汽车防抱死制动系统(ABS)

汽车防抱死制动系统（ABS ）

摘要：本文简要介绍了汽车防抱死制动系统（Anti-lock Braking System ，简称ABS ）的控制原理，对目前汽车防抱死制动系统所采用的控制技术进行了综述，并对其发展趋势进行了预测。

关键词：汽车；防抱死制动系统；控制技术

1.概述

随着汽车工业的迅猛发展和高速公路的不断修建，汽车的行驶安全性越来越为人们重视。为了全面满足制动过程中汽车对制动的要求，使制动器制动力分配更趋合理。汽车防抱死制动系统（简称ABS ）已越来越多地应用在汽车上。

“ABS”中文译为“防锁死刹车系统”.它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。ABS 是常规刹车装置基础上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。

现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS 既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置。 普通制动系统在湿滑路面上制动，或在紧急制动的时候，车轮容易因制动力超过轮胎与地面的摩擦力而安全抱死。

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动率，自动调节作用在车轮上的制动力矩，防止车轮抱死。从而获得最佳制动效能的电子装置。它能把车轮的滑动率控制在一定的范围之内，充分地利用轮胎与路面之间的附着力，有效地缩短制动距离，显著地提高车辆制动时的可操纵性和稳定性，从而避免了车轮抱死时易出现的各种交通事故。

随着制动强度的增加，车轮滚动成分越来越少，而滑动成分越来越多，一般用滑动率S 来说明制动过程中滑动成分的多少。滑动率越大，滑动成分越少。 S=1-

u

r ω%100⨯ 其中： u ——车轮中心的速度；

r ——没有地面制动力时的车轮滚动半径； w ——车轮的角速度。

纵向和侧向附着系数可表达为车轮滑动率的函数（如图1）。最大纵向附着系数所对应的滑动率称为临界稳定点SK 。根据控制理论把滑动率小于SK 的区域称为稳定制动区，SK 以后的为非稳定制动区。ABS 正是利用道路与轮胎之间的关系，强制性地把车轮滑动率控制在临界稳定点SK 附近，使路面附着性能得到最充分的发挥，从而达到最佳的制动效果。

图1 附着系数-滑动率曲线

目前所采用的ABS 主要由轮速传感器，电子控制单元，压力控制阀和线束、管路等附件组成。ABS 的开发主要是研究设计优化运算和控制程序软件，实现实时精确制动调节的技术，同时提高硬件的水平。

2.目前ABS 所采用的控制技术

ABS 的控制效果很大程度上取决于系统所采用的控制技术[4]。目前所采用的主要是逻辑门限值控制技术。为进一步提高ABS 的性能，还提出了一些基于滑动率的控制技术，如PID 控制，滑动模态变结构控制，模糊控制等。每种控制均以不同的控制规律逼近期望的点。

2.1 PID 控制

定义期望滑动率S0 与实际滑动率S 之差为控制误差e=S-S0，则PID 的控制规律可表示为：t

e d l p d d K edt K e K U ⎰++= 因此，ABS 控制器的设计最后就归结为，根据ABS 动态系统，确定出一组最佳的参数Kp 、Ki 和Kd ，使车轮的滑动率以最快的方式逼近设定目标S0。

2.2 滑动模态变结构控制

由汽车防抱死制动的基本原理可知，其制动过程的本质问题是把车轮的滑动率控制在附着系数的峰值点Sk ，则滑动模态变结构根据系统当时的状态、偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想开关的方式切换控制量的大小和符号，以保证系统在滑动区域很小的范围内，状态轨迹（S ，×S）沿滑动换节曲线滑向控制目标（Sk ，0）。

通常取制动力矩为控制变量U ，切换条件为：

⎪⎩⎪⎨⎧<>=--~~00v M v M U b b

其中 Mb- 、Mb+分别代表由调节系统所决定的制动力矩减少、增加两种不同

的状态。

e c e v 1~+=∙

为切换函数，e=S －Sk 为实际滑动率相对目标点的偏差。

2.3 模糊控制

对于以滑动率为控制对象的防抱死制动系统，其输入量取期望滑动率与车轮实际滑动率的偏差E 以及偏差的变化率EC ，输出量为制动管路油压。采用带修正因子的模糊控制器，把用模糊推理算法形成的控制表概括为一个解析式：

U =α × E + (1-α)EC

其中α为修正因子，α值的大小直接反映了对偏差及偏差变化率的加权程度。通过调整修正因子α，就可以改变控制规则。当α较大时，表明对偏差的加权大，阶跃响应快，控制能量主要用于减少偏差，但易出现超调；当α较小时，控制目的是减少超调，但响应过程较慢。通常采用带两个α值的修正因子表达式就可满足性能要求，即：

⎩⎨⎧-+-+=较大时当较小时当E EC a E a E EC a E a u )1()1(22

11 其中，修正因子α1 、α2∈(0，1)且α1<α2 ，控制系统在判断E 值的大小之后，选择控制规则表达式。

2.4 逻辑门限值控制

此方法预先对若干个控制参数设定一些控制极限（门限）值，制动时，根据计算的实时参数值与对应门限值的大小关系，来判定车轮的运动状态，从而控制调节制动压力，以获取足够大的制动强度和良好的方向稳定性。常作为ABS 控制参数的有：车轮滑移率S ，车轮转动的角加（减）速度ω及其变化率.ω等三种描述车轮运动情况或动力学状态的参数。由于仅用一个控制参数难于保证ABS 在各种行驶条件下都具有良好的性能，因此，目前逻辑门限值控制方法通常将车轮转动的角加（减）速度作为主要控制参数，而将车轮的滑动率S 作为辅助控制参数。其中滑动率是从各轮速信号按一定逻辑确定汽车的参考速度后，计算出的参考滑动率，与实际滑动率存在着差异。

2．5双参数控制

双参数控制的 ABS ，由车速传感器 ( 测速雷达 ) 、轮速传感器、控制装置 ( 电脑 ) 和执行机构组成。

其工作原理是车速传感器和轮速传感器，分别将车速和轮速信号输入电脑，由电脑计算出实际滑移率，并与理想滑移率 15 ％一 20 ％作比较，再通过电磁阀增减制动器的制动力。

这种曳速传感器常用多普勒测速雷达。当汽车行驶时，多普勒雷达天线以一定频率不断向地面发射电磁波，同时又接收反射回来的电磁波，测量汽车雷达发射与接收的差值，便可以准确计算出汽车车速。而轮速传感器装在变速器外壳，由变速器输出轴驱动，它是一个脉冲电机，所产生的频率与轮速成正比。执行机构由电磁阀及继电器等组成。电磁阀调整制动力，以便保持理想的滑移率。这种ABS 可保证滑移率的理想控制，防抱制动性能好，但由于增加了一个测速雷达，因此结构较复杂，成本也较高。

2．6单参数控制

它以控制车轮的角减速度为对象，控制车轮的制动力，实现防抱死制动，其结构主要由轮速传感器、控制器 ( 电脑 ) 及电磁阀组成。为了准确无误地测量轮速，传感头与车轮齿圈间应留有 1mm 间隙。为避免水、泥、灰尘对传感器的影响，安装前应将传感器加注黄油。电磁阀用于车轮制动器的压力调节。对于四通道制动系统，一个车轮圈有一个电磁阀；三通道制动系统，每个前轮拥有一个，两个后轮共用一个。电磁阀有三个液压孔，分别与制动主缸与车轮制动分缸相连，并能实现压力升高、压力保持、压力降低的调压功能。工作原理如下: 1) 升压在电磁阀不工作时，制动主缸接口和各制动分缸接口直通。由于主弹簧强度大，使进油阀开启，制动器压力增加。

2) 压力保持当车轮的制动分缸中的压力增长到一定值时，进油阀切断关闭。支架就保持在中间状态，三个孔间相互密封，保持制动压力。

3) 降压当电磁阀工作时，支架克服两个弹簧的弹力，打开卸荷肉使制动分缸压力降低。压力一旦降低，电磁阀就转换到压力保持状态，或升压的准备状态。

控制装置 ECU 的主要任务是把各车轮的传感器传回来的信号进行计算、分析、放大和判别，再由输出级将指令信号输出到电磁阀，去执行制动压力调节任务。电子控制装置，由四大部分组成，输入级 A 、控制器 B 、输出级 C ，稳压与保护装置 D 。电子控制器以 4 一 101tz 的频率驱动电磁阀，这是驾驶员无法做到的。这种单参数控制方式的 ABS ，由于结构简单、成本低，故目前使用较广。

在美国克莱斯勒型高级轿车中大多配备了这种单参数控制方式的 ABS 。它