基于dsPIC30F5011的ABS電子控制器設(shè)計(jì)
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0 引言
汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)又稱(chēng) ABS,是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的安全剎車(chē)控制系統(tǒng)。沒(méi)有安裝ABS 系統(tǒng)的車(chē),在遇到緊急情況時(shí),來(lái)不及分步緩剎,只能一腳踩死,這時(shí)車(chē)輪容易抱死,加之車(chē)輛沖刺慣性,可能發(fā)生側(cè)滑、跑偏、方向不受控制等危險(xiǎn)狀況;而裝有ABS的車(chē),當(dāng)車(chē)輪即將到達(dá)下一個(gè)鎖死點(diǎn)時(shí),剎車(chē)在一秒內(nèi)可作用60 至120 次,相當(dāng)于不停地剎車(chē)、放松,即相似于機(jī)械的“點(diǎn)剎”。因此,可以避免在緊急剎車(chē)時(shí)方向失控及車(chē)輪側(cè)滑,使車(chē)輪在剎車(chē)時(shí)不被鎖死,輪胎不在一個(gè)點(diǎn)上與地面摩擦,加大了摩擦力,使剎車(chē)效率達(dá)到90%以上[1]。
ABS 系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件是ABS 電子控制器,即ECU。本文在分析了ABS 制動(dòng)原理和控制器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,針對(duì)某車(chē)型選用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的dsPIC30F5011 單片機(jī),結(jié)合ABS系統(tǒng)芯片,完成了ABS_ECU 硬件設(shè)計(jì),并開(kāi)發(fā)了控制程序,在自主研發(fā)的硬件在回路仿真器上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),得到了良好的效果。
1 ABS制動(dòng)原理
在汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程中,使汽車(chē)制動(dòng)而減速行駛的外力是路面作用于輪胎胎面上的地面制動(dòng)力,但地面制動(dòng)力取決于兩個(gè)摩擦副的摩擦力:一是制動(dòng)裝置對(duì)車(chē)輪的摩擦力,即制動(dòng)器制動(dòng)力;另一個(gè)是輪胎與路面間的摩擦力,即地面附著力。只有當(dāng)汽車(chē)有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力及地面附著力時(shí),才能獲得足夠的地面制動(dòng)力[2]。汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中通常存在滑移現(xiàn)象,即車(chē)速和輪速之間存在著速度差所造成的相對(duì)滑動(dòng),這種滑移的程度由滑移率來(lái)表示:
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汽車(chē)制動(dòng)時(shí),附著系數(shù)與輪胎滑移率關(guān)系曲線如圖1 所示,圖中φ表示附著系數(shù)。
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由圖1 可知,滑移率在15%-20%時(shí),橫向和縱向的附著系數(shù)都比較大,而大量的研究試驗(yàn)也表明,此時(shí)汽車(chē)的制動(dòng)效果最好。
ABS 在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)車(chē)輪趨于抱死,迅速降低制動(dòng)系統(tǒng)的壓力,使車(chē)輪滑移率恢復(fù)到靠近理想穩(wěn)定區(qū),通過(guò)自動(dòng)、高頻率的對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié),使車(chē)輪滑移率保持在理想滑移率附近的狹小范圍內(nèi),以充分利用車(chē)輪與路面間的縱向峰值附著系數(shù)和較高的橫向附著系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)防止車(chē)輪抱死并獲得最佳制動(dòng)效能[3]。
2 ECU硬件設(shè)計(jì)
2.1 ECU結(jié)構(gòu)組成
ABS 系統(tǒng)主要由車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制器(ECU)、電磁閥三部分組成。而系統(tǒng)核心部分是ECU,其組成如圖2 所示,主要包括系統(tǒng)電源管理、輪速信號(hào)處理、處理器(單片機(jī))、電磁閥驅(qū)動(dòng)器和ABS 故障檢測(cè)等部分。
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輪速信號(hào)處理模塊將輸入的模擬輪速信號(hào)進(jìn)行變換處理,得到規(guī)則的數(shù)字輪速輸入到處理器中,由處理器計(jì)算并判斷各輪是否正趨于抱死;電磁閥驅(qū)動(dòng)監(jiān)控模塊放大來(lái)自處理器的電磁閥控制信號(hào),使其能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力使輪速處于不斷循環(huán)的增壓-保壓-減壓狀態(tài),同時(shí)將當(dāng)前電磁閥控制信號(hào)反饋至處理器來(lái)監(jiān)控控制邏輯。
2.2 處理器選型和設(shè)計(jì)
ECU 最關(guān)鍵的部分是處理器,目前大多采用16 位單片機(jī)作為ECU 的處理器,其一方面采集輪速信號(hào)進(jìn)入ABS 算法處理,另一方面發(fā)送電磁閥控制指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu),對(duì)車(chē)輪進(jìn)行增壓-保壓-減壓處理;同時(shí)它還外擴(kuò)了故障檢測(cè)、電磁閥監(jiān)控部分,保證了ECU 正常運(yùn)行。無(wú)論是輪速采集和算法處理,還是對(duì)車(chē)輪制動(dòng)壓力的控制,都對(duì)核心處理器有較高要求:實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)處理精度高等。Microchip 公司的dsPIC30F5011 作為高性能1
位數(shù)字信號(hào)控制器,既具備了單片機(jī)的控制功能,也結(jié)合了DSP 的數(shù)字信號(hào)的處理能力。該芯片內(nèi)含完整的DSP 引擎:包含1 個(gè)高速的16×16 的整數(shù)乘法器、1 個(gè)40 位的ALU、2 個(gè)40 位的飽和累加器以及1 個(gè)40 位的雙向移位器,能夠明顯提高芯片計(jì)算能力。指令系統(tǒng)分成兩類(lèi):?jiǎn)纹瑱C(jī)類(lèi)和DSP 類(lèi)。采用單級(jí)指令預(yù)取機(jī)制使得其指令大多數(shù)是單周期的。片上集成66K FLASH,1K EEPROM,4K RAM,8 通道的輸入捕捉,一個(gè)8 通道的脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM)。結(jié)合ICD2(在片調(diào)試器)在MAPLAB IDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境中,對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編輯、編譯、在線
調(diào)試和下載。
處理器的功能接口分布如圖3 所示。采用dsPIC30F5011 的輸入捕捉口(IC1…4)采集4 組輪速信號(hào),根據(jù)設(shè)置的采集方式可以準(zhǔn)確地偵測(cè)輪速信號(hào)的狀態(tài),經(jīng)過(guò)ABS 算法后,通過(guò)8 路I/O 口輸出電磁閥控制信號(hào),同時(shí)將電磁閥狀態(tài)由8 路I/O 口反饋到處理器,形成一個(gè)閉合回路用來(lái)監(jiān)控算法的控制邏輯。同時(shí),采用一個(gè)PWM 口輸出報(bào)警燈信號(hào),通過(guò)設(shè)置報(bào)警燈的閃爍頻率來(lái)判斷故障類(lèi)別。來(lái)自剎車(chē)板的制動(dòng)信號(hào)經(jīng)光耦隔離進(jìn)入到單片機(jī)中。有效的制動(dòng)信號(hào)是進(jìn)入ABS 算法的一個(gè)入口條件。
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2.3 輪速的采集和處理
電磁波動(dòng)式輪速傳感器將輪速轉(zhuǎn)換成正比于輪速的正弦信號(hào),一般輪速信號(hào)的頻率低于1KHz,并且幅值比較低,而且干擾量較多,必須將其轉(zhuǎn)換為T(mén)TL 電平的方波信號(hào),所以需要信號(hào)變換電路將變換后的輪速信號(hào)輸入到處理器中。本設(shè)計(jì)采用了4 通道的輪速采集,經(jīng)LM324A 放大輪速信號(hào),再利用低通濾波和算法中的濾波部分削減干擾量;最后經(jīng)過(guò)74HC14整形后的數(shù)字輪速信號(hào),即為方波,便可輸入到處理器中。
2.4 電磁閥控制信號(hào)的輸出和處理[!--empirenews.page--]
經(jīng)過(guò)ABS 算法之后,處理器產(chǎn)生了8 路電磁閥控制信號(hào),以?xún)陕冯姶砰y控制信號(hào)為一組來(lái)控制一個(gè)車(chē)輪。其組合控制策略為:00 保壓;01 增壓;10 減壓。處理器輸出的電磁閥控制信號(hào)只有幾十毫安,而執(zhí)行部件需要的電流為1~2A,所以需要對(duì)電磁閥控制信號(hào)放大。本設(shè)計(jì)采用Infineon 公司的ABS 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)芯片TLE6216,每片可以驅(qū)動(dòng)四路的電磁閥控制信號(hào),同時(shí)把當(dāng)前的電磁閥狀態(tài)反饋到處理器中,監(jiān)控控制效果。
2.5 電源和故障檢測(cè)
為汽車(chē)中供電的是蓄電池或者發(fā)電機(jī),重型車(chē)的蓄電池為24V,發(fā)電機(jī)工作電壓為28V,單片機(jī)工作電壓為5V,所以除了電源供給外還需要電壓轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)中采用了Infineon 公司的ABS 系統(tǒng)電源芯片TLE6210,它可以將12V 的電壓轉(zhuǎn)化為單片機(jī)需要的5V,同時(shí)集成了報(bào)警燈、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能。另外TLE6210 內(nèi)部集成了電壓監(jiān)控邏輯模塊,當(dāng)檢測(cè)到輸入輸出電壓過(guò)高或者過(guò)低時(shí),引腳RES1/RES2 將產(chǎn)生復(fù)位脈沖,讓整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。由于系統(tǒng)電源有模擬部分和數(shù)字部分,需要在兩部分電源之間添加隔離電感,防止系統(tǒng)中模擬電路和數(shù)字電路的互相干擾。
對(duì)于ABS 產(chǎn)生的故障,主要包括:系統(tǒng)供電故障,輪速傳感器故障,ABS 系統(tǒng)運(yùn)行故障,電磁閥故障等,操作人員可通過(guò)故障警報(bào)燈的閃爍頻率來(lái)判定故障來(lái)源和類(lèi)型,并將相應(yīng)的故障碼存儲(chǔ)在EEPROM 中,以便上位機(jī)進(jìn)行識(shí)別和處理。
3 軟件設(shè)計(jì)
目前的ABS 系統(tǒng)主要采用參考門(mén)限值控制的方式,即Bosch 控制邏輯。這是當(dāng)今被廣泛采用的一種邏輯。這種方式將車(chē)輪角減速度、角加速度和滑移率組合作為控制參數(shù)【4】
本文就是采用了以車(chē)輪的角加速度、角減速度為主要門(mén)限,以滑移率為輔助門(mén)限的控制策略,具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4 所示。
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當(dāng)檢測(cè)到有效的剎車(chē)信號(hào)時(shí),處理器通過(guò)輪速傳感器采集到輪速脈沖信號(hào),然后計(jì)算車(chē)速和加速度,當(dāng)車(chē)速較高時(shí),調(diào)用滑移率邏輯門(mén)限算法,由電磁閥來(lái)輸出保壓、減壓、增壓信號(hào),即初始制動(dòng)時(shí)增壓,在達(dá)到加速度門(mén)限,并且滑移率仍然保持在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)時(shí)保壓,一段時(shí)間后達(dá)到滑移率穩(wěn)定臨界值減壓。如此往復(fù),使車(chē)速呈現(xiàn)波浪式降低。若車(chē)速較低,電磁閥直接輸出增壓或者保壓信號(hào),此時(shí)輪速一直在減小,沒(méi)有回升,直到減小至零。
4 硬件在回路仿真試驗(yàn)
利用在前期完成的國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“面向汽車(chē)電子控制的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及其應(yīng)用” (2004AA1Z2380)中開(kāi)發(fā)的硬件在回路仿真系統(tǒng)(如圖5 所示),我們對(duì)此ABS 控制器的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。
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圖6、圖7 是某氣壓制動(dòng)型重型車(chē)在低附著系數(shù)路面、初始車(chē)速為33(m/s)情況下的制動(dòng)過(guò)程。觀察輪速曲線對(duì)應(yīng)的電磁閥的狀態(tài)變化:增壓-保壓-減壓;當(dāng)輪速回升階段,電磁閥的狀態(tài)變化是:減壓-保壓-增壓。由此可見(jiàn),制動(dòng)時(shí)車(chē)輛在ABS ECU 控制下較好地防止了車(chē)輪抱死、輪速波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定,并且制動(dòng)時(shí)間較短,所以此控制器具有良好的制動(dòng)效果。
5 結(jié)論
采用Microchip 公司的dsPIC30F5011 作為ABS 系統(tǒng)的處理器,實(shí)現(xiàn)了輪速的快速采集、判別處理,以及滑移率等參數(shù)的計(jì)算,保證了控制的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)合Infineon 公司的ABS 系統(tǒng)芯片,使系統(tǒng)的電源管理、電磁閥驅(qū)動(dòng)等更加優(yōu)化,通過(guò)多次仿真試驗(yàn)可以看出此ABS 控制器制動(dòng)效果良好。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):選用DCS(數(shù)字信號(hào)控制器)dsPIC30F5011 作為處理器,解決了數(shù)據(jù)的快速、大量的傳輸和運(yùn)算,采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)的ABS 邏輯門(mén)限算法運(yùn)行周期可以保持在5ms內(nèi);采用專(zhuān)用ABS 芯片優(yōu)化了該ABS 控制器的電源管理、電磁閥驅(qū)動(dòng)等,可縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,保證系統(tǒng)整體性、穩(wěn)定性。為ABS 控制器的產(chǎn)品化提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參考。