初長寶，賈興建，李松領

CHU Chang-bao1,2, JIA Xing-jian1,2, LI Song-ling1

（1.江西省精密驅(qū)動與控制重點實驗室，南昌 330099；2.南昌工程學院 機械與電氣工程學院，南昌 330099）

0 引言

隨著人們對現(xiàn)代生活水平的要求日益提高，以及汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市道路設施的不斷完善，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚闹匾煌üぞ?，人們在享受汽車帶來便捷、舒適的同時也對汽車的安全及經(jīng)濟運行性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)需要制動主缸、比例分配閥、壓力調(diào)節(jié)裝置、管路等部件，不僅傳遞效率低、響應時間長，還使整車重量增加，因此，一種結構簡捷、性能安全穩(wěn)定的現(xiàn)代汽車制動系統(tǒng)的開發(fā)設計顯得更加重要。近年來，隨著汽車電子技術不斷取得突破性進展，線控技術已成功應用于汽車領域[1]，汽車線控技術用電子線路取代傳統(tǒng)的機械、液壓或氣動部件，大大降低系統(tǒng)部件的復雜性，使油耗和制造成本得到有效降低，提高不同工況下汽車的操縱性和駕駛舒適性，具有傳統(tǒng)技術不可比擬的優(yōu)勢。

本文以超磁致伸縮材料（簡稱GMM）為驅(qū)動源設計出了一種新型汽車線控制動系統(tǒng)。對系統(tǒng)的結構設計及控制系統(tǒng)設計進行了理論分析，并通過試驗驗證了控制系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的匹配性能及該線控制動系統(tǒng)的整體性能。

1 基于GMM的線控制動系統(tǒng)工作原理分析

由于GMM具有變形量大、輸出力大、能量密度大、響應速度快、低電壓驅(qū)動等特點[2]，目前已在多種領域得到廣泛應用?；谄涠喾矫娴膬?yōu)良性能設計出了以GMM為驅(qū)動源的新型汽車線控制動系統(tǒng)。

基于GMM的線控制動系統(tǒng)主要由車輪輪速傳感器、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、GMM執(zhí)行機構、電源等部件組成。其系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于GMM的線控制動系統(tǒng)

該系統(tǒng)在執(zhí)行制動操作時，首先通過踏板傳感器將駕駛員的制動意圖轉(zhuǎn)化為電信號，并將此信號傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?，電子控制單元綜合輪速傳感器、踏板傳感器及相關輸入信號進行分析處理，然后將控制信號反饋到執(zhí)行機構，GMM執(zhí)行機構模塊根據(jù)電流大小輸出所需制動力，最終完成制動操作。

2 線控制動系統(tǒng)各部件的設計

2.1 制動執(zhí)行機構的結構設計

為了使制動系統(tǒng)盡可能的滿足結構簡單、反應速度快、控制方便等現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的要求，該線控制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構在設計時采用杠桿原理，以GMM棒作為驅(qū)動源，GMM棒在通電線圈產(chǎn)生的磁場中會產(chǎn)生軸向伸長變化，通過執(zhí)行機構的杠桿放大原理使摩擦片側產(chǎn)生更大的位移變化，在摩擦片和制動盤的相互作用下達到制動目的，其結構示意圖與實物圖如圖2所示。

圖2 執(zhí)行機構示意圖及實物圖

圖3 GMM驅(qū)動源實物圖

2.2 GMM驅(qū)動源設計

磁致伸縮是鐵磁性晶體在外磁場中被磁化，其長度尺寸及體積均發(fā)生變化的現(xiàn)象。本設計采用的是甘肅天星稀土功能材料有限公司生產(chǎn)的Ф20×50mmGMM棒，線圈為0.8mm銅質(zhì)漆包線，為了減少磁路損耗，使磁動勢盡可能多的加載在GMM棒上，線圈骨架采用鋁制材料，套筒采用鐵質(zhì)材料。其制作實物如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)設計

2.3.1 Sepic電路設計

目前，汽車車載電源一般采用12V或24V的供電系統(tǒng)，經(jīng)過綜合分析對比選擇了Sepic電路變換產(chǎn)生的電能為GMM驅(qū)動源供電[3]，其電路圖如圖4所示。

圖4 Sepic電路原理圖

Sepic電路由可控開關S、儲能電感L1和L2、二極管D、儲能電容C1、濾波電容C2、負載電阻R及控制電路等組成。電路基本原理為：當開關管S受控制電路的脈沖信號觸發(fā)而導通時，Vin-L1-S回路和C1-S-L2回路同時導通，電感L1和L2儲能；S處于斷態(tài)時，Vin-L1-C1-D-負載（R和C2）回路及L2-D-負載回路同時導通，此階段Vin和L1既向負載供電，同時也向C1充電，C1儲存的能量在S處于通態(tài)時向L2轉(zhuǎn)移。

本設計采用24V直流電源作為Sepic電路的供電系統(tǒng)，要求輸出電壓達到0～40V可調(diào)，輸出電流為0～5A。通過對Sepic電路各參數(shù)進行詳細計算[4]，電路中各元件參數(shù)值確定為：二極管選取快速關斷二極管MUR1560，電感L1=L2=283uH，電容C1=10uF、電解電容C2=400uF，開關管選取IGBT H30T90。同時計算出占空比最大值為：αmax=0.6279。

Sepic電路的輸入電壓與輸出電壓關系為：

2.3.2 控制系統(tǒng)硬件電路設計

要使Sepic電路的輸出電壓在負載允許的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，需設計控制電路來控制開關管IGBT的通斷，本控制系統(tǒng)采用Atmel公司的8位MCU Atmega8L芯片作為控制核心。該單片機最高工作頻率可達到8MHz，其完全能夠滿足控制系統(tǒng)的快速響應要求。制動系統(tǒng)正常運行時，將踏板傳感器及車輪輪速傳感器的電信號傳輸?shù)組EGA8中，單片機根據(jù)接收到的信號，通過改變脈沖寬度調(diào)制器（PWM）的占空比來控制Sepic電路輸出相應的電壓值，使GMM線圈獲得相適應的電流，實現(xiàn)車輪制動的目的。

控制系統(tǒng)還包含其他相關硬件電路組成，如電流信號檢測電路、過流保護電路、PWM驅(qū)動保護電路等。電流檢測電路主要用于檢測GMM線圈上的電流信號，以實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)；開關管驅(qū)動保護電路采用高速光耦合器TLP250實現(xiàn)隔離驅(qū)動，以提高驅(qū)動電路的安全性能，該電路采用12V供電；過流保護電路用來實現(xiàn)直流電源的輸出電流和電壓的限制保護作用，當GMM線圈中電流過載，或Sepic電路輸出電壓超過安全限度時將會產(chǎn)生過流、過壓信號，該信號傳給控制單元后會出現(xiàn)相關保護動作，從而提高了系統(tǒng)的安全性。

2.3.3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)整體設計方案為：將踏板傳感器接收到的踏板位移信號和輪速傳感器采集到的輪速信號，以及Sepic電路負載端的電壓采樣信號傳輸?shù)絾纹瑱CATmega8的AD端口進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過單片機PID控制方式的數(shù)字計算處理，由ATmega8產(chǎn)生的PWM信號對開關管進行控制，從而使Sepic電路產(chǎn)生所需的可調(diào)控電壓值。其控制框圖如圖5所示。

圖5 控制結構框圖

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制[5]，算法簡單可靠，能夠保證控制系統(tǒng)的快速響應能力?？刂葡到y(tǒng)的軟件程序采用Code Vision AVR軟件編寫，首先對Atmega8單片機進行初始化，通過踏板傳感器的分壓電路檢測踏板位移和車輪轉(zhuǎn)速信號，對信號進行調(diào)理。MEGA8通過計算產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號（PWM）是否滿足相應轉(zhuǎn)速的制動要求，若不滿足，繼續(xù)寫入MEGA8得到新的PWM；若滿足要求，則使Sepic電路輸出相應的電壓驅(qū)動GMM棒產(chǎn)生制動力，達到制動目的。

3 制動系統(tǒng)性能實驗測試

由理論分析確定制動系統(tǒng)各部件的合理參數(shù)，經(jīng)過加工、裝配制作成實物在實驗室環(huán)境下進行測試，通過踏板傳感器的位置變化來測試Sepic電路的輸出電壓和執(zhí)行機構處兩剎車片之間位移變化量，試驗分別在驅(qū)動源空載和驅(qū)動源負載兩種情況下進行。

Sepic電路在加載負載的情況下進行測試，其理論分析與試驗測試結果如表1所示。

表2 試驗測試結果

由于驅(qū)動線圈屬于感性負載，當其通電工作時，線圈內(nèi)部產(chǎn)生的感應電動勢將會使Sepic電路的輸出電壓比純電阻負載時有所降低。

由踏板傳感器的位置行程變化測得負載端電流在0～4A范圍內(nèi)變化，分別在制動系統(tǒng)空載和負載兩種情況下測試執(zhí)行機構處兩剎車片之間位移變化量，所測得的試驗結果如表2所示。

試驗測試電流-位移對應關系曲線如圖6所示。

圖6 位移-電流關系

通過試驗測得數(shù)據(jù)可知，驅(qū)動源GMM棒的位移隨電流增大而增加，空載時其伸長量呈持續(xù)增長趨勢；在加載負載時因存在預緊負載力，位移比空載測試時的對應值略小，電流達到2.4A時，摩擦片加緊制動盤，驅(qū)動源將位移輸出轉(zhuǎn)化為力輸出，位移不再增加。在試驗平臺下測試，電動機帶動制動盤以1500rmp的轉(zhuǎn)速運行時，將踏板傳感器置于最大行程位置，制動盤在1～2秒內(nèi)可實現(xiàn)完全制動，制動系統(tǒng)各部件均達到了預期設計目標，線控制動效果良好。線控制動系統(tǒng)實物圖如圖7所示。

圖7 線控制動系統(tǒng)實物圖

4 結束語

本文介紹了一種基于GMM為驅(qū)動源的新型線控制動系統(tǒng)設計，對各部件的設計都進行了詳細介紹，通過理論分析計算對各參數(shù)合理設置，并通過試驗測試對各參數(shù)進行了有效修正，最終試驗結果表明該線控制動系統(tǒng)性能良好，能達到很好的制動效果，充分表明了該制動系統(tǒng)的科學性、合理性，為線控制動系統(tǒng)的未來發(fā)展指引了新的方向。該制動系統(tǒng)結構簡單，驅(qū)動源采用新型材料具有輸出應力大、響應時間快、可靠性高等優(yōu)點，能夠很好的滿足現(xiàn)代汽車制動系統(tǒng)輕量化、高效率、安全性能高的要求。

[1] 李靜,張建,王夢春.電子機械制動執(zhí)行器數(shù)學建模與精細控制[J].吉林大學學報:工學版,2012,42(增1):1-6.

[2] 李永.超磁致伸縮制動器驅(qū)動系統(tǒng)關鍵技術研究[D].山東大學,2013.

[3] 王兆安,等.電力電子技術[M],西安,西安交通大學出版社,2009.

[4] Mokhtar Ali,Amgad Keshka .Microcontroller–Based Modified SEPIC Converter for Driving LED Lamp with Power Factor Correction. MEPCON 2010, December 19-21,2010,p:714-719.

[5] 高彬娜.數(shù)字PID控制在運動控制系統(tǒng)中的應用[J].中國電子科