ABS系统

ABS刹车系统

Matt Terek

ME 3015

Dr. Nader Sadegh

Georgia Institute of Technology

George W. Woodruff School of Technology

简介：

最基本的制动系统设计已经存在并在其他领域应用了许多年了。汽车刹车使用简单的液压原理，液压原理可以减少用户刹车所需的工作量。图1演示了现代汽车制动系统的基本设计。

图 1 基本制动系统设计

传统制动系统的问题是车轮制动器所发挥的制动力不能超过轮子和路面的摩擦力，如果制动力超过道路和车轮的摩擦力，那么汽车轮胎将会打滑。这个问题则带来了防抱死系统（ABS）的设计与发明。ABS系统检测车轮速度的急剧变化，当检测到一个急剧的减速度时，ABS则会降低制动液液压，直到车轮重新拥有加速度；然而当ABS检测到这个加速度时，液压则再次升

高，直到检测到下一个不寻常的减速度。这个动作不停重复，直到驾驶员松开制动踏板，或者汽车已经完全停下。

背景：

ABS由速度传感器，液压阀，一个液压泵，和一个控制中心组成。这些设备在车上的布置位置如图2所示。

图 2 ABS系统设计图

1）速度传感器

速度传感器用来检测车轮的加速度或者减速度，速度传感器实物图如图3所示

图 3 速度传感器

这种传感器用磁铁和线圈来生成信号，车轮的转动或者转速的改变都能在速度传感器周边产生磁场，磁场的波动则在传感器里面感应出电压。这个系统的示意图如图4所示，ABS控制器可以翻译出这个信号。

传感器上的电压的成因是旋转的车轮，当轮速低时这种传感器则变得不那么精确，低速旋转的车轮会在磁场中产生不准确的波动，因而会在控制器中读出错误的信号。

2）液压阀

ABS系统中的液压阀起三个不同的作用：第一个作用是打开并允许刹车踏板或者液压泵中的液压油进入制动系统；液压阀的第二个作用是维持制动系统中的压力，这是通过关闭液压阀门以防止制动踏板增加进一步的压力；液压阀的第三个作用是降低液压系统的压力，这是通过打开液压阀，用来排出液压系统中的液压油得以实现。图5所示是标准的ABS液压阀液压泵系统。

液压阀系统所要面对的主要问题是液压阀的堵塞，当一个液压阀堵塞时，它将不能再执行打开，关闭，或者换位了。一个坏的液压阀，将会阻碍液压阀的调节和制动器液压的控制。

3）液压泵

液压泵的作用是用来恢复从制动器泄压出的液压油的压力。当检测到车轮滑移时，控制中心则会给液压阀泄压信号，当液压阀泄压降低制动液压时，油泵的作用则是恢复制动系统制动压力。控制器将会调节泵的状态以用来提供所需的压力和减少车轮滑移。泵油系统的实物图如图5所示。

与液压阀类似，液压油泵的主要故障也是堵塞，一个堵塞的油泵将不能为液压系统提供准确的压力。

4)控制器

整个ABS系统由控制器观察和操控。ABS控制中心示意图如图6所示。

总结：

上述部分的生产控制回路如图6所示

为了方便分析，我们把液压泵和液压阀合并为执行器，控制器则修饰为一个P,PD或者一个PID控制器。此时的控制回路如图7所示，用于剩余部分的分析。

基本的旋转运动方程将用于评估，旋转方程如下

-J是轮胎的转动惯量

是轮胎的角加速度

-ω是轮胎的速度

-b是轮胎的旋转阻尼

为了这个分析的目的，下面两个值将会被用到

轮重量：75KG

轮子半径:33cm

此时惯量的计算值为J=4.1KG*m^2,当车轮轴承完全润滑时，此时我们可以认为旋转阻尼因子b=1。方程2方程3方程4，则为前面的方程式在准确的J,b,ω(0)值下转换为的相应的传递函数。

Laplace(Equation1) = J[sΩ(s) −ω(0)]+ bΩ(s) = T(s) （2）

ω(0)为初始角速度

[Js + b]Ω(s) = T(s) （3）

在这个分析中，液压阀和液压泵合并展示为执行器，执行器能够作为一个伺服系统建模。这个伺服系统的传递函数如方程5所示。

定义在方程式4中的数值在方程5中同样是有效的，方程式6是在有效的旋转阻尼和转动惯量下伺服电机的传递函数。

用于ABS的传感器将车轮的转速信号转换成电压信号，因而可以建模成为一个转速表。方程式7是转速表的传递函数。

通过以上传递函数获得的新的控制回路如图8所示

修改后的控制回路中的控制器由P,PD测试，由PID控制。分析中，我们假定传感器的增益为25，这个假设是基于传感器产生的电压很小这个原因。控制器需要一个更高的电压以用来接收传感器发出的信号，因而传感器的电压必须被放大，因而需要高的增益。分析中，我们假定制动器的增益为0.25，这则是基于液压系统的高压。在液压系统中，液压泵和液压阀不需要太多的工作来得到所需的压力。

P控制的分析结果图如图9图10所示。图9中比例增益为1000，方式式8在其中得以应用。如图表所示，制动效能图为线性，当比例系数减小时，制动效能不再是线性的，这种非线性是由车轮的滑移引起的。

PD 控制分析的结果如图11所示，PID 控制的分析结果如图12所示。这两张图表明线性的制动能通过PD 和PID 的控制得以实现。

结论：

分析表明，比例，比例/微分（PD），以及比例/积分/微分（PID）控制能够有效控制ABS。即使很多种控制系统都能得到想要的结果，最好的设计一定是另外一种方式。比例控制是最简单的，ABS控制器应该采取这种控制方式。ABS是用来防止车祸和减少人身伤害，一个简化的系统能减少复杂性，降低成本，以及增加使用的可靠性。

参考文献：

Motorola for the article “Anti-Lock Braking Systems”

/webapp/sps/site/application.jsp?nodeId=04M0ym4Ky5 P

Controls Tutorial for Matlab