面向產品需求的氣壓ABS控制器硬件開發

王 杰，楊 坤，任立鵬，劉慶新，李 敏，田昭賢

(1. 山東理工大學 交通與車輛工程學院, 山東 淄博 255049；2.山東魯成慧創汽車科技有限公司，山東 威海 264300；3.北汽福田汽車股份有限公司 諸城汽車廠，山東 諸城 262200)

氣壓制動防抱死系統(Anti-lock Braking System, ABS)是關系商用車行車制動安全的重要裝置，已逐步成為整車必裝設備[1-2]。在國外，該系統已成熟且普遍裝車，但其控制系統作為核心技術尚處于保密階段并未公開；而國內的相關研究仍處于產業化初期階段，與國外產品性能相差較大，仍具有較強的研究必要性[3-6]，具體體現在如下三個方面：(1)雖然輪速傳感器、電磁閥均已國產化，但ABS控制系統仍與國外產品差距較大，且已成為亟待解決的關鍵技術難點[7]，控制器硬件是核心技術之一；(2)ABS是汽車電子穩定性控制(Electronic Stability Control, ESC)等底盤動力學控制系統的基礎[8-9]，ABS系統不成熟，就無法實現ESC等系統的產品化；(3)可在氣壓ABS基礎上實現解耦式制動能量回收功能[10-11]，從而進一步提高新能源商用車的經濟性和制動安全性。為此，本文基于氣壓ABS系統的工作原理和控制器功能需求，提出了控制器硬件總體方案，完成了控制器硬件電路設計，提出了面向產品開發的控制器硬件開發測試流程，開發了控制器硬件，并基于道路實驗對其進行了驗證。

1 氣壓ABS控制器功能需求

1.1 氣壓ABS系統工作原理

如圖1所示的氣壓ABS系統主要由4個輪速傳感器、4個ABS電磁閥、ABS控制器和線束組成[12]。其中，輪速傳感器為磁電式傳感器，用來測量4個車輪的轉速，是ABS系統的輸入信號；ABS電磁閥是控制車輪壓力的執行機構，由進氣閥和排氣閥組成，用來控制各個車輪制動壓力的增加、保持與減小，以實現制動防抱死控制；線束是輪速傳感器、電磁閥和控制器間的信號傳輸介質。當ABS工作時，ABS控制器通過線束接收輪速傳感器信號，并通過相應處理電路將其轉換為頻率與轉速大小成正比的方波信號，ABS控制算法通過計算得到輪速信號、參考車速、車輪減速度及滑移率，以此判斷整車及車輪運動狀況；ABS控制器根據車輪的狀態通過電磁閥調節相應車輪制動壓力的大小，在防止車輪抱死的同時保持最佳滑移率，從而保證較大的制動強度和較好的制動方向穩定性。

圖1 氣壓ABS原理圖Fig.1 The schematic diagram of pneumatic ABS

1.2 氣壓ABS控制器功能需求

基于氣壓ABS系統的工作原理、輪速傳感器的信號特性、電磁閥的特性及前期的實驗研究等，提出氣壓ABS控制器硬件的功能需求：

1)需具有高速處理輪速傳感器信號的能力，單片機應具有高速捕捉輪速信號的功能。

2)需具有快速有效的驅動電磁閥的能力，控制器應能輸出高速的PWM驅動信號。

3)高端驅動需具備處理大電流的能力。

4)系統具備診斷和失效保護功能，能夠提供診斷信息，實時對電磁閥進行診斷及保護。

2 氣壓ABS控制器硬件總體方案

根據氣壓ABS系統的工作原理和功能需求，提出了如圖2所示的ABS控制器硬件總體方案。單片機用于接收輪速傳感器信號，同時輸出電磁閥驅動信號；傳感器信號調理檢測電路用于接收輪速傳感器的正弦信號，并將其轉換為方波信號輸入給單片機的增強定時端口；穩壓電路用于將整車電壓轉換為控制器所需的5 V電壓；故障保護開關用于保護系統安全，其輸入信號來自于單片機，當單片機檢測到系統發生故障時，控制故障保護開關動作，控制電磁閥恢復初始狀態，并限制電磁閥工作；電磁閥驅動電路采用高端驅動器，具備處理大電流的能力，分別用于驅動4個車輪的進氣閥與排氣閥。

圖2 氣壓ABS控制器硬件總體方案Fig.2 The general scheme of pneumatic ABS controller hardware

3 氣壓ABS控制器硬件電路設計

基于控制器硬件總體方案完成了控制器硬件電路設計，主要包括單片機最小系統、電源管理電路、輪速信號處理電路、電磁閥驅動電路、繼電器控制電路等，其中單片機選用Freescale的MC9S12XDP512，其最小系統根據芯片使用手冊設計，本文重點介紹其他電路。

3.1 電源管理電路

電源管理電路如圖3所示。該電路采用TLE4270電源芯片，具有650 mA的供電能力，能夠完全滿足ABS控制器的供電需求，且電源端口具有防浪涌和防反能力，適合整車運行工況復雜的情況。

圖3 電源管理電路Fig.3 Circuit of power management

3.2 輪速信號處理電路

輪速信號處理電路如圖4所示。該電路采用TI的TLC3704作為輪速處理芯片，將正弦信號轉換為脈沖信號，輸入到單片機的增強定時端口。此端口專門為ABS等高速PWM信號輸入使用，經過測試，能夠滿足系統需要。

圖4 輪速信號處理電路Fig.4 Circuit of wheel speed signal processing

3.3 電磁閥驅動電路

電磁閥驅動電路如圖5所示。該電路采用了BTS724芯片，采用高端驅動，每一路有3.3 A的驅動能力，完全滿足氣壓ABS電磁閥的驅動要求；采用了MBRS3200T作為續流二極管，防止在驅動關斷時產生的大電壓損壞驅動芯片。ST1/2和ST3/4為診斷反饋引腳，通過上拉電阻連接到VCC。

圖5 電磁閥驅動電路Fig.5 Solenoid valve driven circuit

3.4 繼電器控制電路

繼電器控制電路如圖6所示。該電路采用BSP76低端開關作為繼電器驅動芯片，通過單片機控制繼電器通斷，具有1.5 A的驅動能力。繼電器選用了車用繼電器AZ975。

圖6 繼電器控制電路Fig.6 Relay controlling circuit

4 控制器硬件開發

基于提出的控制器需求、硬件電路及產品開發需求，提出了圖7所示的控制器硬件開發測試流程，并開發了圖8所示的控制器硬件，通過道路實驗對其性能進行了驗證。

圖7 面向產品應用的控制器硬件開發測試流程Fig.7 Development and testing process of controller hardware for product

5 整車道路實驗驗證

完成ABS控制器硬件開發后，以某12 m純電動客車為研究對象，搭建了圖9所示的整車實驗平臺，以典型的高附著道路實驗對控制器進行了初步驗證。實驗道路為干燥的水泥路面，道路表面硬度均勻，路面清潔，無松散的雜物。在道路縱向任意50 m長度上的坡度小于1%。路拱坡度小于2%。實驗時氣溫小于35 ℃，風速小于5 m/s，車輛油箱加至廠定容積的90%，加滿冷卻液和潤滑劑，初始車速為50 km/h，制動踏板開度為100%。

圖10為實驗過程中ABS起作用后的各輪輪速和參考車速曲線，可見，制動過程中，各車輪均未抱死，制動減速度可達到7.1 m/s2，汽車沒有跑偏，制動強度無劇烈變化，制動性能和制動感覺均符合要求。

6 結束語

針對氣壓ABS控制系統需求，提出了控制器硬件功能需求和總體方案，設計了硬件電路，給出了面向產品需求的控制器硬件開發測試流程，開發了控制器硬件，并通過道路實驗進行了驗證。相關研究可為我國氣壓ABS控制器硬件的自主產品開發提供參考；電源管理電路、輪速處理電路、電磁閥驅動電路等可為其他底盤電控產品開發提供參考，具有較強的實用價值。

圖8 氣壓ABS控制器實物圖Fig.8 Pneumatic ABS controller hardware圖9 整車實驗平臺Fig.9 Vehicle experimental platform圖10 各輪輪速和參考車速曲線Fig.10 Wheel speed and reference speed curve