汽车液压防滑控制系统及其电子控制单元

关键词：制动

1 汽车防滑控制系统构成

汽车防滑控制系统最初只是在制动过程中防止车轮被制动抱死, 避免车轮在路面上进行纯粹地滑移, 提高车辆在制动过程中方向稳定性和转向可操纵性, 所以被称为防抱死制动系统 (Anti-lock Brake System) , 简称ABS。随着对汽车性能要求的不断提高, 防滑控制系统的功能进一步得到完善和扩展, 不仅能够在制动过程中防止车轮发生抱死, 而且能够在驱动过程中 (特别在起步、加速、转弯等过程中) 防止驱动车轮发生滑移, 使汽车在驱动过程中的方向稳定性、转向可操纵性、加速性能等也得到提高。驱动过程中防止驱动车轮发生滑移的控制系统被称为驱动防滑控制系统 (Acceleration Slip Regulation) , 简称ASR。汽车防滑控制系统就是对防抱死制动系统和驱动防滑控制系统的统称。随着汽车工业的迅速发展, ABS基本成为汽车必装装置, 如果汽车装备了驱动防滑控制系统, 就能充分利用驱动车轮的最大附着力, 使汽车获得更大的驱动力, 从而提高汽车的加速性能和爬坡能力。虽然汽车防滑控制系统作为选装装置, 预计不久的将来汽车防滑控制系统在汽车上将会得到更广泛的应用。在国外技术封闭的情况下, 发展我国自己生产的防滑控制系统也变得更为迫切。经过二十多年的改革开放, 我国的经济、技术获得了飞速发展, 尤其是电子技术和计算机技术的发展更是日新月异, 这就为自主开发设计汽车防滑控制系统 (ABS+ASR) 电子控制单元 (ECU) 提供了契机和可能。由于目前拥有自主知识产权的驱动防滑控制系统的自主增压液压控制单元仅江苏黄海汽配股份有限公司生产, 而对发动机进行控制还存在不少问题, 牵涉的因素较多, 本电子控制单元 (ECU) 设计所指汽车防滑控制系统是指拥有自主知识产权的防抱死制动系统 (ABS) 和驱动防滑控制系统中的电子差速锁 (EDS) 。

2 汽车防滑控制系统控制原理

汽车防滑控制系统控制原理如图1所示, 从动轮是随动轮不存在驱动打滑的情况, 故从动轮只保存原有的ABS功能, 车辆制动时电控单元 (ECU) 通过车轮速度传感器不断检测车轮转速信号, ECU若发现某一车轮有抱死趋势, 则控制相应回路的增压阀关闭, 车轮制动器上的制动压力保持不变 (保压阶段) 。若在此情况下, 车轮仍有抱死趋势, ECU将会控制减压阀打开, 进入减压阶段。之后, 在车轮抱死趋势消除以后, 减压阀关闭, 增压阀打开, 制动回路重新进入升压阶段。如此通过增压阀、减压阀的不断调节实现增压—保压—减压实时控制制动管路的压力, 以防止车轮抱死, 从而保证车辆的制动稳定性和方向的可操纵性。驱动轮除具有制动时ABS的功能外增加车辆起步或低速时防滑驱动功能, 图1中ECU若发现车辆起步出现车轮加速打滑 (空转) 达到一定程度时, 则控制常通阀关闭, 常断阀打开, 回流泵工作, 这时制动液经打开的常闭阀提供制动液给回流泵, 制动管路主动增压后经阻尼器到达轮缸, 因为常通阀关闭与制动总泵隔离, 压力不能经总泵回油, 只能经增压阀到达轮缸, 从而能够在制动总泵没有压力的情况下, 轮缸有压力控制车轮打滑, 车轮打滑控制完成、车辆的行驶状况恢复正常后后, 恢复常通阀、常闭阀、回流泵常态, 当车辆制动时发挥正常情况下的ABS防抱死制动功能。

3 电子控制单元 (ECU) 设计

3.1 核心部件采用双CPU结构

CP U是E CU的控制核心, 所有的输入信号、输出信号最终都是由CPU来接受、处理和发出, CPU的处理速度和性能直接影响E C U的整体性能, 它担负着极大的运算任务, 要进行车轮线速度、初始速度、滑移率、加减速度的运算以及电磁阀的开启控制运算和监控运算。另外, 它要分析各种输入信号并根据设置的程序准确的发出控制信号。因此, 对ECU这一个典型的单片机控制系统, 要求CPU必须具有高度可靠性和安全性, 双CPU结构的电子控制单元不仅减小了单个CPU的任务负担, 增加了ECU的实时反应能力和响应速度, 更使ECU的自我诊断能力大大加强, 双CPU之间可以对彼此的工作状态进行互相监控, 以保证两个CPU都不会程序跑飞, 从而保证E C U可靠工作。

87C196KC20是Intel 96系列中一种高性能的单片机, 具有足够的处理速度、适当的I/O接口、功耗低、良好的抗干扰性和极高的实时处理能力。如图2所示, 同时支持软件、外围芯片、开发系统都容易得到。它的RAM多达512字节、具有8路A/D转换器, 这正是汽车防滑控制系统控制所需要的。此外, 还具有一下特点:

●16位监视定时器

●16位普通定时器

●16位捕获定时器

●动态配置总线宽度

●全双工串行口

●高速I/O子系统

在设计中87C196KC20作为主CPU负责汽车防滑控制系统的绝大部分任务, 包括系统输入信号处理、逻辑门限值控制算法的实现、电磁阀驱动和系统检测。轮速传感器信号经滤波后接入高速输入引脚HIS, 这是防滑控制系统唯一的直接信号输入。87C196KC的输出引脚通过功率器件驱动电磁阀和回油电机。同时87C196KC还接收电磁阀动作的反馈电压, 以监控电磁阀的工作情况。

89C51是Atmel公司生产的一种与Intel公司51系列相兼容的产品, 具有4K字节的重复可编程快闪存储器。如图3所示具有一下特点。

●128字节的RAM

●32根I/O口线

●6个中断源

●两个16位计数/定时器

在设计中89C51作为从CPU, 相对而言, 89C51的任务较轻, 主要起系统监控作用, 它通过与87C196KC的串行通讯, 随时检测196的工作情况, 一旦检测到196工作异常, 便立即切断电磁阀供电, 恢复常规制动, 保证安全;另外89C51还起着故障代码储存以及与故障诊断仪通讯的作用。

3.2 电磁阀的驱动和检测

电磁阀的驱动就是对液压控制单元进行操作, 由于汽车防滑控制系统控制的特殊要求, 其电磁阀的响应必须是毫秒级的, 从而要求电磁阀线圈中的电流很大, 以保证电磁阀的开启和关闭时间。这里该模块的主要器件选用了双通道的高端功率驱动元件B T S6 2 1, 它是英飞凌公司的产品, 具有完善的保护功能:

●过载保护、过热保护

●防静电和快速自消磁功能

●反向电压保护

●过电压保护、欠电压保护功能

●短路保护、限流保护

●自诊断功能

BTS621所具备的这些功能基本保证了电磁阀驱动的可靠性。驱动电路如图4所示, 但汽车的工作环境非常恶劣, 因为汽车震动、电磁阀的接口连接不紧或者由于电磁阀线圈烧坏等而发生断路, 如果不能及时报警, 则ABS执行就会发生故障, 故设计了电磁阀检测电路, 该电路在通电后一直工作, 即使在汽车行驶过程中也能检测到故障的存在, 这种检测是动态的、实时的。

3.3 电机的驱动和检测

电机如果不能正常工作, 汽车防滑控制系统也不能发挥防抱死和驱动防滑功能, 故也精心选用驱动芯片和设计检测电路, 并进行动态检测。电机驱动芯片选用Intersil公司生产的N沟道增强型功率场效应晶体管, 它是一种高性能的MOS广泛应用于电机驱动、继电器驱动电路中。他可以保证在承受超大功率的情况下雪崩击穿。其开启时间小于13ns, 关断时间小于29ns。

驱动电路如图5所示。

3.4 电源监控模块

单片机程序的执行, 是从复位开始的, 单片机复位之后, 各个寄存器及端口恢复到默认值, 程序计数器自动装入程序的默认起始地址, 开始执行程序。所以复位电路也是电路的重要组成部分, 考虑到ECU要在极其恶劣的条件下工作, 在极限的情况下, 就有可能跑飞, 而使其控制失效。导致ABS控制失效, 这是非常危险的。而且, 汽车上的电源比较糟糕, 尤其是现在汽车上电控装置越来越多, 空调、发动机等都会对电源产生较大影响。不仅电压变动范围大, 而且混杂有大量干扰信号和尖峰脉冲。如果电源质量差, 会明显影响电子器件的正常工作, 导致ECU和汽车防滑控制系统产生误动作。因此电源管理模块的性能十分重要。选用IMP708芯片, IMP708是由IMP公司生产的具有低功耗、对电源进行监测和管理功能完善的集成芯片。在上电、掉电和管理期间都会产生复位操作。可以进行手动复位, 而且各有一个高电平和一个低电平的复位信号, 这些正好地满足了89C196KC和89C51的要求。

3.5 双CPU通讯电路

C PU之间的通讯是采用双C P U必然要面临的问题, ECU中的两个CPU担负着各自的控制任务, 独立地完成既定的功能, 在一个CPU出现问题时, 另一个CPU应该能够迅速清理现场, 恢复汽车常规制动。但是俩个CPU之间又是相互合作的关系。它们之间有一些数据是必须经过交换之后才能正常的作出控制动作。

3.5.1 C P U之间的数据传输

在单片机87C196KC和89C51中都有一个标准的串行口, 双CPU之间的联络通过它来实现数据串行传输。正常情况下, 双CPU之间进行必要的数据交换, 如主CPU当前的工作状态、命令信号、握手信号等通过双CP U之间的数据传输传送到从C PU中, 而从CPU当前的工作状态、故障信号、握手信号等通过双CPU之间的数据传输传送到主CP U中, 在一个C PU出现故障而不能正常工作时, 则另一个CPU不能接受到握手信号, 在经过确认之后, 把有故障的CPU复位, 这样就使得ECU的自我诊断能力大大加强。

3.5.2 C P U之间的逻辑通讯

在电控单元中, 有一些重要的部件是受两个CPU同时控制的。只有他们同时同意时, 部件才能工作。如控制电磁阀的继电器, 两个CPU都可以把他关闭, 也就是说, 当某一个CPU发现故障时, 或者有其他回复常规制动的必要时, 都可以切断电磁阀电源。为了减少两个CPU之间的频繁交流而增加CPU的开销。利用外接可编程逻辑器件, 实现端口逻辑通讯。如图6所示, 本E CU选用的是达林顿管矩阵ULQ2003L。

ULQ2003L达林顿管矩阵由美国德州仪器公司生产的高电压、大电流达林顿晶体管矩阵。包含有7对NPN达林顿管, 兼容TTL和CMOS电路。

3.6 线路板的设计

线路板采用国际流行的双面印制电路板, 设计软件是Protel99, 线路板布置过程中, 为减少电磁兼容性方面的问题, 提高系统的可靠性, 着重考虑以下几点。

●尽量将大电流器件和小电流器件分开, 地线也分开设计, 最后利用磁珠的特性连接共地。

●采用模块化设计, 各个功能模块单独放置, 这不但有利于消除电磁干扰, 也便于进行电路检查、改进设计、优化结构。

●地线和电源线尽量加粗, 在空的位置上用电源线或地线填充, 以消除信号的不必要波动。

●将互相关联的器件尽量靠近布置。

●为了尽可能缩小ECU的体积和重量, 提高生产率和可靠性。所有器件全部采用表面贴片元件。

4 结语

上面的电路是设计中主要部分, 此外, 还设计了轮速输入处理电路、故障报警电路、故障码存储和读取电路等其它电路。由于涉及太多的细节, 在这里不再一一说明。总体上经过试制和装车运行后, 本设计汽车防滑系统电控单元较好地实现了其控制功能, 正如ABS基本成为汽车必装装置一样, 虽然现在汽车防滑控制系统还很少或仅作为选装装置, 目前也还没有自主知识产权的汽车防滑控制系统, 但相信不久的将来自主知识产权的汽车防滑控制系统在汽车上将会得到更广泛的应用。

摘要：本文阐述了汽车液压防滑控制系统构成、控制原理、电子控制单元的设计, 核心部件采用双CPU结构, 通过相互通讯保证程序的正常运行, 通过相互监控保证制动的稳定性。此外, 电磁阀、电机的驱动和检测、电源监控模块等电路共同组成本电子控制单元, 通过装车运行, 证明了本防滑控制系统双CPU电子控制单元设计的成功。实现了防抱死制动系统 (ABS) 和驱动防滑控制系统中的电子差速锁 (EDS) 的功能。

关键词：汽车防滑控制系统,ABS与ASR,电子控制单元,双CPU