孫 明， 李素蕊

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，河南 新鄉(xiāng) 453006； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

基于滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的氣壓ABS控制器設(shè)計

孫 明1， 李素蕊2

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，河南 新鄉(xiāng) 453006； 2.新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院 醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

根據(jù)商務(wù)車的制動過程，建立了車輛單輪制動模型.針對制動過程中的高度非線性，設(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的氣壓ABS(Anti-lock Braking System)系統(tǒng)，分為總體設(shè)計、硬件設(shè)計、滑模變結(jié)構(gòu)控制算法和系統(tǒng)軟件實現(xiàn)4部分.氣壓ABS的電控單元由輪速信號調(diào)理電路、閥驅(qū)動電路和CAN總線通信電路組成；系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)采用模塊化編程思想，分為初始化、車輛行駛狀態(tài)監(jiān)測和ABS算法介入共3部分內(nèi)容.高附著路面試驗證明了系統(tǒng)的魯棒性和可靠性.

氣壓ABS系統(tǒng)；滑模變結(jié)構(gòu)控制算法；微控制器；路面試驗

中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨之而來的車輛行駛安全問題引起了人們的廣泛關(guān)注.商務(wù)車和輕型貨車等車型由于自身重量大，在剎車過程中存在剎車距離長、縱向穩(wěn)定性能差等突出問題，因此國家要求這些車型必須安裝防抱死系統(tǒng)(Anti-lock Braking System,簡稱ABS).氣壓ABS系統(tǒng)主要具有兩方面的功能：(1)提高車輛剎車過程的穩(wěn)定性.未安裝氣壓ABS系統(tǒng)的車輛在剎車時前輪如果抱死，車輛將無法轉(zhuǎn)向，而安裝此系統(tǒng)的則不會出現(xiàn)這類問題；(2)縮短車輛的剎車距離，因為ABS系統(tǒng)會將車輛的制動力控制在最大范圍內(nèi)，所以能減小剎車距離[1-2].

ABS車輛安全系統(tǒng)的產(chǎn)品市場主要由國外公司占據(jù)，國內(nèi)僅有幾家公司生產(chǎn)氣壓ABS，且在市場中占有較少的份額，研究相對滯后.對此，本文嘗試將電子技術(shù)、控制理論與車輛動力學(xué)相結(jié)合，設(shè)計商務(wù)車的氣壓ABS系統(tǒng)[3-4].

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

商務(wù)車在制動過程中有兩個重要參數(shù)，分別是附著系數(shù)和滑轉(zhuǎn)率.附著系數(shù)與車輛車體垂直載荷的乘積為地面附著力，即輪胎與地面間的最大剎車摩擦力；滑轉(zhuǎn)率則是商務(wù)車在制動時，車身速度和車輪轉(zhuǎn)速之間產(chǎn)生的速度差與車身速度的比值，滑轉(zhuǎn)率公式為：

(1)

式(1)中，v為車身速度；ω為車輛車輪轉(zhuǎn)速；r為車輛車輪半徑.

制動過程中附著系數(shù)和滑轉(zhuǎn)率之間的關(guān)系如圖1所示.由圖1可見，車輛滑轉(zhuǎn)率在0.15附近時，車輛的附著系數(shù)達到最大值.此時，車輛能達到最佳的制動狀態(tài)和目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率，且橫向附著系數(shù)也較高，能夠提高車輛的抵抗側(cè)向力[5-7].

圖1 滑轉(zhuǎn)率與附著系數(shù)的關(guān)系曲線

氣壓ABS控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

注：1為商務(wù)車的輪速傳感器；2為車輛的剎車踏板傳感器；3為電子控制單元(ECU)；4為氣壓調(diào)節(jié)閥模塊；5為雙軸加速度傳感器；6為通信線路.

商務(wù)車在行駛過程中，氣壓ABS控制系統(tǒng)檢測到剎車信號后，將輪速傳感器測量所得到的車輪轉(zhuǎn)速與加速度傳感器所得車身速度進行計算，得到當(dāng)前車輛的滑轉(zhuǎn)率.將當(dāng)前滑轉(zhuǎn)率的值與目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率相減得到差值，送入控制器進行算法處理；輸出控制命令至氣壓閥驅(qū)動芯片，對車輪滑轉(zhuǎn)率進行調(diào)節(jié)，使滑轉(zhuǎn)率維持在目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率附近.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

氣壓ABS控制系統(tǒng)的ECU單元采用的是TI公司的32位精簡指令控制器TMS570R1A256(簡稱TMS570).此控制器內(nèi)部集成了多種接口類型，其SCC接口負責(zé)連接控制器.氣壓ABS的主ECU單元失效后，則由控制器接收管理權(quán)，雙ECU控制模式可保證氣壓ABS系統(tǒng)正常、穩(wěn)定工作.

2.1 輪速信號調(diào)理電路設(shè)計

車輛輪速的采集主要使用電磁式霍爾傳感器.由該傳感器測量的為正弦信號，且頻率與車輪角速度成一定比例.但電磁式霍爾傳感器的輸出信號強度弱，易受干擾，為此，設(shè)計了信號調(diào)理電路，如圖3所示.輪速信號經(jīng)過電壓跟隨、低通濾波、信號放大、整形后，通過光電耦合隔離芯片TLP521-4輸出低電平0 V、高電平5 V的矩形波信號.矩形波信號輸入至TMS570芯片的IO口，TMS570根據(jù)上升沿信號即可計算得出當(dāng)前的車輪角速度.

圖3 輪速信號處理電路

雙軸加速度傳感器負責(zé)采集車輛的橫向加速度和縱向加速度，該傳感器采用AD公司的ADXL203芯片，電路如圖4所示.將采集所得的縱向加速度信號送至TMS570芯片的AD接口，先進行AD轉(zhuǎn)換后得到縱向加速度的數(shù)字量；再對縱向加速度進行積分計算，即可得到當(dāng)前的車身速度.根據(jù)公式(1)計算即可得到當(dāng)前車輛的滑轉(zhuǎn)率.

圖4 雙軸加速度傳感器電路

2.2 閥驅(qū)動電路設(shè)計

氣壓ABS系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)部分主要采用氣壓調(diào)節(jié)電磁閥.電磁閥根據(jù)TMS570的控制命令調(diào)節(jié)制動氣壓壓力，但是電磁閥的工作電壓為24 V，而TMS570的驅(qū)動能力不足，因此需要使用英飛凌公司的電磁閥驅(qū)動芯片BTS7246，閥驅(qū)動芯片電路如圖5所示.芯片的IN1，IN2，IN3，IN4引腳連接TMS570芯片的PWM(脈沖寬度調(diào)制)接口.芯片的OUT1，OUT2，OUT3，OUT4引腳連接氣壓電磁閥.

圖5 閥驅(qū)動電路

2.3 CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線通信部分電路設(shè)計

商務(wù)車的整個信息通訊網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線通信，因此氣壓ABS系統(tǒng)需要設(shè)計CAN總線電路與車體其他ECU進行通信.TMS570芯片內(nèi)部集成了兩個CAN控制器模塊，需要與CAN收發(fā)器連接構(gòu)成CAN總線接口，該電路如圖6所示.收發(fā)器芯片采用飛利浦的PCA82C250.

圖6 CAN總線收發(fā)器電路

商務(wù)車的電控單元需要使用穩(wěn)定的5 V和24 V直流電源.因此使用電源轉(zhuǎn)換芯片將電池電壓轉(zhuǎn)換成5 V和24 V，分別給TMS570控制器、CAN總線模塊和閥驅(qū)動模塊供電.整個控制器的實物連接情況如圖7所示.

圖7 氣壓ABS控制器電路實物連接圖

3 滑?？刂扑惴ㄔO(shè)計

商務(wù)車制動過程中的受力情況可以通過1/4車輛模型進行分析，模型如圖8所示.

圖8 1/4車輛模型

根據(jù)力矩平衡原理可得方程：

(2)

Fx=μFz

(3)

公式(1)求導(dǎo)后，將公式(2)、公式(3)代入可得滑轉(zhuǎn)率的動態(tài)方程：

(4)

結(jié)合分析知，滑模變結(jié)構(gòu)控制器的滑模面Sf的定義是，為了確保商務(wù)車在制動過程中，滑轉(zhuǎn)率保持在0.15左右獲得的最大地面摩擦力.滑模面公式為：

Sf=0.15-S

(5)

其中，S為當(dāng)前滑轉(zhuǎn)率；0.15為目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率.對滑模面公式(5)求導(dǎo)得：

(6)

(7)

其中，R為車輪的有效半徑；η為滑?？刂频南禂?shù)；sat為飽和函數(shù)；s為滑移率；φ為橫擺角速度.

4 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

確定氣壓ABS的硬件電路和控制算法后，需對控制程序進行設(shè)計.氣壓ABS系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化編程思想，其主程序流程如圖9所示.

圖9 主程序流程圖

(1)初始化部分

TMS570啟動代碼和各個特殊功能寄存器，汽車啟動自檢、車輛儀表盤顯示程序等.這部分需要確定氣壓ABS控制器中的各個閥驅(qū)動電路是否正常，如果車輛自檢失敗，儀表盤應(yīng)顯示ABS功能失效.

(2)車輛行駛狀態(tài)監(jiān)測

要實時監(jiān)控踏板信號以判斷駕駛員是否踩剎車和是否要啟動氣壓ABS控制算法.踏板踩下后，氣壓ABS控制器會根據(jù)輪速傳感器采集的輪速值，采用最小二乘法計算得出車輛的當(dāng)前速度.

(3)ABS算法介入部分

ABS算法介入部分的門限值設(shè)置為車速是否大于15 km/h.車速小于門限值時,猛踩剎車的危險性較小.車輛速度大于門限值時，控制器將當(dāng)前車速值代入公式(1)中，計算出當(dāng)前的車輛滑轉(zhuǎn)率，然后將當(dāng)前滑轉(zhuǎn)率與目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率的差值代入滑模變結(jié)構(gòu)控制算法中，計算可得當(dāng)前車輛所需的制動力矩.氣壓閥根據(jù)此力矩值進行制動，調(diào)節(jié)當(dāng)前車輪的滑轉(zhuǎn)率，以使車輪滑轉(zhuǎn)率始終保持在目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率附近，從而保證車輛在制動過程中不會出現(xiàn)抱死情況.

5 系統(tǒng)驗證

氣壓ABS控制器安裝在某型號商務(wù)車上，在海南某試車站進行了初步的高附著路面試驗.車輛制動過程中的各種參數(shù)通過維克托公司的CAN分析儀CANalyzer進行記錄.試驗路面為干柏油時，車輛制動前的速度為44 km/h，在115 s時，控制器檢測到滑轉(zhuǎn)率異常，氣壓ABS介入控制，如圖10所示.由圖11知，車輛在氣壓ABS控制器介入控制時，滑轉(zhuǎn)率始終保持在0.15左右，因此車輛在制動過程中沒有發(fā)生抱死現(xiàn)象，且始終能獲得最大的地面摩擦力，從而縮短剎車距離并保持車輛的縱向穩(wěn)定性.

圖10 干柏油路面直線制動

圖11 滑轉(zhuǎn)率變化圖

6 結(jié)語

本文以商務(wù)車作為控制模型，將電子技術(shù)、滑模變結(jié)構(gòu)控制算法、汽車動力學(xué)相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了氣壓ABS控制系統(tǒng).試驗結(jié)果表明：(1)滑模變結(jié)構(gòu)算法的魯棒性強，對控制模型中的參數(shù)不敏感，算法簡單，氣壓ABS控制器在制動過程中響應(yīng)及時.(2)電控單元部分的設(shè)計具有很強的抗干擾性能，能夠在車內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常運行，而雙CPU設(shè)計又進一步保證了系統(tǒng)的可靠性.

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責(zé)任編輯：金 欣

Designing of pneumatic ABS by slide mode control

SUN Ming1, LI Su-rui2

(1.Department of Electronic Information,Xinxiang Vocational and Technical College, Xinxiang, Henan 453006, China;2.Medical College, Sanquan College of Xinxiang Medical University, Xinxiang, Henan 453003, China)

A model brake actuator and an ABS (anti-lock braking system) are designed after a business vehicle and slide mode control in terms of nonlinear properties and the dynamics. An ECU (electronic circuit unit) is developed for the ABS and its versatility and scalability proved through tests. The results of road test show that the ABS system can be used widely in the future.

pneumatic ABS; slide mode control; ECU; road test

2016-01-12

孫 明(1982-)，男，河南新鄉(xiāng)人，新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事計算機教學(xué)、計算機編程等方面的工作； 李素蕊(1983-)，女，河南新鄉(xiāng)人，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院三全學(xué)院講師，碩士，主要從事醫(yī)學(xué)電子教學(xué)、醫(yī)學(xué)工程等方面的工作.

1009-4873(2017)04-0006-06

U463.52+.6

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