基于FPGA的ABS系统

摘要：本文介绍了一种基于FPGA的ABS系统，该系统在应用自适应卡尔曼滤波算法确定出汽车参考车速的基础上结合车轮转速对滑移率进行了较精确的控制。该系统的特点是参考车速与实际车速吻合较好，通过FPGA能快速完成算法并实现对四轮的独立精确控制，能使整个刹车过程控制更为完善，刹车距离更短。

关键词：自适应卡尔曼滤波算法；FPGA；ABS

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)25-1599-02

The ABS Based on FPGA

ZHONG Wei

(Sichuan Engineering Technical College,Deyang 618000,China)

Abstract: This paper introduces one kind of ABS based on FPGA, has been system's turn to have carried out more accurate controlling on slipping rate combining with the carriage wheel rotation rate on basis ascertaining out automobile reference speed of a vehicle in Adaptive Kalman Filter Algorithm. The system is characterized by reference to the speed and the actual speed good agreement, through the FPGA algorithm can be completed quickly and to achieve the precise control of four-wheel independent, make the whole process of braking control more complete, more short braking distance.

Key words: adaptive kalman filte; FPGA; ABS

1 引言

汽车ABS（Anti-lock Brake System）防抱死制动系统能够在汽车制动过程中防止车轮完全抱死，ABS主要是通过对车轮的制动压力进行调节，将车轮的滑移率控制在最佳滑移率Sc附近，以获得较高的纵向和侧向附着系数，从而减小制动距离以及保证汽车制动时的方向稳定性和转向操纵力，从而大大提高汽车制动过程中的安全性能。滑移率S定义为：S=(v-ω×r)/v。

式中：r为车身速度，ω为车轮角速度，r为车轮半径。

理论研究表明：汽车在制动时，滑移率若能保持在15%，则汽车的刹车距离最短。滑移率在10%～20%，为最佳的刹车效率区间。但在实际当中，要准确地控制滑移率非常困难，由上式知滑移率的计算与车轮转速和车身速度均有直接的关系，而从传感器得到的只是车轮的转速，常见的汽车防抱死制动系统(ABS)往往只以车轮角加/减速度作为控制参量，这类ABS系统很难在不同情况下实现刹车距离最短的要求。汽车在制动过程中，车速与轮速并不相等，我们如果能够通过一定的方法估算出车身速度，进而计算出滑移率，就能进行较精确的刹车控制。

2 系统构思

由以上分析知，ABS系统的控制效果主要取决于该系统的参考车速算法和控制策略。本系统应用自适应卡尔曼滤波算法来确定汽车参考车速，用逻辑门限控制方法进行系统控制，并选10%～20%的滑移率作为门限值。

3 确定参考车速

在汽车制动防抱死调节过程中可以将车身速度信号看作均匀变化信号，利用4个车轮的最大轮速经滤波处理后所得信号作为车身速度的量测量，基于自适应卡尔曼滤波算法进行车身速度状态估计。方法如图1所示。

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详细计算方法请参阅文献1。

4 系统硬件电路设计

ABS系统的核心是电子控制单元ECU(Electronic Eontrol Unit)。本系统ECU硬件电路结构框图如图2所示。

4.1 前向通道

测量汽车轮速信号时，外界的干扰信号很强，必须采取相应的措施，滤波整形放大电路首先通过滤波器滤除高频电磁干扰，然后通过前置放大，施密特触发器整形得到沿口陡直的数字频率信号提供给FPGA计算轮速。

A/D转换电路的转换速度不能太低，否则无法满足ABS系统的要求。美国ADI公司的AD574A是一种兼顾速度与精度的典型A/D转换器，CA3308/3318作为一种有一定代表性的8位高速A/D转换器，也是一个不错的选择。

4.2 后向通道

电磁阀驱动电路可以用专用电磁阀驱动芯片MC33289，当然也可以用功率驱动管。

4.3 控制单元

一般的ABS系统多采用16位的MCU来控制，本系统由于采用了比较复杂的参考车速算法，并分别对四轮轮速采样和控制，需要四个独立通道，因此采用FPGA更合适一些。同时由于FPGA强大的能力，在系统中可再集成防盗报警、倒车、液晶显示等功能，使系统功能更加丰富，FPGA的利用率更高。

4.4 监控电路

监控电路能保证当ABS系统工作不正常时使ABS警报灯亮并转入常规制动。监控电路主要检测传感器电路，电磁阀工作是否正常，同时检测FPGA的工作情况，起到看门狗电路(WD)的作用。89C2051是一个不错的选择，因为89C2051内置模拟比较器，这样可以比较方便地确定电磁阀工作电压是否正常。

5 控制过程

本系统采用如下控制方式：首先确定出滑移率的上下限（10%～20%）作为主要控制参数。然后系统根据采集到的轮速信号决定是否启动ABS，若车速小于10km/h则仍采用常规制动，当大于10km/h时，启动ABS进入等待状态。当踩下刹车后ABS进入工作状态。每隔10ms分别采集一次轮速。根据轮速计算出参考车速，再根据参考车速分别计算出各轮的滑移率，如果高于上限（20%）则控制电磁阀减小制动压力，如果低于下限（10%）则增大制动压力，如果在上下限之间则不改变制动压力。最后，当车速降到10km/h以下后，退出ABS系统，恢复常规制动。具体控制流程如图3（以一个车轮为例）。

6 结论

本设计在Matlab/Simulink环境中进行了仿真，由于该系统采用了自适应卡尔曼滤波算法，参考车速与实际车速吻合较好，经过大量试验证明，在各种制动工况下，该方法均可以满足ABS系统的控制要求，FPGA又能很好的满足运算速度和多通道的要求，实现了对四个车轮的独立精确控制，仿真结果显示该系统有良好的控制效果。

参考文献：

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