基于單片機的間歇制動控制系統設計

栗 忍，段本昌

（滕州市中等職業教育中心學校，山東棗莊 277599）

0 引言

車輛在行駛過程中，如果發生緊急制動，車輪與制動器容易因抱死而發生打滑[1]。因此，采用科學的技術手段進行間歇制動，能夠有效地確保制動距離，降低安全事故發生的概率。由于制動系統一般為液壓或氣壓控制，油液壓力易于采用電控系統實現智能控制[2]，從而有效提升制動力矩的有效性。緊急制動過程中的油壓提升速率較高，在較高的壓力響應環境下，車輪與地面的附著系數將發生瞬時變化，導致摩擦副的滾動摩擦變為滑動摩擦。為有效避免連續制動帶來的安全失效，文中對一種間歇制動控制系統進行設計與研究，能夠基于單片機的控制將制動力進行智能調節，從而不會出現因壓力過載出現的拖滑問題。根據制動機理[3]可知，慣性是影響車輛滑動摩擦的關鍵因素之一，而間歇制動壓力保持的時間和大小均依據車輛的承載和行駛狀態。因此，系統重點考慮多個外界因素的影響，提升信號檢測的可靠性和穩定性。

間歇制動控制系統包括檢測單元、信號處理單元、控制單元和執行單元等。其中，檢測單元主要由速度傳感器、壓力傳感器等組成。各個電控單元之間的響應效率非常高，能夠根據車輛的位姿狀態判定運動狀態。在單片機的控制下，各個檢測信號能夠轉換為制動壓力的控制信號。在閉環反饋作用下[4]，制動力矩能夠獲得精確的調節效果。

1 間歇制動原理

1.1 滑移過程分析

車輛的滑動方向包括橫向和縱向，車輪與地面在不同方向上的附著系數對滑移率[5]的影響效果不同。一般來說，高頻間歇制動條件下的附著系數更高，因此車輛與地面的滑移率更低。與間歇制動控制相關的外界因素較多，主要包括：車輛承載重量、路面摩擦因數、行駛速率等。這些外界因素共同影響了附著系數。在控制系統中，各路傳感器[6]將根據車輛在單位時間內的運動學參數對附著力進行計算，將滑移率保持在穩定的范圍內。通過分析可知，當車輛的橫向附著力更大時，能夠獲得更好的制動效果，制動距離的控制也更穩定。

在電控系統中，信號的處理形式主要為邏輯門的控制，即針對不同的檢測信號進行邏輯門運算，已獲得最佳的速度控制效果。由于滑移率的最終表現為車輛制動失效和打滑，因此應當設定合理的限速門。當減速變化超過限速門數值時，應當及時解除連續制動。目前，對于邏輯門選取的依據和發生滑移率過大的因素主要有。

（1）當地面為水面或者冰凍面時，摩擦因數小，使得車輛行駛過程中與地面之間的附著力難以提升，此時路面壓力將隨著車輛速率的增大而急劇降低。

（2）當路況不均衡時，即車輛從高附著系數路面向低附著路面行駛，車輛發生抱死的概率較高，因此，限速門應當為動態的。

（3）當車輛在低檔位進行制動時，由于驅動力較大，車輛也有發生抱死的可能性。

1.2 間歇制動控制方案

針對車輛發生滑移的問題和影響因素，文中間歇制動控制系統采用PID控制策略作為閉環[7]方案。在PID控制算法中，需要兩個控制器串聯實現滑移率信號的轉換和調節。對于制動系統，油壓的改變屬于控制內環過程，因此，在建立閉環控制算法時，無需再重新構建制動模型，僅需要根據不同的工況預設PID控制參數即可。

在控制系統設計中，對PID參數的調節[8]是非常重要的。由于該控制方案的靈敏度較高，能夠在復雜多變的工況下得到較為準確的輸出信號，同時也會在實際操作中出現干擾性過大等問題，從而在一定程度上降低了系統的穩定性。

2 電控系統設計

2.1 核心控制器

在工程上，單片機得到廣泛和良好的應用，能夠基于單片機實現微系統設計[9]，性價比較高，且性能穩定。對于間歇制動控制系統，單片機可結合復位電路、振蕩電路、電源電路、復位電路等實現完成的控制回路[10]，組成較小且功能完備的控制單元，系統的總體組成如圖1所示。

圖1 系統組成

根據控制目標法，文中選取MSP430F149芯片作為核心控制器。該類型的芯片具有較小的功率損耗，且內置了2 kB的RAM，串口數量較多，能夠實現穩定的中斷功能。此外，單片機還集成了模數轉轉器、寄存器等，能夠在間歇制動系統中獲得良好的應用效果，表現出得主要優勢包括。

（1）有效運行環境溫度范圍較大，能夠在-40～+85℃保持電氣元件的可靠性和穩定性；供電電壓較低，有效取值為1.8～3.6 V。

（2）能夠實現程序的實時編譯和修改；工作模式為1 MHz的時鐘頻率，能夠在多種節能模式下工作，其中，待機電流為0.1 A。

（3）能夠在復雜環境下抵抗較強的干擾，具備多重保護功能；具有多個時鐘電路，系統調控靈活且易于實現。

（4）具有穩定的中斷功能，在待機模式下轉變為工作模式所需的時間較短，反應靈敏；通訊效率高，不會出現誤碼問題。

2.2 時鐘電路設計

時鐘電路對于控制系統非常重要，其能夠有效地監測不同電氣元件以及控制回路的工作狀態。若出現異常，也可以通過時鐘電路進行判斷故障或問題。對于單片機控制系統，設計時鐘電路如圖2所示，能夠有效地影響其實際的工作效率，因此，對間歇制動的響應速度有著重要的影響。

圖2 時鐘響應電路

車輛行駛速率或車輪轉速是間歇制動控制系統的主要數據采集對象之一，該數據的可靠性和準確性是影響系統功能的關鍵[11]。為此，文中優先選擇霍爾傳感器作為轉速傳感器，能夠有效地識別輪速，并將轉速信號轉換為數字信號。由于單片機的采集信道均為高速通道，因此非常便于波形的轉換。

2.3 傳感電路設計

傳感電路能夠有效地確保各路傳感器能夠正常和穩定的工作，設計其結構如圖3所示。相比普通的外圍，單片機端口傳感接線電路的優勢在于：

圖3 傳感電路接線圖

（1）能夠有效地監測不同端口處被測對象的瞬時狀態，并且在能夠根據程序記錄不同條件下的輸入和輸出日志；

（2）系統設置有多種寄存器供選擇，對于同一事件能夠選取最佳的記錄方式，便于傳感器與單片機的信號處理；

（3）具有多通道輸入，傳感器的可拓展性強，能夠根據系統功能設計要求增加對應硬件。

霍爾傳感器內部具有齒輪結構，其磁性和磁力與齒輪的位置狀態有關。轉速測量并處理后，將在單片機作用下轉變為控制信號，進而控制電磁閥動作。電磁閥的驅動除了包括繼電器、晶體管、閘管等之外，還包含外部放大電路，用于傳感器信號的縮放處理。為確保系統的性價比要求，系統采用共射極放大電路來驅動電磁閥電路。

2.4 電控單元設計

電控單元是間歇制動控制系統的核心組成部分，其工作原理如圖4所示。電控單元以單片機為中央控制器，能夠將各路傳感器的信號進行收集與處理，最終以電信號的形式輸出。當信號確立后，系統將調用對應的控制算法[12]，驅動電磁閥動作，從而實現油壓的控制。

圖4 電控單元控制原理

在電控單元中，車輛的行駛狀態以車輪單側傳感器檢測到的脈沖信號作為依據。為確保該信號的可靠性，需要基于光電耦合器對被測信號進行隔離，然后進行高低電平的切換，結合電信號的整形處理，最終輸送至單片機控制端，進行相關指令的運算。光電耦合器是電控單元的重要組成部分，其最大輸出電流為15 mA，遠小于傳感單元的輸入電流，因此需要進行功率運算放大處理。針對系統的功能設計，優先選用1.5倍的放大元件。

2.5 預警設計

為確保系統工作的安全性，設置預警單元。其中，發光二極管的接線電路如圖5所示，能夠與單片機直連。當檢測到系統出現異常或者發生滑移失效時，驅動器將釋放低電平信號，此時發光預警。此外，為進一步提升被測信號的安全性和抗干擾性，設置獨立的濾波屏蔽電路，并將電容外接，確保各個電路的基準電位保持一致，能夠從電信號方面避免干擾。

圖5 發光二極管電路

2.6 抗干擾策略

在間歇制動控制系統中，受到的干擾因素較多，比如電磁信號、電壓波動、兼容性拓展、設備安裝、突發路況等。為確保系統的可靠性，需要對各個干擾特性進行分析，并提出抗干擾方案。針對系統主要組成和功能，分析抗干擾因素及策略如下。

（1）降低數據采集誤差。在基于單片機控制的信號檢測與控制系統中，模擬信號的數據往往會受到外部因素的影響，比如傳感器的安裝位置，工作狀態等。因此，應合理布局檢測單元。

（2）提升控制狀態的靈敏度。由于單片機的受控數據容量較大，被環境因素干擾的概率較高，因此需要增大反饋靈敏度。被測數據的邏輯運算包含著干擾數據，因此在虛擬狀態下對這些信號進行預處理能夠有效地提高控制的穩定性。在反饋系統中，可調試并降低偏差。

（3）增強RAM安全性。一般情況下，RAM集成在單片機中，當被測數據量較大時需要拓展。當系統出現較強的干擾信號時，RAM中的數據可能發生部分失效甚至破壞。因此，應選取具有保護功能的外部RAM，或在軟件控制中增加保護程序。

（4）軟件控制的抗干擾設計。在間歇制動控制系統中，程序計數器能夠有效地確保整個控制流程的順利進行。當系統出現較強的干擾因素時，計時器將發生明顯改變，進而影響后續信號的邏輯運算。由于干擾具有顯著的隨機性，因此需要采用程序來約定指令的有效性。軟件控制的抗干擾設計能夠避免功能死循環，結合硬件技術，能夠實現更好的效果。比如，增加隔離電路、接地電路等。

2.7 路面識別設計

路面識別能夠有效地確保信號檢測的可靠性和準確性，目前常用的方法主要基于速度測量，包括五輪儀以及普勒雷達等兩種形式。由于后者的成本費用較高，因素應用較少。在五輪儀的基礎上，結合霍爾傳感器，能夠有效地判定路面狀態，為滑移率的計算提供重要依據。

在進行路面識別計算時，主要應用高速輸入通道HIS設定方式。由于系統所采用的單片機具有多通道高速接口，因此可以將其應用于每個輪軸。在預設的中斷程序控制下，每個通道將分布式處理被控信號。不同的觸發指令對于信號檢測和處理的方式均有明顯的影響，當路面檢測程序運行時，將在單片機特定的通道中確定對應的中斷程序。如果該控制對象為首次觸發中斷，將在初始寄存器中寫入HIS-TIME內容。不同寄存器之間的差值是決定輪速子程序調用的關鍵，當子程序運行完成后，將返回主程序。

3 結束語

隨著電氣自動化技術的發展，車輛行駛的安全性越來越高。傳統的機械式制動逐漸朝著電子化方向改進，而且在各個領域內的車輛有著不同的應用效果。本文通過對間歇制動控制系統的設計與研究，將單片機有效地應用在制動系統中，能夠為特定車輛的一體化改造提供良好的方向。滑移率是多方面因素影響的結果，為改善系統控制的可靠性，需要將汽車行駛狀態等外部因素進行綜合、準確地衡量。在單片機控制下，PID控制策略能夠獲得良好的應用效果，進而改進系統的可靠性和穩定性。車輛的安全制動離不開駕駛員的合法合規操作，即使車輛的自動化程度飛速發展，也要從根本上發揮安全行駛的作用。