陳曉博,李剛炎,胡大偉
(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)
制動(dòng)系統(tǒng)是保障車(chē)輛行駛安全、實(shí)現(xiàn)車(chē)輛安全駕駛的必要環(huán)節(jié),商用車(chē)一般采用氣壓制動(dòng)的制動(dòng)方式,調(diào)壓閥作為連接電控單元和氣壓制動(dòng)回路的關(guān)鍵元件,其在制動(dòng)系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)壓力的大小,其性能直接影響氣壓制動(dòng)的性能[1]。隨著對(duì)電子技術(shù)、控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的深入研究,氣動(dòng)元件及其控制系統(tǒng)向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展已成為一個(gè)重要趨勢(shì)。尤其是隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的興起,急需可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)輸出壓力自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)的壓力調(diào)節(jié)裝置[2]。
目前,在商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路中常用的調(diào)壓閥為ABS電磁閥,但ABS電磁閥并不能實(shí)現(xiàn)輸出壓力的精確控制,且時(shí)延較長(zhǎng)[3]。另外,常見(jiàn)的可實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)調(diào)壓的調(diào)壓閥有電氣比例閥、氣動(dòng)伺服閥和壓電閥等。國(guó)內(nèi)外多家氣動(dòng)元器件公司如日本SMC、德國(guó)PESTO以及諸多高校如浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等都對(duì)此進(jìn)了比較充分的研究[4-6]。
但是,電氣比例閥對(duì)負(fù)載變化比較敏感,適用于輸出功率不太高,動(dòng)態(tài)特性要求也不太高的場(chǎng)合;氣動(dòng)伺服閥價(jià)格高昂,且對(duì)氣源純凈度的要求也較高,其使用維護(hù)較為困難;而壓電閥則因壓電陶瓷材料的可調(diào)變形量較小導(dǎo)致其調(diào)壓范圍有限,應(yīng)用范圍較小[7-9]?;谝陨戏治?,目前常見(jiàn)的自動(dòng)調(diào)壓閥都不適合在商用車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。
本文介紹了一種新的自動(dòng)調(diào)壓閥一體化設(shè)計(jì)方案,并在闡述其結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上,建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)特性和流量特性進(jìn)行分析,以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。
本文設(shè)計(jì)了一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、響應(yīng)速度快、穩(wěn)壓精度高,且能融入商用車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)壓閥。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,主體結(jié)構(gòu)包括:
1) 主閥體:采用先導(dǎo)式減壓閥為主閥體;
2) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);
3) 集成CAN總線(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置。
此外,還包括壓力顯示屏和驅(qū)動(dòng)、控制電路等,共同組成一個(gè)完整的自動(dòng)調(diào)壓閥。
1—進(jìn)氣口;2—出氣口;3—主閥芯;4—排氣閥芯;5—膜片1;6—膜片2;7—排氣通道;8—擋板;9—常泄孔;10—膜片3;11—膜片4;12—壓力顯示屏;13—凸輪推桿;14—凸輪;15—步進(jìn)電機(jī)輸出軸;16—步進(jìn)電機(jī)定子;17—定子線(xiàn)圈;18—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子;19—軸承;20—驅(qū)動(dòng)控制器;21—接線(xiàn)端口圖1 自動(dòng)調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)視圖
本裝置通過(guò)CAN收發(fā)器來(lái)完成與CAN總控制節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞與反饋。而步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為響應(yīng)角位移的一種特殊電動(dòng)機(jī),其工作方式是每輸入1個(gè)電脈沖信號(hào),電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)角度,且角位移和脈沖指令的個(gè)數(shù)成正比。因此,只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率,便可通過(guò)“步進(jìn)電機(jī)—凸輪機(jī)構(gòu)—閥芯”來(lái)控制閥芯的位移及速度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的調(diào)控。
此外,通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)輸出壓力,構(gòu)成反饋閉環(huán)回路,使得輸出壓力的精度較高。為了對(duì)此裝置有較為直觀(guān)的認(rèn)識(shí),其工作原理如圖2所示。
圖2 自動(dòng)調(diào)壓閥工作原理圖
經(jīng)由PC機(jī)或上位控制器發(fā)出的信號(hào),通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)傳送至該自動(dòng)調(diào)壓閥的CAN收發(fā)器,再通過(guò)CAN控制器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖序列,經(jīng)過(guò)放大后傳遞至步進(jìn)電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),每發(fā)出1個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)就前進(jìn)或后退1步。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)凸輪推桿帶動(dòng)閥芯移動(dòng),電機(jī)動(dòng)作一定的步數(shù),則閥芯開(kāi)啟相應(yīng)的開(kāi)度,由此可控制輸出的流量或壓力。同時(shí),壓力傳感器的反饋信號(hào)可與輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,從而完成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)壓力的精確調(diào)控。
客車(chē)氣壓制動(dòng)回路自動(dòng)調(diào)壓閥從接收到調(diào)壓信號(hào)到輸出穩(wěn)定的壓力這個(gè)過(guò)程可分為電磁、閥芯運(yùn)動(dòng)和氣路3個(gè)部分。 本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)調(diào)壓閥各個(gè)系統(tǒng)基本方程的分析,得出其總體的數(shù)學(xué)模型。
建模過(guò)程做以下設(shè)定:
1) 視工作介質(zhì)為理想氣體;
2) 自動(dòng)調(diào)壓閥內(nèi)部的氣體壓力、密度和溫度均呈均勻分布;
3) 不計(jì)其他局部損失。
a) 電磁部分?jǐn)?shù)學(xué)模型
CAN收發(fā)器收到控制信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路,將其轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電流信號(hào),根據(jù)基爾霍夫定律可得轉(zhuǎn)子上線(xiàn)圈的方程為:
(1)
式中:U為電壓;I為電流;R為線(xiàn)圈電阻;N為線(xiàn)圈的匝數(shù);φ為線(xiàn)圈的磁通量;Rm為線(xiàn)圈的磁阻。
線(xiàn)圈通電將電能轉(zhuǎn)化為磁能,其公式為:
(2)
由能量轉(zhuǎn)換原理,可得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:
(3)
根據(jù)電機(jī)的受力情況,可得出其動(dòng)力學(xué)模型:
(4)
式中:Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和;B為阻尼(包括機(jī)械阻尼和電磁阻尼)系數(shù)。
根據(jù)自動(dòng)調(diào)壓閥的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可知,采用凸輪機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)電機(jī)與閥芯的連接和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析可得:
(5)
式中:r0為凸輪的基圓半徑;d為推桿的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)距離;f為凸輪機(jī)構(gòu)表面的摩擦系數(shù)。
b) 閥芯運(yùn)動(dòng)部分?jǐn)?shù)學(xué)模型
該自動(dòng)調(diào)壓裝置是由CAN總線(xiàn)控制其發(fā)出電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換后,帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng),再經(jīng)由凸輪推桿驅(qū)動(dòng)閥芯的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),在這一環(huán)節(jié)中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為:
(6)
式中:θ為步進(jìn)電機(jī)步距角;θS為步進(jìn)電機(jī)的角位移;n為輸入電脈沖的個(gè)數(shù);t為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間;fHZ為脈沖信號(hào)的頻率。
為了避免凸輪推桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生沖擊,該推桿采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。則步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移可以轉(zhuǎn)換為凸輪推桿的直線(xiàn)位移,即是閥芯的位移,其位移方程為:
X=h[(θS/θ0)-sin(2πθS/θ0)/(2π)]
(7)
閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程:
(8)
式中:θ0為凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角;m為閥芯的質(zhì)量;F為凸輪推桿傳遞的壓力;P0為閥芯處的壓力;A0為閥芯的橫截面積;B為閥芯的運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù);Bx為瞬態(tài)氣動(dòng)力阻尼系數(shù);k為氣動(dòng)力彈性系數(shù)。
c) 氣路部分?jǐn)?shù)學(xué)模型
氣體流過(guò)閥芯處的節(jié)流方程為:
(9)
式中:K為空氣的絕熱系數(shù),其值為1.4。
在氣壓制動(dòng)過(guò)程中,自動(dòng)調(diào)壓閥輸出的壓力直接進(jìn)入制動(dòng)氣室。不考慮氣體的泄漏和局部損失,以及與外界的熱交換,則流過(guò)調(diào)壓閥芯的氣體流量即為進(jìn)入制動(dòng)氣室的流量,自動(dòng)調(diào)壓閥出口的壓力即為制動(dòng)氣室的壓力。易知制動(dòng)氣室的節(jié)流方程為:
(10)
由以上幾個(gè)式子聯(lián)立,考慮氣壓制動(dòng)過(guò)程中閥芯的開(kāi)度位移對(duì)質(zhì)量流量的影響,可以推導(dǎo)出該自動(dòng)調(diào)壓閥工作過(guò)程中的壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程為:
根據(jù)閥芯的運(yùn)動(dòng)平衡方程,在MATLAB中對(duì)其進(jìn)行建模分析,可得出閥芯的位移與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線(xiàn),如圖3所示。
圖3 閥芯位移與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線(xiàn)
其中,θ0凸輪的推程運(yùn)動(dòng)角,即是閥芯從閉合到完全張開(kāi)過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)所旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度,且θ0<180°。
步進(jìn)電機(jī)的步距角設(shè)定為1.8° ,因此,步進(jìn)電機(jī)最多旋轉(zhuǎn)100步閥芯便可達(dá)到最大行程,即脈沖個(gè)數(shù)最多為100個(gè)。
根據(jù)GB 12676-2014 中的相關(guān)規(guī)定[10],分析得出不同類(lèi)型汽車(chē)分別在空載和滿(mǎn)載條件下所需滿(mǎn)足的最大響應(yīng)時(shí)間如表1所示。
表1 制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求
在MATLAB/Simulink仿真模型中,信號(hào)頻率分別設(shè)置為160 Hz、170 Hz、180 Hz、190 Hz、200 Hz 5個(gè)輸入值,壓力響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示(本刊為黑白印刷,如有疑問(wèn)請(qǐng)向作者咨詢(xún))。
圖4 不同頻率下自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)
由圖4可知,頻率越大,壓力響應(yīng)時(shí)間越短。而根據(jù)表1可知,為了使該自動(dòng)調(diào)壓閥能夠滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各種類(lèi)型車(chē)輛的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要求,可設(shè)定自動(dòng)調(diào)壓閥的使用頻率為200 Hz。
此外,在MATLAB/Simulink仿真模型中,保持輸入壓力不變,輸出壓力分別設(shè)定0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa,仿真時(shí)間設(shè)置為3 min,可得出該閥的壓力—流量特性曲線(xiàn),如圖5所示。
圖5 自動(dòng)調(diào)壓閥流量特性曲線(xiàn)
由圖5可知,設(shè)定輸出壓力分別為0.6 MPa、0.5 MPa、0.4 MPa并持續(xù)3 min后壓力的降低值均<0.01 MPa,穩(wěn)壓精度高,其流量特性能滿(mǎn)足客車(chē)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。
根據(jù)以上的仿真分析可知,該自動(dòng)調(diào)壓閥的壓力響應(yīng)特性和流量特性能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,且控制信號(hào)頻率最佳值為200Hz。
本文設(shè)計(jì)了一種以先導(dǎo)式精密調(diào)壓閥為主閥體、以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、以集成CAN總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)控制器為控制部件,同時(shí)集反饋回路、控制電路為一體的商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路自動(dòng)調(diào)壓閥。根據(jù)該閥的工作原理進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并對(duì)其性能完成了仿真分析。結(jié)果表明該閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸出壓力的自動(dòng)、精準(zhǔn)控制,且響應(yīng)時(shí)間快,能滿(mǎn)足商用車(chē)氣壓制動(dòng)回路的自動(dòng)調(diào)壓需求。