基于dsPIC30F5011的ABS電子控制器設(shè)計(jì)

0 引言
汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)又稱 ABS，是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的安全剎車控制系統(tǒng)。沒有安裝ABS 系統(tǒng)的車，在遇到緊急情況時(shí)，來不及分步緩剎，只能一腳踩死，這時(shí)車輪容易抱死，加之車輛沖刺慣性，可能發(fā)生側(cè)滑、跑偏、方向不受控制等危險(xiǎn)狀況；而裝有ABS的車，當(dāng)車輪即將到達(dá)下一個(gè)鎖死點(diǎn)時(shí)，剎車在一秒內(nèi)可作用60 至120 次，相當(dāng)于不停地剎車、放松，即相似于機(jī)械的“點(diǎn)剎”。因此，可以避免在緊急剎車時(shí)方向失控及車輪側(cè)滑，使車輪在剎車時(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，使剎車效率達(dá)到90％以上[1]。
ABS 系統(tǒng)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對(duì)某車型選用具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的dsPIC30F5011 單片機(jī)，結(jié)合ABS系統(tǒng)芯片，完成了ABS_ECU 硬件設(shè)計(jì)，并開發(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(yàn)，得到了良好的效果。
1 ABS制動(dòng)原理
在汽車的制動(dòng)過程中，使汽車制動(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(duì)車輪的摩擦力，即制動(dòng)器制動(dòng)力；另一個(gè)是輪胎與路面間的摩擦力，即地面附著力。只有當(dāng)汽車有足夠的制動(dòng)器制動(dòng)力及地面附著力時(shí)，才能獲得足夠的地面制動(dòng)力[2]。汽車制動(dòng)過程中通常存在滑移現(xiàn)象，即車速和輪速之間存在著速度差所造成的相對(duì)滑動(dòng)，這種滑移的程度由滑移率來表示：

汽車制動(dòng)時(shí)，附著系數(shù)與輪胎滑移率關(guān)系曲線如圖1 所示，圖中φ表示附著系數(shù)。

由圖1 可知，滑移率在15％－20％時(shí)，橫向和縱向的附著系數(shù)都比較大，而大量的研究試驗(yàn)也表明，此時(shí)汽車的制動(dòng)效果最好。
ABS 在汽車制動(dòng)過程中，當(dāng)車輪趨于抱死，迅速降低制動(dòng)系統(tǒng)的壓力，使車輪滑移率恢復(fù)到靠近理想穩(wěn)定區(qū)，通過自動(dòng)、高頻率的對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使車輪滑移率保持在理想滑移率附近的狹小范圍內(nèi)，以充分利用車輪與路面間的縱向峰值附著系數(shù)和較高的橫向附著系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)防止車輪抱死并獲得最佳制動(dòng)效能[3]。
2 ECU硬件設(shè)計(jì)
2.1 ECU結(jié)構(gòu)組成
ABS 系統(tǒng)主要由車輪轉(zhuǎn)速傳感器、電子控制器(ECU)、電磁閥三部分組成。而系統(tǒng)核心部分是ECU，其組成如圖2 所示，主要包括系統(tǒng)電源管理、輪速信號(hào)處理、處理器（單片機(jī)）、電磁閥驅(qū)動(dòng)器和ABS 故障檢測(cè)等部分。

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輪速信號(hào)處理模塊將輸入的模擬輪速信號(hào)進(jìn)行變換處理，得到規(guī)則的數(shù)字輪速輸入到處理器中，由處理器計(jì)算并判斷各輪是否正趨于抱死；電磁閥驅(qū)動(dòng)監(jiān)控模塊放大來自處理器的電磁閥控制信號(hào)，使其能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)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(dāng)前電磁閥控制信號(hào)反饋至處理器來監(jiān)控控制邏輯。
2.2 處理器選型和設(shè)計(jì)
ECU 最關(guān)鍵的部分是處理器，目前大多采用16 位單片機(jī)作為ECU 的處理器，其一方面采集輪速信號(hào)進(jìn)入ABS 算法處理，另一方面發(fā)送電磁閥控制指令到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)車輪進(jìn)行增壓－保壓－減壓處理；同時(shí)它還外擴(kuò)了故障檢測(cè)、電磁閥監(jiān)控部分，保證了ECU 正常運(yùn)行。無論是輪速采集和算法處理，還是對(duì)車輪制動(dòng)壓力的控制，都對(duì)核心處理器有較高要求：實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)處理精度高等。Microchip 公司的dsPIC30F5011 作為高性能1
位數(shù)字信號(hào)控制器，既具備了單片機(jī)的控制功能，也結(jié)合了DSP 的數(shù)字信號(hào)的處理能力。該芯片內(nèi)含完整的DSP 引擎：包含1 個(gè)高速的16×16 的整數(shù)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(jì)算能力。指令系統(tǒng)分成兩類：?jiǎn)纹瑱C(jī)類和DSP 類。采用單級(jí)指令預(yù)取機(jī)制使得其指令大多數(shù)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(diào)制模塊(PWM)。結(jié)合ICD2（在片調(diào)試器）在MAPLAB IDE 開發(fā)環(huán)境中，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編輯、編譯、在線
調(diào)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(hào)，根據(jù)設(shè)置的采集方式可以準(zhǔn)確地偵測(cè)輪速信號(hào)的狀態(tài)，經(jīng)過ABS 算法后，通過8 路I/O 口輸出電磁閥控制信號(hào)，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)閉合回路用來監(jiān)控算法的控制邏輯。同時(shí)，采用一個(gè)PWM 口輸出報(bào)警燈信號(hào)，通過設(shè)置報(bào)警燈的閃爍頻率來判斷故障類別。來自剎車板的制動(dòng)信號(hào)經(jīng)光耦隔離進(jìn)入到單片機(jī)中。有效的制動(dòng)信號(hào)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(zhuǎn)換成正比于輪速的正弦信號(hào)，一般輪速信號(hào)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(zhuǎn)換為TTL 電平的方波信號(hào)，所以需要信號(hào)變換電路將變換后的輪速信號(hào)輸入到處理器中。本設(shè)計(jì)采用了4 通道的輪速采集，經(jīng)LM324A 放大輪速信號(hào)，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74HC14整形后的數(shù)字輪速信號(hào)，即為方波，便可輸入到處理器中。
2.4 電磁閥控制信號(hào)的輸出和處理經(jīng)過ABS 算法之后，處理器產(chǎn)生了8 路電磁閥控制信號(hào)，以兩路電磁閥控制信號(hào)為一組來控制一個(gè)車輪。其組合控制策略為：00 保壓；01 增壓；10 減壓。處理器輸出的電磁閥控制信號(hào)只有幾十毫安，而執(zhí)行部件需要的電流為1～2A，所以需要對(duì)電磁閥控制信號(hào)放大。本設(shè)計(jì)采用Infineon 公司的ABS 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)芯片TLE6216，每片可以驅(qū)動(dòng)四路的電磁閥控制信號(hào)，同時(shí)把當(dāng)前的電磁閥狀態(tài)反饋到處理器中，監(jiān)控控制效果。
2.5 電源和故障檢測(cè)
為汽車中供電的是蓄電池或者發(fā)電機(jī)，重型車的蓄電池為24V，發(fā)電機(jī)工作電壓為28V，單片機(jī)工作電壓為5V，所以除了電源供給外還需要電壓轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)中采用了Infineon 公司的ABS 系統(tǒng)電源芯片TLE6210，它可以將12V 的電壓轉(zhuǎn)化為單片機(jī)需要的5V，同時(shí)集成了報(bào)警燈、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能。另外TLE6210 內(nèi)部集成了電壓監(jiān)控邏輯模塊，當(dāng)檢測(cè)到輸入輸出電壓過高或者過低時(shí)，引腳RES1/RES2 將產(chǎn)生復(fù)位脈沖，讓整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。由于系統(tǒng)電源有模擬部分和數(shù)字部分，需要在兩部分電源之間添加隔離電感，防止系統(tǒng)中模擬電路和數(shù)字電路的互相干擾。
對(duì)于ABS 產(chǎn)生的故障，主要包括：系統(tǒng)供電故障，輪速傳感器故障，ABS 系統(tǒng)運(yùn)行故障，電磁閥故障等，操作人員可通過故障警報(bào)燈的閃爍頻率來判定故障來源和類型，并將相應(yīng)的故障碼存儲(chǔ)在EEPROM 中，以便上位機(jī)進(jìn)行識(shí)別和處理。
3 軟件設(shè)計(jì)
目前的ABS 系統(tǒng)主要采用參考門限值控制的方式，即Bosch 控制邏輯。這是當(dāng)今被廣泛采用的一種邏輯。這種方式將車輪角減速度、角加速度和滑移率組合作為控制參數(shù)【4】
本文就是采用了以車輪的角加速度、角減速度為主要門限，以滑移率為輔助門限的控制策略，具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4 所示。

當(dāng)檢測(cè)到有效的剎車信號(hào)時(shí)，處理器通過輪速傳感器采集到輪速脈沖信號(hào)，然后計(jì)算車速和加速度，當(dāng)車速較高時(shí)，調(diào)用滑移率邏輯門限算法，由電磁閥來輸出保壓、減壓、增壓信號(hào)，即初始制動(dòng)時(shí)增壓，在達(dá)到加速度門限，并且滑移率仍然保持在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)時(shí)保壓，一段時(shí)間后達(dá)到滑移率穩(wěn)定臨界值減壓。如此往復(fù)，使車速呈現(xiàn)波浪式降低。若車速較低，電磁閥直接輸出增壓或者保壓信號(hào)，此時(shí)輪速一直在減小，沒有回升，直到減小至零。
4 硬件在回路仿真試驗(yàn)
利用在前期完成的國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“面向汽車電子控制的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)及其應(yīng)用” (2004AA1Z2380)中開發(fā)的硬件在回路仿真系統(tǒng)（如圖5 所示），我們對(duì)此ABS 控制器的制動(dòng)過程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。

圖6、圖7 是某氣壓制動(dòng)型重型車在低附著系數(shù)路面、初始車速為33（m/s）情況下的制動(dòng)過程。觀察輪速曲線對(duì)應(yīng)的電磁閥的狀態(tài)變化：增壓-保壓-減壓；當(dāng)輪速回升階段，電磁閥的狀態(tài)變化是：減壓-保壓-增壓。由此可見，制動(dòng)時(shí)車輛在ABS ECU 控制下較好地防止了車輪抱死、輪速波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，并且制動(dòng)時(shí)間較短，所以此控制器具有良好的制動(dòng)效果。
5 結(jié)論
采用Microchip 公司的dsPIC30F5011 作為ABS 系統(tǒng)的處理器，實(shí)現(xiàn)了輪速的快速采集、判別處理，以及滑移率等參數(shù)的計(jì)算，保證了控制的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)合Infineon 公司的ABS 系統(tǒng)芯片，使系統(tǒng)的電源管理、電磁閥驅(qū)動(dòng)等更加優(yōu)化，通過多次仿真試驗(yàn)可以看出此ABS 控制器制動(dòng)效果良好。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：選用DCS（數(shù)字信號(hào)控制器）dsPIC30F5011 作為處理器，解決了數(shù)據(jù)的快速、大量的傳輸和運(yùn)算，采用C 語言編寫的ABS 邏輯門限算法運(yùn)行周期可以保持在5ms內(nèi)；采用專用ABS 芯片優(yōu)化了該ABS 控制器的電源管理、電磁閥驅(qū)動(dòng)等，可縮短開發(fā)時(shí)間，保證系統(tǒng)整體性、穩(wěn)定性。為ABS 控制器的產(chǎn)品化提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參考。