基于汽車制動試驗臺的ABS控制系統設計

徐鵬躍，馬朝永，楊占鋒

（北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

基于汽車制動試驗臺的ABS控制系統設計

徐鵬躍，馬朝永，楊占鋒

（北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

0 引言

防抱死系統（以下簡稱ABS）已經廣泛應用在現代汽車中[1]。在一個制動過程中，ABS對制動輪缸進液電磁閥及出液電磁閥實行多次通斷，使汽車的滑移率處于最佳范圍，從而產生最佳制動效果[2]。雖然ABS對縮短汽車制動距離有著重要作用，但在傳統的汽車制動部件耐久性能試驗臺中，通常并不包含ABS[3]，因而無法確定ABS對其他制動部件的影響。所以本文對ABS的控制系統進行了設計，通過單片機來控制ABS執行機構電磁閥的通斷，并采用CAN總線實時通訊，使上位機能及時顯示制動系統當前的工作狀態，用戶也可根據當前上位機所顯示的制動系統的工作狀態，對單片機發出指令，從而實現對制動過程的進一步控制。采用PWM脈寬調制的方法控制直流電機轉速，進而控制電動泵和制動管路內壓力。設計了印刷電路板，所設計的印刷電路板可以替代ABS的電子控制單元部分。在PC機部分，為了盡量不影響汽車制動部件耐久性能試驗臺的原有程序，針對CAN通訊部分開發了一個CAN通訊工具類，該工具類可簡化PC端程序編寫，并且是PC端程序的一個獨立模塊。本文的研究成果可以作為汽車制動部件耐久性能試驗臺的附加裝置，完善對汽車各制動部件的檢測。

1 ABS系統的結構組成

圖1 ABS結構示意圖

ABS系統通常是由電子控制單元、輪速傳感器及液壓控制單元組成，控制單個制動輪缸的ABS結構如圖1所示。

1.1 電子控制單元

電子控制單元，有時也稱為ABS控制器，主要由輪速傳感器的輸入放大電路、運算電路、電磁閥控制電路及穩壓電源等組成。它的作用是根據當前輪速傳感器的信號，計算車輪線速度、滑移率及加速度，根據內部控制邏輯，對液壓電磁閥進行通斷，使制動輪缸內部壓力維持理想狀態。

1.2 輪速傳感器

輪速傳感器也叫轉速傳感器，它可以測出車輪與驅動軸共同旋轉的齒圈數，然后產生與車輪轉速成正比的交流信號。輪速傳感器將車輪輪速信號傳給電子控制單元，電子控制單元根據計算決定是否開始或者準確的進行防抱死制動。

1.3 液壓控制單元

ABS的液壓控制單元是在普通制動系統的液壓裝置上經設計后加裝ABS液壓調節器而形成的。普通制動系統一般包括真空助力器、制動主缸、儲油器和制動分泵。ABS液壓控制單元安裝在制動主缸與制動分泵之間。

ABS液壓控制單元主要由電動泵、蓄壓器和電磁閥組成。電動泵是一個高壓泵，它可在短時間內將制動液加壓至20MPa，并給整個液壓系統提供高壓制動液。蓄壓器被一個隔板分為上下兩個腔室，上腔室充滿了氮氣，下腔室與電動泵泵油腔相通，充滿了來自電動泵的制動液，所以蓄壓器可存儲高壓和向制動系統提供高壓。電磁閥是電操縱的一種開關閥，它接受電子控制單元的控制，接通或斷開來改變制動輪缸內部的壓力。

2 系統硬件設計

本文所設計的ABS控制系統應用于臺架試驗，沒有使用輪速傳感器。所以本文中ABS控制系統以單片機為核心，由CAN通訊模塊、直流電機調速模塊和液壓電磁閥驅動模塊組成，系統整體結構如圖2所示。

圖2 系統整體結構

2.1 單片機選型

在國內市場，51系列單片機依舊占據最大份額。但從世界范圍內來看，PIC系列單片機因其價格低廉、執行迅速及抗干擾能力強，近十年來一直是8位機銷量的冠軍，所以單片機選擇PIC系列的PIC18F2580，PIC18F2580片上集成有CAN控制器模塊和PWM模塊[4]，可以減少電路板上的芯片數目，并且簡化編程。

2.2 電磁閥驅動模塊

電磁閥控制制動輪缸內制動液的流入流出，在制動過程中通過電磁閥的連續通斷來調節汽車制動輪缸及制動管路的壓力，進而實現最佳制動效果。ABS的液壓電磁閥驅動電壓為12V，而單片機的最大輸出電壓為5V，所以需要設計一個電磁閥驅動電路來實現單片機對液壓電磁閥的控制。

本文選用飛思卡爾的高端驅動芯片MC33289來驅動液壓電磁閥，該芯片主要應用在汽車領域中驅動電磁閥等典型的感性負載[5]，此器件在同一表貼封裝中包含兩個功率輸出開關，可直接與PIC18F2580接口，進行輸入控制和輸出診斷監測。每路輸出峰值電流5A，均有獨立的過流、過壓診斷和保護，并具有過溫關斷性能。

2.3 直流電機調速模塊

在制動過程中，電機的作用是將制動輪缸內流出的制動液經由制動管路打回制動主缸和儲液器，實現加壓。為了使制動管路內部壓力保持理想狀態，電機轉速應該是可調的。PWM脈寬調制是一種流行的調速方法，現在許多單片機片上都有PWM模塊，所以這里采用PWM脈寬調制的方法調節直流電機轉速。

單片機的5V最大輸出電壓不足以驅動ABS內部的12V直流電機，所以這里選用NI公司的LMD18200來驅動直流電機。LMD18200是專門用于直流電動機運動控制的智能功率集成電路，它將4個DMOS管構成的H橋及其控制邏輯電路封裝在一個11引腳的芯片中[6]。它的工作電壓高達55V；連續工作電流3A,峰值電流高達6A；輸入信號兼容TTL和CMOS信號；具有溫度報警、過熱以及負載短路保護能力。

2.4 CAN通訊模塊

CAN，全稱Controller Area Network，是由德國BOSCH開發的一種通訊協議，CAN是一種有效的支持分布式控制或者實時控制的串行通信網絡。由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN越來越受到人們的重視，已經廣泛應用于汽車電子控制、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、家用電器及傳感器等領域[7]。目前，CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

1)下位機部分

通常單片機連接到CAN總線需要CAN控制器和CAN收發器，CAN控制器多數都是獨立的，種類眾多，不同廠家提供的CAN控制器都是不兼容的，但本質上都是對CAN通訊協議的實現。從節約電路板面積的角度考慮，本文選用了內嵌CAN控制器的PIC18F2580，PIC18F2580在一個芯片上實現了單片機和CAN控制器，減小了通訊信號的延遲時間，提高了CAN通訊的抗干擾能力。

CAN收發器種類眾多，但大部分都是互相兼容的，這里選用微芯公司的MCP2551。

2)上位機部分

PC機CAN通訊的方法主要有兩種：一種是把PC機的RS232通訊協議轉換為CAN通訊協議；一種是把PC機的USB通訊協議轉換為CAN通訊協議。由于現代PC機普遍支持USB通訊協議，USB接口普遍多于RS232接口，所以這里采取第二種方法，采用致遠電子的USBCAN-II智能接口卡，把USB通訊協議轉換為CAN通訊協議。

USBCAN-II智能CAN接口卡是與USB1.1總線兼容的，集成2路CAN接口的智能型CAN總線通訊接口卡。采用USBCAN-II智能CAN接口卡，PC可以通過PC機上USB接口連接至CAN總線，與總線上的其他節點通訊。

3 系統軟件設計

下位機軟件使用匯編語言編寫，上位機軟件是使用Delphi開發。

3.1 下位機部分

下位機程序采用匯編語言，基于MPLAB開發環境編寫，程序流程圖如圖3所示。

如圖3所示，下位機的程序在初始化后便進入等待狀態，當有接收事件發生時，根據事件傳送的數據，如各加壓電磁閥或者卸壓電磁閥的通電時間，依次調用CAN通訊子程序、電機調速子程序、電磁閥驅動子程序，當處理完事件后，回到等待狀態。

圖3 下位機程序流程圖

PIC單片機CAN模塊工作于方式1，方式1相較于傳統的方式0增加了幾十個特殊功能寄存器，其中引人注目變化是方式1具有CAN總線遠程幀的自動響應功能。在單片機初始化時，B0緩沖器配置為遠程幀自動響應。當單片機機處于等待事件時，不斷把CAN模塊中發送錯誤計數器、接收錯誤計數器等重要寄存器內容存入B0緩沖器的8個字節，當單片機接收到遠程幀請求時，B0緩沖器的8個字節會自動發送，不占用單片機的主程序或中斷服務程序的執行時間，以此來實現上位機對單片機工作狀態的監測。

3.2 上位機部分

因為本文所設計的ABS控制系統主要作為傳統的汽車制動部件耐久性能試驗臺的附加裝置，所以為了盡量不影響原試驗臺程序，同時為了便于程序的整合，上位機程序編寫的主要任務是通過調用USBCAN-II提供的配套動態鏈接庫，來開發CAN通訊工具類。

盡管USBCAN-II提供了一個動態鏈接庫，使用該動態鏈接庫可以充分利用USBCAN-II提供的一切功能。但在實際的使用中發現，該動態鏈接庫函數眾多，在上位機程序的實際開發中大部分動態鏈接中的函數都不會被使用到。所以為了便于程序的開發，使用Delphi編程語言開發了一個CAN通訊工具類，該工具類封裝了USBCAN-II動態鏈接庫中常用的函數及數據結構。

除了封裝動態鏈接庫中常用的函數，CAN通訊工具類還在其內部實現了兩個線程：一個線程用于檢查發送緩沖區是否有待發送數據，如果有數據則馬上發送。另一個線程用于檢查接收緩沖區是否接收到數據，如果有已接收到數據則調用接收處理子程序。

由于CAN通訊工具類封裝了動態鏈接庫，內部實現了兩個線程用于發送數據和接收數據，所以通過該類上位機的程序變得易于開發，僅需調用CAN通訊工具類的幾個方法，就可以完成上位機CAN通訊模塊程序的編寫。上位機界面如圖4所示。

圖4 上位機界面

4 結束語

設計了一套應用于汽車制動部件耐久性能試驗臺的ABS附加裝置，下位機以單片機為核心設計了ABS控制系統，上位機使用Delphi語言編寫了CAN通訊工具類。整套附加裝置可以在盡量不影響原試驗臺軟件結構的條件下將ABS納入汽車制動部件耐久性能試驗臺的檢測，使測量結果更加準確可靠。

[1]孟嗣宗,崔艷萍.現代汽車防抱死制動系統和驅動力控制系統[M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[2]李朝暉.汽車電器及電子設備[M].重慶:重慶大學出版社,2004.

[3]劉興德,王莉,等.汽車制動器主缸的ABS疲勞性能測試的實現[J].機械設計與制造,2007(9):114-115.

[4]Muhammad Ali Mazidi,Rolin D.Mckinlay,Danny Causey.PIC Microcontroller and Embedded Systems:Using Assembly and C for PIC18[M].London:Pearson Education,2008.

[5]孫薇,汪至中.MC33289型驅動器在汽車制動系統中的應用[J].國外電子元器件,2005(11):43-45.

[6]李偉,吳慶華.基于C8051F020與LMD18200的運動控制平臺[J].湖北工業大學學報,2009,24(5):78-83.

[7]孫雙花,曲雙華,等.PIC18F248芯片在CAN總線設計中的應用[J].制造業自動化,2004,26(8):70-72.

[8]Marco Cantu.Mastering Delphi 6[M].Alameda:SYBEX Inc,2001.

Design of ABS control system based on test-bed of brake unit for automotive vehicles

XU Peng-yue, MA Chao-yong, YANG Zhan-feng

以PIC18F2580單片機為控制核心，設計了一種ABS控制系統。實現了PC機與單片機CAN通訊。使用LMD18200驅動直流電機，使用MC33289驅動液壓電磁閥，使用Delphi語言編寫了PC機CAN通訊的工具類。該系統可以做為傳統汽車制動部件耐久性能試驗臺的附加裝置，添加本系統后，原試驗臺在制動部件檢測過程中可以納入ABS對汽車制動系統的影響，使試驗臺的檢測結果更加準確可靠。

汽車制動；ABS；CAN；單片機；脈寬調制

徐鵬躍（1989 -），男，黑龍江人，碩士研究生，研究方向為自動控制與檢測。

TP368.1; U463.52+6

B

1009-0134(2014)06(上)-0108-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).32

2014-01-13