制動抱死系統(tǒng)概述

2006年3月15日下午，南京地鐵一列列車制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致一號線運(yùn)營受影響長達(dá)1個多小時。

據(jù)了解，這是自2005年12月1日以來，南京地鐵出現(xiàn)的第三次故障，其中兩次都和制動系統(tǒng)有關(guān)。那么，究竟是什么原因造成制動系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障呢？南京地鐵建設(shè)指揮部一位不愿意透露姓名的專家告訴記者，所謂的故障實際是制動系統(tǒng)自檢出車輛其他部分出現(xiàn)問題，保護(hù)性的反應(yīng)。

南京地鐵總公司運(yùn)營部門的專家介紹，南京地鐵在設(shè)計時擁有一套非常先進(jìn)的綜合信息故障診斷系統(tǒng)，只要地鐵自檢到任何一個部件出現(xiàn)問題可能影響安全，都會通過綜合數(shù)據(jù)庫自動反饋給制動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)隨之將車輪抱死，停下列車。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對汽車的需求正日益加強(qiáng)，與之相應(yīng)，汽車的消費(fèi)群體也變得越來越成熟，主要表現(xiàn)在消費(fèi)者除了關(guān)注汽車的外型外還越來越重視汽車的內(nèi)在品質(zhì)，其中，汽車的安全特性逐漸成為用戶考慮的首要選購條件。由此，作為主要的安全系統(tǒng)之一的汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)正引起越來越多的關(guān)注。

在這個系統(tǒng)中，與ABS相關(guān)的部件主要是：輪速傳感器、ABS主控單元、制動壓力調(diào)節(jié)裝置和ABS警報燈。其中輪速傳感器主要用于測量車輪的轉(zhuǎn)速，并將其信號經(jīng)過初步處理后輸入到ABS主控單元中去。在主控單元中一般含有一到兩個微控制器，在ABS作用時，它們接收來自傳感器的信息，解析出輪速，在此基礎(chǔ)上計算出輪加速度、參考車速和滑移率等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的算法推算出汽車所應(yīng)采取的相應(yīng)動作，然后向同樣位于主控單元上的執(zhí)行器件發(fā)出相應(yīng)的指令。制動壓力調(diào)節(jié)裝置則接收此執(zhí)行器件的發(fā)出的指令調(diào)節(jié)各車輪上的制動壓力，以使車輪處于附著系數(shù)最大狀態(tài)并防止車輪被抱死而出現(xiàn)純滑動摩擦。在此過程中，輪速傳感器是信號輸入裝置，而主要的控制部分是由ABS主控單元完成的。

因此ABS主控單元必須符合下列要求：

(1)具有高速處理傳感器信號的能力

由于一些比較低端的傳感器只有信號傳輸能力而本身沒有計算能力，所以傳感器的信號處理工作往往由主控單元來完成。在車輛速度較高的情況下，從傳感器端輸入信號的速度也會提高，而且一般的系統(tǒng)需要同時處理至少四個輪速信號。為了及時處理這些信號信息，主控單元必須有較強(qiáng)的信號處理能力。

(2)高速計算的能力

ABS的主控單元肩負(fù)著執(zhí)行預(yù)定算法的能力。它需要根據(jù)車輪的速度信息計算出汽車的各種狀態(tài)信息，如車速、車加速度、滑移率等等，并根據(jù)此信息搜尋算法中的與之相符的狀態(tài)，然后根據(jù)此狀態(tài)預(yù)設(shè)的算法計算出應(yīng)采取的各種動作和參數(shù)。這一切都需要在極短的時間內(nèi)完成，所以要求主控單元有較強(qiáng)的計算能力。通常會在此單元上采用至少一顆16位微控制器。

(3)快速有效執(zhí)行的能力

ABS必須在車輛高速的狀態(tài)下也能起到相應(yīng)的作用，也就是要不斷完成加壓、保壓、減壓這個過程以控制車輛的行駛狀態(tài)，所以執(zhí)行器件也必須快速有效。

(4)處理大電流的能力

由于ABS要控制多達(dá)八個閥門的運(yùn)動，整個系統(tǒng)的峰值電流會達(dá)到一個較高的值，所以主控單元必須要有處理大電流的能力，比如器件要能通過較大的容量，器件和系統(tǒng)要有較強(qiáng)的散熱能力。

(5)與其它系統(tǒng)通訊的能力

ABS的輪速信息經(jīng)常要被其他系統(tǒng)所利用，所以ABS和其他系統(tǒng)之間經(jīng)常需要交換信息。另外，當(dāng)ABS被擴(kuò)展成牽引力控制系統(tǒng)(TCS)或者電子穩(wěn)定系統(tǒng)(有ESC/ESP/VSC/DSC等不同名稱，下文中將采用ESC這一名稱)時，需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行控制，所以需要與發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)間的通訊。因此，ABS主控單元應(yīng)該包括CAN或LIN接口。

(6)系統(tǒng)診斷監(jiān)控和失效保護(hù)性能

ABS是汽車最重要的安全系統(tǒng)之一，它的性能往往關(guān)系著車內(nèi)乘員的生命安全。所以它必須能對自身進(jìn)行診斷和監(jiān)控，即使在失效時也能提供緊急的替代和保護(hù)措施，以保證車輛不會失控。

上面已經(jīng)提及，ABS是車輛制動系統(tǒng)智能化的基本形式，如在此基礎(chǔ)上增加一些額外的設(shè)備和功能，它可以擴(kuò)展成其他的系統(tǒng)，在此將簡單介紹一下汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)。與ABS只在制動時起作用不同，ESC可以實時地監(jiān)控車輛的行駛狀態(tài)并在車輛出現(xiàn)失控可能之前通過調(diào)節(jié)相應(yīng)車輪上的制動力和發(fā)動機(jī)的牽引力來及時糾正行車狀態(tài)，做到防范于未然。所以ESC系統(tǒng)需要更多的傳感器，除了輪速傳感器外通常還包括橫擺角傳感器、橫向加速度傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。另外，ESC還需要增加4個閥門以控制相同回路中液壓液的流向。由于ESC系統(tǒng)要實時處理復(fù)雜的行車狀況，它的軟件系統(tǒng)也更加龐大和復(fù)雜，這就要求它要有更快信號處理和計算能力，以及更快的響應(yīng)速度。

針對ABS/ESC的這些要求，作為一個能提供完整產(chǎn)品鏈的芯片供應(yīng)商，英飛凌公司結(jié)合了與世界各主要ABS/ESC供應(yīng)商幾十年合作開發(fā)的成功經(jīng)驗推出了自己的參考解決方案。

目前有三種常用的ABS控制策略用于控制車輪制動壓力，分別是單輪控制、低選控制和高選控制。具體介紹如下。

制動防抱死系統(tǒng)單輪控制

要使車輛實現(xiàn)最大的制動強(qiáng)度，首先需保證每個車輪都最大程度地利用了可用的附著系數(shù)。針對每個車輪的獨(dú)立控制策略可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。為此，每個車輪都有一套傳感器用于信號測量及其參數(shù)計算，都有各自的制動管路以實現(xiàn)對每個車輪制動壓力的獨(dú)立控制，而與其他車輪的工作情況無關(guān)。

缺點(diǎn)：在左右車輪附著系數(shù)岸不同的路面上，如單側(cè)光滑的路面，由于左右制動力差別較大，會產(chǎn)生很大的橫擺力矩，使車輛運(yùn)動不穩(wěn)定，一定程度上使得單輪獨(dú)立控制可獲得最大制動強(qiáng)度的優(yōu)勢被削減。

制動防抱死系統(tǒng)低選控制

所謂低選控制就是對同一車軸兩側(cè)車輪同時施加制動壓力控制，大小由附著系數(shù)低的那側(cè)車輪來決定。

這種控制策略可以通過安裝于每個車輪上的傳感器或安裝于差速器驅(qū)動齒輪上的傳感器完成。

采用低選控制策略，雖不能充分發(fā)揮行駛于高附著系數(shù)路面上的那側(cè)車輪的附著能力，但卻能獲得較大的轉(zhuǎn)彎側(cè)向力。并且由于左右車輪的制動力相差不多，車輛不會產(chǎn)生橫擺，保證了車輛的穩(wěn)定性。由于上述優(yōu)點(diǎn)，低選控制廣泛適用于后軸車輪的制動控制。

制動防抱死系統(tǒng)高選控制

高選控制是由高附著系數(shù)路面上的那側(cè)車輪來決定車橋兩側(cè)車輪的制動壓力，因此每個車輪上均需分別安裝傳感器。

優(yōu)點(diǎn)：與低選控制相比，高選控制可獲得更高的制動強(qiáng)度。

缺點(diǎn):低附著路面上的那個車輪可能會抱死，因而導(dǎo)致車輛喪失轉(zhuǎn)向能力。由于作用于兩側(cè)的制動力不等，還會產(chǎn)生橫擺力矩。但因高選控制能獲得較高的制動強(qiáng)度，這種控制方式通常用于前軸車輪的制動控制。

防抱死制動系統(tǒng)（ABS）的控制方法有多種，比如PID控制方法、最優(yōu)控制方法、滑模變結(jié)構(gòu)控制方法、模糊控制方法、魯棒控制方法等。

有文獻(xiàn)研究了其中的4中控制方法，對比發(fā)現(xiàn)單一的控制系統(tǒng)很難兼顧魯棒性和控制精度，同時從實施的角度，難易也各不相同。模糊控制可實施性好，魯棒性強(qiáng)，但控制精度略差?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)與模糊控制相類似，精度有所提高，但是以系統(tǒng)的高速切換為代價，對作動系統(tǒng)的要求較高。PID簡單實用，精度較好，但魯棒性要差些，實施成本也高些。傳統(tǒng)邏輯門限控制需要較多的經(jīng)驗摸索，算法實施復(fù)雜，但硬件成本低。

所以適當(dāng)結(jié)合不同的控制方法應(yīng)該可以得到比較好的控制效果，如模糊 PID，結(jié)合模糊的魯棒性和PID的控制精度等。