基于MC9S12DP256B的客車(chē)ABS控制器設計

汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統簡(jiǎn)稱(chēng)ABS（Anti-Lock Brake System），是在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，防止車(chē)輪完全抱死，提高汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中的方向穩定性和轉向操縱能力，縮短制動(dòng)距離。針對汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(ABS), 國際上流行的控制方法有邏輯門(mén)限值控制、PID控制、滑模變結構控制、最優(yōu)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等控制方法。國內開(kāi)發(fā)ABS采用的控制方法主要是最基本的邏輯門(mén)限值控制方法。目前，國內研究ABS理論的科研單位有很多，比較有代表性的有：以郭孔輝院士為代表的吉林大學(xué)汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗室、清華大學(xué)汽車(chē)安全與節能?chē)抑攸c(diǎn)實(shí)驗室、華南理工交通學(xué)院汽車(chē)系、濟南程軍電子科技公司等。國內生產(chǎn)ABS的公司不少, 但大多數公司是和國外著(zhù)名ABS公司合作生產(chǎn), 其產(chǎn)品并非自主研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的。完全自主開(kāi)發(fā)ABS的國內比較有代表性的公司有重慶聚能汽車(chē)技術(shù)有限責任公司和西安博華機電股份有限公司等[1]。

汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中，車(chē)輪可能相對于路面發(fā)生滑移，滑移成分在車(chē)輪縱向運動(dòng)中所占的比例可由滑移率來(lái)表征。定義滑移率為s：

式中: v為車(chē)身速度，ω為車(chē)輪角速度，r為車(chē)輪半徑。在不同的滑移率時(shí)，附著(zhù)力系數也不同。試驗表明，縱向和側向附著(zhù)力系數與滑移率關(guān)系如圖1所示。

防抱死制動(dòng)系統的工作原理就是將車(chē)輪的滑移率控制在最佳滑移率sc附近，以獲得較高的縱向和側向附著(zhù)系數從而減小制動(dòng)距離以及保證汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的方向穩定性。

1 ABS硬件設計

1.1 MC9S12DP256B單片機[2]

MC9S12DP256B是Motorola 16位單片機HCS12家族中的一員，其處理單元采用16位的STAR12CPU。片內資源包括256KB的Flash ROM、12KB的RAM、4KB的EEPROM、一個(gè)8通道的脈沖寬度調制模塊(PWM)、一個(gè)8通道的增強型捕捉定時(shí)器模塊(ECT)、兩個(gè)8通道的A/D轉換模塊(ATD)、兩個(gè)串行通訊接口(SCI)、三個(gè)串行設備接口(SPI)等。在Codewarrior集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中，可以對單片機進(jìn)行程序編輯、編譯、下載和在線(xiàn)調試，使其開(kāi)發(fā)十分便利。

ECT模塊具有八個(gè)輸入捕捉/輸出比較（IC/OC）通道，四個(gè)8位或兩個(gè)16位的脈沖累加器（PAI）通道。當該模塊運行時(shí)，16位的自由定時(shí)器按照設定的時(shí)鐘頻率在＄0000～＄FFFF之間循環(huán)計數。若某個(gè)通道設置為I/O功能，當被測信號的設定邊沿到來(lái)時(shí)，輸入捕捉邏輯立即將自由定時(shí)器的內容捕捉到16位的IC/OC寄存器中，其分辨能力高達1μs甚至更高，并設置中斷請求標志，隨后程序進(jìn)行中斷處理。若某個(gè)通道設置為OC功能，輸出比較邏輯自動(dòng)將IC/OC寄存器的內容與自由定時(shí)器的內容進(jìn)行比較，一旦相符立即操作對應的引腳，同時(shí)設置相應的中斷標志，隨后程序進(jìn)行中斷處理，引腳輸出波形的時(shí)間分辨能力也可以達到1μs甚至更高。脈沖計數器則只對輸入脈沖的個(gè)數或者邊沿進(jìn)行計數，不產(chǎn)生中斷。在輪速采集算法中使用了該功能。

IC/OC與通用I/O口PORTT共享八個(gè)引腳。四個(gè)8位的PAI通道0～3與前四個(gè)IC通道IC0~3共享引腳PORTT0~3。本控制器中，PORTT0~3使用脈沖累加器功能，注錄四個(gè)輪速傳感器的脈沖個(gè)數。當產(chǎn)生實(shí)時(shí)中斷（RTI）后，中斷程序讀取脈沖累加器的值，計算車(chē)輪的速度，同時(shí)脈沖累加器清零，重新開(kāi)始計數。PORTT4~7使用輸出比較功能，當IC/OC寄存器的值與自由計數器的值相等之后，產(chǎn)生中斷，四個(gè)中斷程序分別處理各自輪子的ABS控制策略。

1.2 電子控制單元ECU硬件結構

ABS的核心部件是電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）。ECU電路主要包括四個(gè)模塊:電源模塊、輪速信號處理模塊、運算模塊、電磁閥驅動(dòng)電路，其基本功能是要實(shí)現輪速的采集、ABS的故障檢測、按照控制規律對電磁閥發(fā)控制信號。其結構框圖如圖2所示。

2 ABS控制算法

ABS控制算法采用邏輯門(mén)限值控制。它的基本原理是以車(chē)輪的加減速度作為主要控制門(mén)限，以車(chē)輪的滑移率作為輔助控制門(mén)限，在減速度達到下門(mén)限值時(shí)發(fā)出減壓控制信號，在加速度達到第一上門(mén)限值時(shí)發(fā)出增壓控制信號。如此反復循環(huán)，直到輪速降至一個(gè)較低的數值，退出ABS控制。

不同的路面附著(zhù)系數使用不同的控制策略，所以算法的第一步就是識別路面。路面識別的方法是：首先給車(chē)輪發(fā)出保壓信號，保壓一段時(shí)間后，根據此時(shí)的輪減速度來(lái)識別路面。如果此時(shí)的輪減速度超過(guò)了第二上門(mén)限值，則說(shuō)明是高附著(zhù)路面；如果輪減速度在第一上門(mén)限值和第二上門(mén)限值之間，說(shuō)明是一般附著(zhù)路面；如果輪減速度小于第一上門(mén)限值，則說(shuō)明是低附著(zhù)路面。這樣做的結果是每個(gè)輪子的保壓等待時(shí)間占據一個(gè)循環(huán)周期的大部分時(shí)間，如果采用四個(gè)輪子的循環(huán)順序來(lái)執行則需要很長(cháng)時(shí)間，不能滿(mǎn)足時(shí)效性要求。但如果引入多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統勢必使得算法過(guò)于復雜。因此，提出了引入四個(gè)中斷處理的方法，即每個(gè)輪子都有獨立的計時(shí)時(shí)鐘，ABS控制完全按照各自設定的中斷時(shí)間執行，實(shí)現了四個(gè)輪子的并行控制。中斷時(shí)間的設定是保證一秒鐘ABS控制循環(huán)執行十幾到幾十次。

2.1 ABS詳細控制策略

Step 1：輪減速度剛達到下門(mén)限值時(shí)，系統開(kāi)始保壓，同時(shí)計算滑移率，直到判斷出車(chē)輪進(jìn)入不穩定區域，置階段標志位Flag＝2，減壓。

Step 2：判斷減速度，直到減速度小于下門(mén)限值，置Flag＝3，保壓。

Step 3：保壓一定時(shí)間，判斷此時(shí)加速度的大?。?1)如果加速度小于第一上門(mén)限值，判斷為低附著(zhù)路面，置Flag＝41，減壓。(2)如果加速度在第一上門(mén)限值和第二上門(mén)限值之間，判斷為一般路面，置Flag＝42，保壓。(3)如果加速度大于第二上門(mén)限值，判斷為高附著(zhù)路面，置Flag＝43，增壓。

Step 4：根據Step3得出的Flag值執行不同的控制方案。

Step 5：一個(gè)階段完畢，置Flag＝1，準備進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

這樣程序每次進(jìn)入中斷后都將根據階段標志位的值執行不同的控制階段，直到完成整個(gè)ABS控制。

2.2 輪速處理算法[4]

輪速是ABS 程序中計算車(chē)輪加減速度的基礎。對輪速的處理必須滿(mǎn)足：(1)實(shí)時(shí)性好。ABS 的防抱死控制一秒鐘要進(jìn)行多次循環(huán)，因此對輪速處理的及時(shí)性要求很高，要求輪速處理程序不能過(guò)于復雜。(2)精度高。ABS 輪速的精度對其以后的輪加減速度和參考車(chē)速的計算精度影響很大。

輪速采集的方法通常有周期法和脈沖計數法，這里采用脈沖計數法。脈沖計數法是利用一定時(shí)間內輪速傳感器采集進(jìn)來(lái)的齒圈個(gè)數即脈沖數來(lái)計算輪速。其計算公式為：

ω=2（πr/N)×(n/△t)　　　　　　　　　　　(2)

式中，ω為車(chē)輪角速度；r為車(chē)輪半徑；N為齒圈齒數；n為記錄的脈沖個(gè)數；△t為測量時(shí)間間隔。由式（2）可以看出，計算誤差主要由后半部分引起。單片機的計時(shí)很精確，因此△t的誤差可以忽略不計，但脈沖個(gè)數n易造成±1齒的測量誤差。誤差產(chǎn)生示意圖如圖3所示。

在低速時(shí)，這±1齒的誤差很可能會(huì )造成ABS的誤動(dòng)作。如果增加測量時(shí)間間隔△t，ABS控制時(shí)效性變差。這里采用平均值法，即保持△t不變，每次計算輪速取最近四次的脈沖計數值的平均值，這樣就減小了隨機誤差，既能反映出車(chē)輪減速度的變化趨勢，又能防止±1齒的誤差給計算帶來(lái)大的干擾。

2.3 程序流程

程序流程圖分別如圖4、圖5、圖6所示。

3 仿真平臺及結果

仿真方式采用xPC Target結構。xPC Target是MathWorks公司發(fā)行的一個(gè)基于RTW（Real-Time Workshop）體系框架的補充產(chǎn)品，它可將Intel 80x86/Pentium計算機或PC兼容機轉變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)時(shí)系統，而且支持許多類(lèi)型的I/O接口板，采用宿主機和目標機的“雙機型”解決途徑，使用兩臺PC機，其中宿主機用于運行Simulink，而目標機則用于執行實(shí)時(shí)代碼。目標機運行了一個(gè)高度緊縮的實(shí)時(shí)操作內核，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )連接來(lái)實(shí)現宿主機和目標機之間的通信。仿真結束后可將結果數據上傳至宿主機，進(jìn)行分析處理。

客車(chē)整車(chē)模型在宿主機Matlab/Simulink環(huán)境中搭建，然后采用xPC工具將模型自動(dòng)轉換成C代碼，通過(guò)以太網(wǎng)下載到工控機中作為被控對象，實(shí)現實(shí)時(shí)仿真。硬件部分的信號接收及轉換使用Advantech公司的數據采集卡PCL-726完成?？刂破鞯拈_(kāi)發(fā)平臺使用Metrowerks公司的Codewarrior3.1，程序編譯之后下載至控制器（ECU）中，并在BDM模式下調試程序。半實(shí)物仿真平臺如圖7所示。

其中一個(gè)輪子的仿真結果如圖8所示。

圖8為車(chē)輛初速度為25mps、路面附著(zhù)系數為0.6工況下的單輪結果圖。圖中四條曲線(xiàn)分別代表車(chē)身速度、車(chē)輪速度、電磁閥信號和制動(dòng)踏板信號。電磁閥高狀態(tài)表示增壓，0狀態(tài)表示保壓，低狀態(tài)表示減壓。1秒鐘之后給制動(dòng)信號， ABS開(kāi)始起作用。由圖中可以看出，在輪速驟減的地方毛刺大，而電磁閥都是處于減壓或者減保脈沖階段；在輪速變化比較平緩的地方都是處于增壓或者增保脈沖階段。9秒鐘以后，車(chē)身速度降到3mps以下，自動(dòng)退出ABS控制，恢復到常規制動(dòng)。在整個(gè)制動(dòng)階段中都沒(méi)有出現過(guò)車(chē)輪抱死的情況，結果比較理想。

本文介紹了利用Motorola單片機MC9S12DP256B進(jìn)行客車(chē)ABS控制器的設計，提出了采用四級中斷的方式實(shí)現并行任務(wù)的處理。仿真平臺使用快速原型開(kāi)發(fā)技術(shù)，利用Matlab自帶的xPC Target工具，將Simulink模型直接生成可執行的C代碼，構成閉環(huán)半實(shí)物仿真平臺。經(jīng)過(guò)模擬各種工況后，控制器均取得了很好的控制效果，可以實(shí)車(chē)測試進(jìn)一步優(yōu)化，以達到成品化的效果。