第四節 防抱死控制系統部件結構

ABS在汽車上的布置如圖1-16所示。

圖1-16 ABS在汽車上的布置

一、輸入信號元件

1.輪速傳感器

輪速傳感器又稱為車輪速度傳感器，其功用是將車輪轉速轉換為電信號輸入防抱死控制和防滑轉控制ECU，用以計算車輪的圓周速度，以便實現防抱死和防滑轉控制。

汽車常用輪速傳感器有磁感應式和差動霍爾（效應）式兩種，目前普遍采用磁感應式。

（1）磁感應式輪速傳感器

1）基本結構。磁感應式輪速傳感器由傳感元件和信號轉子組成，其結構如圖1-17所示。傳感元件為靜止部件，由永久磁鐵、信號線圈（感應線圈）和線束插頭等組成，安裝在車輪附近的靜止部件（如轉向節、半軸套管、懸架構件等）上，不隨車輪轉動。信號轉子由鐵磁材料制成帶齒的圓環，又稱為齒圈轉子，安裝在與車輪一同轉動的部件（如輪轂、半軸等）上。齒圈上齒數的多少與車型、ABS ECU有關，博世公司的ABS齒圈有100個齒，傳感器磁極與齒圈的端面有一空氣隙，一般在1mm左右，可以通過移動傳感器的位置來調整間隙（具體間隙的大小應參考維修手冊）。

圖1-17 輪速傳感器的結構及安裝

1、5—車輪速度傳感器 2、6—脈沖環（齒圈） 3—高速信號 4—低速信號

2）輪速傳感器信號的產生原理。電磁感應式輪速傳感器的工作原理與普通的交流發電機相同。永久磁鐵產生一定強度的磁場，齒圈隨機相同。永久磁鐵產生一定強度的磁場，齒圈隨車輪在磁場中旋轉時，因為齒圈上齒峰與齒谷通過時引起磁場強弱變化，在永久磁鐵上的電磁感應線圈就產生一定的交流信號（圖1-18）。交流信號的頻率與車輪速度成正比，交流信號的振幅隨輪速的變化而變化。例如德爾科ABS-Ⅵ的最低轉速時電壓為0.1V，最高時為9V。

ABS ECU通過識別傳感器發來交流信號的頻率來確定車輪的轉速，如果ECU發現車輪的減速度急劇增加，滑移率達到20%時，它立刻給執行器發出指令，減小或停止車輪的制動力，以免車輪抱死。

3）電磁感應式輪速傳感器的缺點主要有以下幾方面：

圖1-18 電磁感應式輪速傳感器的工作原理

①電磁感應式輪速傳感器向ABS ECU輸送的電壓信號的強弱是隨轉速的變化而變化的，信號幅值一般在1～15V之間變化。當車速很低時，傳感器輸出的電壓信號若低于1V，ECU則無法檢測到如此弱的信號，ABS也就無法正常工作。

②電磁感應式輪速傳感器頻率響應較低。當車速轉速過高時，傳感器的高頻頻率響應差，容易產生錯誤信號。

③電磁感應式輪速傳感器的抗電磁波干擾能力較差，尤其在輸出信號幅值較小時。

（2）霍爾半導體式輪速傳感器 霍爾半導體式輪速傳感器是近年來出現的，裝車量比較少，其安裝位置與方式如圖1-19所示。

圖1-19 霍爾半導體式輪速傳感器的位置與安裝方式

a）前輪位置及安裝方式 b）后輪位置及安裝方式

從圖1-19中可以看出，與球軸承集成的前輪輪速傳感器和帶磁性的轉子安裝在前車橋輪轂上，有磁性的轉子固定在球軸承內圈上，傳感器安裝在球軸承蓋上。后輪輪速傳感器安裝在后車橋輪轂上，傳感器轉子安裝在軸承內圈上。霍爾式輪速傳感器的磁路如圖1-20所示。

圖1-20 霍爾式輪速傳感器的磁路

a）霍爾元件磁場較弱 b）霍爾元件磁場較強

霍爾式輪速傳感器是根據霍爾效應原理工作的，永久磁鐵的磁力線穿過霍爾元件通向齒圈，在圖1-20a所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線較少，磁場較弱，霍爾元件產生的霍爾電壓較低；當齒圈轉動至圖1-20b所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場較強，霍爾元件產生的霍爾電壓較高。隨著齒圈的轉動，霍爾元件將輸出毫伏（mV）級的準正弦波電壓信號。霍爾式輪速傳感器中的集成電路（圖1-21a）中的放大電路首先將該信號放大，然后經施密特觸發器轉換成標準的脈沖信號，再經過放大后輸出給ABS ECU。集成電路中的各級波形如圖1-21b所示。

圖1-21 霍爾式輪速傳感器集成電路框圖及各級波形

a）霍爾式輪速傳感器集成電路框圖 b）霍爾式輪速傳感器集成電路各級波形

霍爾式輪速傳感器的磁性轉子由裝有磁粒子的橡膠組成，南北極按圓周方向均等配置，共48對，如圖1-22所示。磁性轉子旋轉使磁場強弱發生變化，主動式傳感器檢測到這種變化，并以車速脈沖方式輸出。

與廣泛應用的被動式電磁感應傳感器相比，這種傳感器能檢測到從0km/h開始的車速，具有較高的靈敏度，圖1-23對兩種輪速傳感器產生的信號作了對比。由此可知，霍爾半導體式輪速傳感器主要具有以下優點：

①輸出的電壓信號強弱不隨轉速的變化而變化，且幅值較高，因此抗電磁波干擾能力較強。在汽車電源電壓為12V的條件下，信號的幅值保持在11.5～12V不變，即使車速很低時也不會改變。

圖1-22 霍爾半導體式輪速傳感器的安裝

②傳感器頻率響應高達20kHz，用于ABS中，相當于車速為1000km/h時所檢測到的信號頻率，因此不會出現高速時頻率響應跟不上的問題。

此外，由于能夠檢測到轉子的旋轉方向，系統可以區分車輛是向前還是向后運動（圖1-23a）。我們通常把霍爾半導體式輪速傳感器稱為主動式輪速傳感器，而把電磁感應式輪速傳感器稱為被動式輪速傳感器。

霍爾式輪速傳感器的缺點是結構復雜，成本較高，并且工作時需要有電源電壓。

圖1-23 兩種輪速傳感器信號波形的對比

a）主動式傳感器（半導體式車輪轉速傳感器） b）被動式傳感器（電磁感應式輪速傳感器）

2.減速度傳感器

減速度傳感器也稱G傳感器，主要應用于四輪驅動的汽車，用來檢測汽車制動時的減速度，以識別是否為冰、雪等易滑路面。

減速度傳感器又稱為加速度傳感器。汽車在高附著系數的路面上制動時，減速度很大，在低附著系數的路面上制動時，減速度很小，防抱死制動電控單元（ABS ECU）根據減速度傳感器所輸出的信號即可判斷路面狀況。例如，當判定汽車是在附著系數很小的冰雪路面上行駛時，ABS ECU就會按照低附著系數路面的控制方式進行控制，以提高制動性能。

綜上所述，減速度傳感器的功用是：將汽車在制動時的減速度轉換為電信號輸入ABSECU，以便判別路面狀況并采取相應的控制措施。

減速度傳感器有光電式、水銀式、差動變壓器式和半導體式等類型。安裝位置因車而異，有的安裝在行李箱內（如豐田賽利卡和佳美轎車），有的安裝在發動機艙內。

1）光電式減速度傳感器。光電式減速度傳感器由兩只發光二極管、兩只光敏晶體管、一塊透光板和信號處理電路等組成，其結構如圖1-24a所示。

圖1-24 光電式減速度傳感器結構原理

a）元件位置 b）透光時 c）遮光時

光敏管是把光能變成電能的器件，內部裝有能夠產生光電效應的電極，當受到光線照射時，電極就會向外發射電子。廣泛用于無線電傳真、自動控制和電影領域。光電效應是指某些物質因受到光的照射而發出電子的現象。光敏管有光敏二極管和光敏晶體管兩種。

光敏式減速度傳感器透光板的作用是透光或遮光。當透光板上的開口位于發光二極管與光敏晶體管之間時，發光二極管發出的光線能夠照射到光敏晶體管上，使光敏晶體管導通，如圖1-24b所示。當透光板上的齒扇位于發光二極管與光敏晶體管之間時，發光二極管發出的光線被透光板上的齒扇擋住而不能照射到光敏晶體管上，光敏晶體管處于截止狀態，如圖1-24c所示。

圖1-25 光電式減速度傳感器工作情況

a）勻速行駛 b）減速行駛

汽車勻速行駛時，透光板靜止不動，傳感器無信號輸出。當汽車減速時，透光板沿汽車縱向擺動，如圖1-25所示。減速度大小不同，透光板擺動角度也不同，兩只光敏晶體管“導通”與“截止”狀態也就不相同。減速度越大，透光板擺動角度越大。根據兩只光敏晶體管的輸出信號，就可將汽車減速度區分為四個等級，在不同的等級區域內，光敏晶體管的工作狀態見表1-1。ABS ECU接收到傳感器信號后，就可判定出路面狀況，從而采取相應的控制措施。

表1-1 減速度速率的等級及光敏晶體管的工作狀態

2）水銀式減速度傳感器。水銀式減速度傳感器的結構如圖1-26a所示，由玻璃管和水銀組成。當汽車在低附著系數路面上制動時，汽車減速度小，水銀在玻璃管內基本不動，傳感器電路接通，如圖1-26b所示，ABS ECU便按低附著系數路面上的控制程序控制制動系統工作。

圖1-26 水銀式減速度傳感器結構原理

a）整體結構 b）減速度小時 c）減速度大時

當汽車在高附著系數路面上制動時，汽車減速度大，玻璃管內的水銀在慣性力的作用下前移，傳感器電路斷開，如圖1-26c所示，ABS ECU便按高附著系數路面上的控制程序控制制動系統工作。

由水銀式減速度傳感器的結構可見，該傳感器可以檢測前、后或左、右兩個方向的加、減速度，因此可以用作橫向加速度傳感器。當汽車的橫向加速度低于設定值時，水銀在玻璃管內基本不動，傳感器電路接通，向ABS ECU輸入一個高電平信號；當汽車高速急轉彎時，橫向加速度超過設定值，水銀在慣性作用下移動，傳感器電路斷開，向ABS ECU輸入一個低電平信號。ABS ECU接收到橫向加速度超過設定值的信號后，立即發出控制指令，修正左、右車輪制動輪缸的壓力，以便提高ABS系統的制動性能。橫向加速度傳感器在高級轎車和賽車上采用較多。

3）差動變壓器式減速度傳感器。圖1-27所示為差動變壓器式減速度傳感器的結構，圖1-28所示為這種傳感器的工作原理。差動變壓器的一次繞組連接在振蕩電路中，從一次繞組向變壓器輸入一個交變的電壓信號。差動變壓器的二次側是兩個匝數相等繞向相反的繞組，汽車靜止或勻速行駛時，差動變壓器繞組內的鐵心在片簧的作用下處于繞組的中間位置，二次側兩個繞組的感應電壓總是大小相等，方向相反，因此其輸出為零。當汽車制動減速時，鐵心受到慣性力的作用克服片簧的彈力向前移動，二次側的兩個繞組產生的感應電壓大小不相等，輸出信號隨之變化，并且汽車減速度越大，鐵心的移動量越大，輸出的信號值越大。

圖1-27 差動變壓器式減速度傳感器的結構

1—鐵心 2—繞組 3—差動變壓器 4—印制電路板 5—片簧 6—變壓器油

圖1-28 差動變壓器式減速度傳感器的工作原理

1—差動變壓器 2—解調電路 3—振蕩電路 4—基礎電路

二、控制開關

1.制動開關

制動燈開關安裝在制動踏板上部，如圖1-29所示。當駕駛人踩下制動踏板時，制動開關閉合，將制動信號輸入ABS ECU，同時接通汽車尾部的制動燈電路。

制動信號送到ABS ECU，表明制動系統開始工作，車輪隨時可能出現抱死，接到該信號后，ABS ECU進入準備工作狀態。如果制動開關損壞或者制動燈熔絲燒斷，制動信號送不到ABS ECU，這時如果車輪抱死，ABS ECU會產生車輪意外抱死的故障碼，同時ABS警告燈點亮，ABS系統將失去作用。

2.制動液位指示燈開關

當制動液液面位置降低到一定程度時，制動液位指示燈開關閉合，同時接通制動液位指示燈電路和ABS警告燈電路，提醒駕駛人及時添加制動液。制動液位指示燈開關安裝位置如圖1-30所示。

圖1-29 制動開關的安裝位置

圖1-30 制動液位指示燈開關安裝位置

3.駐車制動指示燈開關

當駕駛人拉緊駐車制動手柄時，駐車制動指示燈開關閉合，同時接通駐車制動指示燈電路和ABS警告燈電路，指示燈發亮；當駐車制動手柄被放松時，指示燈熄滅，ABS可以投入工作。

三、ABS ECU

目前ABS ECU主要由集成度、運算精度很高的數字電路組成。采用專用集成電路和混合集成電路，元件數量縮減到70個左右，大大減小了ECU的重量、體積和成本，同時提高了可靠性和生產率。

ABS ECU主要用于接收輪速傳感器和其他傳感器的輸入信號，進行放大、計算和比較，根據設定的控制邏輯，通過計算、邏輯分析和判斷后，輸出控制指令，控制制動壓力調節器調節制動壓力。

典型的四傳感器四通道ABS ECU的結構如圖1-31所示。其內部的基本結構主要包括：車輪輪速傳感器的輸入放大電路、運算電路、電磁閥控制電路、穩壓電源、電源監控電路、故障反饋電路和繼電器驅動電路等。

圖1-31 四傳感器四通道系統ABS ECU模塊圖

1.輸入放大電路

車輪輪速傳感器將車輪轉速轉換為交流信號輸入到ABS ECU，輸入放大電路將交流信號放大成矩形波并整形后送往運算電路。不同的ABS輪速傳感器的數量可能不一樣，4個車輪都裝用傳感器的ABS控制最精確。早期的ABS在左右前輪和后軸差速器安裝輪速傳感器，傳感器只需要3個，輸入放大電路也就成了3個。近年來生產的汽車為了使ABS工作得更好，每個車輪都裝用輪速傳感器。

2.運算電路

運算電路主要進行車輪線速度、初始速度、滑移率和加減速度的運算，以及電動機、電磁閥的開啟控制運算和監控運算。安裝在車輪上的傳感器齒圈隨著車輪旋轉，輪速傳感器便輸出信號，車輪線速度運算電路接收信號并計算出車輪的瞬時線速度。

初始速度、滑移率及加減速度運算電路把瞬間輪速加以積分，計算出初始速度，再把初始速度和瞬時線速度進行比較運算，得出滑移率及加減速度。電動機、電磁閥開啟控制運算電路根據滑移率和加減速度控制信號，控制電動機工作，同時對電磁閥控制電路輸出減壓、保壓或增壓的信號。

3.繼電器驅動電路

繼電器驅動電路的作用是：通過控制繼電器的工作來控制ABS電動機、電磁閥電源電路，接收來自運算電路的減壓、保壓或增壓信號，以控制電磁閥的電流。出現故障信號時停止ABS的工作，返回常規制動狀態，同時儀表盤上的ABS警告燈變亮，讓駕駛人知道有異常情況發生。

4.穩壓電源、電源監控電路和故障反饋電路

在蓄電池供給ECU內部所用5V電壓的同時，上述電路監控12V和5V電壓是否在規定范圍內，并對輪速傳感器輸入放大電路、運算電路和電磁閥控制電路的故障信號進行監控，決定電動機、電磁閥電路是否供電。

5.安全保護電路

安全保護電路由電源監控、故障記憶、繼電器驅動和ABS警告燈等電路組成。安全保護電路接收汽車電源的電壓信號，對電源電壓是否穩定在規定范圍內進行監控，同時將12V或14V電源電壓變成ECU內部需要的5V標準電壓。

安全保護電路還可以根據微處理器輸出的指令，對繼電器電路、ABS警告燈電路等進行控制。當ABS系統出現故障時，如電源電壓過低、輪速傳感器信號不正常或計算電路、電磁閥控制電路、電動機電路有故障時，安全保護電路能夠根據微處理器的指令，切斷有關繼電器的電源電路，使ABS停止工作，恢復常規制動功能，起到失效保護作用。同時接通儀表板上的ABS警告燈，提示駕駛人ABS出現了故障，應及時維修，并且將故障信息存儲在存儲器內，以便進行自診斷檢測時讀取故障信息。

四、執行控制元件

1.故障警告燈

裝用ABS的制動系統帶有兩個故障警告燈，一個是紅色駐車制動/制動液面警告燈，另一個是黃色（或琥珀色）ABS警告燈，ABS警告燈受ABS ECU控制。兩個警告燈在儀表中的位置如圖1-32所示。

當點火開關打開時，紅色駐車制動/制動液面警告燈與黃色ABS警告燈幾乎同時亮，駐車制動/制動液面警告燈亮的時間較短，ABS警告燈會亮得時間長一些（約3s）。如果制動系統正常，兩燈先后熄滅。起動汽車發動機后，蓄能器要建立系統壓力，此時兩故障指示燈會再亮一次，時間可達十幾秒甚至幾十秒鐘。紅色制動燈在駐車制動時也應點亮。如果在上述情況下燈不亮，就說明故障指示燈本身或線路有故障。

紅色駐車制動/制動液面警告燈在駐車制動拉起或制動液不足時也應亮，如果不亮，說明故障警告燈本身或線路有故障。駐車制動/制動液面警告燈常亮，說明制動液不足或駐車制動手柄未放，此時普通制動系統與ABS系統均不能正常工作，要檢查故障原因并及時排除。

圖1-32 兩個警告燈在儀表中的位置

黃色ABS故障警告燈常亮，說明ABS ECU發現電控系統有問題，應及時檢修。

2.電動機/電磁閥繼電器

ABS中的繼電器一般有兩個。一個是主電源繼電器；另一個是電動機繼電器。

主電源繼電器通過點火開關給ABS ECU供電，或者由ABS ECU控制，給電磁閥供電。只要發動機起動，ABS ECU就會感知并啟動系統自檢程序，檢查ABS是否良好。如果主電源繼電器損壞，ECU就會知道并讓ABS停止工作（普通制動系統繼續工作）直到主電源繼電器修復為止。

電動機繼電器主要給電動機供電，當點火開關接通后，ECU要進行自檢，如無異常電動機繼電器導通，電動機的觸點閉合，蓄電池直接給電動機供電使其工作。如果電動機繼電器損壞或發生故障，電動機就不能運行，必然導致ABS制動油壓壓力下降而無法工作。

3.電動機

在ABS工作期間，ABS電動機可在很短時間內將制動液加壓到14～18MPa，給整個液壓系統提供高壓制動液體。電動機的電源由ABS ECU控制的電動機繼電器提供。

4.制動壓力調節器

制動壓力調節器是ABS的執行器，其功用是接收ECU的指令，通過電磁閥自動調節車輪制動器的制動壓力。