基于汽車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的ABS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐鵬躍，馬朝永，楊占鋒

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

基于汽車制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的ABS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐鵬躍，馬朝永，楊占鋒

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

0 引言

防抱死系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱ABS）已經(jīng)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代汽車中[1]。在一個(gè)制動(dòng)過程中，ABS對(duì)制動(dòng)輪缸進(jìn)液電磁閥及出液電磁閥實(shí)行多次通斷，使汽車的滑移率處于最佳范圍，從而產(chǎn)生最佳制動(dòng)效果[2]。雖然ABS對(duì)縮短汽車制動(dòng)距離有著重要作用，但在傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)中，通常并不包含ABS[3]，因而無法確定ABS對(duì)其他制動(dòng)部件的影響。所以本文對(duì)ABS的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過單片機(jī)來控制ABS執(zhí)行機(jī)構(gòu)電磁閥的通斷，并采用CAN總線實(shí)時(shí)通訊，使上位機(jī)能及時(shí)顯示制動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)，用戶也可根據(jù)當(dāng)前上位機(jī)所顯示的制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對(duì)單片機(jī)發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)過程的進(jìn)一步控制。采用PWM脈寬調(diào)制的方法控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制電動(dòng)泵和制動(dòng)管路內(nèi)壓力。設(shè)計(jì)了印刷電路板，所設(shè)計(jì)的印刷電路板可以替代ABS的電子控制單元部分。在PC機(jī)部分，為了盡量不影響汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的原有程序，針對(duì)CAN通訊部分開發(fā)了一個(gè)CAN通訊工具類，該工具類可簡(jiǎn)化PC端程序編寫，并且是PC端程序的一個(gè)獨(dú)立模塊。本文的研究成果可以作為汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的附加裝置，完善對(duì)汽車各制動(dòng)部件的檢測(cè)。

1 ABS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

圖1 ABS結(jié)構(gòu)示意圖

ABS系統(tǒng)通常是由電子控制單元、輪速傳感器及液壓控制單元組成，控制單個(gè)制動(dòng)輪缸的ABS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 電子控制單元

電子控制單元，有時(shí)也稱為ABS控制器，主要由輪速傳感器的輸入放大電路、運(yùn)算電路、電磁閥控制電路及穩(wěn)壓電源等組成。它的作用是根據(jù)當(dāng)前輪速傳感器的信號(hào)，計(jì)算車輪線速度、滑移率及加速度，根據(jù)內(nèi)部控制邏輯，對(duì)液壓電磁閥進(jìn)行通斷，使制動(dòng)輪缸內(nèi)部壓力維持理想狀態(tài)。

1.2 輪速傳感器

輪速傳感器也叫轉(zhuǎn)速傳感器，它可以測(cè)出車輪與驅(qū)動(dòng)軸共同旋轉(zhuǎn)的齒圈數(shù)，然后產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速成正比的交流信號(hào)。輪速傳感器將車輪輪速信號(hào)傳給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)計(jì)算決定是否開始或者準(zhǔn)確的進(jìn)行防抱死制動(dòng)。

1.3 液壓控制單元

ABS的液壓控制單元是在普通制動(dòng)系統(tǒng)的液壓裝置上經(jīng)設(shè)計(jì)后加裝ABS液壓調(diào)節(jié)器而形成的。普通制動(dòng)系統(tǒng)一般包括真空助力器、制動(dòng)主缸、儲(chǔ)油器和制動(dòng)分泵。ABS液壓控制單元安裝在制動(dòng)主缸與制動(dòng)分泵之間。

ABS液壓控制單元主要由電動(dòng)泵、蓄壓器和電磁閥組成。電動(dòng)泵是一個(gè)高壓泵，它可在短時(shí)間內(nèi)將制動(dòng)液加壓至20MPa，并給整個(gè)液壓系統(tǒng)提供高壓制動(dòng)液。蓄壓器被一個(gè)隔板分為上下兩個(gè)腔室，上腔室充滿了氮?dú)猓虑皇遗c電動(dòng)泵泵油腔相通，充滿了來自電動(dòng)泵的制動(dòng)液，所以蓄壓器可存儲(chǔ)高壓和向制動(dòng)系統(tǒng)提供高壓。電磁閥是電操縱的一種開關(guān)閥，它接受電子控制單元的控制，接通或斷開來改變制動(dòng)輪缸內(nèi)部的壓力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的ABS控制系統(tǒng)應(yīng)用于臺(tái)架試驗(yàn)，沒有使用輪速傳感器。所以本文中ABS控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，由CAN通訊模塊、直流電機(jī)調(diào)速模塊和液壓電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 單片機(jī)選型

在國內(nèi)市場(chǎng)，51系列單片機(jī)依舊占據(jù)最大份額。但從世界范圍內(nèi)來看，PIC系列單片機(jī)因其價(jià)格低廉、執(zhí)行迅速及抗干擾能力強(qiáng)，近十年來一直是8位機(jī)銷量的冠軍，所以單片機(jī)選擇PIC系列的PIC18F2580，PIC18F2580片上集成有CAN控制器模塊和PWM模塊[4]，可以減少電路板上的芯片數(shù)目，并且簡(jiǎn)化編程。

2.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊

電磁閥控制制動(dòng)輪缸內(nèi)制動(dòng)液的流入流出，在制動(dòng)過程中通過電磁閥的連續(xù)通斷來調(diào)節(jié)汽車制動(dòng)輪缸及制動(dòng)管路的壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最佳制動(dòng)效果。ABS的液壓電磁閥驅(qū)動(dòng)電壓為12V，而單片機(jī)的最大輸出電壓為5V，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)液壓電磁閥的控制。

本文選用飛思卡爾的高端驅(qū)動(dòng)芯片MC33289來驅(qū)動(dòng)液壓電磁閥，該芯片主要應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中驅(qū)動(dòng)電磁閥等典型的感性負(fù)載[5]，此器件在同一表貼封裝中包含兩個(gè)功率輸出開關(guān)，可直接與PIC18F2580接口，進(jìn)行輸入控制和輸出診斷監(jiān)測(cè)。每路輸出峰值電流5A，均有獨(dú)立的過流、過壓診斷和保護(hù)，并具有過溫關(guān)斷性能。

2.3 直流電機(jī)調(diào)速模塊

在制動(dòng)過程中，電機(jī)的作用是將制動(dòng)輪缸內(nèi)流出的制動(dòng)液經(jīng)由制動(dòng)管路打回制動(dòng)主缸和儲(chǔ)液器，實(shí)現(xiàn)加壓。為了使制動(dòng)管路內(nèi)部壓力保持理想狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)該是可調(diào)的。PWM脈寬調(diào)制是一種流行的調(diào)速方法，現(xiàn)在許多單片機(jī)片上都有PWM模塊，所以這里采用PWM脈寬調(diào)制的方法調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速。

單片機(jī)的5V最大輸出電壓不足以驅(qū)動(dòng)ABS內(nèi)部的12V直流電機(jī)，所以這里選用NI公司的LMD18200來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。LMD18200是專門用于直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的智能功率集成電路，它將4個(gè)DMOS管構(gòu)成的H橋及其控制邏輯電路封裝在一個(gè)11引腳的芯片中[6]。它的工作電壓高達(dá)55V；連續(xù)工作電流3A,峰值電流高達(dá)6A；輸入信號(hào)兼容TTL和CMOS信號(hào)；具有溫度報(bào)警、過熱以及負(fù)載短路保護(hù)能力。

2.4 CAN通訊模塊

CAN，全稱Controller Area Network，是由德國BOSCH開發(fā)的一種通訊協(xié)議，CAN是一種有效的支持分布式控制或者實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN越來越受到人們的重視，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子控制、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域[7]。目前，CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1)下位機(jī)部分

通常單片機(jī)連接到CAN總線需要CAN控制器和CAN收發(fā)器，CAN控制器多數(shù)都是獨(dú)立的，種類眾多，不同廠家提供的CAN控制器都是不兼容的，但本質(zhì)上都是對(duì)CAN通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。從節(jié)約電路板面積的角度考慮，本文選用了內(nèi)嵌CAN控制器的PIC18F2580，PIC18F2580在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和CAN控制器，減小了通訊信號(hào)的延遲時(shí)間，提高了CAN通訊的抗干擾能力。

CAN收發(fā)器種類眾多，但大部分都是互相兼容的，這里選用微芯公司的MCP2551。

2)上位機(jī)部分

PC機(jī)CAN通訊的方法主要有兩種：一種是把PC機(jī)的RS232通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為CAN通訊協(xié)議；一種是把PC機(jī)的USB通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為CAN通訊協(xié)議。由于現(xiàn)代PC機(jī)普遍支持USB通訊協(xié)議，USB接口普遍多于RS232接口，所以這里采取第二種方法，采用致遠(yuǎn)電子的USBCAN-II智能接口卡，把USB通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換為CAN通訊協(xié)議。

USBCAN-II智能CAN接口卡是與USB1.1總線兼容的，集成2路CAN接口的智能型CAN總線通訊接口卡。采用USBCAN-II智能CAN接口卡，PC可以通過PC機(jī)上USB接口連接至CAN總線，與總線上的其他節(jié)點(diǎn)通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件使用匯編語言編寫，上位機(jī)軟件是使用Delphi開發(fā)。

3.1 下位機(jī)部分

下位機(jī)程序采用匯編語言，基于MPLAB開發(fā)環(huán)境編寫，程序流程圖如圖3所示。

如圖3所示，下位機(jī)的程序在初始化后便進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)有接收事件發(fā)生時(shí)，根據(jù)事件傳送的數(shù)據(jù)，如各加壓電磁閥或者卸壓電磁閥的通電時(shí)間，依次調(diào)用CAN通訊子程序、電機(jī)調(diào)速子程序、電磁閥驅(qū)動(dòng)子程序，當(dāng)處理完事件后，回到等待狀態(tài)。

圖3 下位機(jī)程序流程圖

PIC單片機(jī)CAN模塊工作于方式1，方式1相較于傳統(tǒng)的方式0增加了幾十個(gè)特殊功能寄存器，其中引人注目變化是方式1具有CAN總線遠(yuǎn)程幀的自動(dòng)響應(yīng)功能。在單片機(jī)初始化時(shí)，B0緩沖器配置為遠(yuǎn)程幀自動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)單片機(jī)機(jī)處于等待事件時(shí)，不斷把CAN模塊中發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器等重要寄存器內(nèi)容存入B0緩沖器的8個(gè)字節(jié)，當(dāng)單片機(jī)接收到遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求時(shí)，B0緩沖器的8個(gè)字節(jié)會(huì)自動(dòng)發(fā)送，不占用單片機(jī)的主程序或中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間，以此來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)單片機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

3.2 上位機(jī)部分

因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的ABS控制系統(tǒng)主要作為傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的附加裝置，所以為了盡量不影響原試驗(yàn)臺(tái)程序，同時(shí)為了便于程序的整合，上位機(jī)程序編寫的主要任務(wù)是通過調(diào)用USBCAN-II提供的配套動(dòng)態(tài)鏈接庫，來開發(fā)CAN通訊工具類。

盡管USBCAN-II提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，使用該動(dòng)態(tài)鏈接庫可以充分利用USBCAN-II提供的一切功能。但在實(shí)際的使用中發(fā)現(xiàn)，該動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)眾多，在上位機(jī)程序的實(shí)際開發(fā)中大部分動(dòng)態(tài)鏈接中的函數(shù)都不會(huì)被使用到。所以為了便于程序的開發(fā)，使用Delphi編程語言開發(fā)了一個(gè)CAN通訊工具類，該工具類封裝了USBCAN-II動(dòng)態(tài)鏈接庫中常用的函數(shù)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

除了封裝動(dòng)態(tài)鏈接庫中常用的函數(shù)，CAN通訊工具類還在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)線程：一個(gè)線程用于檢查發(fā)送緩沖區(qū)是否有待發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則馬上發(fā)送。另一個(gè)線程用于檢查接收緩沖區(qū)是否接收到數(shù)據(jù)，如果有已接收到數(shù)據(jù)則調(diào)用接收處理子程序。

由于CAN通訊工具類封裝了動(dòng)態(tài)鏈接庫，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)線程用于發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，所以通過該類上位機(jī)的程序變得易于開發(fā)，僅需調(diào)用CAN通訊工具類的幾個(gè)方法，就可以完成上位機(jī)CAN通訊模塊程序的編寫。上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)界面

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的ABS附加裝置，下位機(jī)以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了ABS控制系統(tǒng)，上位機(jī)使用Delphi語言編寫了CAN通訊工具類。整套附加裝置可以在盡量不影響原試驗(yàn)臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)的條件下將ABS納入汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

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Design of ABS control system based on test-bed of brake unit for automotive vehicles

XU Peng-yue, MA Chao-yong, YANG Zhan-feng

以PIC18F2580單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種ABS控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)CAN通訊。使用LMD18200驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，使用MC33289驅(qū)動(dòng)液壓電磁閥，使用Delphi語言編寫了PC機(jī)CAN通訊的工具類。該系統(tǒng)可以做為傳統(tǒng)汽車制動(dòng)部件耐久性能試驗(yàn)臺(tái)的附加裝置，添加本系統(tǒng)后，原試驗(yàn)臺(tái)在制動(dòng)部件檢測(cè)過程中可以納入ABS對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)的影響，使試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

汽車制動(dòng)；ABS；CAN；單片機(jī)；脈寬調(diào)制

徐鵬躍（1989 -），男，黑龍江人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制與檢測(cè)。

TP368.1; U463.52+6

B

1009-0134(2014)06(上)-0108-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).32

2014-01-13