汽車電子控制系統(tǒng)ABS/ASR的工作原理、特點及發(fā)展

作者：任少卿，陳慧巖，黃江波，宋士偉

1ABS/ASR的基本原理

1.1ABS的基本原理

ABS（Anti-lockBrakingSystem，即防抱死制動系統(tǒng)）是在制動期間控制和監(jiān)視汽車速度的電子控制系統(tǒng)。在汽車制動的過程中，它通過常規(guī)制動系統(tǒng)起作用，能夠自動地控制車輪在旋轉方向上的打滑，并把相應的滑移率控制在最佳范圍之內(nèi)，可提高汽車的主動安全性。

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。

汽車制動過程中，車速和車輪轉動線速度（輪速）之間存在著速度差，也就是車輪與地面之間有滑移現(xiàn)象。一般用滑移率S來表示滑移的程度

試驗和理論分析表明：在制動過程中，滑移率S是與制動的距離、制動時的方向可控性和制動的平穩(wěn)性密切相關的可控制的量。其原因在于滑移率與汽車和地面間的縱向附著系數(shù)μB及側向附著系數(shù)μS的關系呈一定的非線性曲線關系，見圖1制動控制區(qū)?；坡蔛=0時，汽車處于非制動狀態(tài)，縱向附著系數(shù)μB=0，側向附著系數(shù)μS處于最大值；汽車處于制動狀態(tài)時，μB隨滑移率S的增大而增大，μS隨滑移率S的增大而減小，當滑移率S達到某個數(shù)值時，μB達到最大，這時的滑移率稱為最佳滑移率（用SK表示）；之后隨著滑移率的增大，μB和μS不斷減小，滑移率S=100%時，車輪完全抱死，μB降到一數(shù)值，μS≈0縱向附著力不大，側向附著能力幾乎盡失，汽車的制動穩(wěn)定性、方向穩(wěn)定性和轉向能力將完全喪失。

滑移率S在0～Sk區(qū)間，可保證穩(wěn)定制動，稱為穩(wěn)定區(qū)；在Sk至100%區(qū)間為不穩(wěn)定區(qū)，當滑移率S超過Sk后，車輪很快就會進入抱死狀態(tài)。當滑移率S處于10%～30%之間時，縱向附著系數(shù)μB處于峰值范圍，側向附著系數(shù)μS也比較大，可以同時得到較大的縱向和側向附著力，是安全制動的理想工作區(qū)域。

ABS的基本原理就是通過調(diào)節(jié)制動管路的壓力，控制車輪制動器的制動力，使汽車在緊急制動時，輪速保持在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，車輪滑移率控制在10%～30%的穩(wěn)定制動區(qū)段上，車輪不被抱死，既能保持最大的制動力，又能充分利用車輪附著力，大大提高制動效能。

1.2ASR的基本原理

ASR（Anti-SlipRegulation，即驅動防滑系統(tǒng)）也叫自動牽引力控制TCS（TractionControlSystem），是一套在ABS基礎上發(fā)展起來，與ABS一起對打滑的驅動輪進行控制的系統(tǒng)。

汽車的行駛受行駛牽引力和附著力的限制，即要滿足

如果路面的附著系數(shù)很小，容易使汽車的牽引力超過輪胎與路面間的附著極限（即Ft＞Fφ），產(chǎn)生驅動輪過度滑轉，后輪驅動的汽車將可能甩尾，前輪驅動的汽車則容易方向失控，導致汽車向一側偏移。驅動防滑的基本原理與制動防滑相似，根據(jù)地面附著系數(shù)和車輪滑移率的關系曲線（見圖1驅動控制區(qū)），把車輪滑移率控制在一定范圍內(nèi)，提高地面附著力的利用率，改善驅動性能。

目前，ASR常用的控制方法有種：一是調(diào)整發(fā)動機加在驅動輪上的轉矩的發(fā)動機控制。汽油機常通過控制燃油噴射量、點火時間、節(jié)氣門開度來減低其輸出轉矩；柴油機常通過控制燃油噴射量來減低其輸出轉矩。二是對發(fā)生打滑的驅動輪直接施加制動的制動控制。如果驅動輪在不同附著系數(shù)的路面上，通過對打滑的驅動輪實施制動，降低滑移率，提高驅動力。對于附著系數(shù)相同的路面，可通過發(fā)動機控制來實現(xiàn)防驅動輪打滑，也可對打滑的兩驅動輪實施制動；為防止制動蹄過熱，當車速高于一定值時，制動控制將不起作用，要依靠發(fā)動機控制。

ASR與ABS有十分密切的聯(lián)系，是ABS的自然延伸。二者在技術上比較接近，部分軟、硬件可以共用。ABS所用的傳感器和壓力調(diào)節(jié)器均可為ASR所利用，ABS的電子控制裝置只需要在功能上進行相應的擴展即可用于ASR裝置。在ABS的基礎上，只需添加ASR電磁閥，即可對過分滑轉的車輪實施制動。對電控發(fā)動機來說，通過總線就可控制發(fā)動機的輸出力矩。非電控發(fā)動機，只需增加一些傳感器和執(zhí)行機構，就可控制發(fā)動機的輸出力矩?；诖耍ǔ０讯哂袡C地結合起來，形成汽車ABS/ASR防滑控制系統(tǒng)。

2ABS/ASR的國內(nèi)外發(fā)展狀況

2.1國外發(fā)展狀況

早在1928年防抱死制動理論就被提出。BOSCH公司在1936年第一個獲得了防抱死制動系統(tǒng)的專利權。1954年，F(xiàn)ORD公司將ABS裝在林肯轎車上。這一時期的各種ABS的輪速傳感器和制動壓力調(diào)節(jié)裝置都是機械式，因此，獲取的輪速信號不夠精確，制動壓力調(diào)節(jié)的適時性和精確性也難以保證。

隨著電子技術的發(fā)展，ABS進入電子控制時代。20世紀60年代后期到70年代初期，凱爾塞·海伊斯公司研制生產(chǎn)的兩輪制動的ABS、克萊斯勒公司與BENDIX公司合作研制的四輪制動的ABS、BOSCH和TEVES公司研制的ABS、WABCO公司與BENZ公司合作研制的裝備在氣壓制動的載貨汽車上的ABS，都是由模擬式電子控制裝置對設置在制動管路中的電磁閥進行控制，直接對各制動輪以電子控制壓力進行調(diào)節(jié)。由于模擬式電子控制裝置反應速度慢、控制精度低、易受干擾，致使各種ABS均未達到預期的控制效果。

20世紀70年代后期，ABS采用數(shù)字式電子技術，反應速度、控制精度和可靠性都顯著提高，ABS進人實用化階段。BOSCH公司在1978年首先推出了采用數(shù)字式電子控制裝置的ABS——BOSCHABS2。自此，歐、美、日的許多公司相繼研制了形式多樣的ABS。自1985年起，BOSCH、TEVES、BENDIX、WABCO等公司開始對ABS的生產(chǎn)大力投資，以滿足汽車對ABS需要量增加的要求。

目前，國際上ABS在汽車上的應用越來越廣泛，已成為絕大多數(shù)汽車的標準裝備，北美和西歐的各類客車和輕型載貨汽車，ABS的裝備率已達90%以上，轎車ABS的裝備率在60%左右，運送危險品的載貨汽車ABS的裝備率為100%。

1971年BUICK公司研制了由電子控制裝置自動中斷發(fā)動機點火，以減小發(fā)動機輸出轉矩，防止驅動車輪發(fā)生滑轉的驅動防抱死系統(tǒng)，成為ASR的雛形。1985年，VOLVO公司試制了電子牽引力控制系統(tǒng)ETC（ElectronicTractionControl），通過調(diào)節(jié)燃油供給量來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉矩，以控制驅動輪滑轉率，產(chǎn)生最佳驅動力。1986年，BOSCH推出了該公司的第一個牽引力控制系統(tǒng)TCS。

僅依靠調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出轉矩不能解決汽車在對開路面上很好地起步加速的問題。為了解決這一問題，需要對附著不好的一側驅動輪施加部分制動，以充分發(fā)揮附著條件較好的一側的地面驅動力。隨著ABS技術的不斷發(fā)展和成熟，利用ABS壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可實現(xiàn)這一目標。采用制動干預控制的ASR系統(tǒng)通常都是同ABS集成在一起的，形成ABS/ASR系統(tǒng)。1986年12月，BOSCH公司第一次將ABS與ASR結合起來，率先推出了具有防抱死制動和驅動防滑轉功能的防滑控制系統(tǒng)ABS/ASR2U裝置。同期，BENZ公司與WABCO公司也聯(lián)合開發(fā)出了應用在載貨汽車上的ABS/ASR系統(tǒng)。

此后，各大汽車公司紛紛開始應用ABS/ASR系統(tǒng)，使其成為頂級豪華車的標準配置。隨著各大公司不斷開發(fā)出結構更緊湊、成本更低、可靠性更強、功能更全面的ABS/ASR系統(tǒng)，ABS/ASR系統(tǒng)也逐漸應用于中、低檔汽車上。到1997年時，已經(jīng)有23家汽車廠商的近50種車型使用了ABS/ASR系統(tǒng)。

2.2國內(nèi)發(fā)展概況

國內(nèi)研究開發(fā)ABS起步較晚，約始于20世紀80年代中期。但我國對ABS的系統(tǒng)開發(fā)十分重視，制定相應的法規(guī)力促ABS的發(fā)展。1993年4月1日開始實施的GB13594-92《汽車防抱死制動系統(tǒng)性能要求和試驗方法》，為ABS成為標準裝備提供了試驗方法和依據(jù)。1999年10月1日實施的GB12676——1999《汽車制動系統(tǒng)結構、性能和試驗方法》規(guī)定：2003年10月1日以后，大型客車和大型載貨汽車必須安裝符合GB13594中規(guī)定的一類ABS。

目前，國內(nèi)研究ABS有代表性的科。研機構有以下幾個：吉林大學汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室、北京理工大學汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實驗室、清華大學汽車安全與節(jié)、能國家重點實驗室、華南理工交通學院汽車系、濟南程軍電子科技公司等。這些單位在ABS的仿真、控制量、輪速信號抗干擾處理、輪速信號異點剔除、防抱電磁閥動作響應等方面的研究取得了很多成果。同時對防抱死制動時、的滑移率的計算、滑移率和附著系數(shù)之間的關系及ABS的控制算法也有很深的研究。

國內(nèi)現(xiàn)在生產(chǎn)ABS的公司不少，但大多數(shù)公司是和國外著名ABS公司合作生產(chǎn)。完全自主生產(chǎn)開發(fā)ABS的有代表性的國內(nèi)公司有：廣州市科密汽車制動技術開發(fā)有限公司、重慶聚能汽車技術有限責任公司、東風科技汽車制動系統(tǒng)公司、西安博華機電股份有限公司等。已開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品有單通道、三通道、四通道、六通道的氣壓和液壓式的，適用于摩托車、轎車、大中型客車一、重型載貨汽車、掛車的ABS及相關零部件。這些ABS的制動性能指標達到了國外同類產(chǎn)品的水平，部分試驗數(shù)據(jù)優(yōu)于國外公司同類產(chǎn)品，在國內(nèi)占有一定的市場。

估計2005年我國新生產(chǎn)的中、重型載貨汽車，大、中型客車ABS的裝車率為100%，而小、微型客車ABS的裝車率為20％，轎車ABS裝車率為50%。

國內(nèi)對ASR的研究，大約開始于20世紀90年代。一些科研單位如清華大學、吉林工業(yè)大學、北京理工大學、同濟大學、上海交通大學、濟南重汽技術中心等對ASR技術的發(fā)展進行跟蹤、研究，并取得了階段性進展。目前，我國科研人員主要針對ASR控制系統(tǒng)的控制策略、控制算法、邏輯等關鍵環(huán)節(jié)進行研究。由于受電控發(fā)動機的限制，我國目前在ASR系統(tǒng)的控制理論方面大多側重于采用以制動控制為主、發(fā)動機控制為輔的控制方法?？偟膩碚f，距離產(chǎn)品化研究還有一定的差距。因此國內(nèi)尚無自主研發(fā)的集ABS和ASR為一體的ABS/ASR防滑控制系統(tǒng)產(chǎn)品出現(xiàn)。

3ABS/ASR的發(fā)展趨勢

3.1ABS/ASR控制技術的提高

目前，雖然ABS/ASR已經(jīng)廣泛應用，但控制方法還是以邏輯門限值控制為主。該控制方法雖比較簡單，但邏輯復雜，所有的門限值都需要大量的實驗來確定，調(diào)試起來很困難。而且，采用邏輯門限值控制的ABS/ASR系統(tǒng)通用性比較差，需要針對不同的車型重新開發(fā)。隨著各種現(xiàn)代控制理論不斷發(fā)展和完善，采用優(yōu)化控制理論，可實現(xiàn)伺服控制和高精度控制。將智能控制技術如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術應用到ABS/ASR系統(tǒng)中，可以提高系統(tǒng)的自適應性和可靠性。相對于目前的基于滑移率的控制算法，基于路面附著系數(shù)的控制算法容易實現(xiàn)連續(xù)控制，能適應各種路面變化，控制滑移率在最佳滑移率附近，使ABS/ASR的控制效果得以改善。

通過先進的測試手段可進一步完善ABS/ASR功能。例如，ABS控制車輪制動防滑時，車速沒有直接測量，而是通過輪速的波動情況估取參考車速作為車速，然后計算滑移率用以控制，所以，ABS控制時的滑移率不能保證其準確性。隨著傳感器制造和集成技術的發(fā)展，添加車身速度傳感器來測量車身速度，可提高ABS/ASR的控制效果。

線制動系統(tǒng)BBW（Brake-by-Wire）是制動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。BBW將傳統(tǒng)制動系統(tǒng)中的液壓油或空氣等傳力介質(zhì)完全由電制動取代，電能作為能量來源。制動時由電動機驅動制動鉗塊，整個系統(tǒng)內(nèi)沒有液、氣壓管路，可省略許多管路和傳感器，因而結構簡捷。BBW由電線傳遞能量，數(shù)據(jù)線傳遞信號，制動反應時間縮短，極大地提高了汽車的制動安全性，并為將來的智能汽車控制提供條件。此外，在電子控制系統(tǒng)中設計相應程序，操縱電控元件來控制制動力的大小及各軸制動力分配，可完全實現(xiàn)ABS及ASR等功能。BBW是一種全新的制動理念，但仍有一些問題需要解決：目前車輛的12V/24V電源系統(tǒng)無法提供如此大的能量，需采用高品質(zhì)的42V電源；因為不存在獨立的主動備用制動系統(tǒng)，因此需要一個備用系統(tǒng)保證制動安全；車輛在運行過程中會有各種干擾信號，如何消除這些干擾信號造成的影響是急需解決的問題。

電子制動系統(tǒng)EBS（ElectronicallyControlledBrakingSystem）是適應對汽車及掛車制動系統(tǒng)穩(wěn)定性逐步提高的要求，在ABS/ASR基礎上發(fā)展起來的一套綜合電子控制系統(tǒng)。它除了包含ABS/ASR的基本功能外，還具有以下特點：①EBS優(yōu)化了各車輪間、主車與掛車或半掛車間的制動力分配。通常，對于常規(guī)制動系統(tǒng)而言，牽引車和掛車之間的制動協(xié)調(diào)性不能總是處于理想的匹配狀態(tài)，尤其在與牽引車相配的掛車經(jīng)常更換的情況下。EBS會在任何狀態(tài)下監(jiān)控到主車與掛車的不兼容性，自動調(diào)整主車與掛車之間的制動力分配，滿足主車和掛車制動協(xié)調(diào)性的要求，改善車輛的安全性。前后橋襯片磨損協(xié)調(diào)，總磨損量達到最小，所有襯片更換間隔一致，縮短了維修時間，降低運行成本。同時，制動力的協(xié)調(diào)還可以增加制動舒適性。②EBS通過制動管理系統(tǒng)將輔助制動和行車制動統(tǒng)一管理。它確保在每一次制動時，實現(xiàn)無磨損制動（緩速器、發(fā)動機制動承擔大部分的制動工作，因此可以使行車制動器的溫度保持在一個最低的水平，制動襯片的磨損降低）。③改善了ABS/ASR的功能，改善了制動響應時間和車輛的制動反應，縮短了制動距離，改善制動穩(wěn)定性。舒適的制動感應，幾乎達到轎車的制動感受。④EBS具有完善的診斷和自檢測功能，可提供關于制動系統(tǒng)的即時信息，任何故障都可以被系統(tǒng)監(jiān)測到，并準確顯示以提示維修。維修專家據(jù)此排除故障。

目前，EBS在載貨汽車和客車上得到應用，是ABS/ASR在商用車領域的替代產(chǎn)品。ABS/ASR市場將逐漸減少，因為EBS將考慮用于輕型車。

3.2減小體積與質(zhì)量，簡化結構

汽車上加裝一些安全裝置，質(zhì)量隨之增加，對燃油經(jīng)濟性不利。所以，在保證安全性的前提下，盡量減少質(zhì)量。另外，不論是大型車還是小型車，其安裝空間都是非常緊湊的，因此要求ABS/ASR裝置的體積盡可能的小。減小ABS/ASR體積的主要途徑是優(yōu)化結構設計（如減小壓力調(diào)節(jié)器尺寸）、增加集成度。目前，經(jīng)過優(yōu)化的ABS已將制動主缸、壓力調(diào)節(jié)器和電控單元等集成為一體，從而大大減小了體積和成本。

3.3控制功能的擴展和集成

將各個功能不同的汽車電子控制系統(tǒng)集成，在實現(xiàn)各自基本功能的前提下，形成新的具有更強大功能的集成電控系統(tǒng)是汽車電子控制的必然趨勢。把其它控制系統(tǒng)擴展進來，成為綜合的汽車控制系統(tǒng)，是ABS/ASR系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前，ABS/ASR向以下幾個方向發(fā)展。

a.和電子制動力分配EBD（ElectricBrakeforceDistribution）集成，形成ABS/ASR/EBD系統(tǒng)，可以明顯改善并提高ABS的功效。EBD的功能就是在汽車制動的瞬間，高速計算出4個輪胎由于附著力不同而導致的摩擦力數(shù)值，然后調(diào)整制動裝置，使其按照設定的程序在運動中高速調(diào)整，達到制動力與摩擦力（牽引力）的匹配，以保證車輛的平穩(wěn)和安全。當緊急制動車輪抱死的情況下，EBD在ABS動作之前就已經(jīng)平衡了每一個輪胎的有效地面附著力，可以防止甩尾和側移，并縮短汽車制動距離。

b.和電子穩(wěn)定性程序ESP（ElectronicStabilityProgram）系統(tǒng)集成，形成ABS/ASR/ESP綜合控制系統(tǒng)，可解除汽車制動、起步和轉向時對駕駛員的高要求。ESP又稱汽車動態(tài)控制VDC（VehicleDynamicsControl）。1995年，BOSCH推出基于ABS/ASR系統(tǒng)開發(fā)出的電子穩(wěn)定性程序ESP。ESP在吸收ABS/ASR優(yōu)點的基礎上，添加轉向傳感器、側滑傳感器、橫向加速度傳感器和橫擺角速度傳感器等傳感器，具有啟動對制動力和汽車行駛方向進行修正、補償?shù)墓δ堋SP通過對各傳感器傳來的車輛行駛狀態(tài)信息進行分析，使ABS/ASR自動地向一個或多個車輪施加制動力，將車輛保持在駕駛者所選定的車道內(nèi)，來幫助車輛維持動態(tài)平衡。因此，可以使車輛在各種狀況下保持最佳的穩(wěn)定性，在轉向過度或轉向不足的情形下效果更加明顯。

c.和汽車巡航自動控制ACC（AdaptiveCruiseControl）系統(tǒng)集成，形成ABS/ASR/ACC綜合控制系統(tǒng)，可解除汽車制動、起步和保持安全車距方面對駕駛員的高要求。ACC裝置是近年來發(fā)展起來的一項汽車主動安全技術。裝備ACC裝置，可自動根據(jù)主目標車輛與主車車輛的相對距離、相對速度和路面狀況參數(shù)，判定主車的理想安全距離，并實時自動調(diào)節(jié)主車車速，使之實際車距不小于理想安全距離，因而，可在較大程度上避免碰撞事故發(fā)生，具有良好的安全行駛效果。由于ABS/ASR和ACC都要用到相同的輪速采集系統(tǒng)、制動力調(diào)節(jié)裝置以及發(fā)動機調(diào)節(jié)裝置，在汽車ABS/ASR集成裝置的硬件基礎上，添加一個車距傳感器及相應的電磁閥即可實現(xiàn)ACC功能。因此ABS/ASR與ACC的集成，不僅可以降低成本，而且可以提高汽車的整體安全行駛性能。

3.4與其他控制系統(tǒng)的信息交換和共享，提高整體控制性能

隨著汽車電子化程度不斷提高，汽車上ECU數(shù)目越來越多。為了提高信號的利用率，要求大量的數(shù)據(jù)信息能在不同的ECU中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實時交換。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點對點的單一通訊方式，已遠不能滿足這種需求。為此，總線技術被引人到汽車電控系統(tǒng)中。今后，ABS/ASR控制系統(tǒng)的開發(fā)將基于總線技術進行，實現(xiàn)與其他控制系統(tǒng)的信息共享。例如，利用CAN總線和SAEJ1939，可以很容易實現(xiàn)機械式自動變速器AMT（AutomaticMechanicalTransmission）和ABS/ASR之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)資源共享。ABS采集的汽車輪速信號，可以通過變換得到變速器的輸出軸轉速為AMT所用，可減少傳感器，降低控制系統(tǒng)的成本。同時，減少了插接件，使AMT和ABS/ASR系統(tǒng)的可靠性和實時性提高。ABS工作時，可向AMT發(fā)出控制信息，要求AMT掛空檔，提高ABS的工作性能，使車輛制動更平穩(wěn)、更有效。ASR工作時可要求AMT向上換檔減少力矩，使ASR的控制效果更好。ASR可使AMT避免在低附著路面起步和加速時出現(xiàn)反復換檔現(xiàn)象。因此，信息交換和共享可以使兩個控制系統(tǒng)的功能比它們單獨控制的功能更豐富和有效，使每個控制器的功能都更加完善，便于進行更復雜的控制，為整車控制奠定基礎。

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