基於dsPIC30F5011的ABS電子控制器設計

 

基於dsPIC30F5011的ABS電子控制器設計時間：2009-03-25 13:53:05 來源：微電腦資訊 作者：趙江濤　徐洋　金基天　林基鬱

0 引言
汽
車防抱死制動系統又稱 ABS，是一種具有防滑、防鎖死等優點的安全刹車控制系統。沒有安裝ABS
系統的車，在遇到緊急情況時，來不及分步緩刹，只能一腳踩死，這時車輪容易抱死，加之車輛衝刺慣性，可能發生側滑、跑偏、方向不受控制等危險狀況；而裝有
ABS的車，當車輪即將到達下一個鎖死點時，刹車在一秒內可作用60 至120
次，相當於不停地刹車、放鬆，即相似於機械的“點刹”。因此，可以避免在緊急刹車時方向失控及車輪側滑，使車輪在刹車時不被鎖死，輪胎不在一個點上與地面
摩擦，加大了摩擦力，使刹車效率達到90％以上[1]。
ABS 系統的關鍵控制組件是ABS 電子控制器，即ECU。本文在分析了ABS
制動原理和控制器結構基礎上，針對某車型選用具有強大資料處理功能的dsPIC30F5011 單片機，結合ABS系統晶片，完成了ABS_ECU
硬體設計，並開發了控製程序，在自主研發的硬體在迴路模擬器上進行了模擬實驗，得到了良好的效果。
1 ABS制動原理
在汽車的制動過程
中，使汽車制動而減速行駛的外力是路面作用於輪胎胎面上的地面制動力，但地面制動力取決於兩個摩擦副的摩擦力：一是制動裝置對車輪的摩擦力，即制動器制動
力；另一個是輪胎與路面間的摩擦力，即地面附著力。只有當汽車有足夠的制動器制動力及地面附著力時，才能獲得足夠的地面制動力[2]。汽車制動過程中通常
存在滑移現象，即車速和輪速之間存在著速度差所造成的相對滑動，這種滑移的程度由滑移率來表示：

汽車制動時，附著係數與輪胎滑移率關係曲線1 所示，圖中φ表示附著係數。

由圖1 可知，滑移率在15％－20％時，橫向和縱向的附著係數都比較大，而大量的研究實驗也表明，此時汽車的制動效果最好。
ABS
在汽車制動過程中，當車輪趨於抱死，迅速降低制動系統的壓力，使車輪滑移率恢複到靠近理想穩定區，通過自動、高頻率的對制動系統壓力進行調節，使車輪滑移
率保持在理想滑移率附近的狹小範圍內，以充分利用車輪與路面間的縱向峰值附著係數和較高的橫向附著係數，從而實現防止車輪抱死並獲得最佳制動效能[3]。
2 ECU硬體設計
2.1 ECU結構組成
ABS 系統主要由車輪轉速感應器、電子控制器(ECU)、電磁閥三部分組成。而系統核心部分是ECU，其組成2 所示，主要包括系統電源管理、輪速訊號處理、處理器（單片機）、電磁閥磁碟機和ABS 故障檢測等部分。

 

輪
速訊號處理模組將輸入的類比輪速訊號進行變換處理，得到規則的數字輪速輸入到處理器中，由處理器計算並判斷各輪是否正趨於抱死；電磁閥驅動監控模組放大來
自處理器的電磁閥控制訊號，使其能夠驅動執行機構（制動壓力調節器）調節制動壓力使輪速處於不斷迴圈的增壓-保壓－減壓狀態，同時將當前電磁閥控制訊號反
饋至處理器來監控控制邏輯。
2.2 處理器選型和設計
ECU 最關鍵的部分是處理器，目前大多採用16 位單片機作為ECU
的處理器，其一方面採集輪速訊號進入ABS
演算法處理，另一方面發送電磁閥控制指令到執行機構，對車輪進行增壓－保壓－減壓處理；同時它還外擴了故障檢測、電磁閥監控部分，保證了ECU
正常運行。無論是輪速採集和演算法處理，還是對車輪制動壓力的控制，都對核心處理器有較高要求：即時性強、穩定性好、資料處理精度高等。Microchip
公司的dsPIC30F5011 作為高效能1
位元字訊號控制器，既具備了單片機的控制功能，也結合了DSP
的數字訊號的處理能力。該晶片內含完整的DSP 引擎：包含1 個高速的16×16 的整數乘法器、1 個40 位的ALU、2 個40
位的飽和累加器以及1 個40 位的雙向移位器，能夠明顯提高晶片計算能力。指令系統分成兩類：單片機類和DSP
類。採用單級指令預取機制使得其指令大多數是單周期的。片上整合66K FLASH，1K EEPROM，4K RAM，8 通道的輸入捕捉，一個8
通道的脈衝寬度調製模組(PWM)。結合ICD2（在片調試器）在MAPLAB IDE 開發環境中，對單片機進行程式編輯、編譯、線上
調試和下載。
處
理器的功能介面分布3 所示。採用dsPIC30F5011 的輸入捕捉口（IC1…4）採集4
組輪速訊號，根據設定的採集方式可以準確地偵測輪速訊號的狀態，經過ABS 演算法後，通過8 路I/O 口輸出電磁閥控制訊號，同時將電磁閥狀態由8
路I/O 口反饋到處理器，形成一個閉合迴路用來監控演算法的控制邏輯。同時，採用一個PWM
口輸出警示燈訊號，通過設定警示燈的閃爍頻率來判斷故障類別。來自刹車板的制動訊號經光耦隔離進入到單片機中。有效制動訊號是進入ABS
演算法的一個允入準則。

2.3 輪速的採集和處理
電
磁波動式輪速感應器將輪速轉換成正比於輪速的正弦訊號，一般輪速訊號的頻率低於1KHz，並且幅值比較低，而且幹擾量較多，必須將其轉換為TTL
電平的方波訊號，所以需要訊號變換電路將變換後的輪速訊號輸入到處理器中。本設計採用了4 通道的輪速採集，經LM324A
放大輪速訊號，再利用低通濾波和演算法中的濾波部分削減幹擾量；最後經過74HC14整形後的數字輪速訊號，即為方波，便可輸入到處理器中。
2.4 電磁閥控制訊號的輸出和處理

經過ABS 演算法之後，處理器產生了8 路電磁閥控制訊號，以兩路電磁閥控制訊號為一組來控制一個車輪。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訊號只有幾十毫安，而執行組件需要的電流為1～2A，所以需要對電磁閥控制訊號放大。本設計採用Infineon
公司的ABS 系統驅動晶片TLE6216，每片可以驅動四路的電磁閥控制訊號，同時把當前的電磁閥狀態反饋到處理器中，監控控制效果。
2.5 電源和故障檢測
為
汽車中供電的是蓄電池或者發電機，重型車的蓄電池為24V，發電機工作電壓為28V，單片機工作電壓為5V，所以除了電源供給外還需要電壓轉化。設計中采
用了Infineon 公司的ABS 系統電源晶片TLE6210，它可以將12V
的電壓轉化為單片機需要的5V，同時整合了警示燈、發動機驅動等功能。另外TLE6210
內部整合了電壓監控邏輯模組，當檢測到輸入輸出電壓過高或者過低時，引腳RES1/RES2
將產生複位脈衝，讓整個系統複位。由於系統電源有類比部分和數字部分，需要在兩部分電源之間添加隔離電感，防止系統中類比電路和數字電路的互相干擾。
對於ABS 產生的故障，主要包括：系統供電故障，輪速感應器故障，ABS 系統運行故障，電磁閥故障等，操作人員可通過故障警報燈的閃爍頻率來判定故障來源和類型，並將相應的故障碼儲存在EEPROM 中，以便上位機進行識別和處理。
3 軟體設計
目前的ABS 系統主要採用參考門限值控制的方式，即Bosch 控制邏輯。這是當今被廣泛採用的一種邏輯。這種方式將車輪角減速度、角加速度和滑移率組合作為控制參數【4】
本文就是採用了以車輪的角加速度、角減速度為主要門限，以滑移率為輔助門限的控制策略，具體實現流程圖4 所示。

當
檢測到有效刹車訊號時，處理器通過輪速感應器採集到輪速脈衝訊號，然後計算車速和加速度，當車速較高時，調用滑移率邏輯門限演算法，由電磁閥來輸出保壓、
減壓、增壓訊號，即初始制動時增壓，在達到加速度門限，並且滑移率仍然保持在穩定地區內時保壓，一段時間後達到滑移率穩定臨界值減壓。如此往複，使車速呈
現波浪式降低。若車速較低，電磁閥直接輸出增壓或者保壓訊號，此時輪速一直在減小，沒有回升，直到減小至零。
4 硬體在迴路模擬實驗
利用在前期完成的國家“863”計劃項目“面向汽車電子控制的嵌入式系統開發平台及其應用” (2004AA1Z2380)中開發的硬體在迴路模擬系統（5 所示），我們對此ABS 控制器的制動過程進行了模擬，模擬結果6、圖7 所示。

圖
6、圖7
是某氣壓制動型重型車在低附著係數路面、初始車速為33（m/s）情況下的制動過程。觀察輪速曲線對應的電磁閥的狀態變化：增壓-保壓-減壓；當輪速回升
階段，電磁閥的狀態變化是：減壓-保壓-增壓。由此可見，制動時車輛在ABS ECU
控制下較好地防止了車輪抱死、輪速波動相對穩定，並且制動時間較短，所以此控制器具有良好的制動效果。
5 結論
採用Microchip
公司的dsPIC30F5011 作為ABS
系統的處理器，實現了輪速的快速採集、判別處理，以及滑移率等參數的計算，保證了控制的即時性、穩定性。同時結合Infineon 公司的ABS
系統晶片，使系統的電源管理、電磁閥驅動等更加最佳化，通過多次模擬實驗可以看出此ABS 控制器制動效果良好。
本文作者創新點：選用DCS（數字
訊號控制器）dsPIC30F5011 作為處理器，解決了資料的快速、大量的傳輸和運算，採用C 語言編寫的ABS
邏輯門限演算法運行周期可以保持在5ms內；採用專用ABS 晶片最佳化了該ABS
控制器的電源管理、電磁閥驅動等，可縮短開發時間，保證系統整體性、穩定性。為ABS 控制器的產品化提供了實驗資料和設計參考。