基于dsPIC30F5011的ABS電子控制器設(shè)計

0 引言
汽車防抱死制動系統(tǒng)又稱 ABS，是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點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，來不及分步緩剎，只能一腳踩死，這時車輪容易抱死，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狀況；而裝有ABS的車，當車輪即將到達下一個鎖死點時，剎車在一秒內(nèi)可作用60 至120 次，相當于不停地剎車、放松，即相似于機械的“點剎”。因此，可以避免在緊急剎車時方向失控及車輪側(cè)滑，使車輪在剎車時不被鎖死，輪胎不在一個點上與地面摩擦，加大了摩擦力，使剎車效率達到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 制動原理和控制器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對某車型選用具有強大數(shù)據(jù)處理功能的dsPIC30F5011 單片機，結(jié)合ABS系統(tǒng)芯片，完成了ABS_ECU 硬件設(shè)計，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行了仿真實驗，得到了良好的效果。
1 ABS制動原理
在汽車的制動過程中，使汽車制動而減速行駛的外力是路面作用于輪胎胎面上的地面制動力，但地面制動力取決于兩個摩擦副的摩擦力：一是制動裝置對車輪的摩擦力，即制動器制動力；另一個是輪胎與路面間的摩擦力，即地面附著力。只有當汽車有足夠的制動器制動力及地面附著力時，才能獲得足夠的地面制動力[2]。汽車制動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滑動，這種滑移的程度由滑移率來表示：

汽車制動時，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，橫向和縱向的附著系數(shù)都比較大，而大量的研究試驗也表明，此時汽車的制動效果最好。
ABS 在汽車制動過程中，當車輪趨于抱死，迅速降低制動系統(tǒng)的壓力，使車輪滑移率恢復到靠近理想穩(wěn)定區(qū)，通過自動、高頻率的對制動系統(tǒng)壓力進行調(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)，從而實現(xiàn)防止車輪抱死并獲得最佳制動效能[3]。
2 ECU硬件設(shè)計
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、輪速信號處理、處理器（單片機）、電磁閥驅(qū)動器和ABS 故障檢測等部分。

輪速信號處理模塊將輸入的模擬輪速信號進行變換處理，得到規(guī)則的數(shù)字輪速輸入到處理器中，由處理器計算并判斷各輪是否正趨于抱死；電磁閥驅(qū)動監(jiān)控模塊放大來自處理器的電磁閥控制信號，使其能夠驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)（制動壓力調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)制動壓力使輪速處于不斷循環(huán)的增壓-保壓－減壓狀態(tài)，同時將當前電磁閥控制信號反饋至處理器來監(jiān)控控制邏輯。
2.2 處理器選型和設(shè)計
ECU 最關(guān)鍵的部分是處理器，目前大多采用16 位單片機作為ECU 的處理器，其一方面采集輪速信號進入ABS 算法處理，另一方面發(fā)送電磁閥控制指令到執(zhí)行機構(gòu)，對車輪進行增壓－保壓－減壓處理；同時它還外擴了故障檢測、電磁閥監(jiān)控部分，保證了ECU 正常運行。無論是輪速采集和算法處理，還是對車輪制動壓力的控制，都對核心處理器有較高要求：實時性強、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)字信號控制器，既具備了單片機的控制功能，也結(jié)合了DSP 的數(shù)字信號的處理能力。該芯片內(nèi)含完整的DSP 引擎：包含1 個高速的16×16 的整數(shù)乘法器、1 個40 位的ALU、2 個40 位的飽和累加器以及1 個40 位的雙向移位器，能夠明顯提高芯片計算能力。指令系統(tǒng)分成兩類：單片機類和DSP 類。采用單級指令預(yù)取機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，對單片機進行程序編輯、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，根據(jù)設(shè)置的采集方式可以準確地偵測輪速信號的狀態(tài)，經(jīng)過ABS 算法后，通過8 路I/O 口輸出電磁閥控制信號，同時將電磁閥狀態(tài)由8 路I/O 口反饋到處理器，形成一個閉合回路用來監(jiān)控算法的控制邏輯。同時，采用一個PWM 口輸出報警燈信號，通過設(shè)置報警燈的閃爍頻率來判斷故障類別。來自剎車板的制動信號經(jīng)光耦隔離進入到單片機中。有效的制動信號是進入ABS 算法的一個入口條件。

2.3 輪速的采集和處理
電磁波動式輪速傳感器將輪速轉(zhuǎn)換成正比于輪速的正弦信號，一般輪速信號的頻率低于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，所以需要信號變換電路將變換后的輪速信號輸入到處理器中。本設(shè)計采用了4 通道的輪速采集，經(jīng)LM324A 放大輪速信號，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，即為方波，便可輸入到處理器中。
2.4 電磁閥控制信號的輸出和處理