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第5 8 卷第4 期 2 0 06 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．4 N o v e m b e r2 0 06 A B S 技术在D K C l 2 地下自卸汽车上的 应用及仿真分析 李鑫，战凯 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要对D K C l 2 地下t l 卸汽车A B S 系统进行方案选择及设计，包括通道布置、轮速传感器选型、齿圈设计、新式A B S 液压 控制系统设计、二位二通高速开关电磁阀相关参数计算。完成基于8 0 C 1 9 6 K B 微控制器的A B S 系统E C U 硬件功能设计，包括单 片机最小应用系统设计、单片机系统扩展设计、输入通道设计和输出通道设计。利用M A T L A B ／S I M U L l N K 建立了以车轮滑移率 为控制参数的A B S 系统控制逻辑，确定出仿真系统各个模块计算的步长，设计出较为灵活的改变仿真参数设置的方法，以便于进 行不同测试条件下不同车辆参数的仿真计算，利用A D A M s ／S I M u L I N K 对车辆动力学模型进行联合仿真分析，并与未带A B S 系 统时车辆制动过程进行对比。仿真结果表明，以车轮滑移率为控制参数的A B S 系统模型可以在车辆制动过程中避免某个车轮提 前抱死，从而提升了整车的安全性。 关键词矿山机械工程；地下汽车；A B S ；A D A M S ／S I M u L I N K ；液压装置 中圈分类号T D 5 2 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 4 0 1 0 0 0 9 井下汽车是地下无轨采矿的关键设备，它的应 用对简化采矿工艺，强化开采和提高采矿生产能力 有着至关重要的作用，由于地下矿山路面条件差，地 面高低不平，道路弯道坡路多，坡度大，很多路段有 大片的油渍和泥水，地下汽车多数情况是满载连续 上坡，发动机和传动系满负荷运行时间长，下坡时连 续制动，长时间运行，因此地下汽车要求具有较高的 安全可靠性，对于在复杂工况下工作的地下自卸汽 车来说，如何改进和提高制动性能是必须解决的一 项重大课题。把先进的汽车动力学控制系统引入地 下车辆，这是提高地下汽车安全性的一场革命，在地 下汽车上安装A B S 系统是改进和提高其制动性能 的重要举措。 D K C l 2 地下自卸汽车在国内首次采用了具有 国际先进水平的弹簧制动液压松闸湿式多盘制动器 技术并获得了成功，这种制动器制动力矩大，响应 快，工作性能稳定，散热效果好，既是行车制动器，又 是停车制动器，制动系统简单、安全、可靠，使用寿命 长，克服了以往制动器的不足之处，具有很大的推广 价值。然而由于采用弹簧制动，所以存在着制动比 较粗暴、不柔和、容易抱死、动态控制差等缺点，如果 通过A B S 系统的调节作用来动态控制制动力矩，则 收稿日期2 0 0 6 0 5 一1 5 作者简介李鑫 1 9 7 9 一 ，男，甘肃庆阳市人，助理工程师，硕士， 主要从事矿用汽车等方面的研究。 既能够发挥这种制动器的优势，又能够避免它带来 的缺点，这对今后这种新型制动器在各种矿山车辆、 工程机械、重型汽车上的推广应用具有重要的意义。 1 D K C l 2 地下自卸汽车A B S 系统方 案选择及设计 1 ．1 通道结构方案设计 对于汽车来说，A B S 系统有着单通道、双通道、 三通道、四通道四种类型的布局形式，而控制方式又 可以分为独立控制、低选控制、高选控制和修正后的 独立控制四种。 D K C l 2 型地下自卸汽车采用四轮驱动形式，制 动时前后桥动载荷分配分别如式 1 和式 2 所示。 G F 7 G F H ／L a ／g G s 1 G R7 G R 一 H ／L a ／g G s 2 式中G F ，G R 分别为车辆前后桥静载荷，N ；H 为 质心距车辆前后两桥轴线所在平面的垂直距离，i n ； L 为前后两轴轴距，m ；G s 2 2 3 0 0 0 k g ，整车满载 质量。 G F 9 6 9 2 2 N ，G R 1 2 8 4 7 8 N ，H 0 ．4 5 m ，L 4 ．8 m ，计算得G F 7 1 0 4 8 9 9 N ，G R7 1 2 0 5 0 1 N 。前、 后桥制动时动载荷系数分别为鲐 G F 7 ／G s 0 ．4 5 6 和孙 G 尺7 ／G s 0 ．5 3 5 。 根据计算得知D K C l 2 型地下自卸汽车满载制 动时前后桥动载荷基本相等，没有过多重量向前转 万方数据 第4 期李鑫等A B S 技术在D K C l 2 地下自卸汽车上的应用及仿真分析 1 0 1 移，另外车辆自重1 0 ．3 t ，载重1 2 t ，该车的摆动机构 采用中间回转摆动机构，使得四轮始终能够接触地 面，从而整机质量均为附着质量，最大限度的提高了 车辆的附着性能，因此在普通路面上由于四轮独立 控制而导致的制动力不平衡对此车造成的行驶方向 稳定性影响较小，而且还可以通过转向操纵对由此 造成的影响进行修正，另外，当车辆运行在左右两边 附着系数相差很大的对开附着系数路面上时，可以 使控制方式从独立方式切换到低选方式，使左右车 轮按照相同的控制规律进行调节，从而避免了在这 种路况下制动的严重不稳定性。 根据以上分析，D K C l 2 地下自卸汽车采用A B S 为四传感器四通道 4 M ／4 S 的布置方案。 1 ．2 轮速传感器的选型及齿圈设计 滑移率需要检测出车速和车轮速度来定义，因 此传感器子系统中需要采用车速传感器和车轮转速 传感器。车速传感器主要可用多普勒测速雷达等装 置来进行测量O 采用车速传感器的A B S 系统可以 比较准确地得到车轮的滑移率，因此控制效果和防 抱制动性能较好，但由于车速传感器结构复杂、成本 高，相应的也导致了整个A B S 系统的复杂化和高成 本。因此目前绝大多数的A B S 系统均未安装车速 传感器，而是仅用轮速传感器或者是轮速传感器与 加速度传感器相结合的传感器子系统，间接得到滑 移率。 精确测定轮速信号是A B S 系统能否有效应用 的先决条件，因为只要有了转动角速度，其他参数均 可通过数值计算获得[ 5 1 。目前应用的轮速传感器 主要有电磁式和霍尔效应式两种。 霍尔式轮速传感器有以下特点【6J 1 霍尔效 应式传感器，其建立电势的时间极短，约为1 0 - 1 2 ～ 1 0 - 1 4 s 之间，因此其响应频率很高，可达1 0 6 k H z 以 上，足以满足A B S 系统起控速度向更低速或向高速 延伸的长远要求，不会引起高频信号被堵塞的现象； 2 这种传感器由结构决定所产生的霍尔电势幅值 不随车速改变，基本稳定，一般在1 2 V 左右，信噪比 值大，即使车速趋近于零时，输出幅值也不变； 3 霍 尔效应式传感器由于已制成集成电路式结构，内部 配置了一些必要的反馈控制电路，不但灵敏度高、频 响好，且缩小了体积易于屏蔽，抗电磁干扰能力强。 由于D K C l 2 地下自卸汽车本身所具有的低速 重载的特点，综合考虑后，选用H o n e y w e l l 公司生产 的G T l 型霍尔效应式轮速传感器，它将传感器与信 号处理电路制作成一体，对输入信号进行滤波、限 幅、放大并转换为同频率的方波输出，所以从严格意 义上来说它是变送器。直流工作电压4 ．5 ～2 4 V 可 由汽车电源提供，输出极电极开路，输出电流可达 2 5 m A ，使用环境温度为一4 0 ℃- 1 5 0 ℃，适合汽车工 作，高速反应频率I O O M H z [ 1 6 ] ，抗电磁干扰能力强， 完全能够满足本车A B S 系统的工作要求。 齿圈材料选用导磁性好的4 5 号优质碳素结构 钢，考虑到误差和干扰的存在以及为满足轮速信号 检测的精度，齿圈的齿数不能太少，G T l 轮速传感 器对齿圈的齿宽、齿厚、齿高和齿间间隙等参数有一 定要求，最后齿圈的外形尺寸和安装尺寸还受到原 车车轮位置结构和空间的制约。兼顾上述各因素， 齿圈设计采用端面开齿 1 0 0 齿 ，利用过盈配合把 齿圈安装在车轴端部，并保证齿圈面与地面垂直。 霍尔式轮速传感器的安装主要是考虑到它的端面与 齿圈的间隙保证在一定的范围内 约l m m 。 1 ．3 液压系统解决方案 由于D K C l 2 地下自卸汽车采用断油制动系统， 现在国内外市场没有能够适用于它的A B S 液压调 节装置，设计D K C l 2 地下自卸汽车A B S 液压系统 的同时设计了E D S 液压调节回路，E D S 电子差速 锁 是A B S 的一种扩展功能，在A B S 软硬件基础上 做最小的添加来提高车辆起步、加速性能。 图1D K C l 2 地下自卸汽车A B S 和E D S 液压系统原理 F i g ．1P r i n c i p l eo fA B S ／E D Ss y S t e mf o rD K C l 2 u n d e r g r o u n dd u m pt r u c k 万方数据 1 0 2有色金属 第5 8 卷 安装A B S 和E D S 液压调节系统后D K C l 2 地 下自卸汽车制动液压系统如图1 所示，主要由以下 部分构成制动油泵1 ，回油滤清器2 ，安全阀3 ，充 压阀4 ，蓄能器5 ，停车制动阀6 ，压力继电器7 ，梭阀 8 ，手动泵9 ，制动器1 0 ，脚踏制动阀1 1 ，电子控制单 元E C U l 2 ，常闭阀1 3 、1 4 、1 5 、1 6 ，常通阀1 7 、1 8 、1 9 、 2 0 ，E D S 转换阀2 1 、2 2 、2 3 、2 4 ，轮速传感器2 5 等。 液压系统各工作状态的工作原理如下。 1 正常工作状态。D K C l 2 地下自卸汽车制动 油泵采用C B Y 2 0 3 2 矩形花键反时针旋转齿轮泵，当 蓄能器内油压力低于6 ．5 0 ．3 5 M P a 时，油泵开始 工作，蓄能器充压上限为9 ．8 0 ．3 5 M P a 。在正常 行车时，常通阀常开，常闭阀常闭，E D S 转换阀常 闭’，蓄能器5 内的高压油通过停车制动阀6 、脚踏制 动阀1 1 和常通阀1 7 ～2 0 流入自卸汽车四个制动器 内两组复合密封之间的环形区域，推动活塞向右压 缩弹簧，此时脚踏制动阀处于自由状态，制动器保持 充油，液压力连续作用，当司机遇到紧急情况需要制 动时，迅速踩下制动踏板，制动器内液压油经过常通 阀1 7 ～2 0 ，然后经脚踏制动阀流回油箱，制动器卸 压，提升阀芯控制流通量，通过预压力和液压力的平 衡控制制动过程。 2 A B S 工作状态。当车辆制动时，驾驶员踩 下制动踏板，这时制动器里面的液压油经由常通阀 和脚踏制动阀流回油箱，制动器摩擦片在矩形截面 弹簧的推力作用下迅速压紧定盘和动盘，从而使制 动器实现制动，当轮速传感器检测到车轮快要抱死 时，这时E C U 接收到信号，A B S 系统开始工作，其 工作原理是通过液压系统的保压、增压、减压来动态 控制制动力矩的，在这期间E D S 转换阀始终保持常 闭。 压力 液压系统压力 保持。常通阀通电变为截 止，常闭阀断电也变为截止，则蓄能器内的高压油与 制动器之间的管路被隔离，低压油箱与制动器之间 的管路也被隔离，因此制动器内的制动压力被保持。 压力 液压系统压力 增大。常通阀通电变为截 止，常闭阀通电变为导通，制动器中的液压油无法再 通过常开阀和脚踏制动阀而流回油箱，另外蓄能器 内的高压油又通过常闭阀流进制动器，推动弹簧减 小制动压力。 压力 液压系统压力 减小。常通阀断电变为导 通，常闭阀断电变为截止，这与正常制动情况是一致 的，即A B S 电磁阀处于断电状态，但在A B S 控制过 程中一般要求不同速率的压力增加，这时则要求采 用脉宽调制方法 P w M 来获得不同的增压速率，即 通过减小时间步长的增压保压方式，为得到比较精 确与平滑的不同增压速率，则要求电磁阀具有很高 的开关频率。用同样的方法也可以获得不同速率的 减压速率，这样用P W M 方式可以获得一种压力连 续控制方式。 3 E D S 工作状态。当车辆在低附着系数路面 上起步或加速时，如果A B S 轮速传感器检测到某个 驱动轮发生滑转，这时E C U 接收到信号，E D S 转换 阀通电，与A B S 常通阀协作实现控制液压装置对滑 转车轮施加适当强度的制动，来提高驱动轮的附着 利用率，从而提高驱动力的利用率，在这期间，A B S 常闭阀始终保持关闭。 压力 液压系统压力 减小。当车辆在低附着路 面起步或者加速时，这时如果轮速传感器检测到车 轮滑转率过大时，则需要给滑转的车轮施加一些制 动力，这时E C U 控制A B S 常通阀由导通变为截止、 E D S 转换阀由截止变为导通，这时制动器内的液压 油则通过E D S 转换阀卸到油箱，降低了液压油的压 力，从而使弹簧制动器产生制动。 压力 液压系统压力 保持。E D S 转换阀和 A B S 常通阀全部变为截止，则实现了压力保持。 压力 液压系统压力 增大。E D S 转换阀变为 截止，A B S 常通阀变为导通，则高压油经过常通阀 进入制动器，增大了制动器内液压油的压力，减小了 制动力矩。 按上述方案，A B S 常通阀、A B S 常闭阀、E D S 转 换阀都应该设计成二位二通高速开关电磁阀。 高速开关电磁阀又称脉宽调制式数字阀，其数 字信号控制方式为脉宽调制式，即控制液压阀的信 号是一系列幅值相等、而在每一周期内宽度不同的 脉冲信号。由于作用于阀上的信号是一系列脉冲， 所以液压阀也只有与之相对应的快速切换的开和关 两种状态，而以开启时间的长短来控制流量或压力。 高速开关电磁阀阀芯在启闭过程中会与阀座问 形成一个环形节流缝隙，通过阀节流口的流量特性 为式 3 所示。 Q C a A 2 A p ／p “2 3 式中Q 。流过节流口的流量，m 3 ／S ；o 一流量系 数；A 一阀口过流面积，m 2 ；△p 一孔口节流前后的压 力差，p a ；』D 一液体的密度，妇／m 3 。 选用锥阀结构，其过流面积计算公式见式 4 。 A l r d , ．x s i n a I r , ．T C 2 s i n 2 口c o S 口 4 d 。 d d 1 ／2 ，取d 。 0 ．0 1 m ，z 万方数据 第4 期李鑫等A B S 技术在D K C l 2 地下自卸汽车上的应用及仿真分析1 0 3 0 ．0 0 0 3 m ，口 3 0 。，计算得A 0 ．0 0 0 0 0 4 6 4 9 。 阀口的流量系数C d 是雷诺数R 。的函数，根据 资料[ 1 2 J 取C a 0 ．7 7 ，p 8 5 0 k g ／m 3 ，因此，通过电磁 阀的最大流量Q 一 C a A 2 A p ／p 忱 3 2L ／m i n 。 国内某大学开发成功的一种新型二级高速开关 阀，能够比较好的解决高速开关电磁阀的大流量问 题，它采用柱塞式液压增益放大结构，以高速开关电 磁阀为先导级，通过二级锥阀的放大，使数字阀最大 流量超过8 0 L ／m i n ，并且保持较高的切换速度，解决 了大流量与快速性之间的矛盾【8 j 。当工作频率为 5 0 I - I z 时，此电磁阀P W M 控制信号占空比的正确调 制范围为1 8 ％～8 5 ％，符合文献[ 9 】中的要求，而且 额定压力大于1 0 M P a ，这种高速开关电磁阀可以满 足D K C l 2 地下自卸汽车A B S 和E D S 液压控制系 统的使用要求。 2D K C l 2 地下自卸汽车A B S 系统 E C U 硬件设计 E C U 是A B S 系统的控制中心，其功能是接受 四个车轮上传感器送来的轮速信号及其他传感器送 来的信号，进行测量、比较、分析、放大和判别处理， 通过精确的计算，得出制动时车轮的滑移率或者驱 动时车轮的滑转率、车轮的加速度和减速度，并判断 车轮是否有抱死的趋势，再由其输出级发出控制信 号 给液压控制单元的控制信号、输出的自诊断信号 和输出给A B S 故障指示灯的信号 。 就目前而言，实现汽车的控制系统一般采用单 片计算机，因此A B S 系统E C U 硬件设计包括单片 机最小应用系统、单片机系统扩展、输入通道、输出 通道。E C U 的设计要综合考虑这几个因素控制实 时性要求、输入信号类型和数量、控制程序复杂度、 E C U 工作环境、噪声干扰等【1 0 】。 2 ．1 单片机最小应用系统设计 综合考虑单片机的运行速度、I ／o 口数量，以及 价格因素，D K C l 2 地下自卸汽车A B S 系统可以采 用英特尔1 6 位单片机8 0 C 1 9 6 K B ，它的各种性能能 够很好的满足A B S 系统的要求。 8 0 C 1 9 6 K B 是M S C 一1 9 6 系列使用C H M O S 技 术的产品，改用寄存器一寄存器结构，C P U 操作直 接面向2 5 6 字节的寄存器阵列，它具有高速度、低功 耗的特点。除了有4 个8 位的I ／O 口外，还集成有 全双工异步串口、8 通道1 0 位A ／D 转换器、4 通道 高速输入 H I S 、6 通道高速输出 H S O 、脉宽调制 P W M 等模块。串行口的发送与接收等中断服务 功能，大大减少C P U 响应中断的开销。读取H I S 、 装载H S O 可实现输入事件捕获和输出事件发生功 能。8 0 C 1 9 6 K B 还增强了串行1 2 1 的通信能力[ 14 J 。 因此，采用8 0 C 1 9 6 K B ，除外接R O M 和洲芯片 外，无需作其他接口扩展，电路简化，成本降低。 D K C l 2 地下自卸汽车工作电压为2 4 V ，而单片 机以及其他芯片为5 V 供电，之间有1 9 V 的压差，必 须使用电源转换芯片。如用线性电源，由于效率低， 压差大，电源器件发热严重，故在开发时选用 M A X 7 3 8 A E 开关电源芯片。 2 ．2 单片机系统扩展设计 由于8 0 C 1 9 6 K B 的片内只有2 3 2 字节的可用 洲，而且没有R O M ，因此必须扩展R A M 和 R O M 。A B S 程序一般在十几k 左右，选用2 7 C 2 5 6 型3 2 K E P R O M 作为外扩程序存储器芯片可以满足 使用要求。8 0 C 1 9 6 K B 内部只有2 3 2 字节的删 空间，为富余期间，对R A M 进行扩展，选用6 2 2 5 6 型3 2 KS P A M 作为外扩数据存储器芯片。 为了简化扩展电路，采用8 位总线方式。P 3 口 兼做数据线和低8 位地址线，通过地址锁存器 7 4 L S 3 7 3 分时复用【1 1 J 。 对于单片机外部扩展的存储器，需要解决的问 题是如何分配存储空间，保证各个芯片具有不同的 存储单元，每次读或写操作时，只能选中其中一片存 储器，以避免读写外部存储器时，发生数据冲突。同 时要保证程序存储器必须包含2 0 8 0 H 单元。用 P 4 ．7 提供片选信号，当输出低电平时选中2 7 C 2 5 6 ， 当输出高电平时由于7 4 L S 0 4 取反，选中6 2 2 5 6 。 R o M 地址空间为0 1 0 0 H 一1 F F D H 和2 0 8 0 H 一 7 F F H ，R A M 地址空间为8 0 0 0 H F F F F H 。 2 ．3 输入通道设计 信号输入系统是A B S 电子控制单元将获取的 轮速信号经过放大整形处理，最终转化为单片机可 以识别的信号序列，主要完成以下功能 1 能够监 测传感器输入的信号； 2 能够将幅值相位波形整形 成为方波信号，便于后续的数字电路进行读取； 3 将方波信号记录下来，转化成二进制的速度值。 D K C l 2 地下自卸汽车采用H o n e y w e l l 公司生 产的G T l 型霍尔效应式轮速传感器，它将传感器与 信号处理电路制作成一体，在内部已经对信号进行 了预处理，即滤波、限幅、放大并转换为同频率的方 波输出。 采用四路H S l 分别对输入的四路轮速脉冲进 行检测，H S I 单脉冲检测方式所能检测的频率极限 万方数据 1 0 4 有色金属第5 8 卷 值／．m 。和／- m i 。分别为f m 。。 1 ／T 1 M I N 6 9 1k H z 和 f m i 。 1 ／[ 2 1 6 1 T 1 M I N ] 1 1H z 。式中丁l M I N 是 H S I 输入变化检测器进行检测的周期 即八个状态 周期 【4 J 。 D K C l 2 地下自卸汽车齿圈的齿数设计为1 0 0 齿，车轮采用1 4 ．0 0 2 4 型工程轮胎，直径为 1 ．3 5 m ，如果按照最高车速2 5k m ／h 计算，轮速信号 频率为厂 2 5X1 0 0 0 ／3 6 0 0 3 ．1 4x1 ．3 5 1 0 0 1 6 4H z ，即厶。。 厂 f m ．n ’所以可以用H S I 来对 输入的轮速脉冲测频。 2 ．4 输出通道设计 控制输出系统将单片机送出的控制指令进行解 码、放大送到A B S 的执行装置，指挥压力调节器对 各个车轮制动器内液压油压力进行调节。该系统主 要完成以下功能将控制命令字解码成多路控制信 号；将控制信号转化为电流信号，并放大用于驱动电 磁阀。 对于D K C l 2 地下t l 卸汽车来说，设计了一种电 子式四通道A B S 和E D S 液压调节系统，每通道有 三个两位两通高速开关电磁阀，所以一共有1 2 个两 位两通高速开关电磁阀，采用P 1 ．0 ～P 1 ．7 双向口 控制A B S 电磁阀，P 2 ．0 、P 2 ．5 、P 2 ．6 、P 2 ．7 多功能口 控制E D S 转换阀。 采用光耦进行通道隔离，防止电磁干扰。E C U 的最终控制对象是电磁阀，电磁阀的开关电流很大， 单片机输出信号远不足以驱动这些负载，所以在实 际应用系统中，通常采用功率开关接口器件来控制 电磁阀的工作。这里电磁阀驱动选用I R F Z 4 4 N 功 率场效应管。 3 D K C l 2 地下自卸汽车A B S 控制规 律仿真 3 ．1A B S 控制方案的确定 门限值控制是目前普遍应用于车辆A B S 系统 的控制方式，这种控制方法有多种控制参数，应用最 多的是以车轮角加、减速度为主要控制参数，以滑移 率为辅助控制参数进行组合门限控制，因为如果只 采用其中任何一种门限进行车轮防抱死控制都存在 着较大的局限性。例如，仅以车轮角加减速度作为 控制门限时，当汽车在湿滑路面上高速行驶过程中 紧急制动时，在车轮滑移率离不稳定区域较远而仍 处于稳定区域时，角减速度就可能已经达到控制门 限值，防抱死控制逻辑在后继的控制中有可能失效。 如果仅以滑移率作为控制门限时，由于路面情况不 同，峰值滑移率变化范围较大 8 ％～3 0 ％ ，采用固 定的滑移率门限值将很难保证在各种路面条件下都 能获得良好的控制效果。对于这种控制方式来说， 第一个循环应让防抱死充分发挥，具有识别路面的 作用，所以应设置较大的门限值，但是对于地下汽车 来说，往往都是低速重载的，这就决定了其所能达到 的制动减速度比较小，所以以加减速度门限为主要 门限的控制方式并不适合于地下汽车。 通过车辆制动过程仿真分析可知，D K C l 2 地下 自卸汽车由于车轮抱死而发生的危险工况通常发生 在低附着系数的路面上，而在高附着系数路面上的 制动过程通常是安全的，这与实地调研和观测是相 一致的，地下矿山路面条件非常差，地面高低不平， 道路弯道坡路多，坡度大，油渍和泥水多，路面条件 恶劣，通过实地观察和了解，地下汽车由于加速而发 生的车轮滑转和由于车轮抱死而发生的侧滑甩尾现 象通常都出现在有油渍和泥水的地段，另外，由于地 下矿山巷道空间狭窄的原因，若出现上述状况，则结 果严重。为了提高D K C l 2 地下自卸汽车的制动安 全性，设计了以滑移率门限作为控制变量的逻辑门 限值控制方法。 3 ．2 以滑移率为控制参数的车辆A B S 系统联合仿真 以滑移率为逻辑门限控制参数的控制方法的控 制过程是当由车轮速度计算出的实时滑移率大于 预先设定的参考滑移率时液压系统增压，其余期间 减压。控制过程中的液压系统压力变化条件为降 压，A R ≤A 1 ；升压，．；【R ．；【】。在S I M U L I N K 中建立 的以车轮滑移率为控制参数的联合仿真控制系统如 图2 和图3 所示。 图2 以滑移率为控制参数的联合仿真控制系统 F i g ．2 C o n t r o ll o g i co fc o - s i m u l a t i o n 峰值附着系数一般出现在A 8 ％～3 0 ％，范围 较大，如前面所述，研究的主要目的是为了提高 D K C l 2 地下自卸汽车通过低附着系数路面的安全 性，因此，这里取滑移率逻辑门限值A ， 0 ．2 0 ，当实 万方数据 第4 期李鑫等A B S 技术在D K C l 2 地下自卸汽车上的应用及仿真分析1 0 5 时滑移率值大于此逻辑门限值时，输入变量值为0 ， 否则输入变量为1 ，A D A M S 接收来自M A T L A B 的 控制输入信息，同时，机械动态系统模块向M A T L 镪的控制系统实时输出四轮的速度以用于计算 滑移率，通过这种方式，机械系统和控制系统实现闭 环控制。仿真从M A T L A B 开始，调用A D A M S ／ S O L V E 模块实时计算，还显示一个窗口，用于显示 联合仿真分析过程中的各种数据，这些数据同时存 在于．m s g 文件中。计算时间由仿真终止时间和步 长决定，计算结果既可以从M A T L A B 控制系统中 的输出显示器得到，也可以由A D A M S ／P O S T P R O C E S S O R 模块将结果文件导入得到。 图3 滑移率计算子系统 H g ．3S u b s y s t e mo fc a l c u l a t es l i pr a t e 3 ．3 仿真结果分析 根据在各种工况下车辆制动仿真分析结果，并 结合地下汽车实际制动工况可知，地下自卸汽车由 于车轮抱死而发生的危险状况通常是在汽车下坡的 过程中出现，而这时的车辆实际正是空载状态，下面 仅罗列出空载车辆带A B S 系统时在低附着系数路 面直线行驶工况制动和转弯行使工况制动这两种典 型工况的仿真分析结果，并与车辆未带A B S 时的仿 真分析结果相对比，用以说明以车轮滑移率为控制 参数的A B S 系统对车辆制动过程所造成的影响。 图4 ～图1 1 是D K C l 2 地下自卸汽车在峰值附 着系数P 0 ．2 0 ，滑动附着系数p 0 ．1 5 的路面 上，以初始车速2 5 k m ／h 带A B S 系统时的空载直线 制动仿真结果。对比车辆前、后轮角速度变化可以 看出，车辆后轮的A B S 循环要比前轮大，这是因为 车辆在空载下坡的时候，后轴载荷显著减小，从而使 得后轴对车辆的制动压力比较敏感，故导致后轮制 动时A B S 循环较大。 仿真数据量非常大，整个控制过程是由许多控 制周期所组成的。以右后轮为例，截取1 ～1 ．3 s 这 段时间的仿真数据进行详细分析，利用M A T L A B 把数据进行处理，以时间为横轴，图1 2 和图1 3 是车 { 翥 翼 0 辑 球 料 图4 左前轮线速度变化 F i g ．4V e l o c i t yo ff r o n t - l e f tw h e e l 图5 左后轮线速度变化 F i g ．5V e l o c i t yo fr e a r - l e f tw h e e 图6 右前轮线速度变化 F i g ．6V e l o c i t yo ff r o n t r i g h tw h e e l 图7 右后轮线速度变化 F i g ．7V e l o c i t yo fr e a r - r i g h tw h e e l 辆带A B S 系统在低附着系数路面空载直线制动时 右后轮角速度和右后轮滑移率随时间变化的关系曲 线。为了进行比较，列出了车辆未带A B S 系统时在 低附着系数路面空载直线制动时右后轮角速度和右 一∈E邑醚倒怒0辞缮褂 一{邑避幽爨句辞辑讲 ∈g邑醚嘲鬈奄辑辑料 万方数据 1 0 6有色金属第5 8 卷 后轮滑移率随时间变化的关系曲线，如图1 4 和图 1 5 所示。 图8 左前轮控制信号 F i g ．8 C o n t r o ls i g n a lo ff r o n t - l e f tw h e e l 图9 左后轮控制信号 ● F i g ．9 C o n t r o ls i g n a lo fr e a r l e f tw h e e l 图1 0 右前轮控制信号 F i g ．1 0C o n t r o ls i g n a lo ff r o n t - r i g h tw h e e l 图1 1 右后轮控制信号 F i g ．11 C o n t r o ls i g n a lo fr e a r - r i g h tw h e e l 从图1 2 和图1 3 中可以看出，车辆制动过程是 按照以滑移率为控制参数的逻辑门限值的方式进行 J 轨 二 o 划 趟 接 辩 料 ＼L ／、 |k ／一＼ 、 l 一 | 一、{ ll ＼／r ＼ ； ＼ 时问f ，S 图1 2 车辆带A B S 系统右后轮角速度1 ～1 ．3 s 锝 稔 瘿 的仿真分析数据 F i g ．1 2A n g u l a rv e l o c i t yo fr e a r - r i g h tw h e e l w i t hA B Sd u r i n g1 ～1 ．3 s l J ／、 j 一 ‘1 1 一 弋卜 ．／ V ＼ V V 时I 目f IS 图1 3 车辆带A B S 系统右后轮滑移率1 ～1 ．3 s 的仿真试验数据 F i g ．1 3S 1 i pr a t eo fr e a r - r i g h tw h e e lw i t h A B Sd u r i n g1 ‘。1 ．3 s 控制的。刚开始时，轮速由于快速制动的原因显著 降低，这时滑移率明显增大而超过了设定的滑移率 门限值，这时，E C U 命令液压系统增压，从而弹簧制 动器制动力矩减小，在这个过程中，车轮速度逐渐恢 复，从而使车轮滑移率又很快小予设定的门限值，这 时E C U 命令液压系统减压，这时车轮速度又显著降 低，从而滑移率增大，接着进人下一次的防抱死循 环。从图中可以看出，车轮的滑移率维持在0 ．2 0 附 近。对比图1 4 和图1 5 可知，当车辆未带A B S 系统 在低附着系数路面空载直线制动时，右后轮角速度 在0 ．4 9 秒左右迅速降为0 ，而滑移率也迅速增大为 1 ，车轮随即抱死拖滑。 由仿真结果可以看出，以车轮滑移率为控制参 数的防抱死控制系统模型可以在车辆空载低附着系 数路面直线制动过程中避免某个车轮提前抱死，在 2 ．2 s 时四个车轮的轮速同时降为零，从而提升了整 车的安全性。A D A M S 和M A T L A B ／s I M U L I N K 联合仿真达到了预期的目的。 万方数据 第4 期李鑫等A B S 技术在D K C l 2 地下自卸汽车上的应用及仿真分析 1 0 7 f 謦 E E 赵 幽 量 苣 颦 } 譬 e 越 捌 援 辞 讲 时间以 图1 4 车辆未带A B S 系统右后轮角速度 与时闻的关系曲线 F i g ．1 4A n g u l a rv e l o c i t yo fr e a r r i g h t w h e e lw i t h o U tA B s 碍 秘 察 时间l ／s 图1 5 车辆未带A B S 系统右后轮滑移率 与时间的关系曲线 F i g ．1 5S l i pr a t eo fr e a r - r i g h tw h e e lw i t h o u tA B S 图1 6 车辆质心横向加速度与时间的关系 F i g ．1 6T r a n s v e r s ea c c e l e r a t i o no fc e n t r o i d 参考汽车转弯制动试验方法国际标准I S O ／ T C 2 2 C s 9 ，进行转弯制动的仿真计算，汽车的初始状 态是匀速直线运动，给汽车一个方向盘转角阶跃输 入，待汽车响应稳定后进人稳态圆周运动，通过调整 方向盘转角和初始车速，使汽车达到与试验标准相 同的初始运动状态，这时以阶跃状态施加制动力矩 进行制动。图1 6 和图1 7 是D K C l 2 地下自卸汽车 在峰值附着系数严 0 ．2 0 ，滑动附着系数p 0 ．1 5 纵向位移x ／m m 图1 7 车辆质心位移与时间的关系 F i g ．1 7D i s p l a c e m e n to fc e n t r o i d 的路面上，初始车速2 5 k m ／h ，侧向加速度0 ．3 2 9 下 带A B S 系统时的空载转弯制动仿真结果。由仿真 结果可以看出，在此过程中车辆操纵仍能保持稳定， 整车制动轨迹也能保持圆周方向，车辆横向加速度 比较平滑，没有出现突变的情况，这说明以车轮滑移 率为控制参数的防抱死控制系统模型能够使车辆在 这种制动情况下，避免某个车轮提前抱死，从而避免 了车辆出现侧滑甩尾的危险状况，越郴和M A T L A B ／S I M I ⅡJ N K 联合仿真达到了预期目的。 4结论 在地下汽车上应用A B S 技术。对D K C l 2 地下 自卸汽车A B S 系统进行了方案选择及设计。针对 地下汽车低速、重载、轴距长等特点，通过理论分析， 选择了四传感器四通道 4 M ／4 S 的布置方案。设计 的齿圈和市场选型的霍尔式轮速传感器构成的轮速 检测装置，能够在车辆低速条件下准确的产生轮速 脉冲信号，并输送给E C U 。在详尽考虑A B S 对硬 件资源的需求和实现采集、控制等功能的基础上，从 可靠性、实用性出发，完成了D K C l 2 地下自卸汽车 A B S 系统E C U 结构分析和功能模块设计，包括单 片机最小应用系统、单片机系统扩展、输入通道和输 出通道。 在断油制动系统上应用A B S 系统。断油制动 系统与给油制动系统在结构上和控制规律上完全不 同，而目前国内外开发的A B S 系统基本上都是应用 于给油制动系统，设计出了专门应用于断油制动系 统的A B S 和E D S 液压控制系统，并通过理论分析 计算，得出了所需二位二通高速开关电磁阀的各项 参数。 基于A B S 理论，分析了A B S 各种控制方法的 优劣，结合地下汽车实际工况提出了适用于地下汽 万方数据 1 0 8有色金属第5 8 卷 车的以滑移率为控制参数的逻辑门限控制方法，在 S I M U L I N K 下搭建了控制系统框图，与A D A M S 多 体动力学模型进行了联合仿真，并与未带A
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