電子控制ABS系統(tǒng)的非線性理論分析

摘　要：汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是指在制動(dòng)過程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)力，防上車輪抱死以取得最佳制動(dòng)效能的電子裝置，簡(jiǎn)稱ABS（Auto-lock braking system）。由于汽車制動(dòng)過程具有明顯的非線性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，因此ABS的非線性變化分析非常重要。ABS是目前世界上普遍公認(rèn)的提高汽車制動(dòng)安全系統(tǒng)的方法之一。主要研究ABS系統(tǒng)制動(dòng)力的非線性變化，從而提出改進(jìn)對(duì)策。
在駕駛員、汽車和環(huán)境三者組成的系統(tǒng)中，汽車和環(huán)境之間的最基本的聯(lián)系是輪胎與地面之間的作用力。由于汽車行駛狀態(tài)主要是由輪胎與地面之間的縱向作用力和橫向作用力決定的，因此車輪與地面之間的作用力必然要受到輪胎與路面之間附著力的限制。ABS系統(tǒng)可最大限度地利用輪胎與路面之間的縱向和橫向附著系數(shù)，從而在制動(dòng)過程中增強(qiáng)汽車的穩(wěn)定性，防止側(cè)滑和擺尾，同時(shí)在緊急制動(dòng)過程中保持轉(zhuǎn)向操作的穩(wěn)定性能，有效利用縱向附著力可以縮短汽車制動(dòng)距離，減輕輪胎磨損。隨機(jī)電子控制ABS系統(tǒng)可根據(jù)其所處的狀態(tài)將車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與路面的附著聯(lián)系進(jìn)行及時(shí)的、準(zhǔn)確的控制，適應(yīng)了汽車制動(dòng)系統(tǒng)日益發(fā)展的需要，是國(guó)際ABS的主流。
由于汽車行駛時(shí)輪胎與地面之間的縱向作用力和橫向作用力是非線性的，依舊存在一定的缺陷，通過研究ABS系統(tǒng)制動(dòng)力的非線性變化，提出改進(jìn)對(duì)策。
         
電子控制ABS的工作原理
汽車制動(dòng)時(shí)由于車輪速度V1與汽車速度V2 之間存在的差異。當(dāng)汽車正常運(yùn)行時(shí)，V1≥V2；當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，V1≤V2  ；因而會(huì)導(dǎo)致汽車輪胎 與地面之間產(chǎn)生滑移。如圖1所示，道路附著系數(shù)與車輪滑移關(guān)系曲線可以看出：滑移率

當(dāng)車輪以純滾動(dòng)方式與路面接觸時(shí)，其中S=0，為純滾動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)汽車車輪速度為汽車速度80%時(shí)，S=20%，為連滾帶滑狀態(tài)，此時(shí)車輪具有最大的縱向附著力和較高的側(cè)向附著力；                                   當(dāng)車輪抱死并轉(zhuǎn)速為0時(shí)，S=100%時(shí)，其側(cè)向附著力最小，只要很小的側(cè)向力干擾，汽車便能產(chǎn)生側(cè)滑。風(fēng)力干擾、制動(dòng)不均、路面傾斜等，都會(huì)使汽車產(chǎn)生側(cè)滑。側(cè)滑在行駛安全中最危險(xiǎn)，最易產(chǎn)生交通事故，所以汽車行駛時(shí)，首先必需防止制動(dòng)抱死。
研究表明：當(dāng)滑移率8%≤S≤35%時(shí)，能傳遞最大制動(dòng)力。制動(dòng)防抱死的基本原理就是依據(jù)上述的研究結(jié)論，通過控制調(diào)節(jié)制動(dòng)力，使制動(dòng)過程中車輪滑移率在合適的范圍內(nèi)，以取得最佳的制動(dòng)效果。

圖 1  附著系數(shù)F與滑移率S的非線性關(guān)系曲線。

圖 2  對(duì)角車輪獨(dú)立調(diào)節(jié)控制的FKX-AC型ABS

圖3 全電子自動(dòng)控制ABS的系統(tǒng)方框圖

電子控制ABS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
ABS系統(tǒng)通常由傳感器、控制器和調(diào)節(jié)器三部分組成，并通過線路連接成一個(gè)有機(jī)體，形成一個(gè)以滑移率為目標(biāo)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。按照傳感器、控制器和調(diào)節(jié)器的配置和控制方式不同可組成不同的ABS系統(tǒng)。而不同的系統(tǒng)具有各自的成本和性能。
如圖2是對(duì)角車輪獨(dú)立調(diào)節(jié)控制的ABS系統(tǒng)，它由兩套傳感器、一個(gè)兩通道控制器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器組成，前軸傳感器布置在右前輪，后軸傳感器布置在左后輪，控制器布置在駕駛區(qū)儀表盤上，調(diào)節(jié)器分別連接到前、后制動(dòng)管路中。
傳感器：由一個(gè)永磁式傳感器和激磁環(huán)組成，傳感器一般固定在車軸或制動(dòng)底板上，激磁環(huán)則固定在輪轂上，它們以非接觸式將車輪傳動(dòng)的脈沖信號(hào)連續(xù)不斷的傳給控制器。
控制器：監(jiān)測(cè)、處理傳感器輸送來的信號(hào)，將其信號(hào)處理成車輪的速度、減速度、加速度和滑移率，并按照預(yù)先設(shè)定的減速度、加速度和滑移率的門限值，將指令發(fā)給連接在制動(dòng)管路上的調(diào)節(jié)器，從而實(shí)施加氣、保持和放氣功能，調(diào)節(jié)管路的壓力，以滿足多個(gè)車輪在不同路面狀態(tài)下的最大制動(dòng)的要求。
調(diào)節(jié)器：是ABS的執(zhí)行部分，它負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)壓力，以滿足多個(gè)車輪在不同路面狀態(tài)下的最大制動(dòng)力的要求。                                      

電子控制ABS系統(tǒng)通道結(jié)構(gòu)
ABS系統(tǒng)的通道是指連接壓力調(diào)節(jié)器與制動(dòng)器的獨(dú)立液壓回路，按其數(shù)量可分為雙通道、三通道、四通道和六通道結(jié)構(gòu)。雙通道結(jié)構(gòu)有兩個(gè)傳感器，可獨(dú)立進(jìn)行調(diào)整。兩個(gè)后輪裝有一個(gè)傳感器，共用一個(gè)通道，其缺點(diǎn)是當(dāng)其中一后輪要抱死時(shí)，另一個(gè)要一同調(diào)整。較為理想的是各個(gè)輪子都裝有傳感器，有自己的通道，都可以獨(dú)立調(diào)整。如二軸四輪汽車使用四通道結(jié)構(gòu)ABS系統(tǒng)，三軸六輪汽車使用六通道結(jié)構(gòu)ABS系統(tǒng)，確保最短的制動(dòng)距離和最佳的方向穩(wěn)定性。

電子控制ABS系統(tǒng)的非線性分析
根據(jù)圖1附著系數(shù)ф 與滑移率S的非線性關(guān)系可知：
縱向附著力系數(shù)
F縱=-K縱(S-0.2)2+0.825 (S≤20%)---------------------(1)
F縱=K縱(S—0.95)2+0.725 (S≥20%)----------------------(2)
K縱=0.17778
橫向附著力系數(shù)
F橫=—K橫S+ 0.73 -----------------(3)
 K橫=0.73
從上述縱、橫向附著力的表達(dá)式可以看出：縱向附著力系數(shù)為S的非線性函數(shù)，橫向附著力系數(shù)為S的線性函數(shù)。研究上述兩函數(shù)，找出S為何值時(shí)，F(xiàn)縱和F橫的諧調(diào)值最大，從而利用S來控制F，以達(dá)到最佳制動(dòng)效果。”
確定S的最佳數(shù)值：參考圖1和上述表達(dá)式(1)、(2)、(3)分析，考慮到縱、橫向附著力系數(shù)的比例關(guān)系。從圖1中可以看出，在20%≤S≤30%的情況下，表達(dá)式(2)的部分可以用表達(dá)式(1)替代；以F縱為函數(shù)，S為自變量，可以確定F縱最大值的表達(dá)式，當(dāng)

時(shí)，函數(shù)Φ縱有最大值，對(duì)表達(dá)式

進(jìn)行求偏導(dǎo)，則有：

從該表達(dá)式可以看出：只有當(dāng)s=0.2時(shí)，附著力系數(shù)最大，與k大小無關(guān)，并且越小越好，即當(dāng)，制動(dòng)效果最好。
根據(jù)，確定傳遞函數(shù)的性質(zhì)和傳感器類型：傳遞函數(shù)

可見：f(s)是連續(xù)的線性傳遞函數(shù)，但由于
F縱=-K縱(S-0.2)2+0.825 (20%≤S≤30%)是非線性，所以要采用的傳感器依然要用非線性傳感器。

電子控制ABS系統(tǒng)改進(jìn)對(duì)策
目前，傳統(tǒng)電子控制ABS的系統(tǒng)存在的問題：
(1) 采用共用通道時(shí)，當(dāng)其中一輪要抱死時(shí)，另一個(gè)對(duì)稱輪也要一同調(diào)整。
(2)由于通道內(nèi)的液體壓力受空氣壓縮泵的加氣狀態(tài)的影響，具有時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，因此會(huì)出現(xiàn)有時(shí)防抱死系統(tǒng)效果不佳和系統(tǒng)失靈的情況。
(3)由于通道內(nèi)的液體傳遞采用改變氣壓傳遞方法，在傳遞的過程中由于要進(jìn)行加氣、保持和放氣等過程，反應(yīng)速度較慢。
根據(jù)傳統(tǒng)電子控制ABS系統(tǒng)存在的上述三個(gè)問題，采取相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策：
(1) 采用獨(dú)立通道，當(dāng)其中一輪要抱死時(shí)，另一個(gè)對(duì)稱輪不受影響。同時(shí)，這樣做可以減少通道長(zhǎng)度，提高反應(yīng)速度。
(2) 要解決由于通道內(nèi)的液體壓力(制動(dòng)氣室的氣壓)受空氣壓縮泵的加氣狀態(tài)的影響，導(dǎo)致其具有時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)；采用電路替換通道，以提高傳遞速度和可靠性，克服時(shí)變性和不確定性等因素造成的缺陷。
(3) 要徹底解決傳統(tǒng)電子控制ABS系統(tǒng)存在的問題，就要采用全電子自動(dòng)控制ABS系統(tǒng)。將氣壓制動(dòng)改成電磁制動(dòng)，以滑移率S為變量，經(jīng)傳感器將滑移率S變?yōu)殡姶判盘?hào)，經(jīng)過單片機(jī)(可采用INTEL公司8798單片機(jī))處理，傳遞給電磁制動(dòng)剎車器件，這樣不僅提高了傳遞速度，同時(shí)也提高了可靠性系數(shù)?？纱_保汽車有最短的制動(dòng)距離和最佳的方向穩(wěn)定性。圖3為全電子自動(dòng)控制ABS的系統(tǒng)方框圖。
全電子自動(dòng)控制ABS系統(tǒng)的工程原理：由于采用電磁制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)緊急剎車時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入全電子自動(dòng)控制ABS的系統(tǒng)，這時(shí)S為自變量，傳感器將此信號(hào)傳遞給單片機(jī)經(jīng)處理后，控制電磁制動(dòng)(電磁剎)，如果電磁制動(dòng)過急，則電磁剎將此信號(hào)反饋給傳感器進(jìn)行自動(dòng)控制狀態(tài)調(diào)整。