第四节 防抱死控制系统部件结构

ABS在汽车上的布置如图1-16所示。

图1-16 ABS在汽车上的布置

一、输入信号元件

1.轮速传感器

轮速传感器又称为车轮速度传感器，其功用是将车轮转速转换为电信号输入防抱死控制和防滑转控制ECU，用以计算车轮的圆周速度，以便实现防抱死和防滑转控制。

汽车常用轮速传感器有磁感应式和差动霍尔（效应）式两种，目前普遍采用磁感应式。

（1）磁感应式轮速传感器

1）基本结构。磁感应式轮速传感器由传感元件和信号转子组成，其结构如图1-17所示。传感元件为静止部件，由永久磁铁、信号线圈（感应线圈）和线束插头等组成，安装在车轮附近的静止部件（如转向节、半轴套管、悬架构件等）上，不随车轮转动。信号转子由铁磁材料制成带齿的圆环，又称为齿圈转子，安装在与车轮一同转动的部件（如轮毂、半轴等）上。齿圈上齿数的多少与车型、ABS ECU有关，博世公司的ABS齿圈有100个齿，传感器磁极与齿圈的端面有一空气隙，一般在1mm左右，可以通过移动传感器的位置来调整间隙（具体间隙的大小应参考维修手册）。

图1-17 轮速传感器的结构及安装

1、5—车轮速度传感器 2、6—脉冲环（齿圈） 3—高速信号 4—低速信号

2）轮速传感器信号的产生原理。电磁感应式轮速传感器的工作原理与普通的交流发电机相同。永久磁铁产生一定强度的磁场，齿圈随机相同。永久磁铁产生一定强度的磁场，齿圈随车轮在磁场中旋转时，因为齿圈上齿峰与齿谷通过时引起磁场强弱变化，在永久磁铁上的电磁感应线圈就产生一定的交流信号（图1-18）。交流信号的频率与车轮速度成正比，交流信号的振幅随轮速的变化而变化。例如德尔科ABS-Ⅵ的最低转速时电压为0.1V，最高时为9V。

ABS ECU通过识别传感器发来交流信号的频率来确定车轮的转速，如果ECU发现车轮的减速度急剧增加，滑移率达到20%时，它立刻给执行器发出指令，减小或停止车轮的制动力，以免车轮抱死。

3）电磁感应式轮速传感器的缺点主要有以下几方面：

图1-18 电磁感应式轮速传感器的工作原理

①电磁感应式轮速传感器向ABS ECU输送的电压信号的强弱是随转速的变化而变化的，信号幅值一般在1～15V之间变化。当车速很低时，传感器输出的电压信号若低于1V，ECU则无法检测到如此弱的信号，ABS也就无法正常工作。

②电磁感应式轮速传感器频率响应较低。当车速转速过高时，传感器的高频频率响应差，容易产生错误信号。

③电磁感应式轮速传感器的抗电磁波干扰能力较差，尤其在输出信号幅值较小时。

（2）霍尔半导体式轮速传感器 霍尔半导体式轮速传感器是近年来出现的，装车量比较少，其安装位置与方式如图1-19所示。

图1-19 霍尔半导体式轮速传感器的位置与安装方式

a）前轮位置及安装方式 b）后轮位置及安装方式

从图1-19中可以看出，与球轴承集成的前轮轮速传感器和带磁性的转子安装在前车桥轮毂上，有磁性的转子固定在球轴承内圈上，传感器安装在球轴承盖上。后轮轮速传感器安装在后车桥轮毂上，传感器转子安装在轴承内圈上。霍尔式轮速传感器的磁路如图1-20所示。

图1-20 霍尔式轮速传感器的磁路

a）霍尔元件磁场较弱 b）霍尔元件磁场较强

霍尔式轮速传感器是根据霍尔效应原理工作的，永久磁铁的磁力线穿过霍尔元件通向齿圈，在图1-20a所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线较少，磁场较弱，霍尔元件产生的霍尔电压较低；当齿圈转动至图1-20b所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场较强，霍尔元件产生的霍尔电压较高。随着齿圈的转动，霍尔元件将输出毫伏（mV）级的准正弦波电压信号。霍尔式轮速传感器中的集成电路（图1-21a）中的放大电路首先将该信号放大，然后经施密特触发器转换成标准的脉冲信号，再经过放大后输出给ABS ECU。集成电路中的各级波形如图1-21b所示。

图1-21 霍尔式轮速传感器集成电路框图及各级波形

a）霍尔式轮速传感器集成电路框图 b）霍尔式轮速传感器集成电路各级波形

霍尔式轮速传感器的磁性转子由装有磁粒子的橡胶组成，南北极按圆周方向均等配置，共48对，如图1-22所示。磁性转子旋转使磁场强弱发生变化，主动式传感器检测到这种变化，并以车速脉冲方式输出。

与广泛应用的被动式电磁感应传感器相比，这种传感器能检测到从0km/h开始的车速，具有较高的灵敏度，图1-23对两种轮速传感器产生的信号作了对比。由此可知，霍尔半导体式轮速传感器主要具有以下优点：

①输出的电压信号强弱不随转速的变化而变化，且幅值较高，因此抗电磁波干扰能力较强。在汽车电源电压为12V的条件下，信号的幅值保持在11.5～12V不变，即使车速很低时也不会改变。

图1-22 霍尔半导体式轮速传感器的安装

②传感器频率响应高达20kHz，用于ABS中，相当于车速为1000km/h时所检测到的信号频率，因此不会出现高速时频率响应跟不上的问题。

此外，由于能够检测到转子的旋转方向，系统可以区分车辆是向前还是向后运动（图1-23a）。我们通常把霍尔半导体式轮速传感器称为主动式轮速传感器，而把电磁感应式轮速传感器称为被动式轮速传感器。

霍尔式轮速传感器的缺点是结构复杂，成本较高，并且工作时需要有电源电压。

图1-23 两种轮速传感器信号波形的对比

a）主动式传感器（半导体式车轮转速传感器） b）被动式传感器（电磁感应式轮速传感器）

2.减速度传感器

减速度传感器也称G传感器，主要应用于四轮驱动的汽车，用来检测汽车制动时的减速度，以识别是否为冰、雪等易滑路面。

减速度传感器又称为加速度传感器。汽车在高附着系数的路面上制动时，减速度很大，在低附着系数的路面上制动时，减速度很小，防抱死制动电控单元（ABS ECU）根据减速度传感器所输出的信号即可判断路面状况。例如，当判定汽车是在附着系数很小的冰雪路面上行驶时，ABS ECU就会按照低附着系数路面的控制方式进行控制，以提高制动性能。

综上所述，减速度传感器的功用是：将汽车在制动时的减速度转换为电信号输入ABSECU，以便判别路面状况并采取相应的控制措施。

减速度传感器有光电式、水银式、差动变压器式和半导体式等类型。安装位置因车而异，有的安装在行李箱内（如丰田赛利卡和佳美轿车），有的安装在发动机舱内。

1）光电式减速度传感器。光电式减速度传感器由两只发光二极管、两只光敏晶体管、一块透光板和信号处理电路等组成，其结构如图1-24a所示。

图1-24 光电式减速度传感器结构原理

a）元件位置 b）透光时 c）遮光时

光敏管是把光能变成电能的器件，内部装有能够产生光电效应的电极，当受到光线照射时，电极就会向外发射电子。广泛用于无线电传真、自动控制和电影领域。光电效应是指某些物质因受到光的照射而发出电子的现象。光敏管有光敏二极管和光敏晶体管两种。

光敏式减速度传感器透光板的作用是透光或遮光。当透光板上的开口位于发光二极管与光敏晶体管之间时，发光二极管发出的光线能够照射到光敏晶体管上，使光敏晶体管导通，如图1-24b所示。当透光板上的齿扇位于发光二极管与光敏晶体管之间时，发光二极管发出的光线被透光板上的齿扇挡住而不能照射到光敏晶体管上，光敏晶体管处于截止状态，如图1-24c所示。

图1-25 光电式减速度传感器工作情况

a）匀速行驶 b）减速行驶

汽车匀速行驶时，透光板静止不动，传感器无信号输出。当汽车减速时，透光板沿汽车纵向摆动，如图1-25所示。减速度大小不同，透光板摆动角度也不同，两只光敏晶体管“导通”与“截止”状态也就不相同。减速度越大，透光板摆动角度越大。根据两只光敏晶体管的输出信号，就可将汽车减速度区分为四个等级，在不同的等级区域内，光敏晶体管的工作状态见表1-1。ABS ECU接收到传感器信号后，就可判定出路面状况，从而采取相应的控制措施。

表1-1 减速度速率的等级及光敏晶体管的工作状态

2）水银式减速度传感器。水银式减速度传感器的结构如图1-26a所示，由玻璃管和水银组成。当汽车在低附着系数路面上制动时，汽车减速度小，水银在玻璃管内基本不动，传感器电路接通，如图1-26b所示，ABS ECU便按低附着系数路面上的控制程序控制制动系统工作。

图1-26 水银式减速度传感器结构原理

a）整体结构 b）减速度小时 c）减速度大时

当汽车在高附着系数路面上制动时，汽车减速度大，玻璃管内的水银在惯性力的作用下前移，传感器电路断开，如图1-26c所示，ABS ECU便按高附着系数路面上的控制程序控制制动系统工作。

由水银式减速度传感器的结构可见，该传感器可以检测前、后或左、右两个方向的加、减速度，因此可以用作横向加速度传感器。当汽车的横向加速度低于设定值时，水银在玻璃管内基本不动，传感器电路接通，向ABS ECU输入一个高电平信号；当汽车高速急转弯时，横向加速度超过设定值，水银在惯性作用下移动，传感器电路断开，向ABS ECU输入一个低电平信号。ABS ECU接收到横向加速度超过设定值的信号后，立即发出控制指令，修正左、右车轮制动轮缸的压力，以便提高ABS系统的制动性能。横向加速度传感器在高级轿车和赛车上采用较多。

3）差动变压器式减速度传感器。图1-27所示为差动变压器式减速度传感器的结构，图1-28所示为这种传感器的工作原理。差动变压器的一次绕组连接在振荡电路中，从一次绕组向变压器输入一个交变的电压信号。差动变压器的二次侧是两个匝数相等绕向相反的绕组，汽车静止或匀速行驶时，差动变压器绕组内的铁心在片簧的作用下处于绕组的中间位置，二次侧两个绕组的感应电压总是大小相等，方向相反，因此其输出为零。当汽车制动减速时，铁心受到惯性力的作用克服片簧的弹力向前移动，二次侧的两个绕组产生的感应电压大小不相等，输出信号随之变化，并且汽车减速度越大，铁心的移动量越大，输出的信号值越大。

图1-27 差动变压器式减速度传感器的结构

1—铁心 2—绕组 3—差动变压器 4—印制电路板 5—片簧 6—变压器油

图1-28 差动变压器式减速度传感器的工作原理

1—差动变压器 2—解调电路 3—振荡电路 4—基础电路

二、控制开关

1.制动开关

制动灯开关安装在制动踏板上部，如图1-29所示。当驾驶人踩下制动踏板时，制动开关闭合，将制动信号输入ABS ECU，同时接通汽车尾部的制动灯电路。

制动信号送到ABS ECU，表明制动系统开始工作，车轮随时可能出现抱死，接到该信号后，ABS ECU进入准备工作状态。如果制动开关损坏或者制动灯熔丝烧断，制动信号送不到ABS ECU，这时如果车轮抱死，ABS ECU会产生车轮意外抱死的故障码，同时ABS警告灯点亮，ABS系统将失去作用。

2.制动液位指示灯开关

当制动液液面位置降低到一定程度时，制动液位指示灯开关闭合，同时接通制动液位指示灯电路和ABS警告灯电路，提醒驾驶人及时添加制动液。制动液位指示灯开关安装位置如图1-30所示。

图1-29 制动开关的安装位置

图1-30 制动液位指示灯开关安装位置

3.驻车制动指示灯开关

当驾驶人拉紧驻车制动手柄时，驻车制动指示灯开关闭合，同时接通驻车制动指示灯电路和ABS警告灯电路，指示灯发亮；当驻车制动手柄被放松时，指示灯熄灭，ABS可以投入工作。

三、ABS ECU

目前ABS ECU主要由集成度、运算精度很高的数字电路组成。采用专用集成电路和混合集成电路，元件数量缩减到70个左右，大大减小了ECU的重量、体积和成本，同时提高了可靠性和生产率。

ABS ECU主要用于接收轮速传感器和其他传感器的输入信号，进行放大、计算和比较，根据设定的控制逻辑，通过计算、逻辑分析和判断后，输出控制指令，控制制动压力调节器调节制动压力。

典型的四传感器四通道ABS ECU的结构如图1-31所示。其内部的基本结构主要包括：车轮轮速传感器的输入放大电路、运算电路、电磁阀控制电路、稳压电源、电源监控电路、故障反馈电路和继电器驱动电路等。

图1-31 四传感器四通道系统ABS ECU模块图

1.输入放大电路

车轮轮速传感器将车轮转速转换为交流信号输入到ABS ECU，输入放大电路将交流信号放大成矩形波并整形后送往运算电路。不同的ABS轮速传感器的数量可能不一样，4个车轮都装用传感器的ABS控制最精确。早期的ABS在左右前轮和后轴差速器安装轮速传感器，传感器只需要3个，输入放大电路也就成了3个。近年来生产的汽车为了使ABS工作得更好，每个车轮都装用轮速传感器。

2.运算电路

运算电路主要进行车轮线速度、初始速度、滑移率和加减速度的运算，以及电动机、电磁阀的开启控制运算和监控运算。安装在车轮上的传感器齿圈随着车轮旋转，轮速传感器便输出信号，车轮线速度运算电路接收信号并计算出车轮的瞬时线速度。

初始速度、滑移率及加减速度运算电路把瞬间轮速加以积分，计算出初始速度，再把初始速度和瞬时线速度进行比较运算，得出滑移率及加减速度。电动机、电磁阀开启控制运算电路根据滑移率和加减速度控制信号，控制电动机工作，同时对电磁阀控制电路输出减压、保压或增压的信号。

3.继电器驱动电路

继电器驱动电路的作用是：通过控制继电器的工作来控制ABS电动机、电磁阀电源电路，接收来自运算电路的减压、保压或增压信号，以控制电磁阀的电流。出现故障信号时停止ABS的工作，返回常规制动状态，同时仪表盘上的ABS警告灯变亮，让驾驶人知道有异常情况发生。

4.稳压电源、电源监控电路和故障反馈电路

在蓄电池供给ECU内部所用5V电压的同时，上述电路监控12V和5V电压是否在规定范围内，并对轮速传感器输入放大电路、运算电路和电磁阀控制电路的故障信号进行监控，决定电动机、电磁阀电路是否供电。

5.安全保护电路

安全保护电路由电源监控、故障记忆、继电器驱动和ABS警告灯等电路组成。安全保护电路接收汽车电源的电压信号，对电源电压是否稳定在规定范围内进行监控，同时将12V或14V电源电压变成ECU内部需要的5V标准电压。

安全保护电路还可以根据微处理器输出的指令，对继电器电路、ABS警告灯电路等进行控制。当ABS系统出现故障时，如电源电压过低、轮速传感器信号不正常或计算电路、电磁阀控制电路、电动机电路有故障时，安全保护电路能够根据微处理器的指令，切断有关继电器的电源电路，使ABS停止工作，恢复常规制动功能，起到失效保护作用。同时接通仪表板上的ABS警告灯，提示驾驶人ABS出现了故障，应及时维修，并且将故障信息存储在存储器内，以便进行自诊断检测时读取故障信息。

四、执行控制元件

1.故障警告灯

装用ABS的制动系统带有两个故障警告灯，一个是红色驻车制动/制动液面警告灯，另一个是黄色（或琥珀色）ABS警告灯，ABS警告灯受ABS ECU控制。两个警告灯在仪表中的位置如图1-32所示。

当点火开关打开时，红色驻车制动/制动液面警告灯与黄色ABS警告灯几乎同时亮，驻车制动/制动液面警告灯亮的时间较短，ABS警告灯会亮得时间长一些（约3s）。如果制动系统正常，两灯先后熄灭。起动汽车发动机后，蓄能器要建立系统压力，此时两故障指示灯会再亮一次，时间可达十几秒甚至几十秒钟。红色制动灯在驻车制动时也应点亮。如果在上述情况下灯不亮，就说明故障指示灯本身或线路有故障。

红色驻车制动/制动液面警告灯在驻车制动拉起或制动液不足时也应亮，如果不亮，说明故障警告灯本身或线路有故障。驻车制动/制动液面警告灯常亮，说明制动液不足或驻车制动手柄未放，此时普通制动系统与ABS系统均不能正常工作，要检查故障原因并及时排除。

图1-32 两个警告灯在仪表中的位置

黄色ABS故障警告灯常亮，说明ABS ECU发现电控系统有问题，应及时检修。

2.电动机/电磁阀继电器

ABS中的继电器一般有两个。一个是主电源继电器；另一个是电动机继电器。

主电源继电器通过点火开关给ABS ECU供电，或者由ABS ECU控制，给电磁阀供电。只要发动机起动，ABS ECU就会感知并启动系统自检程序，检查ABS是否良好。如果主电源继电器损坏，ECU就会知道并让ABS停止工作（普通制动系统继续工作）直到主电源继电器修复为止。

电动机继电器主要给电动机供电，当点火开关接通后，ECU要进行自检，如无异常电动机继电器导通，电动机的触点闭合，蓄电池直接给电动机供电使其工作。如果电动机继电器损坏或发生故障，电动机就不能运行，必然导致ABS制动油压压力下降而无法工作。

3.电动机

在ABS工作期间，ABS电动机可在很短时间内将制动液加压到14～18MPa，给整个液压系统提供高压制动液体。电动机的电源由ABS ECU控制的电动机继电器提供。

4.制动压力调节器

制动压力调节器是ABS的执行器，其功用是接收ECU的指令，通过电磁阀自动调节车轮制动器的制动压力。