朱東陽(yáng) 張興旺 王舒陽(yáng)
(南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,江西 南昌330099)
汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)(Brake-By-Wire)是將傳統(tǒng)的液壓或氣壓制動(dòng)執(zhí)行元件改為電驅(qū)動(dòng)元件,由電機(jī)來(lái)提供制動(dòng)力的一種制動(dòng)系統(tǒng)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、響應(yīng)迅速、易于采用模塊結(jié)構(gòu)、易于進(jìn)行改進(jìn)與增加功能等諸多優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在已經(jīng)成了汽車(chē)制動(dòng)研究的熱點(diǎn)[1-3]。電機(jī)線控制動(dòng)控制器是汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。
本文針對(duì)所提出的一種凸輪式線控制動(dòng)系統(tǒng)[4]設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的制動(dòng)控制器,并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果顯示,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn),滿足了線控制動(dòng)系統(tǒng)的控制要求。
凸輪楔塊式汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)主要包含電子踏板模擬器、制動(dòng)系統(tǒng)控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分,如圖1所示。電子踏板模擬器把駕駛員踩踏制動(dòng)踏板的力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)信號(hào),傳遞給制動(dòng)系統(tǒng)控制器;制動(dòng)系統(tǒng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分,接收各個(gè)傳感器的信號(hào),根據(jù)一定的算法對(duì)制動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制,并給電子踏板模擬器提供反饋信號(hào);功率驅(qū)動(dòng)電路主要為電機(jī)提供電流并對(duì)其進(jìn)行保護(hù);機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能是對(duì)制動(dòng)電機(jī)進(jìn)行減速增矩,并把產(chǎn)生的力矩作用到制動(dòng)盤(pán)上產(chǎn)生制動(dòng)力矩。
圖1 制動(dòng)系統(tǒng)框圖
制動(dòng)系統(tǒng)控制器硬件電路采用DSP芯片TMS320F2812作為控制核心,并采用專(zhuān)門(mén)為兩相/四相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的TB6560雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片作為功率驅(qū)動(dòng)芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制。
汽車(chē)常用的車(chē)輛模型有一般車(chē)輛模型、四輪車(chē)輛模型、二輪車(chē)輛模型和單輪車(chē)輛模型。由于汽車(chē)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),若考慮所有的自由度,就必須列出相應(yīng)數(shù)量的運(yùn)動(dòng)微分方程,使分析和求解變得極為困難,而且所需車(chē)輛參數(shù)較多,大多不易精確測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)性差,實(shí)時(shí)控制精度不高。為了簡(jiǎn)化研究問(wèn)題,根據(jù)所設(shè)計(jì)裝置的具體要求,本文選用二自由度單輪車(chē)輛模型[5],并忽略空氣阻力和車(chē)輪滾動(dòng)阻力。二自由度單輪車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型方程如下:
式中,m為車(chē)輛質(zhì)量;v為行車(chē)速度;Fx為車(chē)輪摩擦力;J為車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為車(chē)輪角速度;Tb為制動(dòng)器制動(dòng)力矩;R為車(chē)輪滾動(dòng)半徑;μ為車(chē)輪附著系數(shù);Fz為地面的反作用力。
汽車(chē)力矩由剎車(chē)系統(tǒng)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩Te提供,可認(rèn)為T(mén)b=Te。
按照線控制動(dòng)系統(tǒng)工作原理,軟件系統(tǒng)通過(guò)對(duì)踏板信號(hào)采樣,汽車(chē)輪速采樣,步進(jìn)電機(jī)兩相電流采樣,控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),進(jìn)行電制動(dòng)聯(lián)合控制。其中內(nèi)環(huán)為電流環(huán),通過(guò)電流調(diào)節(jié)控制制動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力控制;外環(huán)為速度環(huán),實(shí)現(xiàn)車(chē)輪速度控制。
所選用兩相(A相和B相)步進(jìn)電機(jī),當(dāng)開(kāi)始剎車(chē)時(shí),通電時(shí)序?yàn)閺腁相線圈的正輸入端A+開(kāi)始,經(jīng)過(guò)B相線圈的負(fù)輸入端B-,再經(jīng)A相負(fù)輸入端A-,最后是B相正輸入端B+,電機(jī)正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)剎車(chē)過(guò)程;當(dāng)通電時(shí)序?yàn)锳+、B+、A-、B-時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),退出剎車(chē)過(guò)程。圖2(a)所示為兩相位驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,二者呈正弦交替變化。如圖2(b)所示,通過(guò)電流采樣霍爾元件得到電機(jī)A、B兩相繞組電流變化波形,電機(jī)兩相繞組的電流按照正余弦規(guī)律變化,實(shí)現(xiàn)了均勻細(xì)分,電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
本文設(shè)計(jì)了基于凸輪式線控制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)控制器,控制器的運(yùn)動(dòng)控制模型采用了汽車(chē)單輪二自由度模型,控制軟件采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),并以DSP芯片TMS320F2812為控制核心設(shè)計(jì)了以兩相步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制電路。試驗(yàn)結(jié)果證明,驅(qū)動(dòng)控制器具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電流波形
[1]黃淵芳.電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)(EMB)試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué),2007
[2]曲萬(wàn)達(dá).汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)之硬件系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué),2006
[3]劉清河,孫澤昌.永磁直流電動(dòng)機(jī)在汽車(chē)線控制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微電機(jī),2007,40(3)
[4]張興旺,初長(zhǎng)寶.基于Pro/E的電機(jī)線控制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,30(3)
[5]陳博,田廣東.汽車(chē)線控制動(dòng)的仿真與分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,24(3)