基于PLC模擬ABS防抱死實驗平臺的設計

常云澤 楊 風 康海洋 張成法 王建偉

（中北大學，太原 030051）

1 ABS的工作原理

一套典型的汽車ABS主要是由輪速傳感器，電子控制單元，壓力調節裝置組成，基本結構與工作原理如圖1所示。

圖1 ABS結構與工作原理圖

裝有 ABS的汽車在制動過程中，ABS電子控制單元收集各車輪輪速傳感器的信號，經信號處理后計算參考車速，并計算出各車輪的滑移率。根據其內存中設定的程序，適時地發出命令控制各壓力調節器的動作，從而使制動系統在增壓、保壓和泄壓3個階段循環，防止各車輪抱死。

2 PLC模擬構建ABS系統

在本論文當中，筆者采用PLC作為ABS的電子控制單元，電機的轉速作為輪子的轉速信號，采用觀點編碼器采集電子的轉速，并把采集到的信號傳遞給PLC進行數據處理，從而使PLC及時的發出控制信號；并以模擬的電壓信號作為車身的速度信號與制動踏板的信號。

在制動的過程中，采用組態軟件的方式實現了上位機的監控。這樣，實驗員可以直觀的檢測到ABS系統的工作狀況。

3 PLC實驗內容

3.1 分析工藝過程，明確控制要求

（1）在上位機上按下啟動按鈕，以脈沖輸出的方式控制變頻器，從而控制電機。

（2）緩慢調節PLC上的外部輸入電壓，改變電機的轉速。

（3）當快速的減小PLC上的外部輸入電壓，PLC判斷并啟動ABS。

（4）記錄啟動ABS時的電壓對應輸入值，并做出相應的記錄。

（5）通過PLC記錄光電編碼器的脈沖輸入，可以使計算機在組態軟件上實時反應出電機的轉速。

（6）電機分九段減速，最終自動停止。

3.2 統計I/O點數并選擇PLC型號

輸入：模擬電壓輸入、光電編碼器脈沖輸入；兩個。輸出：脈沖輸出；一個。

PLC的型號：松下FP0可編程控制器。

3.3 程序實現的功能如下

（1）通過PLC與變頻器，控制電機的運轉。

（2）通過PLC運算，判斷是否啟動ABS。

（3）啟動ABS后，電機的轉速分段速減速。

（4）利用 PLC的高速計數器與光電編碼器，反饋電機的轉速。

4 PLC控制程序設計及分析

4.1 PWM脈沖輸出控制

PWM 控制的理論基礎是沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。占空比就是輸出的PWM中，高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間之比。PWM脈沖輸出控制實質就是通過改變占空比來改變頻率。

在本實驗中，程序采用的PWM類型分別為：頻率100Hz、周期10ms、占空比99.9%脈沖輸出；頻率100Hz、周期10ms、占空比10%的脈沖輸出。

4.2 A/D模塊的應用

在現代的生產中，模擬量的控制顯得越來越重要，許多控制對象的控制要求都期望實現迷你量的輸入與輸出。

日本松下FP1A/D轉換單元是專門為FP1系列可編程序控制器生產的模擬量輸入、輸出模塊。

在本實驗中，A/D模塊模擬汽車的剎車信號與油門信號。在對A/D轉換單元編程時，直姐使用傳送指令來讀取外部輸入的模擬值。

4.3 判斷是否啟動ABS防抱死系統

這部分是程序編寫的關鍵部分。在這部分，主要是采用了電壓值的變化作為啟動ABS的條件。

當外部電壓的跳變達到程序的設定值，PLC立即啟動ABS，防止輪胎抱死。

5 上位機與PLC的通信設計

系統的上位機監控部分應用MCGS組態軟件來實現。

MCGS 軟件系統包括組態環境和運行環境兩個部分。組態環境相當于一套完整的工具軟件, 幫助用戶設計和構造自己的應用系統。運行環境則按照組態環境中構造的組態工程, 以用戶指定的方式運行, 并進行各種處理, 完成用戶組態設計的目標和功能。運行環境本身沒有任何意義, 必須與組態結果數據庫一起才能構成用戶應用系統。一旦組態工作完成, 運行環境和組態結果數據庫就可以離開組態環境而獨立運行在監控計算機上。

5.1 設計要求

（1）能夠控制整個模擬實驗系統的啟動和停止。

（2）監控畫面能夠直觀的表現出汽車的運動過程。

（3）反映汽車的實時轉速。

（4）繪制汽車的速度/時間曲線。

（5）為試驗系統制定安全機制。

5.2 設計過程

（1）制作監控畫面

在此工程中，建立兩輛車的模型，這是為了達到實時監控的目的。同時建立輸出速度的圖表框。

（2）構建實時數據庫，并進行數據對象及其畫面屬性設置

在MCGS中，用數據對象來描述系統中的實時數據，用對象變量代替傳統意義上的值變量，把數據庫技術管理的所有數據對象的集合稱為實時數據庫。

實時數據庫是MCGS系統的核心，是應用系統的數據處理中心。系統各個部分均以實時數據庫為公用區交換數據，實現各個部分協調動作。

設備窗口通過設備構件驅動外部設備，將采集的數據送入實時數據庫；由用戶窗口組成的圖形對象，與實時數據庫中的數據對象建立連接關系，以動畫形式實現數據的可視化；運行策略通過策略構件，對數據進行操作和處理。

在ABS防抱死實驗平臺的數據設置中，建立關于ABS系統中的相關數據變量。并且設定相關的屬性，為腳本程序的編寫提供基礎。

（3）完成腳本程序的編制

（4）與PLC進行通信

MCGS讀寫松下FP系列PLC設備的各種寄存器。MCGS通過上位機中的串行口設備和PLC上的通訊單元（如 FP0）建立串行通訊連接，從而達到操作PLC設備的目的。

在設備窗口中選用COM口編程協議建立設備通道, 將實時數據庫中定義的各種變量與 PLC 中相對應的I/O分配相對應起來, 通過讀寫PLC 中的信號來實現監控。這是整個過程中最關鍵和最重要的部分。

5.3 MCGS的運行過程描述

圖2 MCGS運行界面

當按動啟動按鈕后，小車A開始運動即電機開始轉動。當改變外電壓值，電機會隨著電壓的變化而變化。在監控界面上，我們可以清晰地看到位移與轉速的變化。

當電壓的變化值達到臨界條件，即進入ABS狀態，小車A停止運動，正常啟停的燈停止閃爍，ABS

啟停的燈開始閃爍，小車B開始運動。

6 結論

經過實驗證明，該裝置能夠基本模擬出ABS防抱死系統的過程，并且能夠直觀的觀察到減速的整個過程。這個實驗平臺使實驗室設備貼近工業現狀，使學生直面實物模型，掌握基本的控制思想和操作手段，具有較高的現實價值。

[1] 常斗南.可編程控制器[M].北京:機械工業出版社,2003:1-6.

[2] 馮淵.汽車電子控制技術[M]. 北京:北京工業出版社,2009:213-216.

[3] 臺曉虹,申榮衛.汽車ABS技術發展與展望[J]. 汽車與配件,2006(18).