轿车ABS／ASR／ACC集成化电控系统

　　图1 ABS/ASR/ACC 集成化系统示意图

　　当汽车正常行驶时，ABS/ASR/ACC 集成系统ECU 实时采集和处理传感器信号，包括四个轮速信号、蓄能器压力信号、节气门开度信号、加速踏板开度信号、制动踏板开关信号、节气门怠速开关信号、与目标车辆间的相对距离和相对速度信号，并根据其所提供的信息，选用不同的控制方式对汽车进行控制。控制的方式包括以调节车轮轮缸压力为目标的制动干预模式和以调节发动机输出力矩为目标的节气门开度控制模式，各子系统功能的实现就是对以上两种控制方式适当组合和合理控制的结果。

　　ABS/ASR/ACC 集成系统具有实时故障诊断功能，当系统出现故障时，执行机构及时复位，故障报警灯点亮，提醒驾驶员注意和及时处理。

　　对于集成系统的ECU 和传感器部分将在后面详细介绍，这里仅对集成系统的执行机构作以简单描述。

　　与现有的ABS/ASR 集成系统不同，ACC 主动制动干预控制功能要求对四个车轮进行独立压力调节。针对试验样车4×2 前轮驱动方式和交叉双制动管路布置方案，基于原车装配的Teves MK II 型ABS压力调节器，进行了车辆制动系统的设计改造，添加了外部液压动力源，通过工作模式电磁阀22、23 实现ABS 制动方式和主动制动干预方式的切换，如图2 所示。

　　图2 ABS/ASR/ACC 集成液压系统原理图

　　1、左前轮进油电磁阀；2、左前轮卸压单向阀；3、左前轮回油电磁阀；4、右后轮进油电磁阀；

　　5、右后轮卸压单向阀；6、右后轮回油电磁阀；7、右前轮进油电磁阀；8、右前轮卸压单向阀；

　　9、右前轮回油电磁阀；10、左后轮进油电磁阀；11、左后轮卸压单向阀；12、左后轮回油电磁阀；

　　13、19、ABS 回油泵；14、16、ABS 低压储液器；15、17、20、21、ABS 回油单向阀；18、ABS

　　电机；22、23、工作模式电磁阀；24、压力表；25、压力传感器；26、蓄能器；27、压力继电器；

　　28、油滤；29、ASR 电机；30、液压泵；31、液压泵单向阀；32、卸荷电磁阀；33、安全阀

　　针对ASR 和ACC 功能要求的发动机输出力矩调节，采用了步进电机控制节气门的改装方案，如图3 所示。在ASR 不参与控制时，集成系统ECU 根据加速踏板传感器的输入信号，运用PID 算法，驱动步进电机对节气门进行伺服随动调节；当它判断需要进行发动机输出力矩调节时，计算出节气门需要转过的目标角度，发出控制指令，驱动步进电机使节气门转到目标开度。

　　图3 发动机输出力矩节气门开度调节方案图

　　图4 发动机输出力矩节气门开度调节工作原理图

　　试验样车集成系统的执行机构具备以下特点和功能：

　　1）改造后的汽车ABS/ASR/ACC 系统的执行机构，不影响原车ABS 执行机构的正常工作；

　　2）能够进行驱动轮制动干预控制和发动机输出力矩调节，能够进行完整的ASR驱动防滑控制；

　　3）添加车距传感器后，结合各个车轮的独立车轮制动干预控制和发动机输出力矩调节，能够进行完整的ACC 自适应巡航控制；

　　4）集成系统具备外部的动力源，可主动对四个车轮独立进行制动干预控制，使得系统有很好的扩展性。在现有集成系统执行机构的基础上，仅通过修改和完善电控系统的硬件电路和软件逻辑就能实现更多的集成控制功能，例如，坡道起步辅助控制系统HAC (Hill-start assist control) ，下坡辅助控制系统DAC (Downhill assist control)，转向制动控制系统CBC (Cornering braking control)等；

　　5）改造后的汽车ABS/ASR/ACC 系统的执行机构，不影响汽车的所有使用性能，如执行机构发生故障，仍可保证车辆具有常规的制动功能。

　　3. 集成电控系统硬件电路

　　ABS/ASR/ACC 集成系统ECU的硬件结构框图如图5 所示，包括以MC9S12DP256芯片为核心的最小系统，传感器处理电路、执行机构驱动电路，以及通讯接口电路。

　　图5 集成电控系统ECU 结构框图

　　3.1 主控制芯片MC9S12DP256

　　MCU 是整个系统的核心，它负责数据的采集和处理，所有的逻辑运算以及最终控制的实现。ABS/ASR/ACC 集成系统对其运算能力、存储空间、I/O 接口都有较高的要求。

　　经过调研，我们选择了Motorola 的HSC12 系列16 位MCU－MC9S12DP256。它有很强的运算能力，丰富的IO 接口和充裕的存储空间，采用STAR 12 CPU，核心运算能力可以达到50M，总线速度可以达到25M，采用了优化的指令集，使指令的运算速度得到了很大的提高。通过片内的PLL 功能可以方便的选择MCU 的核心频率而不管外部晶振频率的多少。片内集成了256K flash，4K EEPROM 和12K RAM，完全可以满足程序对存储空间的要求。有丰富的IO 接口，包括2 个异步串行通讯接口（SCI），3 个同步串行通讯接口（SPI），8 通道输入捕捉/输出比较（IC/OC），16 个10 位AD接口，8 路PWM，29 路独立的数字IO 接口，20 路带中断和唤醒功能的数字IO 接口，5 路CAN 总线接口，1 个IIC 总线接口，1 个BDLC（J1850）接口。

　　另外，利用CodeWarrior 集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE），通过背景调试方式（Background debug mode，BDM），下载控制程序和修改相关参数，在不干扰目标程序运行情况下，实时监测各寄存器和存储器，实现了控制程序的板上在线调试，从而提高了集成系统的开发效率和试验的方便性，缩短了试验周期。

　　3.2 外围电路

　　硬件外围电路部分采用了模块化设计，即把电控单元划分成不同的模块，将比较成熟固定的模块组成一块单独的电路板，研究过程中变化较大的模块组成另一块单独的电路板，板与板之间通过IO 扩展线进行通信。这种设计具有以下优点：

　　1）有利于试验过程中对系统的维护和扩展。试验过程中有很多不确定的因素，有时某一部分损坏需要进行更换，有时为了试验的需要还要另外添加硬件电路，如果把整个系统做在一块电路上，一旦需要更改电路或者对系统进行扩展，就必须重新设计整块电路，这样会造成时间和金钱上的浪费。采用模块化设计，只需在相应模块上要改变或添加即可，避免了许多重复的劳动，缩短了设计周期。

　　2）从电气特性上看，模块化设计有更好的电气特性。各个模块之间是隔离的，这样各个模块之间就不会有相互影响。例如，驱动模块是这些模块中最大的干扰源，尤其对A/D 转换和、MCU 的工作影响很大。为此在设计中，对驱动模块单独供电，与其有关的信号线采取了隔离措施，这样就不会对其它模块部分造成电气干扰影响。

　　根据ABS/ASR/ACC 集成系统的特点和开发经验，将整个电控单元分为了A 板和B 板，两块电路板之间通过IO 总线扩展插槽连接。

　　3.2.1 A 板介绍

　　A 板主要包括主控芯片MC9S12DP256 及其最小系统外围电路、通讯接口电路和主要的数据采集电路。

　　MC9S12DP256 最小系统包括电源模块、外围复位电路、时钟晶振电路、工作模式选择等。

　　通讯接口电路包括BDM 接口，两路SCI 串口通讯接口电路，其中一路通过硬件跳线选择可连接K-LINE 故障诊断驱动芯片MC33199 或与外部设备通讯，另一路预留扩展USB 通讯；利用CAN 驱动芯片PCA82C250 引出两路CAN 通讯节点，一路预留给车距信号通讯，另一路与其它要求高速数据传输的控制单元通讯。

　　图6 A 板电路结构示意图

　　集成电控系统设计了数字量、模拟量和开关量采集处理电路，考虑到集成系统的扩展性，设计采集信号如表1 所示。将设计比较成熟固定的轮速信号、模拟信号处理电路放在A 板上，而把其它使能控制信号及其显示电路和开关量信号处理电路放在B板上。

　　表1 集成系统采集信号

　　3.2.2 B 板介绍

　　B 板主要包括执行机构驱动电路和开关量信号处理电路。

　　系统驱动的执行机构主要包括ABS 压力调节器的四个常开进油阀（驱动电流3.6A），四个常闭出油电磁阀（驱动电流2.4A），两个工作模式切换电磁阀（驱动电流2.2A），一个ABS 电动机驱动开关（驱动电流8.4A），一个ASR 电动机控制开关（驱动电流1.8A）。

　　ASR、ACC、HAC 子系统的使能信号及工作指示灯部分的相关电路也放在该电路板上。

　　ABS/ASR/ACC 集成电控系统端口资源分配表见附件1。

　　图7 数据采集板主要结构示意图

　　4. 集成电控系统软件

　　汽车ABS/ASR/ACC 集成化系统中每一子系统都是复杂的控制系统，集成后形成的集成化系统更是一个非常复杂的控制系统，软件系统是其核心部分，它决定着整个系统运行的好坏、控制效果的优劣。软件系统的集成并不是把ABS、ASR、ACC 子控制系统简单的累加，而是要把它们有机的融合，还要考虑到软件运行的实时性、可靠性，控制算法的优化等问题。

　　汽车ABS/ASR/ACC 集成化系统的软件模块主要由系统初始化模块、启动自检模块、主控制模块、数据采集模块、数据处理模块、参考车速计算模块、路面识别模块、车辆运动状态识别模块、控制决策和执行机构动作模块、故障诊断模块、通讯模块等几大部分组成，各模块由主控制模块按任务管理机制实时进行统一调度，分配运行时间，进行数据和信号的交换。总体框图如图8 所示。

　　图8 ABS/ASR/ACC 集成系统软件结构简图

　　4.1 系统初始化模块

　　系统初始化模块在系统上电复位时对系统进行初始化。初始化内容包括MCU 内部的时钟、各端口设置、串行通讯接口、模拟和数字通道、看门狗定时器、系统变量等，以保证MCU 正常运行。

　　对集成系统的执行机构进行复位，确保车辆的安全行驶。

　　4.2 系统启动自检模块

　　为了使系统安全运行，系统在复位和初始化完毕后要进行自检，对系统的关键软、硬件部分进行静态检测，以判断系统的软、硬件工作是否正常。

　　在系统自检期间，故障警示灯将会自动点亮，如果电子控制装置发现系统中存在故障，电子控制装置将会以故障代码的形式存储故障情况，故障警示灯会持续点亮，执行机构复位至常规状态；如果未发现系统中存在故障，在自检过程结束后，故障警示灯在1.5 秒后会自动熄灭，表示集成系统处于正常运行状态。

　　系统启动自检的内容主要包括对已存故障信息的复查检测和对制动干预执行机构的检测，在轮速大于15km/h 后进行轮速信号的检测。如果已存故障由轮速信号故障引起，启动自检时故障警示灯将持续点亮，直到轮速大于15km/h 后进行复查检测，如故障排除，故障警示灯会自动熄灭，记录该故障为临时性故障。

　　4.3 主控制模块

　　主控制模块为ABS/ASR/ACC 集成系统的控制主程序，见图8 阴影虚线框。主控制模块自身做无限的循环，连续调用故障诊断模块、数据处理模块、参考车速计算模块、路面识别模块和车辆运动状态识别模块，实时进行车辆运动状态和外界环境的判断。

　　4.4 数据处理模块

　　完成对采集到的数字和模拟信号进行滤波和平滑处理，剔除奇异点和干扰信号，保证采集信号的准确性。这里主要针对四个车轮的轮速信号进行的异点剔除和三点滑动平均法处理。

　　4.5 故障诊断模块

　　故障诊断模块在集成系统运行的过程中实时检测执行机构各电磁阀和电机的故障反馈端，车轮轮速信号。轮速的检测采用下式：

　　式中，ωlf，ωrf，ωlr，ωrr分别代表左前轮、右前轮、左后轮、右后轮的转动角速度（rad/s），λ1为设定好的阀值。式（1）满足时认为轮速传感器工作正常；式（1）不满足时，再通过对同轴车轮转速差和同侧前后轮转速差的分析比较，就可以识别出发生故障的车轮轮速传感器，电控单元以故障代码的形式存储故障情况。

　　4.6 参考车速计算模块

　　参考车速计算模块用来计算车身速度。由于成本等方面的原因，一般车辆上是不安装车身速度传感器的，集成系统控制的目标就是将车轮的纵向滑动率（滑移率或滑转率）控制在合理的范围内，见式（2）和式（3）。因此参考车速确定的精确与否将直接影响到控制效果的优劣，各个厂家有各自的方法，且属于生产厂家的核心商业机密不对外公布。课题组对于参考车速进行了大量分析研究，采用了自适应卡尔曼滤波的参考车速确定方法，计算的参考车速结果存储在参考车速缓冲区，用于制动工况和和驱动工况滑动率的计算，以及ACC 系统控制中主目标车辆绝对车速的计算。

　　式中，v 代表计算的参考车速，km/h；ωi代表各车轮转动角速度，rad/s ；SAi和SBi分别代表对应车轮的滑转率和滑移率； r 代表车轮半径，m 。

　　当判断制动踏板已经踩下，进行滑移率的计算，否则进行滑转率的计算，同一车轮的滑移率和滑转率存储在相同地址的缓冲区中。

　　4.7 路面识别模块

　　路面识别方法是集成系统控制中的关键技术，它的准确识别对于参考车速的准确确定和合理的逻辑门限值的选取都有重要的意义。我们在大量试验数据的基础上通过深入的理论分析和控制逻辑设计，实现了较为实用的路面识别。

　　4.8 车辆运动状态识别模块

　　车辆运动状态识别模块用来区分直线行驶还是弯道行驶，左右后轮的速度差包含了转向信息。在车辆直线行驶工况下，左右后轮的轮速差应当不超过一定限度。计算两个后轮转速差 ? ω（rad/s），并设定判断参数λ2，λ2的确定考虑到使用过程中左、右后轮轮胎胎压变化和轮胎磨损程度的不同。当?ω>λ2时判断车辆为转向行驶，否则为直线行驶。识别结果存储于车辆运动状态缓冲区中，以便于ABS、ASR 和ACC子系统调整相应控制参数。

　　4.9 控制执行模块

　　系统控制执行模块包括三个子模块，门限值设置模块、控制逻辑模块和执行机构动作模块。门限值设置模块的任务是根据工作模式的识别，设置控制逻辑模块的门限值，控制逻辑模块依据门限值做出逻辑判断和发出控制指令，控制执行机构动作模块。ABS可视为独立的控制模块，在车速大于15km/h 有效，主要依据车轮的滑移率 SBi和减速度?ωi 判断是否执行车轮制动防抱死控制调节。

　　ASR 也可视为独立的控制模块，在车速0～45km/h 间有效，主要依据车轮的滑转率SAi判断是否进行驱动力调节控制。

　　ACC 工作在车速大于45km/h 的车辆正常行驶阶段，利用ABS 和ASR 的硬件执行机构，调用ASR 的节气门控制模块和制动力干预控制模块，紧急制动工况时进行ABS 防抱死调节。分为定速巡航和跟随两种工作模式，主要依据主车与目标车辆间的相对距离和相对速度进行调节控制。

　　表2 ABS/ASR/ACC 集成系统工作情况

　　对于集成系统工作模式适当的划分，可以节省集成系统控制算法的运算时间，提高工作效率。设置15km/h，45km/h 这两个工作模式速度分界点主要是考虑：

　　1）ABS 控制后期主要以缩短制动距离为目的，且车速低于15km/h 后ABS 控制模式的退出不影响车辆的稳定性。

　　2）将ASR 控制模式限定在45km/h 以内，主要是考虑捷达GTX 轿车以一挡起步时这一速度对应的发动机转速为5625 r/min，而发动机最大转速为5800 r/min，如果车辆以二挡行驶，驱动轮发生滑转的可能性很小，ASR 起作用的机会也小。车速在0～15km/h 间属于车辆起步阶段，这时的ASR 控制主要以提高车辆纵向加速度为控制目标，采用驱动轮制动力干预和节气门开度调节综合控制；车速在15～45km/h 间属于车辆正常行驶阶段，这时的ASR 控制主要以提高行驶稳定性为控制目标，主要采用发动机输出力矩控制。当车辆在高速行驶时，进行驱动力制动干预控制可能使车辆产生横摆运动，对车辆的行驶稳定性有十分危险的影响，综合考虑，在车速大于45km/h后集成系统退出ASR 控制模式。

　　3）ACC 自动巡航控制系统主要适用与于良好路况的情况下。若汽车低速行驶，频繁的控制调节对汽车的正常行驶和驾驶员的舒适感都有较大的影响，为了简化集成系统控制算法，结合ASR 的门限值，设定车速低于45km/h 后集成系统退出ACC 控制模式。

　　以上对工作模式的速度划分点并不是绝对的，可根据具体试验的情况进行修改。集成系统执行机构动作模块包括三个部分，ABS 压力调节器、工作模式电磁阀和节气门控制执行机构。通过对相应通道电磁阀和电机的驱动控制就可以实现该通道制动压力的增压、减压和保压的独立调节。

　　4.10 数据采集中断服务程序

　　数据采集模块由定时中断服务程序完成。集成系统采用数据采集和主控制程序分离的结构型式。由于ABS 电磁阀动作响应时间通常不小于7ms，再加上制动系统的机械滞后，传统的数据采集和控制周期通常不能低于电磁阀动作响应时间。为了使数据处理更为方便和准确，提高数据采样频率是一种有效的手段之一，因此，集成系统采用了3ms 周期的定时中断数据采集程序。

　　为了满足集成系统的需要，目前采集的数据主要包括：四个车轮转速信号，蓄能器压力信号，节气门开度信号、加速踏板开度信号。考虑到数据采集模块属于实时模块，对实时性要求较高，所以在设计软件时，尽可能的利用硬件资源，减少MCU 的占用时间。

　　MC9S12DP256 有8 个增强型定时器（ECT），每个定时器都可以通过软件选择作为输入捕捉或者输出比较，其中有四个带有输入保持缓冲器，当轮速信号上升沿（可选为下降沿）来到时，MCU 自动将输入捕捉寄存器中的时间值放入保持缓冲器中，同时将主计时器的当前时间值放入输入捕捉寄存器中，因此基于测周法可较为容易地实现四个轮速信号的采集。

　　节气门开度信号和加速踏板开度信号、蓄能器压力信号都是模拟信号，它的采集由MC9S12DP256 内部的AD 转换模块自动完成。设置了模拟信号AD 转换的完毕中断，在中断处理程序中存储转换结果。

　　4.11 制动踏板中断服务程序

　　考虑到驾驶员制动动作与主动制动控制的紧急切换，设计了制动踏板中断服务程序。无论系统处于何种控制方式和控制状态，当采集到制动踏板上升沿触发的中断时，集成控制系统立即进入制动踏板中断服务程序，对执行机构模块进行复位，恢复常规制动方式，不干预驾驶员的制动动作，保证了车辆行驶的安全性。系统执行机构复位延时一段时间后退出中断，继续运行主控制模块循环控制。例如当ASR 系统正在进行驱动防滑调节时，驾驶员紧急踩下制动踏板，此时主动制动干预系统迅速恢复常规制动状态，保证了驾驶员的制动动作不受影响。

　　4.12 通讯模块

　　集成系统通讯模块包括实时通讯和非实时通讯两部分。其中实时通讯主要指通过CAN 总线与车距传感器间的通讯，由于车距尚未购买到合适的车距传感器，这部分仅预留了相关的硬件和件接口；非实时通讯主要指通过异步串行通讯（SCI）与外部故障诊断设备的K-LINE 通讯。

　　ABS/ASR/ACC 集成电控系统各子模块的流程框图见附件2。

　　5.试验数据采集存储系统

　　在集成系统开发过程中，需要存储试验数据，便于分析和比较控制程序的效果。为此设计了独立的与上位机通讯的数据存储系统，采集和存储实验过程各传感器信号，并通过异步串口通讯（SCI）方式发送至上位PC 机，再由上位机完成试验结果的保存、分析和处理。这样做的好处有以下几点：

　　1）提高了集成控制系统的实时性。如果与上位机的通讯和数据传递也由集成控制系统完成，必然会影响到控制过程的实时性，采用的独立采集系统可以解决这一问题。

　　2）简化集成控制系统硬件电路复杂程度。为了分析和比较控制逻辑，需要采集一些控制逻辑本身不要求的信号，例如制动过程中四个轮缸的制动压力信号和五轮仪轮速信号。采用独立采集系统就可以简化集成控制系统电路的复杂性，试验成功后，根据产品的要要，进行少量的修改，就可以方便地应用到实际产品中。

　　3）将试验结果传送至上位机，可以充分利用其强大的数学运算能力，充足的存储空间，更加直观、准确的分析和完善控制逻辑。

　　与集成系统数据采集信号相比，与上位机通讯的数据存储系统增加了四个车轮制动管路压力的采集和五轮仪轮速的采集，同时利用MC9S12DP256 自带的串行通讯接口（RS232），设计了与上位机的串行通讯发送完成中断服务程序。

　　五轮仪轮速信号采集同样基于测周法原理进行，利用五轮仪脉冲上升沿中断记录两次主计时值，相减便可得到脉冲周期值。与集成控制系统轮速采集程序不同的是利用了MC9S12DP256 不带保持缓冲区的输入捕捉端口。

　　同时课题组利用C++ Builder 开发了配套的集成控制系统上位机数据采集处理程序，可实现与下位机的通讯，数据的采集和显示，图表显示，读取和清除故障码，数据保存，传感器标定，数据处理，数据文件转换等功能。如图9 所示。

　　图9 上位机数据采集和分析处理程序界面

　　试验数据采集存储系统的流程框图见附件2。

　　6. 结束语

　　系统的集成化包括结构设计一体化，性能一体化和控制一体化，这三点在本次设计的ABS/ASR/ACC 集成控制系统中都得到很好的体现。

　　1）结构设计一体化：形成了ABS、ASR、ACC 执行机构的共用，ASR 驱动轮制动压力调节是利用ABS 压力调节器实现的，ACC 的控制也建立在ABS 和ASR 执行机构的基础上，无需再对车辆制动系统另行改装。另外，应用一个MCU 实现了三者控制逻辑的集成，形成了电子控制装置的一体化。

　　2）性能一体化：实现了ABS、ASR、ACC 彼此间的功能完善，优化了子系统的性能。例如利用ACC 车距传感器可获得的主车与主目标车辆的相对车距和相对车速的信息，利用ABS 轮速传感器获得的主车行驶的绝对速度信息，从而可获得前方主目标车辆的绝对车速，便于对前方主目标车辆行驶状况准确的判断。在ACC 起作用期间，如果实际车距小于理想安全车距（例如巡航过程中突然有车辆并线），驾驶员未及时采取处理措施，为保证行驶安全，集成系统立即实施主动制动，使车辆减速，在这一过程中利用ABS 功能提高了车辆的稳定性，这样就更加增加了汽车的行驶安全性。

　　3）控制一体化：ABS、ASR 和ACC 子系统控制的实质就是对以调节车轮轮缸压力为目标的制动干预模式和以调节发动机输出力矩为目标的节气门开度两种控制方式适当组合和合理控制的结果。ABS/ASR/ACC 集成ECU 实现了传感器信号的共享，形成了软件控制系统中的信号处理、参考车速计算、路面识别、车辆运动状态的识别和执行机构动作公用模块。实现了硬件系统和软件系统相结合的控制一体化。