基于飞思卡尔芯片的汽车液压ABS系统及其仿真

汽车制动性能的好坏,主要从以下3方面进行评价: 1)制动效能,即制动距离与制动减速度; 2)制动效能的恒定性,即抗热或水衰退性能; 3)制动时汽车的方向稳定性,即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。

通常,汽车在制动过程中存在着两种力:一种是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力,这种阻力称为制动系统的阻力,由于它提供制动时的制动力, 因此也称为制动系制动力;另一种力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力,也称为轮胎- 道路附着力。如果制动系制动力小于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会保持稳定状态;反之,如果制动系制动力大于轮胎- 道路附着力,则汽车制动时会出现车轮抱死。如果前轮抱死,汽车基本上沿直线向前行驶,汽车处于稳定状态,但汽车失去转向控制能力,这样驾驶员制动过程中躲避障碍物、行人以及在弯道上所应采取的必要的转向操纵控制等就无法实现。如果后轮抱死,汽车的制动方向稳定性变差,在很小的侧向干扰力下,汽车就会发生甩尾,甚至调头等危险现象。尤其是在某些恶劣路况下,诸如路面湿滑或有冰雪,车轮抱死将难以保证汽车的行车安全。另外,由于制动时车轮抱死,从而导致局部急剧摩擦,将会大大降低轮胎的使用寿命。

1 ABS工作原理

汽车防抱死制动系统ABS （Anti - Lock BrakingSystem）是指在制动过程中,通过控制作用于车轮制动分泵上的制动管路压力,自动调节车轮制动力,防止车轮抱死以取得最佳制动效能的电子装置,ABS是目前世界上普遍公认的提高汽车制动安全性的有效措施之一。

2 基于MC9S12DP256芯片的液压ABS系统

液压ABS系统主要应用于轿车、微型车与轻型车制动系统。与气动ABS系统不同,大部分液压ABS系统的控制器与调节器是一个集成的系统,尽管制造难度较大,但由于近年国内轿车市场的发展和对交通安全的要求的提高,液压ABS系统越来越受到厂家的关注,许多厂家纷纷开始进行液压ABS系统的开发。

飞思卡尔半导体公司(原摩托罗拉半导体部)的MC9S12DP256芯片是以速度很高的CPU12内核（Star Core）为核心的单片机,总线速度达25MHz.MC9S12DP256单片机由标准片上外围设备组成,包括一个16 位中央处理器（HCS12CPU） 、256K字节的Flash, 4K的EEPROM 、12K字节的RAM。5路CAN总线,温度适用范围为- 40～125 ℃,采用5 V供电,主要用于工业控制,特别适合用在汽车上。基于MC9S12DP256控制的液压ABS系统配置框图如图1所示。



由于MC9S12DP256 芯片的总线内置,抗干扰能力特别强,使用自动编程/擦除算法,提高了性能,而扩展的指令集和寻址模式提高了编码效率,背景调试模式模块（Background DebuggingMode, BDM）能够允许全速在线仿真。另外,利用CodeWarrior集成开发环境（Integrated Development Environment,IDE）,通过后台调试方式（Background debug mode, BDM） ,下载控制程序和修改相关参数,在不干扰目标程序运行情况下,实时监测各寄存器和存储器,实现了控制程序的板上在线调试,从而提高了集成系统的开发效率和试验的方便性,可以大大缩短试验周期。

3 液压控制原理

液压ABS系统采用一体化的结构即控制器与调节器集成为一体,可以使系统结构简单, 节省线束。同时,由于采用了MC9S12DP256芯片,足以满足ABS的计算、实时控制和诊断等方面的要求。液压控制部分主要是利用三位三通电磁阀的特点。其调压方式与工作原理如下:

（1）正常制动（ABS不工作）

正常制动时制动力较小, 车轮尚未抱死滑移,ABS不起作用, 三位电磁控制阀处于第1种状态,即三位电磁阀的左位。来自制动主缸的制动液经3个电磁控制阀直接进入4个轮缸, 产生制动作用。放松制动踏板解除制动时, 轮缸中的油液仍经电磁控制阀流回主缸。此时, 由于ECU （ABS电子控制单元） 未发出指令, 故电动油泵处于不工作状态。

（2）降压状态当汽车制动使车轮处于即将抱死状态时, ECU根据传感器的信号发出指令,给三位电磁阀的线圈通以较大的电流,使三位电磁阀处于第3种状态,即图中三位电磁阀处于右位工作,通往主缸的油路被关闭,而4个轮缸与储压器相通, 轮缸内的高压油液经电磁阀流入储压器,制动压力降低,防止了车轮抱死,与此同时,受ECU的指令,电动油泵工作,把流入储压器的油液加压后输送回主缸,为下一次制动作好准备。

（3）保压状态当制动分 泵减压（或增压）到最佳制动状态时,根据轮速传感器发出的信号, ECU 发出相应指令,给线圈通以较小的电流,此时,三位电磁阀处于第2种状态,即图中三位电磁阀处于中位工作,各阀口关闭,保持轮缸中的油压处于最佳制动状态。

（4）升压状态当制动力不足时,轮速传感器发出信号, ECU停止向线圈供电,三位电磁阀回到第1种状态,主缸和轮缸再次相通,主缸中的高压制动液经三位电磁阀进入轮缸使制动力迅速上升。

ABS控制上述降压、保压、升压各状态,使之相互交替进行, 从而保证汽车获得最佳制动效果。ABS系统液压回路如图2所示。