（光学工程专业论文）基于vc的汽车制动性能试验台测控系统研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 j 1 4 l l l l l l l l l l i i i f l l l l lirlilli i i i f l l fi llllll ? y 18 8 4 7 9 0 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：落刹篙 日期： 如f i 易f - 7 指导教师签名： o 时的力矩平衡方程式为： 艺一只，i = 0( 2 - 1 ) 制动器制动力是为克服制动器摩擦力矩而在车轮周缘所施加的切向力，以符号f ，来 表示。它相当于把汽车悬空并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至车轮 转动所需的力。制动器的制动力定义为： 7 c = 卫( 2 - 2 ) 由公式2 2 可见制动器制动力f 。取决于制动器结构、型式与尺寸大小，制动器磨擦 副磨擦系数和车轮半径等因素。对于结构尺寸一定的制动器而言，其制动力一般与制动 油压或制动气压成正比。但随着汽车的使用，其技术状况会逐渐的变差，导致车轮制动 器不能提供足够的制动器制动力，这是即使用力的踩踏制动踏板，车轮仍然滚动而不抱 死，使得汽车的制动性能变差。用制动力检测汽车的制动性能，其目的就是检测制动器 的制动力。 2 1 2 韦0 动昱巨离 根据g b7 2 5 8 2 0 0 47 1 3 1 1 规定，制动距离是指汽车在规定的道路条件以及初始 速度下紧急制动时，从脚接触制动踏板( 或手触动制动手柄) 时起至汽车停住时为止所驶 过的距离【2 。它包括制动系统的反应时间、制动力增长时间和最大制动力持续制动时间 所行使的距离。制动距离可按以下公式进行计算。 s = 去以+ 争筹 ( 2 - 3 ) 式中各参数分别为： s ：汽车制动距离，m ： ：汽车制动初速度，k m h ； ：制动减速度，m s 2 ； f ：制动系统反应时间，s ： t 乙：制动力增长时间，s 。 6 两华大学硕士学位论文 制动距离是汽车制动性能最直观的评价参数，制动器的结构形式、技术状况、反应 时间以及制动力增长的快慢均包含在这个指标中。由式2 3 可知：当制动器作用时间和 初始速度一定时，汽车制动力越大，其制动减速度越大，制动距离就越短，制动效果也 就越好。 2 1 3 制动减速度 制动减速度是指汽车制动时，汽车速度下降的快慢程度，制动减速度的大小是汽车 降低行驶速度能力强弱的量化体现。制动减速度j 与汽车制动力f i 的关系可用下式表示。 ，：里生( 2 4 ) 6xg 式中：g ：汽车总重力； g ：重力加速度； 万：汽车旋转质量换算系数。 由于制动力越大，制动减速度也就越大，从而制动距离也就越短，制动效果也就越 好。所以可以看出制动减速度和制动力有等效的意义，因而也常把制动减速度作为汽车 制动性能检测的评价指标。制动减速度在一次制动过程中是变化的，在制动器作用时间 内，其制动减速度由小变大，而当车轮抱死拖滑时所能达到的最大减速度为k = 9 9 ( ( p 为地面附着系数) 。在我国的安全法规中，采用从分发出的平均减速度f m d d 作为评价 汽车制动性能的评价参数。f m d d 的数值在制动过程中比较稳定，且不受测试时汽车倾 角的影响，能够真实的反应出制动系统的状况。f m d d 的表达式为： ，2，2 脚2 2 59 聂2 ( s 与s 沏瓜2 ) p ( 2 5 ) 。一。) 、 、 式中：制动初速度，k m s ； v 6 ：0 8 的汽车制动速度，k m s ； 屹：o 1 的汽车制动速度，k m s ； 咒：在速度从到所驶过的距离，m ； s 。：在速度从到1 ，。所驶过的距离，r n 。 2 1 4 制动时间 制动过程所经历的时即为制动时间，如图2 2 所示。它主要包括驾驶员看到情况后 作出反应( ) 、制动器起作用( 乞) 、持续制动( 岛) 和制动完全释放( ) 四个阶段。其中乞和 f ，具有间接评价汽车制动性能的能力，制动时间越短，制动性能就越好【l 】。 基于v i s u a lc + + 的汽车制动性能试验台测控系统研究 图2 2 汽车制动过程 f i g u r e2 - 2t h ec u r v eo fb r a k i n gp r o c e s s 2 1 5 制动稳定性 汽车制动稳定性( 制动时的方向稳定性) 是指汽车在制动时过程中维持直线行驶或按 预定弯道行驶的能力【l 】。它可用汽车制动时汽车按直线轨迹( 或预定弯道) 行驶的能力来 评价。制动稳定性差的汽车在路试时会产生制动跑偏，偏离规定宽度通道的现象。所以 在我国的安全法规g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车安全运行技术条件中明确规定路试检测时， 制动稳定性的评价参数是试车道的宽度。 为确保汽车制动时的稳定性，应防止前后轮抱死的情况。在设计是应实现各轴间制 动力的合理分配，在有的汽车上装有制动力分配调节装置如限压阀、比例阀等用以调节 或控制制动器中的油压或气压大小。现在，采用防抱死制动系统( a b s ) 能使车轮处于半 饱和状态，不仅可以改善制动效能和防止后轴侧滑，还保持了较好的转向能力【”】。 2 2 汽车制动性能的检测标准 汽车行驶是否安全与汽车制动性能紧密相关，因而制动性能的检测标准应根据国家 的有关法规制动。现行汽车制动性能的检测标准按照国家标准g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车安 全运行技术条件中的相关规定执行。可以应台式法或路试法检测汽车的制动性能，只 要检测指标符合检测标准即认为汽车制动性能合格。 虽然路试法检验汽车制动性能直观、简便，能真实的反映出汽车实际行驶过程中汽 车动态的制动性能，也可以综合的反应汽车其他系统的结构和形式对汽车制动性能的影 响，但它也有不少缺点，如路试法只能反应整车的制动性能，受气候条件限制，测试条 件不易精确控制，且磨损轮胎又不安全。因此路试法现在逐步被制动检验台为检测设备 的台式法所取代。 西华大学硕士学位论文 台式法检测制动性能的方法有制动力法、制动距离法以及制动减速度法，但常用的 是汽车制动力法。制动力法的检测标准如下表所示【1 卅。 表2 - 1 台试检验制动力要求 制动力总和与整车重量的百分比轴制动力与轴荷a 的百分比 机动车类型 空载满载前轴后轴 三轮汽车 4 56 0b 乘用车、总质量不大于 6 05 06 0b2 0b 3 5 0 0 k g 的货车 其它汽车、汽车列车 6 05 06 0b 摩托车6 05 5 轻便摩托车 6 05 0 a 用平板制动检验台枪验乘用车时应按动态轴荷计算。 b 空载和满载状态下测试均应满足此要求。 表2 2 制动性能检测时制动踏板力或制动气压要求 检测参数空载满载 气压制动系气压农指示气匿k p a6 0 0额定工作气压 座位数9 的载客汽车4 0 05 0 0 液压制动系踏板力n 其他汽车 4 5 07 0 0 9 基于v i s u a lc h 的汽车制动性能试验台测控系统研究 第3 章汽车制动试验台结构原理及系统硬件设计 本文介绍的测试系统是以本实验室自主开发设计的汽车四车轮制动性能检测试验 台为基础，旨在设计一套比较完善的测试系统用以检测汽车的制动性能，能实现汽车制 动性能的自动测试，并对被测车辆的制动性能做出客观评价。 该测试系统主要具有以下特点。 1 实时测量汽车制动过程中各个车轮的转速以及试验台各个滚筒的转速； 2 可测量汽车制动踏板力和各制动轮缸的油压等制动性能参数； 3 在获得汽车制动性能的各种参数后，可进行数据的实时显示和分析处理以及数 据的存盘打印等功能； 4 将外置液压装置接入装配有a b s 控制器的汽车制动系统，可对被测a b s 控制 器的制动效果进行测试； 5 系统的硬件和软件部分都能允许用户在一定的授权条件下进行修改和调整以更 好的适应用户的需求；此外，用户还可以通过自适应的调整修改将该测试系统的各功能 模块进行进一步开发和完善。 本测试系统设计时所参考的主要标准、法规有以下几点： 1 g b7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件； 2 g b1 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车制动系结构、性能及试验方法； 3 g bl1 7 9 8 2 0 0 1 机动车安全检测设备检定技术条件； 4 g b t1 8 3 4 4 2 0 0 1 汽车维护、检测、诊断技术规范； 5 g b t1 3 5 6 4 2 0 0 5 滚筒反力式汽车制动检验台； 6 g b t1 3 5 9 4 2 0 0 3 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法。 3 1 汽车制动性能的台式检测 由于用试验台检测汽车的制动性能具有迅速、经济、安全，且不受外界自然条件的 限制，以及试验重复性好和能定量地的指示出各轮的制动力或制动距离等优点，因而台 式检测法已经逐步的取代路试检测法而成为汽车检测的发展方向【7 】。 该测试系统所基于的汽车四车轮制动性能检测台是一种双轴惯性式汽车制动检测 台，该制动检测台具有四套测试单元，分别用于测试被测车辆的四个车轮。它由框架、 驱动装置、滚筒装置、测量装置、举升装置、轴重测量装置、信号拾取装置以及一套测 控设备和外置液压装置等构成。其结构俯视图如图3 1 所示【1 2 1 3 】【15 1 。 西华大学硕士学位论文 图3 - 1 测试台俯视图 f ig 3 - 1p l a n f o r mo ft e s tb e d 卜传动链条；2 一电磁离合器；3 一滚筒组； 4 一举升台；5 一扭矩转速传感器 汽车在试验台上试验时，实际是在以模拟路面上制动时的制动工况来检测汽车的制 动性能，试验台的滚筒就相当于一个移动的路面。检测开始之前，将汽车驶上试验台， 升起举升装置，之后调整汽车和滚筒的位置，以便准确的使汽车的各车轮分别安置在制 动台架的主、从动滚筒之间，降下举升装置，车轮支撑于滚筒之上。主、从动滚筒组经 电磁离合器和传动链条联接在在一起，从而能使各滚筒以同一速度运转。在滚筒系统上 设置惯性轮的功用是增加系统的惯量，设置电磁离合器是便于切断主、从动滚筒之间的 动力，使各滚筒组能够自由旋转。制动台架的滚筒组是借助于被检车辆的动力而被驱动 旋转的，被检车辆的驱动力经驱动轮带动台架后滚筒组( 后轮驱动) 或前滚筒组( 前轮 驱动) 转动，并经传动轴带动另一滚筒组同步转动。 检测时，当达到设定检测速度后，则立即采取紧急制动、切断滚筒组的驱动力，车 轮对滚筒表面产生切向阻力，欲使之停下来，而飞轮系统的惯性作用将使得车轮和滚筒 这一组合系统继续转动一段时间，直至车轮制动器将转动动能全部吸收，此时车轮和滚 筒组才停止转动。显然，从汽车开始制动至滚筒停止转动这一过程中，滚筒的减速度对 应于车轮的制动减速度，滚筒所转过的转数乘以滚筒的周长即为相应的制动距离，因此 通过这一检测过程便可测试出汽车制动性能的好坏。 显然，汽车在制动试验台上试验时，实际是在模拟路面上的制动工况。试验台的滚 筒相当于路面，检测时，转动的滚筒和飞轮系统便具有了转动能，也就相当于汽车在路 面上行驶的平动动能。检测时，当切断电磁离合器后也就切断了滚筒组的驱动力，。此时 轮胎将对滚筒表面产生一个切向阻力，即制动力，但滚筒系统仍将借助自身的惯性来克 服车轮施加的制动力而继续转动，直至其转动动能被车轮制动器完全吸收为止。因此， 滚筒的转动圈数、转动的快慢程度在滚筒系统惯量一定时受制于车轮制动力的影响。于 基于v i s u a lc + + 的汽车制动眭能试验台测控系统研究 是，通过测得滚筒在被检车辆制动过程中所转过的转数和时间，即可测得被检汽车的制 动距离和制动减速度以及制动时间等参数【15 1 。 利用试验台检测汽车的制动性能可以在任意车速下进行，试验情况也接近汽车制动 时的实际工况。具体的检测原理框图如下图3 - 3 所示。 匪匝 匝囹 匝匦一一 滚筒转速信号 j l 一：厂 臣堕一1 蚓 厂1一l 制动扭矩信号 1 _ j 厂一1 厂j l 电磁离合器l + 一继电器l 工 a d 控 - - q 打印机 机 肌 一其它外设 。，o 一 图3 - 3 测控系统原理图 f i g u r e3 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft e s ta n dc o n t r o ls y s t e m 3 2 制动试验台的测量参数和技术指标 1 被检车辆待测参数 】1 前后左右四个滚筒的转速 1 2 前后左右四个车轮的转速 1 3 制动总泵的制动压力 1 - 4 四个车轮制动分缸的压力 1 5 制动距离 1 6 制动时间 1 7 滑移率 1 8 制动扭矩 1 - 9 充分发出的平均减速度( m f d d ) 2 制动试验台技术参数 2 1 滚筒直径 2 2 允许轴重 。一，2 3 同一滚筒组中心间距 2 4 最大测试速度 2 5 被检车辆轴距 2 1 8 r a m 6 9 5 k g 3 9 0 - 4 0 0 m m 8 0 2 0 k m h 2 m - - - 3 m 西华大学硕士学位论文 2 6 被检车辆轮距 2 7 转速精度 3 扭矩信号测量范围： 4 滚筒转速范围： 5 踏板力测量范围： 7 a d 分辨率： 8 a d 采样通过率： 1 5 m 2 o m 6 0 p r 1 0 0 0 n m + 1 0 0 0 n m o 3 0 0 0 r m in o 8 0 0 n 1 2b i t 1 0 0k h z 3 3 测试系统的硬件组成 测试系统主要由工控机、数据采集卡、传感器、自制信号调理箱及一些辅助设备构 成。系统总体结构如下图3 - 4 所示。 l 传感器 模拟量输入通道i 一一一 试 被测 信p c i 2 0 1 3 l 口 验 车辆 口 模拟信号 操 彳 工 厶 执行器模拟量输出通道 一 采集卡 1 控作 口 调 机 l h 控 架 部 汽车 瑾 部 制 分 制动 传感器数字量输入通道 p c i 2 3 6 1 分 厶 艟 口 1 7 c 数字置信 试验 块 号采集卡厶 口 执行器h数字量输出通道h 一 图3 4 测试系统硬件原理图 f i g 3 - 4t h e h a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es y s t e m 如上图所示，硬件系统各部分的功能主要如下。 ( 1 ) 信号提取部分。该部分主要是由安装在试验台架和被测车辆上不同类型的传感 器组成，传感器将所提取得到的信号输送至信号调理部分进行进一步的信号处理。 ( 2 ) 信号调理部分。该部分主要由信号调理电路构成，分模拟信号调理单元和数字 信号调理单元，主要是用于将从传感器测得的各种信号处理转换为数据采集卡等采集设 备可以识别的标准信号。 ( 3 ) 数据采集部分。该部分由具有1 2b i t 分辨率、转换时间l o u s 的p c i 2 0 1 3 数据 采集卡和具有9 路计数定时器的p c i 2 3 6 1 数据采集卡组成。数据采集卡将信号转换为 计算机可以识别的信号然后供系统软件部分分析处理。 ( 4 ) 工控机是测试系统的数据处理分析的执行机构和测试结果的显示和存储单元。 工控机的硬件配置和性能对于整个测试系统的运行速度也有着重要的影响。 基于v i s u a lc + + 的汽车制动性能试验台测控系统研究 3 3 1 数据采集卡 数据采集卡是测试系统中的关键部件，其性能对整个测试系统的性能有着直接的影 响。基于p c i 总线的板卡种类很多，有模拟量输入输出板卡，开关量输入输出板卡，脉 冲量输入输出板卡以及集成化的多功能板卡，现在还出现了一些集成有c p u 和控制器的 “智能”板卡等。 ( 1 ) p c i 2 0 1 3 数据采集卡 模拟量板卡根据其使用的a d ( 或d a ) 转换芯片和总线结构的不同，性能有着很大 的差别。板卡通常有单端输入、差分输入、以及两种方式组合输入3 种方式。模拟量板 卡的性能指标主要有输入信号的量程范围、增益、分辨率、精度、采样率等，其中板卡 模拟信号采集的精度和速度指标通常由板卡所采用的a d 转换芯片所决定。在本测试系 统中我们采用的是北京阿尔泰科贸有限公司所提供的p c i 2 0 1 3 数据采集卡。该板卡提供 三种a d 数据采集方式：非空查询方式、半满查询方式和半满中断方式，三种方式的最 高传输率均为i o o k h z ，其中尤以半满中断方式的效率最高。同时，该板卡具有8 k 容量 的存储器和1 2b i t 分辨率的a d 转换器和d a 转换器，其a d 转换器的通过率为i o o k h z ， 并提供了8 路模拟双端输入和1 6 路模拟单端输入以及2 路模拟输出通道。a d 和d a 转换器信号范围：5 v 、l o v 、0 l o v 。 ( 2 ) p c i 2 3 6 1 数据采集卡 在工业现场测试当中有许多的高速脉冲频率量信号，这些就需要用到脉冲量输入 输出板卡。脉冲量输入输出板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并提供计数、定 时、测频等不同的工作方式，使得计算机通过该板卡可以方便地读取脉冲计数值，也可 测量脉冲的频率或产生一定频率的脉冲。脉冲量板卡的主要性能指标有时钟输入、门输 入、计数器输出、时基等。其中时基决定了可以翻转数字输入源的速度。当频率越高， 计数器递增( 或递减) 的也越快，因此对于输入可探测的信号频率越高，对于输出则可 产生更高频率的脉冲和方形波。在本测试系统中我们采用的是北京阿尔泰科贸有限公司 所提供的p c i 2 3 6 1 数据采集卡。该板卡提供两种频率的时钟输出，2 m 和1 6 4 m ，即时钟 周期为0 5l ls 和6 4us ；其中单块采集卡提供9 路计数定时器，每路计数定时器各自 独立运行，值得一提的是通道0 提供正向和反向2 路输出，尤其是反向输出可用于控制 其余计数通道的门控端，以方便同步计数。 3 3 2 传感器 铀传感器的作用是把非电物理量( 如温度、压力、速度等) 转换成电压或者电流信号。 它是测试与控制系统的首要环节。在汽车制动性能测试系统中，传感器直接和被测对象 1 4 西华大学硕士学位论文 接触，处于测量系统的最前端，是获取信息的第一环节，起着获取检测信息与转换信息 的重要作用，其性能好坏直接影响到测试系统的精度，即测试系统的好坏常常取决于传 感器的性能，因此选用合适的传感器就显得尤为重要【1 4 1 5 1 。 ( 1 ) 压强传感器 由于本汽车制动性能试验台是以微型车和轿车为试验对象进行设计的，根据轿车制 动规范中的规定，国产轿车的踏板力f p 8 0 0 n 1 4 】。假设汽车制动总泵活塞最小允许尺寸 d 。= 1 9 0 0 ( m m ) ，制动踏板杠杆比i 。为6 ：1 ，取踏板机构及液压主缸的机械效率r l = 0 8 6 ， 则可计算出制动管路的油压值为【l6 】： p 2 霏f p 4 ”i p r ( 3 1 ) 根据上述各变量的取值可计算得到p = 1 4 5 6 n m i l l 2 = 1 4 5 6 m p a ，根据计算结果， 选择量程略大于1 4 5 6 n 1 1 1 1 1 1 2 的压强传感器就可以满足测量要求。根据实际情况拟选用 成都新普传感器有限公司的c y y b g 4 型陶瓷压阻式压力传感器，如下图3 5 所示。 图3 5c y y b g 4 型压力传感器 ： f i g 3 5t h et y p ec y y b g 4p r e s s u r es e n s o r 其具体参数为： 量程：1 0 0 k p a 6 0 m p a 供电：1 8 3 6 vd c 输出：4 2 0 m a 二线制 1 5v三线制 精度：o 5 级 滞后误差和重复性误差为0 5 ，过载能力为满量程的1 2 0 。该传感器体积小，安装 方便，通过t 型三通接头进行安装。安装位置在软管与制动分泵连接处。 ( 2 ) 扭矩传感器 根据汽车理论的分析可知： m 一= f x b 眦r = f z 咖r ( 3 - 2 ) 蒸 基于v i s u a lc + + 的汽车制动性能试验台测控系统研究 其中，f 是车轮的垂直载荷，够是车轮与地面间附着系数。 根据检测试验台的设计参数，车轮与滚筒之间的附着系取= o 8 5 ，车轮滚动半径 r = 0 2 6 5 m ，并假设车轮平均分配载荷，以长安微型汽车为例，单个车轮的垂直载荷 f = 3 4 7 5 k g ，将各参数代入3 - 2 式，可计算得到最大扭矩m 。= 7 6 7 1 0 ( n m ) 5 1 。 考虑到汽车在制动时会产生轻微的冲击，故应选用量程大于7 6 7 1 0n m ，并有一定 过载能力的扭矩传感器。根据实际情况拟选用中国航天科技集团公司提供的a k c 2 1 5 动态扭矩传感器，如下图3 - 6 所示。其量程为0 1 0 0 0 n m ，满量程线性误差和重复性误 差为o 0 4 、滞后误差为0 0 2 ，过载能力为满量程的1 2 0 。 图3 6a k c 一21 5 动态扭矩传感器 f i g u r e3 - 6t h ea k c - 2 15d y n a m i ct o r q u es e n s o r 其主要技术指标如下： 1 扭矩精度：0 1 ； 2 转速精度：6 0 个脉冲转( 无积累误差) ； 3 供电电压：1 5 vd c ； 4 信号输出幅值：0 - 5 vc o m s ； 5 扭矩频率输出范围：零扭矩1 0 k h z 5 0 h z ；正向扭矩满量程：1 5 k h z 5 0 h z ； 反向扭矩满量程：5 k h z 5 0 h z ； 6 允许转速：5 0 0 0 转分； 7 温度补偿范围：一1 0 6 0 ； 8 允许过负荷：1 2 0 f s ； a k c 2 1 5 传感器应变电桥输出的微弱电压信号送预处理电路处理后，将电压信号放 大，再进行v f 变换，将电压信号转化为频率量，然后将频率信号输送到旋转的发射管， 通过阻容耦合作用将频率信号传送到静止的接收管，最后输出n - - 次仪表进行处理。 ( 3 ) 滚筒转速传感器 系统中选用的是a k c 2 1 5 光电式传感器来测量滚筒的转速，它与扭矩传感器集成 在一起，并安装在扭矩传感器的信号耦合器中。该传感器具有精度高，性能稳定可靠， 西华大学硕士学位论文 量程范围广等一系列优点；其最大允许转速为1 0 0 0 0 转分。 该传感器主要由测速码盘、硅发光二极管( 光源) 和光敏检测元件等组成，如下图3 - 5 所示。 】d 三i l i 置岳暑鑫f a 1 警kj e 撼：心i b ；越! 亡芒，o 互0 当测速码盘旋转时将会切割光源发出的光线，然后通过光电开关( 光敏元件) 输出 具有一定周期宽度的脉冲信号，其信号频率与转速成正比；根据码盘的齿数和输出信号 的频率，即可计算出相应的转速。 转速n 与脉冲信号的频率f 的关系为： n 滚：6 0 f c m l ( r m i n ) ( 3 3 ) n 滚2 m n p r n ) l j jj 其中p = 6 0 ( p 为滚筒转速传感器每转的脉冲个数) ：为基准参考时钟频率；m 。为 6 5 5 3 5 一滚筒速度传感器所用计数器的当前值( 计数器采用的是减量计数) ；m 。为6 5 5 3 5 基准参考时钟所用计数器的当前值。于是上式便成为： n 滚= 挚( r m i n ) ( 3 - 4 ) 换算成滚筒速度为： v 滚5 6 0 ( 2 兀i 滚) n 滚1 0 0 0 ( k m h ) ( 3 5 ) ( 4 ) 车轮转速传感器 车轮转速传感器采用的是一种新型的光电转速传感器，该传感器在测速原理上与普 通的光电转速传感器是一样的，唯一的不同是它将接收源和发射源集成在一起，如图3 8 所示。这样在使用时仅需在被测车轮胎外缘，粘贴上自制光栅盘即可。 基于v i s u a lc 卜+ 的汽车制动性能试验台测控系统研究 图3 8 激光转速传感器 f i g 3 8l a s e rv e l o c i t ys e n s o r 根据车轮用速度传感器对应的计数器计数值m ：，可得车轮的实际转速： n 掺：垡堕( r ，i n ) r a m ) ( 3 6 ) n 轮2 一u k j 。o ， m o p 其中，m ，为6 5 5 3 5 车轮速度传感器所用计数器的当前值( 计数器为减量计数) ，f o 和 m 。同上；p 为车轮转速传感器每转的脉冲个数。 换算成车轮速度为： v 轮= 6 0 x ( 2 兀r 轮) 1 0 0 0 ( k i n h ) ( 3 - 7 ) ( 5 ) 载荷传感器 载荷传感器选用成都新普传感器有限公司的c z l y b 一4 h 荷重传感器，如图3 9 所示。 幽3 - 9e z l y b 一4 h 简重传感器 f i g 3 - 9c z l y b - 4 hw e i g h ts e n s o r 该传感器的主要性能参数如下： 供桥电源：j w j h 高精度稳压电源+ 1 0 d c ；精度等级：0 0 5 级 灵敏度：1 4 1 6 m v v 量 程：3 0 0 k g 3 t 过载能力：1 2 0 位论文 在工程测试中，由传感器输出的信号一般比较微弱，容易受到环境因素的干扰。因 而大多数传感器产生的信号只有通过了信号调理才能被数据采集卡安全可靠的接收。信 号调理电路的作用就是对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示、 和记录的电信号。常见的信号调理电路有滤波、放大、隔离以及多路转换等电路。 ( 1 ) 模拟信号调理模块 在本测试系统中，制动管路的油压是模拟量信号，我们采用的是c y y b - g 4 型电阻应 变式压强传感器，其输出电压信号的变化范围是0 v 5 v 之间，频率范围一般在0 5 0 赫兹， 为了对试验电压、电流进行谐波分析以及后期处理，故以5 0 h z 为其基波频率，取基波频 率的1 0 倍频5 0 0 h z 作为滤波电路的截止频率。其具体设计电路如图3 7 所示【2 2 j ： 图3 - 1 0 二阶r c 有源低通滤波电路 f i g 3 10s e c o n d - o r d e rr ca c t i v el o w - p a s sf i l t e r 电路中所采用的运算放大器为l m 3 5 8 ，通常电容c 的容量宜在微法数量级以下， 电阻r 的值一般约为几百千欧以内。由于1 心以上的电容大都为电解电容，滤波效果 不好，而1 0 0 p f 以下的电容容易产生分布电容，因此这里选用c t 4 型号中的0 1 “f 的无 机介质电容，它的工作电压为4 0 i o o v ，温度范围2 5 + 8 5 度，完全满足该电路的设计 需要。所以这里选择c 1 = c 2 = c = 0 1 心。由于该电路截止频率e = 5 0 0 h z ，故可得电阻的 运算公式如下： r “= r - z 2r 2 壶2 丽丽杀= 3 1 8 k _ q 协9 ， 由于3 1 8k q 不属于标准电阻，必须通过串联电阻才能实现这个阻值，此处选择标准电 阻3k q ，这与计算值有一点误差，可能导致截止频率比额定值稍有增大，但对电路整 体性能基本没有影响。由该滤波电路的传递函数可得a v f = 1 5 8 6 ，考虑到运放两输入端 的外界电阻必须满足平衡条件，即墨3l ir l 。= r + r = 6 3 6l q ，而r 。3 = o 5 8 6 r , 。，因而可 1 9 基于v i s u a lc h 的汽车制动性能试验台测控系统研究 得r 1 4 = 1 7 2 1k o ，r t 3 = 1 0 0 9k o 。 ( 2 ) 数字信号调理模块 在本测试系统中，扭矩传感器和速度传感器输出的是脉冲信号，因此理论上可以不 用滤波，但是由于信号在传输过程中可能会受到一些干扰，所以也要进行干扰滤波，信 号经过滤波、放大、限幅、整形后直接送至u p c i 2 3 6 1 数据采集卡对应的定时计数器输入 端口进行计数，最后由工控机读入数据进行分析处理。具体设计电路如下图3 8 所示【2 2 】： 图3 1 1 脉冲信号调理电路 f i g 3 - 11i m p u l s es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 电路中所采用的7 4 l s l 4 芯片是六反向施密特触发器，故每路信号采用了2 个7 4 l s l 4 芯片来还原出真实的信号。在此电路中，仍然选择c 1 = c 2 = c = o 1 f 。汽车制动试验台 滚筒的最大转速为3 0 0 0 转分，则滚筒转速传感器每秒钟输出的脉冲频率为： 3 0 0 0 p ：3 0 0 0 6 0 ：3 0 0 0h z ：3k h(310)x uk i - i z d = 一= z=jl j - 6 0 6 0 式中p = 6 0 ( p 为传感器每转的脉冲个数) 。假设在滚筒转速达到最大时车轮达到试验 最大转速，且滚筒与车轮之间不存在打滑情况，则车轮传感器每秒钟输出的脉冲频率为： 业一3 0 0 0 p ：业一3 0 0 0 6 0 ：1 0 1 8 8 8 z 1 0 2 z (311xu 1 - 1k i - i ) 一一d = 一 = i 萏石6z 1 u zzlj -， o 5 36 0 0 5 36 0 在此处选择r 。= r 。，= r = 5 1 0f 2 ，则此滤波电路的截止频率为： c ：上：l i ：3 1 2k h z ( 3 1 2 ) 。2 p r c2 p 5 1 0 x o 1 x 1 0 。6 显然，这能满足系统滚筒信号的要求，另外可算得r 1 。= 2 7 6k o ，r l ，= 1 6 2k o 。 ( 3 ) 其他抗干扰措施 在硬件抗干扰方面除采用隔离技术、双绞线传输、阻抗匹配等措施抑制干扰外，还 采取了以下措施【1 5 】【1 8 1 ： 电源的抗干扰措施 西华大学硕士学位论文 整个测试系统单独供电； 。kj p c 与其它控制设备分开供电； p c 机采用u p s 供电，其它控制设备采用普通交流稳压器( 1 0 0 v a ) 供电。 印刷电路板的抗干扰措施 接地线加粗且尽量短，以减小地电阻：数字、模拟电路分开接地；尽量做到单 点接地。 电源线、地线的走向应尽量与数据传递方向一致，且应尽量加宽其宽度，这样 将有助于增强抗噪声能力，减少环路电阻，降低耦合噪声。 元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交或者弯曲走线。避免相互平行以减小寄 生耦合，避免相邻导线平行段过长。 3 3 4 工控机 工控机是整个测试系统的数据分析执行单元，在系统中担负用户命令接受及实验数 据采集、数据显示、数据存盘、数据分析和数据传输等任务。本系统工控机的配置及性 能指标如下： c p u - 奔3 o 单核处理器 内存：2 g bd d r 4 0 0 硬盘：1 6 0 g b ， 光驱：5 2 xd v d 显卡：6 4 m ba g p 电源：额定功率2 3 0 w 基于v i s u a lc + + 的汽车制动性能试验台测控系统研究 第4 章数据处理方法 在上一章中所指出的信号调理模块确定好后，还需要对其他的硬件进行参数设置， 以便作为数据分析处理的基准参考条件。在本系统中，模拟信号采用的是具有1 2 b i t 分 辨率的p c i 2 0 1 3 数据采集卡，将该采集卡的模拟信号输入输出范围设置为士5 v ，输入通 道为双端输入；数字量信号采用的是p c i 2 3 6 1 数据采集卡，将该卡设置为时钟o 5us ， 计数方式为计数结束中断方式，并将计数器0 作为基准时钟计数器，计数器0 的反向输 出作为其他计数器的控制门信号，以此来实现各路计数器同步计数。接下来便阐述各传 感器信号的具体处理方法【1 4 】【2 0 】。 4 1 制动管路压强 制动管路压强信号的拾取是通过由安装在各制动分缸上的c y y b - g 4 型陶瓷压阻式压 力传感器获得的，在激励电源的作用下，该传感器输出与其承受的压强成正比的范围在 1 5 v 之间变化的电压信号( 三线制) 或4 - - - 2 0 m a 的电流信号( 二线制) 。由于是模拟信号， 故在输入计算机前必须进行模数转换，这一过程是由具有1 2 b i t 分辨率的p c i 2 0 1 3 数据 采集卡完成的。从设备上读入的某个a d 原码数据经高位求补后变为变量l s b ( a d 源码数 据经a d 转换后的取值范围为 0 ，2 1 2 1 ) ，根据采集卡的特性可得到其对应的电压变量 v o l t ( 单位m y ) ，如下表4 1 所示。 量程( m 计算机语言换算公式 v o l t ( m v ) 取值范同 士1 0 0 0 0 m v v o l t = l s b 水( 2 0 0 0 0 4 0 9 6 、1 0 0 0 0【一1 0 0 0 0 ，+ 1 0 0 0 0 士5 0 0 0 m v v o l t = l s b ( 1 0 0 0 0 4 0 9 6 ) 一5 0 0 0 【5 0 0 0 ，+ 5 0 0 0 0 5 0 0 0 m vv o l t = l s b 木( 5 0 0 0 4 0 9 6 ) 0 ，+ 5 0 0 0 o 2 5 0 0 m vv o l t = l s b 木( 2 5 0 0 4 0 9 6 、 0 ，+ 2 5 0 0 为了使被测信号具有较高精度，必须对其进行线性标度变换，变换公式为1 3 3 蚓： 卜v 忒- n o ) ( 4 - 1 ) 式中y o ：被测量量程下限，值为o v ； y m ：被测量量程上限，值为5 v ； y ：刻度变换后被测量的实际值： n o ：y 0 对应的a d 转换后的数字量，值为o ； n 。：y 二对应的a d 转换后的数字量，值为4 0 9 6 ； 西华大学硕士学位论文。 x ：被测量实际值y 对应的a d 转换后的数字量；+ - t ： 根据a d 源码数据的转换规则可得制动管路压强y 的计算公式如下： y ：上xm ：竺x ( m v ) ( 4 2 ) 4 0 9 6、4 0 9 6 、 其中x = l s b 宰( 5 0 0 0 4 0 9 6 ) 。 4 2 制动力矩和地面制动力 制动力矩信号的拾取是通过a k c - 2 1 5 动态扭矩传感器获得的，它以电阻应变计作为 其转换元件。电阻应变计是基于金属电阻丝的电阻一应变效应，所谓电阻应变效应是指 金属导体( 电阻丝) 的电阻值随变形( 伸长或缩短) 而发生改变的一种物理现象。在传 感器的弹性体上粘贴有电阻应变计并组成惠斯通电桥，给电桥加上激励电压，在扭矩的 作用下弹性体产生变形，应变计由此产生电阻变化，从而使电桥发生不平衡，电桥便输 出与扭矩呈线性关系的电压信号，再经v f 变换器，输出疏密度与扭矩大小成线性关系 的脉冲信号【1 5 】。a k c 一2 1 5 传感器的使用手册提供了输入扭矩与输出频率值的对应表，如 下表4 - 2 所示： 表4 - 2 扭矩与频率值对应表 载荷( n m )指示仪器示值( k h z ) 扭矩进程平均回程平均理论值 1 0 0 01 4 9 9 7 1 4 9 9 7 8 0 01 3 9 9 71 3 9 9 51 3 9 9 8 6 0 01 2 9 9 71 2 9 9 6 1 2 9 9 8 4 0 01 1 9 9 81 1 9 9 71 1 9 9 9 2 0 01 0 9 9 81 0 9 9 71 0 9 9 9 01 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 2 0 08 9 9 78 9 9 78 9 9 6 4 0 07 9 9 37 9 9 3 7 9 9 3 6 0 06 9 9 86 9 8 86 9 8 9 8 0 05 9 8 45 9 8 5 5 9 8 6 1 0 0 04 9 8 24 9 8 2 从表4 - 2 可以看出扭矩与信号频率之间呈线性关系变化，通过线性拟合公式y = a x + b 可得到扭矩的计算公式为m = 0 1 9 9 7 f - 1 9 9 5 8 6 ，其中f 为扭矩传感器输出的脉冲信号频 率；由于扭矩m = f x 。r ，因此求得制动扭矩后也就求得了地面制动力f x 。 4 3 速度 速度的测量包括滚筒速度、车轮速度和车身速度。由于汽车制动过程中四个车轮同 基于v i s u a lc + + 的汽车制动性能试验台测控系统研究 时抱死的几率很小，装配有a b s 的汽车同时抱死的几率就更小了。在减速过程中，四 个车轮转速中最大的一个最接近实际车速，因此一般在测试过程中取最大滚筒线速度作 为测试时刻的参考车速【1 5 】。 转速的测量就是对传感器产生的脉冲信号进行频率计测。针对脉冲信号的测转速方 法主要有测频法和测周期法。测频法就是测定在预定的标准时基内进入计数器的待测脉 冲信号的个数，从而求得待测转速。由于时基信号的起始时刻t 。落在待测脉冲波上的相 位是随机的，这就导致在基准时钟周期t 内，待测脉冲进入计数器的数量就可能多一个， 也可能少一个，即所谓的“士1 个数字误差”。当被测信号频率比较大时，比如1 0 k h z ， 那么多一个或者少一个脉冲所引起的误差只不过万分之一而已，但是如果被测信号的频 率是2 h z ，那么多一个或少一个脉冲所引起的误差就达到5 0 了。可见频率越低，误差 越大【1 9 】。 测周期法则可以避免这个问题。测周期法是将被测信号作为计数器的门控信号，时 钟信号作为计数器的输入门信号，然后测量在一个待测脉冲信号周期一内的基准时钟脉 冲数n 。，进而求得待测转速n 。但是在本测试系统中使用测周期法也有其不足的地方： 1 当被测信号频率很低时，比如被测信号的一个脉冲周期超过一个或者多个时钟 周期时将会产生计数器溢出( 计数器最大计数值6 5 5 3 6 ) 。 2 测周期法是用被测信号作为计数器的控制门信号，但是每个车轮或者滚筒在某 一时刻的转速并不是完全相同的，这也就导致在某以具体时刻进入计数器控制门的脉冲 信号并不都处于高电平或者低电平，从而使得计数器不能同步计数，尤其是在频率很低 的时候这个差异就更大了。而且在测周期法中要控制各计数器同步计数难度太大，不易 操控。 综合以上考虑，本测试系统选用测测频率法来计数转速脉冲信号。 首先测滚筒转速： 以计数器0 作为系统基准参考时钟，时钟频率为c ，设m 。为6 5 5 3 5 计数器0 的当 前值( 计数器为减量计数) ，则用时a 。- - - i n 。f c ( s ) ；m 。为6 5 5 3 5 - 滚筒速度传感器所用计数 器的当前计数值，即在时间a 。内滚筒的转速为m 。v ，其中p = 6 0 ( p 为滚筒传感器每转脉 冲个数) ；由此便可得滚筒转速n 泣为： 旷警( r s ) _ 豢则6 0 - ，( r i ，m 。i n ) 2 等( r m i n ) ( 4 - 3 ) 换算成滚筒速度为： ? v 滚2 6 0 ( 2 7 c ) n 滚1 0 0 0 ( k m h ) ( 4 - 4 ) 2 4 西华大学硕士学位论文 再测车轮转速： ! 同样仍以计数器0 作为系统基准参考时钟，设m ，为6 5 5 3 5 车轮速度传感器所用计 数器的当前值，c 与m 。同上，由此便可得车轮转速n 轮为： 驴器姗( r m i n ) ( 4 - 5 ) 其中p ，为车轮速度传感器每转的脉冲个数。 换算成车轮速度为： v 轮2 6 0 x ( 2 丁c r 轮) x n 轮1 0 0 0 ( k m h ) ( 4 6 ) 4 4 滑移率 此处用滚筒的速度v 滚代替汽车的速度，根据汽车理论可得滑移率计算如公式： s ：蓬二二丝1 0 0 ( 4 ，7 ) v 滚 4 5 制动时间 从驾驶员踩踏制动踏板开始到车身速度降为零所经历的时间。测试时系统自动开始 记录任意两速度点之间的时间t i ，总制动时间t 由各时间段累加得到： n i 1 仁y a t ； ( 4 8 ) j _ i 墨07 式中，m 为总测试速度点数；t ；为任意相邻速度测试点之间的时间间隔( 单位：s ) 。 在本测试系统中，我们用计数器0 作为系统基准参考时钟，每次读数时计数器0 的数 值设为m ；，则时间a t j = ( 6 5 5 3 5 - m i ) 化，因而便能求得总制动时间t 了。 4 6 制动距离 制动距离与汽车的行驶安全有直接的关系，它是指在规定的初速度v 0 下急踩制动 时，从脚接触制动踏板开始到汽车完全停止所驶过的距离，制动距离与制动踏板力以及 路面附着条件等许多因素有关。 在制动试验过程中，由于被测的两点速度之间的时间很短，因此可以把各测速点之 间平均距离的累加和作为总的制动距离，计算方法如下： s i = 半“ - ( 4 9 ) 二 基于v i s u a lc - h 的汽车制动性能试验台测控系统研究 s = e