電子控制ABS系統的非線(xiàn)性理論分析

摘　要：汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統是指在制動(dòng)過(guò)程中，自動(dòng)調節車(chē)輪制動(dòng)力，防上車(chē)輪抱死以取得最佳制動(dòng)效能的電子裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)ABS（Auto-lock braking system）。由于汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程具有明顯的非線(xiàn)性、時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，因此ABS的非線(xiàn)性變化分析非常重要。ABS是目前世界上普遍公認的提高汽車(chē)制動(dòng)安全系統的方法之一。主要研究ABS系統制動(dòng)力的非線(xiàn)性變化，從而提出改進(jìn)對策。
關(guān)鍵詞：電子控制；ABS系統；非線(xiàn)性分析；對策

在駕駛員、汽車(chē)和環(huán)境三者組成的系統中，汽車(chē)和環(huán)境之間的最基本的聯(lián)系是輪胎與地面之間的作用力。由于汽車(chē)行駛狀態(tài)主要是由輪胎與地面之間的縱向作用力和橫向作用力決定的，因此車(chē)輪與地面之間的作用力必然要受到輪胎與路面之間附著(zhù)力的限制。ABS系統可最大限度地利用輪胎與路面之間的縱向和橫向附著(zhù)系數，從而在制動(dòng)過(guò)程中增強汽車(chē)的穩定性，防止側滑和擺尾，同時(shí)在緊急制動(dòng)過(guò)程中保持轉向操作的穩定性能，有效利用縱向附著(zhù)力可以縮短汽車(chē)制動(dòng)距離，減輕輪胎磨損。隨機電子控制ABS系統可根據其所處的狀態(tài)將車(chē)輪的運動(dòng)狀態(tài)與路面的附著(zhù)聯(lián)系進(jìn)行及時(shí)的、準確的控制，適應了汽車(chē)制動(dòng)系統日益發(fā)展的需要，是國際ABS的主流。
由于汽車(chē)行駛時(shí)輪胎與地面之間的縱向作用力和橫向作用力是非線(xiàn)性的，依舊存在一定的缺陷，通過(guò)研究ABS系統制動(dòng)力的非線(xiàn)性變化，提出改進(jìn)對策。
         
電子控制ABS的工作原理
汽車(chē)制動(dòng)時(shí)由于車(chē)輪速度V1與汽車(chē)速度V2 之間存在的差異。當汽車(chē)正常運行時(shí)，V1≥V2；當汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，V1≤V2  ；因而會(huì )導致汽車(chē)輪胎 與地面之間產(chǎn)生滑移。如圖1所示，道路附著(zhù)系數與車(chē)輪滑移關(guān)系曲線(xiàn)可以看出：滑移率

當車(chē)輪以純滾動(dòng)方式與路面接觸時(shí)，其中S=0，為純滾動(dòng)狀態(tài)。當汽車(chē)車(chē)輪速度為汽車(chē)速度80%時(shí)，S=20%，為連滾帶滑狀態(tài)，此時(shí)車(chē)輪具有最大的縱向附著(zhù)力和較高的側向附著(zhù)力；                                   當車(chē)輪抱死并轉速為0時(shí)，S=100%時(shí)，其側向附著(zhù)力最小，只要很小的側向力干擾，汽車(chē)便能產(chǎn)生側滑。風(fēng)力干擾、制動(dòng)不均、路面傾斜等，都會(huì )使汽車(chē)產(chǎn)生側滑。側滑在行駛安全中最危險，最易產(chǎn)生交通事故，所以汽車(chē)行駛時(shí)，首先必需防止制動(dòng)抱死。
研究表明：當滑移率8%≤S≤35%時(shí)，能傳遞最大制動(dòng)力。制動(dòng)防抱死的基本原理就是依據上述的研究結論，通過(guò)控制調節制動(dòng)力，使制動(dòng)過(guò)程中車(chē)輪滑移率在合適的范圍內，以取得最佳的制動(dòng)效果。

圖 1  附著(zhù)系數F與滑移率S的非線(xiàn)性關(guān)系曲線(xiàn)。

圖 2  對角車(chē)輪獨立調節控制的FKX-AC型ABS

圖3 全電子自動(dòng)控制ABS的系統方框圖

電子控制ABS的系統結構
ABS系統通常由傳感器、控制器和調節器三部分組成，并通過(guò)線(xiàn)路連接成一個(gè)有機體，形成一個(gè)以滑移率為目標的自動(dòng)控制系統。按照傳感器、控制器和調節器的配置和控制方式不同可組成不同的ABS系統。而不同的系統具有各自的成本和性能。
如圖2是對角車(chē)輪獨立調節控制的ABS系統，它由兩套傳感器、一個(gè)兩通道控制器和兩個(gè)調節器組成，前軸傳感器布置在右前輪，后軸傳感器布置在左后輪，控制器布置在駕駛區儀表盤(pán)上，調節器分別連接到前、后制動(dòng)管路中。
傳感器：由一個(gè)永磁式傳感器和激磁環(huán)組成，傳感器一般固定在車(chē)軸或制動(dòng)底板上，激磁環(huán)則固定在輪轂上，它們以非接觸式將車(chē)輪傳動(dòng)的脈沖信號連續不斷的傳給控制器。
控制器：監測、處理傳感器輸送來(lái)的信號，將其信號處理成車(chē)輪的速度、減速度、加速度和滑移率，并按照預先設定的減速度、加速度和滑移率的門(mén)限值，將指令發(fā)給連接在制動(dòng)管路上的調節器，從而實(shí)施加氣、保持和放氣功能，調節管路的壓力，以滿(mǎn)足多個(gè)車(chē)輪在不同路面狀態(tài)下的最大制動(dòng)的要求。
調節器：是ABS的執行部分，它負責調節壓力，以滿(mǎn)足多個(gè)車(chē)輪在不同路面狀態(tài)下的最大制動(dòng)力的要求。                                      

電子控制ABS系統通道結構
ABS系統的通道是指連接壓力調節器與制動(dòng)器的獨立液壓回路，按其數量可分為雙通道、三通道、四通道和六通道結構。雙通道結構有兩個(gè)傳感器，可獨立進(jìn)行調整。兩個(gè)后輪裝有一個(gè)傳感器，共用一個(gè)通道，其缺點(diǎn)是當其中一后輪要抱死時(shí)，另一個(gè)要一同調整。較為理想的是各個(gè)輪子都裝有傳感器，有自己的通道，都可以獨立調整。如二軸四輪汽車(chē)使用四通道結構ABS系統，三軸六輪汽車(chē)使用六通道結構ABS系統，確保最短的制動(dòng)距離和最佳的方向穩定性。

電子控制ABS系統的非線(xiàn)性分析
根據圖1附著(zhù)系數ф 與滑移率S的非線(xiàn)性關(guān)系可知：
縱向附著(zhù)力系數
F縱=-K縱(S-0.2)2+0.825 (S≤20%)---------------------(1)
F縱=K縱(S—0.95)2+0.725 (S≥20%)----------------------(2)
K縱=0.17778
橫向附著(zhù)力系數
F橫=—K橫S+ 0.73 -----------------(3)
 K橫=0.73
從上述縱、橫向附著(zhù)力的表達式可以看出：縱向附著(zhù)力系數為S的非線(xiàn)性函數，橫向附著(zhù)力系數為S的線(xiàn)性函數。研究上述兩函數，找出S為何值時(shí)，F縱和F橫的諧調值最大，從而利用S來(lái)控制F，以達到最佳制動(dòng)效果?！?
確定S的最佳數值：參考圖1和上述表達式(1)、(2)、(3)分析，考慮到縱、橫向附著(zhù)力系數的比例關(guān)系。從圖1中可以看出，在20%≤S≤30%的情況下，表達式(2)的部分可以用表達式(1)替代；以F縱為函數，S為自變量，可以確定F縱最大值的表達式，當

時(shí)，函數Φ縱有最大值，對表達式

進(jìn)行求偏導，則有：

從該表達式可以看出：只有當s=0.2時(shí)，附著(zhù)力系數最大，與k大小無(wú)關(guān)，并且越小越好，即當，制動(dòng)效果最好。
根據，確定傳遞函數的性質(zhì)和傳感器類(lèi)型：傳遞函數

可見(jiàn)：f(s)是連續的線(xiàn)性傳遞函數，但由于
F縱=-K縱(S-0.2)2+0.825 (20%≤S≤30%)是非線(xiàn)性，所以要采用的傳感器依然要用非線(xiàn)性傳感器。

電子控制ABS系統改進(jìn)對策
目前，傳統電子控制ABS的系統存在的問(wèn)題：
(1) 采用共用通道時(shí)，當其中一輪要抱死時(shí)，另一個(gè)對稱(chēng)輪也要一同調整。
(2)由于通道內的液體壓力受空氣壓縮泵的加氣狀態(tài)的影響，具有時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)，因此會(huì )出現有時(shí)防抱死系統效果不佳和系統失靈的情況。
(3)由于通道內的液體傳遞采用改變氣壓傳遞方法，在傳遞的過(guò)程中由于要進(jìn)行加氣、保持和放氣等過(guò)程，反應速度較慢。
根據傳統電子控制ABS系統存在的上述三個(gè)問(wèn)題，采取相應的改進(jìn)對策：
(1) 采用獨立通道，當其中一輪要抱死時(shí)，另一個(gè)對稱(chēng)輪不受影響。同時(shí)，這樣做可以減少通道長(cháng)度，提高反應速度。
(2) 要解決由于通道內的液體壓力(制動(dòng)氣室的氣壓)受空氣壓縮泵的加氣狀態(tài)的影響，導致其具有時(shí)變性和不確定性等特點(diǎn)；采用電路替換通道，以提高傳遞速度和可靠性，克服時(shí)變性和不確定性等因素造成的缺陷。
(3) 要徹底解決傳統電子控制ABS系統存在的問(wèn)題，就要采用全電子自動(dòng)控制ABS系統。將氣壓制動(dòng)改成電磁制動(dòng)，以滑移率S為變量，經(jīng)傳感器將滑移率S變?yōu)殡姶判盘?，?jīng)過(guò)單片機(可采用INTEL公司8798單片機)處理，傳遞給電磁制動(dòng)剎車(chē)器件，這樣不僅提高了傳遞速度，同時(shí)也提高了可靠性系數?？纱_保汽車(chē)有最短的制動(dòng)距離和最佳的方向穩定性。圖3為全電子自動(dòng)控制ABS的系統方框圖。
全電子自動(dòng)控制ABS系統的工程原理：由于采用電磁制動(dòng)系統，當緊急剎車(chē)時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入全電子自動(dòng)控制ABS的系統，這時(shí)S為自變量，傳感器將此信號傳遞給單片機經(jīng)處理后，控制電磁制動(dòng)(電磁剎)，如果電磁制動(dòng)過(guò)急，則電磁剎將此信號反饋給傳感器進(jìn)行自動(dòng)控制狀態(tài)調整?！?nbsp;  

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