基于dsPIC30F5011的ABS電子控制器設計

0 引言
汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統又稱(chēng) ABS，是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的安全剎車(chē)控制系統。沒(méi)有安裝ABS 系統的車(chē)，在遇到緊急情況時(shí)，來(lái)不及分步緩剎，只能一腳踩死，這時(shí)車(chē)輪容易抱死，加之車(chē)輛沖刺慣性，可能發(fā)生側滑、跑偏、方向不受控制等危險狀況；而裝有ABS的車(chē)，當車(chē)輪即將到達下一個(gè)鎖死點(diǎn)時(shí)，剎車(chē)在一秒內可作用60 至120 次，相當于不停地剎車(chē)、放松，即相似于機械的“點(diǎn)剎”。因此，可以避免在緊急剎車(chē)時(shí)方向失控及車(chē)輪側滑，使車(chē)輪在剎車(chē)時(shí)不被鎖死，輪胎不在一個(gè)點(diǎn)上與地面摩擦，加大了摩擦力，使剎車(chē)效率達到90％以上[1]。
ABS 系統的關(guān)鍵控制部件是ABS 電子控制器，即ECU。本文在分析了ABS 制動(dòng)原理和控制器結構基礎上，針對某車(chē)型選用具有強大數據處理功能的dsPIC30F5011 單片機，結合ABS系統芯片，完成了ABS_ECU 硬件設計，并開(kāi)發(fā)了控制程序，在自主研發(fā)的硬件在回路仿真器上進(jìn)行了仿真實(shí)驗，得到了良好的效果。
1 ABS制動(dòng)原理
在汽車(chē)的制動(dòng)過(guò)程中，使汽車(chē)制動(dòng)而減速行駛的外力是路面作用于輪胎胎面上的地面制動(dòng)力，但地面制動(dòng)力取決于兩個(gè)摩擦副的摩擦力：一是制動(dòng)裝置對車(chē)輪的摩擦力，即制動(dòng)器制動(dòng)力；另一個(gè)是輪胎與路面間的摩擦力，即地面附著(zhù)力。只有當汽車(chē)有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力及地面附著(zhù)力時(shí)，才能獲得足夠的地面制動(dòng)力[2]。汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中通常存在滑移現象，即車(chē)速和輪速之間存在著(zhù)速度差所造成的相對滑動(dòng)，這種滑移的程度由滑移率來(lái)表示：

汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，附著(zhù)系數與輪胎滑移率關(guān)系曲線(xiàn)如圖1 所示，圖中φ表示附著(zhù)系數。

由圖1 可知，滑移率在15％－20％時(shí)，橫向和縱向的附著(zhù)系數都比較大，而大量的研究試驗也表明，此時(shí)汽車(chē)的制動(dòng)效果最好。
ABS 在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，當車(chē)輪趨于抱死，迅速降低制動(dòng)系統的壓力，使車(chē)輪滑移率恢復到靠近理想穩定區，通過(guò)自動(dòng)、高頻率的對制動(dòng)系統壓力進(jìn)行調節，使車(chē)輪滑移率保持在理想滑移率附近的狹小范圍內，以充分利用車(chē)輪與路面間的縱向峰值附著(zhù)系數和較高的橫向附著(zhù)系數，從而實(shí)現防止車(chē)輪抱死并獲得最佳制動(dòng)效能[3]。
2 ECU硬件設計
2.1 ECU結構組成
ABS 系統主要由車(chē)輪轉速傳感器、電子控制器(ECU)、電磁閥三部分組成。而系統核心部分是ECU，其組成如圖2 所示，主要包括系統電源管理、輪速信號處理、處理器（單片機）、電磁閥驅動(dòng)器和ABS 故障檢測等部分。

輪速信號處理模塊將輸入的模擬輪速信號進(jìn)行變換處理，得到規則的數字輪速輸入到處理器中，由處理器計算并判斷各輪是否正趨于抱死；電磁閥驅動(dòng)監控模塊放大來(lái)自處理器的電磁閥控制信號，使其能夠驅動(dòng)執行機構（制動(dòng)壓力調節器）調節制動(dòng)壓力使輪速處于不斷循環(huán)的增壓-保壓－減壓狀態(tài)，同時(shí)將當前電磁閥控制信號反饋至處理器來(lái)監控控制邏輯。
2.2 處理器選型和設計
ECU 最關(guān)鍵的部分是處理器，目前大多采用16 位單片機作為ECU 的處理器，其一方面采集輪速信號進(jìn)入ABS 算法處理，另一方面發(fā)送電磁閥控制指令到執行機構，對車(chē)輪進(jìn)行增壓－保壓－減壓處理；同時(shí)它還外擴了故障檢測、電磁閥監控部分，保證了ECU 正常運行。無(wú)論是輪速采集和算法處理，還是對車(chē)輪制動(dòng)壓力的控制，都對核心處理器有較高要求：實(shí)時(shí)性強、穩定性好、數據處理精度高等。Microchip 公司的dsPIC30F5011 作為高性能1
位數字信號控制器，既具備了單片機的控制功能，也結合了DSP 的數字信號的處理能力。該芯片內含完整的DSP 引擎：包含1 個(gè)高速的16×16 的整數乘法器、1 個(gè)40 位的ALU、2 個(gè)40 位的飽和累加器以及1 個(gè)40 位的雙向移位器，能夠明顯提高芯片計算能力。指令系統分成兩類(lèi)：?jiǎn)纹瑱C類(lèi)和DSP 類(lèi)。采用單級指令預取機制使得其指令大多數是單周期的。片上集成66K FLASH，1K EEPROM，4K RAM，8 通道的輸入捕捉，一個(gè)8 通道的脈沖寬度調制模塊(PWM)。結合ICD2（在片調試器）在MAPLAB IDE 開(kāi)發(fā)環(huán)境中，對單片機進(jìn)行程序編輯、編譯、在線(xiàn)
調試和下載。
處理器的功能接口分布如圖3 所示。采用dsPIC30F5011 的輸入捕捉口（IC1…4）采集4 組輪速信號，根據設置的采集方式可以準確地偵測輪速信號的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)ABS 算法后，通過(guò)8 路I/O 口輸出電磁閥控制信號，同時(shí)將電磁閥狀態(tài)由8 路I/O 口反饋到處理器，形成一個(gè)閉合回路用來(lái)監控算法的控制邏輯。同時(shí)，采用一個(gè)PWM 口輸出報警燈信號，通過(guò)設置報警燈的閃爍頻率來(lái)判斷故障類(lèi)別。來(lái)自剎車(chē)板的制動(dòng)信號經(jīng)光耦隔離進(jìn)入到單片機中。有效的制動(dòng)信號是進(jìn)入ABS 算法的一個(gè)入口條件。

2.3 輪速的采集和處理
電磁波動(dòng)式輪速傳感器將輪速轉換成正比于輪速的正弦信號，一般輪速信號的頻率低于1KHz，并且幅值比較低，而且干擾量較多，必須將其轉換為T(mén)TL 電平的方波信號，所以需要信號變換電路將變換后的輪速信號輸入到處理器中。本設計采用了4 通道的輪速采集，經(jīng)LM324A 放大輪速信號，再利用低通濾波和算法中的濾波部分削減干擾量；最后經(jīng)過(guò)74HC14整形后的數字輪速信號，即為方波，便可輸入到處理器中。
2.4 電磁閥控制信號的輸出和處理