電子控制ABS系統的非線性理論分析

摘　要：汽車防抱死制動系統是指在制動過程中，自動調節車輪制動力，防上車輪抱死以取得最佳制動效能的電子裝置，簡稱ABS（Auto-lock braking system）。由于汽車制動過程具有明顯的非線性、時變性和不確定性等特點，因此ABS的非線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制動安全系統的方法之一。主要研究ABS系統制動力的非線性變化，從而提出改進對策。
關鍵詞：電子控制；ABS系統；非線性分析；對策

在駕駛員、汽車和環境三者組成的系統中，汽車和環境之間的最基本的聯系是輪胎與地面之間的作用力。由于汽車行駛狀態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，因此車輪與地面之間的作用力必然要受到輪胎與路面之間附著力的限制。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系數，從而在制動過程中增強汽車的穩定性，防止側滑和擺尾，同時在緊急制動過程中保持轉向操作的穩定性能，有效利用縱向附著力可以縮短汽車制動距離，減輕輪胎磨損。隨機電子控制ABS系統可根據其所處的狀態將車輪的運動狀態與路面的附著聯系進行及時的、準確的控制，適應了汽車制動系統日益發展的需要，是國際ABS的主流。
由于汽車行駛時輪胎與地面之間的縱向作用力和橫向作用力是非線性的，依舊存在一定的缺陷，通過研究ABS系統制動力的非線性變化，提出改進對策。
         
電子控制ABS的工作原理
汽車制動時由于車輪速度V1與汽車速度V2 之間存在的差異。當汽車正常運行時，V1≥V2；當汽車制動時，V1≤V2  ；因而會導致汽車輪胎 與地面之間產生滑移。如圖1所示，道路附著系數與車輪滑移關系曲線可以看出：滑移率

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

圖 1  附著系數F與滑移率S的非線性關系曲線。

圖 2  對角車輪獨立調節控制的FKX-AC型ABS

圖3 全電子自動控制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，并通過線路連接成一個有機體，形成一個以滑移率為目標的自動控制系統。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是對角車輪獨立調節控制的ABS系統，它由兩套傳感器、一個兩通道控制器和兩個調節器組成，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上，調節器分別連接到前、后制動管路中。
傳感器：由一個永磁式傳感器和激磁環組成，傳感器一般固定在車軸或制動底板上，激磁環則固定在輪轂上，它們以非接觸式將車輪傳動的脈沖信號連續不斷的傳給控制器。
控制器：監測、處理傳感器輸送來的信號，將其信號處理成車輪的速度、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限值，將指令發給連接在制動管路上的調節器，從而實施加氣、保持和放氣功能，調節管路的壓力，以滿足多個車輪在不同路面狀態下的最大制動的要求。
調節器：是ABS的執行部分，它負責調節壓力，以滿足多個車輪在不同路面狀態下的最大制動力的要求。                                      

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。雙通道結構有兩個傳感器，可獨立進行調整。兩個后輪裝有一個傳感器，共用一個通道，其缺點是當其中一后輪要抱死時，另一個要一同調整。較為理想的是各個輪子都裝有傳感器，有自己的通道，都可以獨立調整。如二軸四輪汽車使用四通道結構ABS系統，三軸六輪汽車使用六通道結構ABS系統，確保最短的制動距離和最佳的方向穩定性。

電子控制ABS系統的非線性分析
根據圖1附著系數ф 與滑移率S的非線性關系可知：
縱向附著力系數
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
橫向附著力系數
F橫=—K橫S+ 0.73 -----------------(3)
 K橫=0.73
從上述縱、橫向附著力的表達式可以看出：縱向附著力系數為S的非線性函數，橫向附著力系數為S的線性函數。研究上述兩函數，找出S為何值時，F縱和F橫的諧調值最大，從而利用S來控制F，以達到最佳制動效果。”
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、橫向附著力系數的比例關系。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，函數Φ縱有最大值，對表達式

進行求偏導，則有：

從該表達式可以看出：只有當s=0.2時，附著力系數最大，與k大小無關，并且越小越好，即當，制動效果最好。
根據，確定傳遞函數的性質和傳感器類型：傳遞函數

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

電子控制ABS系統改進對策
目前，傳統電子控制ABS的系統存在的問題：
(1) 采用共用通道時，當其中一輪要抱死時，另一個對稱輪也要一同調整。
(2)由于通道內的液體壓力受空氣壓縮泵的加氣狀態的影響，具有時變性和不確定性等特點，因此會出現有時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，在傳遞的過程中由于要進行加氣、保持和放氣等過程，反應速度較慢。
根據傳統電子控制ABS系統存在的上述三個問題，采取相應的改進對策：
(1) 采用獨立通道，當其中一輪要抱死時，另一個對稱輪不受影響。同時，這樣做可以減少通道長度，提高反應速度。
(2) 要解決由于通道內的液體壓力(制動氣室的氣壓)受空氣壓縮泵的加氣狀態的影響，導致其具有時變性和不確定性等特點；采用電路替換通道，以提高傳遞速度和可靠性，克服時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系統存在的問題，就要采用全電子自動控制ABS系統。將氣壓制動改成電磁制動，以滑移率S為變量，經傳感器將滑移率S變為電磁信號，經過單片機(可采用INTEL公司8798單片機)處理，傳遞給電磁制動剎車器件，這樣不僅提高了傳遞速度，同時也提高了可靠性系數。可確保汽車有最短的制動距離和最佳的方向穩定性。圖3為全電子自動控制ABS的系統方框圖。
全電子自動控制ABS系統的工程原理：由于采用電磁制動系統，當緊急剎車時，自動進入全電子自動控制ABS的系統，這時S為自變量，傳感器將此信號傳遞給單片機經處理后，控制電磁制動(電磁剎)，如果電磁制動過急，則電磁剎將此信號反饋給傳感器進行自動控制狀態調整。■   

參考文獻：
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