ABS的结合，保证了汽车行驶方向的稳定性，使得驾驶员在各种复杂的路面和危险的极限情况下能够迅速控制住汽车，使其在稳定情况下停车。4 ABS的发展前景
根据国内外一些研究动态和高档汽车的实际应用表明，BAS技术将向几个方面继续发展。
（1）ABS和驱动防滑控制装置ASR一体化
ABS以防止车轮抱死为目的ASR是防止车轮过分滑转；ABS是为了缓解制动，ASR是为了施加制动。
（2）动态稳定控制系统VDC或电子稳定控制ESP VDC主要在ABS/AER基础上解决汽车转向行驶时的方向稳定性问题。ABS与电子全控式（或半控式）悬架、电子控制四轮转向、电子控制液压转向、电子控制自动变速器等控制系统在功能、结构上有机地结合起来，保证汽车在各种恶劣情况下行驶时，都具有良好的动态稳定性。（3）ABS/AER与自动巡航系统CCS集成由于ABS/ASR和CCS都要用到都要用到相同的轮速采集系统制动压力调节装置以及发动机输出力矩调节装置，因此ABS/ASR/CCS集成化系统，不仅可以大大降低成本，而且可以提高汽车的整体安全性能。（4）减小体积，降低重量
汽车的重量增加，对燃料经济性不利另外，不论是大型车还是小型车，发动机的安装空间都是非常紧凑的，因此，也要求ABS控制器的体积尽可能的小一些。（5）更快的响应速度，更好的控制效果
随着ABS与新一代制动系统的结合，如电子液压制动EHB、电子机械制动EMB、ABS有了更快的响应速度，更好的控制效果，而且更容易与其他电子系统集成ABS将成为集成化汽车底盘系统中不可缺少的一个节点。
（6）在ABS系统中嵌入电子制动力分配装置EBD构成ABS+EDB系统
EBD的功能就是在汽车ABS开始制动压力调节之前，高速计算出汽车四个轮胎与路面间的附着力大小，然后调节车轮与附着力的区配，进一步提高车辆制动时的方向稳定性，同时尽可能地缩短制动距离。（7）在ABS系统基础上扩展车速记录仪VSR VSR又称汽车黑匣子该装置通过实时采集的四个车轮轮速信号，再现交通事故发生过程中汽车的实际运行轨迹以及驾驶员对车辆的操作情况，便于公安交通管理部门能准确判断事故的责任。5 总结
经过刘昭度老师的四个课时的悉心传授，让我对汽车制动系统电控技术有了一个较为全面的了解，尤其是对ABS的相关知识有一个更进一步的加深。
本文主要概括的介绍了ABS的结构组成和工作原理，并针对ABS的控制方法进行了介绍，最后对ABS的发展方向进行了描述。
掌握ABS核心技术不但非常必要，而且意义深远随着汽车技术的不断发展和人们对安全需求的不断增长，ABS逐渐成为汽车上的标准配置提高和改善ABS的性能一直是科研工作者追求的目标随着新理论、新材料、新技术等的不断应用，结构更简化、性能更强成本更低的ABS产品将不断推出，汽车安全性也将因此得到进一步的改善和提高，进而有力地推动我国汽车工业现代化进程。
参考文献
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