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        汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2012-12-23 06:10:20吳小川李鼎焦志浩季維強(qiáng)
        汽車零部件 2012年3期
        關(guān)鍵詞:汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        吳小川,李鼎,焦志浩,季維強(qiáng)

        (現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430070)

        0 引言

        隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步,大眾生活水平的提高,人們對汽車交通的安全性要求與日俱增,而擁有優(yōu)異的制動(dòng)性能是現(xiàn)代化安全汽車的重要評證。雖然傳統(tǒng)的汽車制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)性能上也能滿足現(xiàn)有制動(dòng)法規(guī)的各項(xiàng)要求,但是交通事故的頻繁發(fā)生和汽車制動(dòng)器響應(yīng)速度慢、制動(dòng)效果不理想、制動(dòng)器損耗度過高、裝配維修昂貴等不利情況有直接的關(guān)系,因此,行業(yè)人士提出了汽車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)以解決這些問題。

        1 汽車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

        幾年來西方發(fā)達(dá)國家又興起了對車輛線控系統(tǒng)(X -BY -WIRE)的研究,線控(BRAKE -BY -WIRE)應(yīng)運(yùn)而生,由此展開了對電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng) (ELECTROMECHANICAL BRAKING SYSTEM)的研究,簡單來說電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)就是把原來由液壓或者壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的部分改為由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng),借以提高響應(yīng)速度、增加制動(dòng)效能等,同時(shí)也大大簡化了結(jié)構(gòu)、降低了裝配和維護(hù)的難度。由于人們對制動(dòng)性能要求的不斷提高,傳統(tǒng)的液壓或者空氣制動(dòng)系統(tǒng)在加入了大量的電子控制系統(tǒng)如ABS、TCS、ESP 等后,結(jié)構(gòu)和管路布置越發(fā)復(fù)雜,液壓(空氣)回路泄露的隱患也加大,同時(shí)裝配和維修的難度也隨之提高[1]。因此結(jié)構(gòu)相對簡單、功能集成可靠的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)越來越受到青睞,可以預(yù)見EMB 將最終取代傳統(tǒng)的液壓(空氣)制動(dòng)器,成為未來車輛的發(fā)展方向。

        2 EMB 系統(tǒng)的模型分析

        2.1 EMB 系統(tǒng)工作原理

        電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)工作原理為:當(dāng)汽車行駛時(shí)需要采取緊急剎車,駕駛者腳踏的力量信號傳到制動(dòng)踏板,該力量信號經(jīng)過EMB 控制系統(tǒng)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)控后輸出電樞電壓直接作用于無刷直流力矩電機(jī)上,輸出的電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速信號傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速增矩,轉(zhuǎn)化成絲杠位移,再經(jīng)過制動(dòng)機(jī)構(gòu)作用轉(zhuǎn)化成制動(dòng)力,整個(gè)過程的時(shí)間極短,在0.1 s 作用[2]。

        2.2 EMB 執(zhí)行系統(tǒng)

        一個(gè)設(shè)計(jì)完整的EMB 執(zhí)行系統(tǒng)包括無刷直流電機(jī)模塊(包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊)、傳動(dòng)模塊和制動(dòng)模塊。要完成EMB 的動(dòng)力學(xué)仿真,首先要完成以上三個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)。EMB執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

        圖1 中:Fd為制動(dòng)器的目標(biāo)夾緊力;AVI 號為電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號;DIR 為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號;Ua、Ub、Uc分別為電機(jī)定子每相繞組端電壓;Uh+、Uh-分別為霍爾傳感器供電高低電壓;n 為電機(jī)軸轉(zhuǎn)速;ns為絲杠轉(zhuǎn)速;s 為絲杠副中螺母的平動(dòng)位移;F 為制動(dòng)器的夾緊力;Mb為制動(dòng)器的制動(dòng)力矩;Jc為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TL為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力矩;Sa、Sb、Sc分別為三個(gè)霍爾傳感器的信號;Ia、Ib、Ic、分別為電機(jī)定子每相繞組電流[3]。

        2.3 EMB 控制系統(tǒng)

        電機(jī)的控制采用三環(huán)(電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和壓力環(huán))反饋控制,輸入為目標(biāo)夾緊力,輸出為電機(jī)電樞電壓。EMB 電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

        電機(jī)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是對控制器設(shè)計(jì),該三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)包括夾緊力控制器、轉(zhuǎn)速控制器和電流控制器[4]。其設(shè)計(jì)方法是:從內(nèi)環(huán)開始,每次向外擴(kuò)展一環(huán),首先設(shè)計(jì)電流控制器,再將電流環(huán)當(dāng)作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)部分設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制器,最后把轉(zhuǎn)速控制環(huán)當(dāng)作夾緊力調(diào)節(jié)環(huán)中的一個(gè)部分設(shè)計(jì)夾緊力控制器。

        上述的夾緊力控制器、轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器均是PI控制器。電流控制器的輸入是目標(biāo)電流與實(shí)際電流的差值,輸出為電機(jī)的控制電壓;轉(zhuǎn)速控制器的輸入是目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值,輸出為電機(jī)電流的目標(biāo)值;夾緊力控制器的輸入是目標(biāo)制動(dòng)夾緊力與反饋制動(dòng)夾緊力的差值,輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值。電機(jī)電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速和夾緊力為需測量的量。在本控制系統(tǒng)中,通過無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上安裝的電流傳感器測量電機(jī)實(shí)時(shí)電流;通過光電編碼器測量電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速;通過壓力傳感器測量制動(dòng)夾緊力[5]。

        3 EMB 系統(tǒng)的仿真模型

        (1)無刷直流電流控制模塊,如圖3 所示。

        (2)電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制模塊,如圖4 所示。

        (3)無刷直流電機(jī)三環(huán)控制模塊,如圖5 所示。

        4 仿真結(jié)果

        4.1 電流環(huán)仿真

        當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于空載時(shí),電流值比較小,所以應(yīng)當(dāng)在電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況下對電流環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。電流環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示??梢?,實(shí)際電流在初始階段有較大的超調(diào),但是在后期可以很好地跟蹤目標(biāo)電流。

        4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)試驗(yàn)

        轉(zhuǎn)速環(huán)在試驗(yàn)時(shí),應(yīng)處于空載狀態(tài)。轉(zhuǎn)速環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示??梢?,在啟動(dòng)過程中電流能維持較大的值,從而使電動(dòng)機(jī)迅速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中不斷換相會(huì)引起電流的抖動(dòng),所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也一直在目標(biāo)值附近小幅抖動(dòng)。

        4.3 壓力環(huán)試驗(yàn)

        壓力環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

        可見,兩種工況下消除制動(dòng)間隙的時(shí)間均小于0.1 s,且制動(dòng)壓力的超調(diào)小于5%,同時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的EMB 執(zhí)行器能輸出足夠大的制動(dòng)壓力,而且響應(yīng)迅速。

        5 結(jié)論

        文中對電子機(jī)械系統(tǒng)的原理進(jìn)行了簡單的敘述,也基于此原理進(jìn)行了simulink 的仿真,仿真的結(jié)果表明,按照原理搭建的仿真模塊是有效的。同時(shí)也通過仿真我們可以了解到電子機(jī)械制動(dòng)在制動(dòng)時(shí)響應(yīng)更快,這樣可以縮短制動(dòng)距離,提升了汽車的安全性能。當(dāng)然它還有很多其他的優(yōu)點(diǎn),比如不必使用制動(dòng)液,減輕了汽車的質(zhì)量。同時(shí)沒有真空增壓器,減少了制動(dòng)系統(tǒng)的空間。但是將其應(yīng)用到實(shí)際中還是有很多的難點(diǎn)需要解決,比如力矩電機(jī)的設(shè)計(jì),制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),還有成本的降低,都是在以后需要解決的問題。電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)符合現(xiàn)代汽車的發(fā)展方向,比傳統(tǒng)的汽車更加容易安裝,并且可靠性更高,它是未來制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

        【1】汪洋.車輛電控機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[D].南京:南京航空航天大學(xué),2005.

        【2】沈沉,王軍,林逸. 電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)執(zhí)行器建模與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(8):30 -33.

        【3】譚樹梁.輕型汽車電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行器及硬件在環(huán)試驗(yàn)臺研究[D].長春:吉林大學(xué),2008.

        【4】王玉群,林向陽,楊清林.汽車電子機(jī)械制動(dòng)器(EMB)的發(fā)展研究[J].汽車與配件,2009(49):21-23.

        【5】張成利.汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)及其控制算法與仿真研究[D]. 沈陽:東北大學(xué),2008.

        【6】胡安平.基于AMESim-Simulink 聯(lián)合仿真的再生制動(dòng)系統(tǒng)研究[D].長春:吉林大學(xué),2008.

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