基于ＦＰＧＡ的ＡＢＳ系統

摘要：本文介紹了一種基于FPGA的ABS系統，該系統在應用自適應卡爾曼濾波算法確定出汽車參考車速的基礎上結合車輪轉速對滑移率進行了較精確的控制。該系統的特點是參考車速與實際車速吻合較好，通過FPGA能快速完成算法并實現對四輪的獨立精確控制，能使整個剎車過程控制更為完善，剎車距離更短。

關鍵詞：自適應卡爾曼濾波算法；FPGA；ABS

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)25-1599-02

The ABS Based on FPGA

ZHONG Wei

(Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China)

Abstract: This paper introduces one kind of ABS based on FPGA， has been system's turn to have carried out more accurate controlling on slipping rate combining with the carriage wheel rotation rate on basis ascertaining out automobile reference speed of a vehicle in Adaptive Kalman Filter Algorithm. The system is characterized by reference to the speed and the actual speed good agreement， through the FPGA algorithm can be completed quickly and to achieve the precise control of four-wheel independent， make the whole process of braking control more complete， more short braking distance.

Key words: adaptive kalman filte; FPGA; ABS

1 引言

汽車ABS（Anti-lock Brake System）防抱死制動系統能夠在汽車制動過程中防止車輪完全抱死，ABS主要是通過對車輪的制動壓力進行調節，將車輪的滑移率控制在最佳滑移率Sc附近，以獲得較高的縱向和側向附著系數，從而減小制動距離以及保證汽車制動時的方向穩定性和轉向操縱力，從而大大提高汽車制動過程中的安全性能。滑移率S定義為：S=(v-ω×r)/v。

式中：r為車身速度，ω為車輪角速度，r為車輪半徑。

理論研究表明：汽車在制動時，滑移率若能保持在15%，則汽車的剎車距離最短。滑移率在10%～20%，為最佳的剎車效率區間。但在實際當中，要準確地控制滑移率非常困難，由上式知滑移率的計算與車輪轉速和車身速度均有直接的關系，而從傳感器得到的只是車輪的轉速，常見的汽車防抱死制動系統(ABS)往往只以車輪角加/減速度作為控制參量，這類ABS系統很難在不同情況下實現剎車距離最短的要求。汽車在制動過程中，車速與輪速并不相等，我們如果能夠通過一定的方法估算出車身速度，進而計算出滑移率，就能進行較精確的剎車控制。

2 系統構思

由以上分析知，ABS系統的控制效果主要取決于該系統的參考車速算法和控制策略。本系統應用自適應卡爾曼濾波算法來確定汽車參考車速，用邏輯門限控制方法進行系統控制，并選10%～20%的滑移率作為門限值。

3 確定參考車速

在汽車制動防抱死調節過程中可以將車身速度信號看作均勻變化信號，利用4個車輪的最大輪速經濾波處理后所得信號作為車身速度的量測量，基于自適應卡爾曼濾波算法進行車身速度狀態估計。方法如圖1所示。

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詳細計算方法請參閱文獻1。

4 系統硬件電路設計

ABS系統的核心是電子控制單元ECU(Electronic Eontrol Unit)。本系統ECU硬件電路結構框圖如圖2所示。

4.1 前向通道

測量汽車輪速信號時，外界的干擾信號很強，必須采取相應的措施，濾波整形放大電路首先通過濾波器濾除高頻電磁干擾，然后通過前置放大，施密特觸發器整形得到沿口陡直的數字頻率信號提供給FPGA計算輪速。

A/D轉換電路的轉換速度不能太低，否則無法滿足ABS系統的要求。美國ADI公司的AD574A是一種兼顧速度與精度的典型A/D轉換器，CA3308/3318作為一種有一定代表性的8位高速A/D轉換器，也是一個不錯的選擇。

4.2 后向通道

電磁閥驅動電路可以用專用電磁閥驅動芯片MC33289，當然也可以用功率驅動管。

4.3 控制單元

一般的ABS系統多采用16位的MCU來控制，本系統由于采用了比較復雜的參考車速算法，并分別對四輪輪速采樣和控制，需要四個獨立通道，因此采用FPGA更合適一些。同時由于FPGA強大的能力，在系統中可再集成防盜報警、倒車、液晶顯示等功能，使系統功能更加豐富，FPGA的利用率更高。

4.4 監控電路

監控電路能保證當ABS系統工作不正常時使ABS警報燈亮并轉入常規制動。監控電路主要檢測傳感器電路，電磁閥工作是否正常，同時檢測FPGA的工作情況，起到看門狗電路(WD)的作用。89C2051是一個不錯的選擇，因為89C2051內置模擬比較器，這樣可以比較方便地確定電磁閥工作電壓是否正常。

5 控制過程

本系統采用如下控制方式：首先確定出滑移率的上下限（10%～20%）作為主要控制參數。然后系統根據采集到的輪速信號決定是否啟動ABS，若車速小于10km/h則仍采用常規制動，當大于10km/h時，啟動ABS進入等待狀態。當踩下剎車后ABS進入工作狀態。每隔10ms分別采集一次輪速。根據輪速計算出參考車速，再根據參考車速分別計算出各輪的滑移率，如果高于上限（20%）則控制電磁閥減小制動壓力，如果低于下限（10%）則增大制動壓力，如果在上下限之間則不改變制動壓力。最后，當車速降到10km/h以下后，退出ABS系統，恢復常規制動。具體控制流程如圖3（以一個車輪為例）。

6 結論

本設計在Matlab/Simulink環境中進行了仿真，由于該系統采用了自適應卡爾曼濾波算法，參考車速與實際車速吻合較好，經過大量試驗證明，在各種制動工況下，該方法均可以滿足ABS系統的控制要求，FPGA又能很好的滿足運算速度和多通道的要求，實現了對四個車輪的獨立精確控制，仿真結果顯示該系統有良好的控制效果。

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