ABS和ASR在汽车上的应用分析研究Word文档格式.docx

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目录

1引言5

2ABS/ASR的应用及基本原理5

2.1ABS的应用5

2.2ABS的基本原理6

2.3ABS控制方法的分析7

2.4ASR的应用9

2.5ASR的基本原理9

3ABS/ASR的国内外发展状况12

3.1国外发展状况13

3.2国内发展状况13

4ABS/ASR的发展趋势15

4.1ABS/ASR控制技术的提高15

4.2控制功能的扩展和集成16

4.3与其他控制系统的信息交换和共享，提高整体控制性能17

5总结19

6参考文献20

致谢21

1引言

汽车制动防抱死系统（AntilockBrakingSystem），简称ABS，是汽车主动安全装置的代表，其作用是在制动过程中防止车轮抱死，提高车辆在制动过程中的方向稳定性、转向控制能力和缩短制动距离，使汽车制动更为安全有效。

汽车驱动防滑系统（Anti-slipRegulation），简称ASR，也是一种主动安全装置，可根据车辆的行驶行为使车辆驱动轮在恶劣路面或复杂路面条件下得到最佳纵向驱动力，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过份滑转，使得汽车在驱动过程中保持方向稳定性和转向操纵能力及提高加速性能等。

故又称为牵引力控制系统（TractionControlSystem），即TCS系统。

ASR可视为ABS在技术上的自然延伸。

在装备了ABS的汽车上，添加了发动机输出力矩的调节和驱动轮制动压力的调节功能后，ABS所用的车轮转速传感器和压力调节器可全部为ASR所利用。

ASR和ABS在算法上相类似，许多程序模块可以通用，大大简化了程序结构，节省存储空间。

因而在实际应用中可以把两者集成在一起，并将它们的控制逻辑也集成在一个控制器中，形成ABS/ASR集成系统。

基于ABS/ASR集成系统，可以开发出更多的车辆电子控制系统。

例如电子制动力分配系统（Electronicbrakingforcedistribution，EBD），汽车行驶稳定性控制系统（Electronicstabilityprogram，ESP），下坡辅助控制系统（Downhillassistcontrol，DAC），坡道起步辅助控制系统（Hill-startassistcontrol，HAC），转向制动控制系统（Corneringbrakecontrol，CBC），汽车信息记录仪（Eventdatarecorder，EDR）等汽车驱动防滑系统（Anti-slipRegulationSystem，简称ASR）是在汽车制动防抱死系统（AntilockBrakingSystem，简称ABS）的基础上发展起来的。

在装备了ABS的汽车上添加发动机输出力矩的调节功能和驱动轮制动压力的调节功能后，ABS所用的车轮转速传感器和压力调节器可全部为ASR所利用。

ASR和ABS在算法上很相似，许多程序模块可以通用，因而在实际应用中可以把两者集成在一个控制器中，组成ABS/ASR集成系统。

2ABS/ASR的应用及基本原理

2.1ABS的应用

制动性能是汽车主要性能之一，它关系到行车安全性。

评价一辆汽车的制动性能最基本的指标是制动加速度、制动距离、制动时间及制动时方向的稳定性。

制动时方向的稳定性，是指汽车制动时仍能按指定的方向的轨迹行驶。

如果因为汽车的紧急制动（尤其是高速行驶时）而使车轮完全抱死，那是非常危险的。

若前轮抱死，将使汽车失去转向能力；

若后轮抱死，将会出现甩尾或调头（跑偏、侧滑）尤其在路面湿滑的情况下，对行车安全造成极大的危害。

世界上第一台防抱死制动系统[1]ABS（Ant-ilockBrakeSystem）,在1950年问世，首先被应用在航空领域的飞机上，1968年开始研究在汽车上应用。

70年代，由于欧美七国生产的新型轿车的前轮或前后轮开始采用盘式制动器，促使了ABS在汽车上的应用。

1980年后，电脑控制的ABS逐渐在欧洲、美国及亚洲日本的汽车上迅速扩大。

到目前为止，一些中高级豪华轿车，如西德的奔驰、宝马、雅迪、保时捷、欧宝等系列，英国的劳斯来斯、捷达、路华、宾利等系列，意大利的法拉利、的爱快、领先、快意等系列，法国的波尔舍系列，美国福特的TX3、30X、红慧星及克莱斯勒的帝王、纽约豪客、男爵、道奇、顺风等系列，日本的思域，凌志、豪华本田、奔跃、俊朗、淑女300Z等系列，均采用了先进的ABS。

到1993年，美国在轿车上安装ABS已达46%，现今在世界各国生产的轿车中有近75%的轿车应用ABS。

2.2ABS的基本原理

ABS（Anti-lockBrakingSystem，即防抱死制动系统）是在制动期间控制和监视汽车速度的电子控制系统。

在汽车制动的过程中，它通过常规制动系统起作用，能够自动地控制车轮在旋转方向上的打滑，并把相应的滑移率控制在最佳范围之内，可提高汽车的主动安全性。

在汽车的制动过程中，使汽车制动而减速行驶的外力是路面作用于轮胎胎面上的地面制动力。

但地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：

一是制动装置对车轮的摩擦力，即制动器制动力；

另一个是轮胎与路面间的摩擦力，即地面附着力。

只有当汽车有足够的制动器制动力及地面附着力时，才能获得足够的地面制动力。

汽车制动过程中，车速和车轮转动线速度（轮速）之间存在着速度差[2]，也就是车轮与地面之间有滑移现象。

一般用滑移率S来表示滑移的程度

式中：

u—车速；

w—轮速。

试验和理论分析表明：

在制动过程中，滑移率S是与制动的距离、制动时的方向可控性和制动的平稳性密切相关的可控制的量。

其原因在于滑移率与汽车和地面间的纵向附着系数μB及侧向附着系数μS的关系呈一定的非线性曲线关系，见图1制动控制区。

滑移率S=0时，汽车处于非制动状态，纵向附着系数μB=0，侧向附着系数μS处于最大值；

汽车处于制动状态时，μB随滑移率S的增大而增大，μS随滑移率S的增大而减小，当滑移率S达到某个数值时，μB达到最大，这时的滑移率称为最佳滑移率（用SK表示）；

之后随着滑移率的增大，μB和μS不断减小，滑移率S=100%时，车轮完全抱死，μB降到一数值，μS≈0纵向附着力不大，侧向附着能力几乎尽失，汽车的制动稳定性、方向稳定性和转向能力将完全丧失。

图1附着系数μB和μS及滑移率S之间的关系

滑移率S在0～Sk区间，可保证稳定制动，称为稳定区；

在Sk至100%区间为不稳定区，当滑移率S超过Sk后，车轮很快就会进入抱死状态。

当滑移率S处于10%～30%之间时，纵向附着系数μB处于峰值范围，侧向附着系数μS也比较大，可以同时得到较大的纵向和侧向附着力，是安全制动的理想工作区域。

ABS的基本原理就是通过调节制动管路的压力，控制车轮制动器的制动力，使汽车在紧急制动时，轮速保持在适当的范围内，车轮滑移率控制在10%～30%的稳定制动区段上，车轮不被抱死，既能保持最大的制动力，又能充分利用车轮附着力，大大提高制动效能。

2.3ABS控制方法的分析

轮胎一道路接触面之间的附着系数和滑移率是影响制动效果的重要参数。

现有ABS实用技术还不能直接测量轮胎一道路附着系数和滑移率，这是因为测量轮胎一道路附着系数需要使用五轮仪，测量汽车实际速度需要使用价格昂贵的多普勒雷达或加速度传感器，因此防抱死制动系统普遍采用一些间接方式来实现近似理想的控制过程。

实现ABS的控制过程目前有几种不同的控制方法[3]：

2.3.1逻辑阈值控制算法

目前车辆上采用比较广泛的一种控制算法是基于车轮加、减速度阈值及参考滑移率的方法。

虽然轮胎一道路附着系数不同的路面上的控制过程有所不同，但是其控制原理基本相同，下面以图中所示的高附着系数路面的制动过程为例，说明逻辑阈值控制方法。

在制动初始阶段，车轮制动分泵的制动液压力随着制动踏板力升高而升高，车轮滚动的圆周速度υw降低、减速度增加，如图第1阶段曲线所示。

当减速度增加到设定阈值-α时，ABS控制器发出指令，使相应的电磁阀转换到“保持压力”状态，控制过程进入第2阶段，此时制动分泵压力保持不变。

因为减速度刚刚超过设定阈值时，车轮还工作在μ-λ曲线的稳定区域，所以滑移率较小，且小于设定阈值λ1。

滑移率利用参考车速υref计算求得，称为参考滑移率。

参考车速由ABS控制器根据存储器中存储的制动开始时的车轮速度确定，并按设定的斜率（该斜率略大于纵向附着系数最大值所对应的汽车减速度值）下降。

在制动过程中，任意时刻的参考滑移率可由参考车速计算得出。

在保压过程中，参考滑移率会增大，当参考滑移率大于滑移率阈值时，ABS控制器发出指令，使相应的电磁阀转换到“压力降低”状态，控制过程进入第3阶段。

制动压力降低后，在汽车惯性力作用下，车轮减速度开始回升。

当减速度回升到高于减速度阈值-α时，ABS控制器发出指令，使相应电磁阀转换到“压力保持”状态，控制过程进入第4阶段。

在制动部件控制器及制动液的惯性作用下，车轮开始加速，加速度由负值迅速增加到正值，直到超过加速度阈值+α。

加速度继续升高，当加速度超过更大的加速度阈值+α’时，ABS控制器发出指令，使相应电磁阀转换到“压力升高”状态，控制过程进入第5阶段。

制动压力升高后，车轮加速度降低，当加速度降低到低于加速度阈值+α’时，ABS控制器发出指令，使相应的电磁阀转换到“压力保持”状态，控制过程进入第6阶段。

因为此时车轮加速度高于设定阈值+α，说明车轮工作在μ-λ曲线的稳定区域，且制动力不足，所以当加速度降低到设定阈值+α时，ABS控制器将发出指令，使相应的电磁阀在“压力升高”和“压力保持”状态之间交替转换，控制过程进入第7阶段，使车轮速度降低，加速度减小，当加速度降低到减速度阈值-α时，控制过程进入第8阶段。

ABS的第二个控制周期控制过程与上述相同。

综上所述，逻辑控制就是把车轮的加速度分为-α、+α、+α’几个阈值，再辅之以滑移率阈值来判定车轮是否工作在附着系数一滑移率（μ-λ）曲线的稳定区域，并通过调节制动分泵的制动液压力，将车轮滑移率控制在稳定区域范围内来获得制动性能的。

因为ABS的动态特性和路面条件都在较大范围内连续变化，而逻辑控制把这些变化分为有限的几种状态（三种状态）。

显然，不能期望逻辑控制算法在不同路面条件下都能达到最佳制动效果，所有的阈值都是根据所用车型和路面特性在反复的大量实验的基础上确定的，所以所用的阙值不能通用，而且反复的路试耗资巨大。

但是逻辑控制算法的好处是避免了一系列繁杂的理论分析，简化了控制器的设计。

2.3.2基于滑移率的PID控制算法[4]

为了进一步提高ABS的控制性能，许多人都在研究基于滑移率的控制系统。

用滑移率作为控制目标容易实现连续控制，并能提高ABS在制动过程中的平顺性，而且也不需要做大量试验来获得阈值等控制参数，因此实用前景广泛。

实现连续控制的最简单算法是PID（即比例、积分、微分）控制，只要适当地调节整定比例系数kp、积分系数ki及微分系数kd即可。

设滑移率的设定目标为λ0，则控制误差为

e=λ-λ0

PDI的控制规律可表示为:

比例环节用以校正系统偏差，积分环节用以消除系统静差，微分环节反映偏差信号变化趋势，用以加快系统的动作速度，减小调节时间。

因此按照上式，根据ABS动态系统特性，确定出一组最佳的控制参数kp、k1、k4，可使车轮的滑移率以最快的方式趋近设定目标λ0。

λ0根据各种不同路况综合进行选取。

任意时刻的滑移率由此时车轮转速和参考车速进行计算。

2.4ASR的应用

在汽车行驶过程中，时常会出现车轮转动而车身不动，或者汽车的移动速度低于驱动轮轮缘速度的情况，这时，意味着轮胎接地点与地面之间出现了相对滑动，我们把这种滑动称为驱动轮的“滑转”，以区别于汽车制动时车轮抱死而产生的车轮“滑移”。

驱动车轮的滑转，同样会使车轮与地面的纵向附着力下降，从而使得驱动轮上可获得的极限驱动力减小，最终导致汽车的起步、加速性能和在湿滑路面上通过性能的下降。

同时，还会由于横向摩擦系数几乎完全丧失，使驱动轮上出现横向滑动，随之产生汽车行驶过程中的方向失控。

驱动力控制系统（TractionControlSystem，简称TCS或TRC）又称驱动轮防滑转调节系统（Anti－SlipRegulation，简称“ASR），它是继防抱死制动系统（ABS）之后，设置在汽车上专门用来防止驱动轮起步、加速和在湿滑路面行驶时滑转的电子驱动力调节系统。

它可以在驱动状态下，通过计算机帮助驾驶员实现对车轮运动方式的控制，以便在汽车的驱动轮上获得尽可能大的驱动力，同时保持汽车驱动时的方向控制能力，改善燃油经济性，减少轮胎磨损。

2.5ASR的基本原理

2.5.1ASR的组成[5]

ASR由ECU、执行器（制动压力调节器、节气门驱动装置）、传感器（车轮车速传感器、节气门开度传感器）等组成。

2.5.2ASR的工作原理

汽车的行驶受行驶牵引力和附着力的限制，即要满足

∑Ff≦F1≦F∮

式中[6]：

∑Ff——汽车行驶阻力；

∑FfF1——汽车牵引力；

F∮——汽车附着力。

如果路面的附着系数很小，容易使汽车的牵引力超过轮胎与路面间的附着极限（即Ft>

Fφ），产生驱动轮过度滑转，后轮驱动的汽车将可能甩尾，前轮驱动的汽车则容易方向失控，导致汽车向一侧偏移。

驱动防滑的基本原理与制动防滑相似，根据地面附着系数和车轮滑移率的关系曲线（见图1驱动控制区），把车轮滑移率控制在一定范围内，提高地面附着力的利用率，改善驱动性能。

汽车打滑是指汽车车轮的滑转，车轮的滑转率又称滑移率。

驱动车轮的滑移率Sd=

×

100%，式中vc是车轮圆周速度；

v是车身瞬时速度。

目前，ASR常用的控制方法有种：

一是调整发动机加在驱动轮上的转矩的发动机控制。

汽油机常通过控制燃油喷射量、点火时间、节气门开度来减低其输出转矩；

柴油机常通过控制燃油喷射量来减低其输出转矩。

二是对发生打滑的驱动轮直接施加制动的制动控制。

如果驱动轮在不同附着系数的路面上，通过对打滑的驱动轮实施制动，降低滑移率，提高驱动力。

对于附着系数相同的路面，可通过发动机控制来实现防驱动轮打滑，也可对打滑的两驱动轮实施制动；

为防止制动蹄过热，当车速高于一定值时，制动控制将不起作用，要依靠发动机控制。

ASR与ABS有十分密切的联系，是ABS的自然延伸。

二者在技术上比较接近，部分软、硬件可以共用。

ABS所用的传感器和压力调节器均可为ASR所利用，ABS的电子控制装置只需要在功能上进行相应的扩展即可用于ASR装置。

在ABS的基础上，只需添加ASR电磁阀，即可对过分滑转的车轮实施制动。

对电控发动机来说，通过总线就可控制发动机的输出力矩。

非电控发动机，只需增加一些传感器和执行机构，就可控制发动机的输出力矩。

基于此，通常把二者有机地结合起来，形成汽车ABS/ASR防滑控制系统。

2.5.3ASR系统的执行机构

（1）制动压力调节器[7]

ASR的制动压力调节器执行ASRECU的指令对滑转车轮施加制动力和控制制动力的大小，以使滑转车轮的滑转率在目标范围内。

ASR的压力源是蓄压器，通过电磁阀来调节驱动车轮的制动压力。

ASR制动压力调节器结构形式有：

单独方式和组合方式。

①单独方式

ASRECU通过电磁阀的控制实现对驱动轮制动力的控制，控制过程如下：

正常制动时ASR不起作用，电磁阀不通电，阀在左位，调压缸的活塞被回位弹簧推至右边极限位置。

此时调压缸右腔与储液室相通而压力低，左腔通过活塞使ABS制动压力调节器与车轮制动分泵相通，因此ASR不起作用且对ABS无任何影响。

起步或加速时若驱动轮出现滑转需要实施制动时，ASR使电磁阀通电，阀至右位，蓄压器中的制动液推活塞左移。

此时调压腔右腔与储液室隔断而与蓄压器接通，蓄压器中的制动液推活塞左移使与ABS制动压力调节器的通道封闭。

活塞左移使左腔压力增大，驱动车轮制动分泵压力升高。

压力保持过程：

此时电磁阀半通电，阀在中位，调压缸与储液室和蓄压器都隔断，于是活塞保持原位不动，制动压力保持不变。

压力降低过程：

此时电磁阀断电，阀回左位，使调压腔右腔与蓄压器隔断而与储液室接通，于是调压缸右腔压力下降，制动压力下降。

②组合方式

ASR制动压力调节器与ABS制动压力调节器组合在一起

图2-11-输液泵2-ABS/ASR制动压力调节阀3-电磁阀4-蓄压器5-压力开关

6-循环泵7-储液器8-电磁阀A9-电磁阀B10、11驱动车轮制动器

ASR不起作用时，电磁阀Ⅰ不通电，ABS起制动作用并通过电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅲ来调节制动压力。

驱动轮滑转时，ASR控制器使电磁阀Ⅰ通电，阀移至右位，电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅲ不通电，阀仍在左位，于是，蓄压器的压力油通入驱动轮制动泵，制动压力增大。

需要保持驱动轮制动压力时，ASR控制器使电磁阀Ⅰ半通电，阀至中位，隔断蓄压器及制动总泵的通路，驱动轮制动分泵压力保持不变。

需要减小驱动轮制动压力时，ASR控制器使电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅲ通电，阀移至右位，接通驱动车轮制动分泵与储液室的通道，制动压力下降。

2.5.4节气门驱动装置

ASR控制系统通过改变发动机辅助节气门的开度来控制发动机的输出功率。

节气门驱动装置由步进电机和传动机构组成。

步进电机根据ASR控制器输出的控制脉冲转动规定的转角，通过传动机构带动辅助节气门转动。

ASR不起作用时，辅助节气门处于全开位置，当需要减少发动机驱动力来控制车轮滑转时，ASR控制器输出信号使辅助节气门驱动机构工作，改变辅助节气门开度。

3ABS/ASR的国内外发展状况

3.1国外发展状况

早在1928年防抱死制动理论就被提出。

BOSCH公司在1936年第一个获得了防抱死制动系统的专利权。

1954年，FORD公司将ABS装在林肯轿车上。

这一时期的各种ABS的轮速传感器和制动压力调节装置都是机械式，因此，获取的轮速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难以保证。

随着电子技术的发展，ABS进入电子控制时代。

20世纪60年代后期到70年代初期，凯尔塞·

海伊斯公司研制生产的两轮制动的ABS、克莱斯勒公司与BENDIX公司合作研制的四轮制动的ABS、BOSCH和TEVES公司研制的ABS、WABCO公司与BENZ公司合作研制的装备在气压制动的载货汽车上的ABS，都是由模拟式电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对各制动轮以电子控制压力进行调节。

由于模拟式电子控制装置反应速度慢、控制精度低、易受干扰，致使各种ABS均未达到预期的控制效果。

20世纪70年代后期，ABS采用数字式电子技术，反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，ABS进人实用化阶段。

BOSCH公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的ABS——BOSCHABS2。

自此，欧、美、日的许多公司相继研制了形式多样的ABS。

自1985年起，BOSCH、TEVES、BENDIX、WABCO等公司开始对ABS的生产大力投资，以满足汽车对ABS需要量增加的要求。

目前，国际上ABS在汽车上的应用越来越广泛，已成为绝大多数汽车的标准装备，北美和西欧的各类客车和轻型载货汽车，ABS的装备率已达90%以上，轿车ABS的装备率在60%左右，运送危险品的载货汽车ABS的装备率为100%。

1971年BUICK公司研制了由电子控制装置自动中断发动机点火[8]，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱死系统，成为ASR的雏形。

1985年，VOLVO公司试制了电子牵引力控制系统ETC（ElectronicTractionControl），通过调节燃油供给量来调节发动机输出转矩，以控制驱动轮滑转率，产生最佳驱动力。

1986年，BOSCH推出了该公司的第一个牵引力控制系统TCS。

仅依靠调节发动机输出转矩不能解决汽车在对开路面上很好地起步加速的问题。

为了解决这一问题，需要对附着不好的一侧驱动轮施加部分制动，以充分发挥附着条件较好的一侧的地面驱动力。

随着ABS技术的不断发展和成熟，利用ABS压力调节系统可实现这一目标。

采用制动干预控制的ASR系统通常都是同ABS集成在一起的，形成ABS/ASR系统。

1986年12月，BOSCH公司第一次将ABS与ASR结合起来，率先推出了具有防抱死制动和驱动防滑转功能的防滑控制系