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摘要 电涡流缓速器是独立于车辆主制动系统和驻车制动系统以外的一个重要的辅助 持续制动装置，能够承担5 0 - - 9 0 的制动工作，使得车轮制动器的温度大大降低， 保证制动蹄片处于良好的技术状态。而且安装电涡流缓速器能使车辆制动更加平稳， 并有效的减少制动时的噪声和粉尘微粒。 本文首先对电涡流缓速器的结构、工作原理、控制方法进行了阐述，并详细介绍 了国内外文献中电涡流缓速器的计算模型，分析了目前计算模型中存在的问题。在前 人工作的基础上，对电涡流缓速器制动力矩的计算方法进行了反推复算验证比较i 分 析了励磁线圈参数、气隙、转子盘大小等因素对制动力矩的影响。根据课题需要，依 据相似理论设计了一款实验用电涡流缓速器。 文中接着对电涡流缓速器的控制方法进行了研究，根据课题需要确定了控制策 略，选用了p h i l i p s 公司的一款高性能微控制器p 8 9 c 5 1 r d 2 f a ，并对外围信号采集电路 。 和驱动电路进行了优化。设计出了实验用电涡流缓速器的控制电路，并编写了控制程 序。最后对电路的抗干扰措施进行了设计。 关键词：电涡流缓速器研究设计控制 电路实验 a b s t r a c t a ne d d yc u r r e n tr e t a r d e ri sa l la u x i l i a r yc o n t i n u o u sb r a k i n gd e v i c ei n d e p e n d e n to ft h e m a i nb r a k i n gs y s t e ma n dp a r k i n gb r a k i n gs y s t e mo fav e h i c l e i tc o o l sw h e e lb r a k e - s t a f f a n dk e e p sb r a k e s h o ei ng o o dc o n d i t i o nb ya s s u m i n g5 0 - 9 0p e r c e n to ft o t a lb r a k i n gl o a d b e s i d e s ，t h ee d d yc u r r e n tr e t a r d e ro nav e h i c l ec o n t r i b u t e st oas m o o t h e rb r a k i n ga n da r e d u c e dl e v e lo fn o i s ea n dd u s t f i r s t ，t h ec o n s t r u c t ，w o r k i n gp r i n c i p l e s ，a n dc o n t r o lm e t h o do fa n e d d yc u r r e n t r e t a r d e ra r ee l a b o r a t e d ad e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ec o m p u t a t i o n a lm o d e lf r o mo v e r s e a s a n dn a t i v er e l e v a n tl i t e r a t u r ei sa l s op r e s e n t e di nt h i sp a r t ， a n d a n a l y s et h ep r o b l e mo f a c t i v ec o m p u t a t i o n a lm o d e l t h e nt h ea v a i l a b l em e t h o d sf o rc o m p u t i n gt h eb r a k i n g m o m e n to fa l le d d yc u r r e n tr e t a r d e ra r ec o m p a r e db ym e a l l so fr e v e r s ev e r i f i c a t i o n ，w h i l e f a c t o r sa f f e c t i n gb r a k i n gm o m e n t 1 i k et h ep a r a m e t e r so fm a g n e t i ce x c i t a t i o nc o i l ，g a p ，a n d r o t o rs i z ea r ea n a l y z e d a ne x p e r i m e n t a le d d yc u r r e n tr e t a r d e ri sd e s i g n e db a s e do nt h e p r o j e c tr e q u i r e m e n t sf o l l o w i n gt h ea n a l o g u et h e o r y t h ec o n t r o lm e t h o d sf o rt h i se d d yc u r r e n tr e t a r d e ra r ee x a m i n e d ，a n dac o n t r o ls c h e m e i sd e c i d e db a s e do nt h e p r o j e c tr e q u i r e m e n t s ac a p a b l ec o n t r o l l e r t h eh i g hp e r f o r m a n c e m i c r oc o n t r o l l e rp 8 9 c 51r d 2 f a b yp h i l i p s ，i sa d o p t e d ，w i t hi t sp e r i p h e r a ld a t aa c q u i s i t i o n a n dd r i v e rc i r c u i t so p t i m i z e d t h ec o n t r o lc i r c u i t st oe d d yc u r r e n tr e t a r d e ra r ed r a w n , a n d t h ec o n t r o l l i n gl o g i ci sp r o g r a m m e d l a s t ，e l e c t r o n i c i n t e r f e r e n c er e s i s t a n c em e a s u r e sa r e d e s i g n e da n da p p l i e d k e y w o r d s ：e d d yc u r r e n tr e t a r d e rs t u d yd e i g n c o n t r o lc i r c u i t e x p r i m e n t a t i o n 声明 严明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：。二嘲 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：三睥 年月日 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 1 绪论 1 1 引言 良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。传统汽车制动方式是采用在车轮上 安装机械式摩擦制动器，但这种摩擦式车轮制动器存在一个重大的缺陷：频繁或长时 间制动会造成制动鼓( 盘) 和摩擦片( 即制动衬片) 过热，导致制动性能衰退，甚至制动 失效，从而引起交通事故【l 】。这个问题对城市公交车和常年行驶在山区的载重汽车和 长途大客车尤为突出。另外，由于制动器过热，不仅使摩擦片磨损加剧，使用寿命减 短，而且也易造成轮胎早期爆裂，从而使得运营成本大增。要使车轮制动器保持良好 的制动性能和长时间使用寿命，关键是要控制好制动器的温度，使之不至于上升到危 害摩擦片的程度。多年来人们对汽车制动性能的改进，大多是围绕车轮制动器本身来 进行的，如加宽制动鼓和摩擦片的尺寸，改变摩擦片材料的配方，由鼓式制动改为盘 式制动等。但这些都不足以从根本上解决问题【2 】。 要解决这些问题，目前比较切实可行的办法就是加装辅助制动装置，将车轮制动 器的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在安全范围之内。采用电涡流缓速器 ( e d d yc u r r e n tr e t a r d e r ) 是一个理想的解决方案，它是利用电磁学原理把汽 车行驶的动能转化为热能而散发掉，从而实现减速和缓速作用的装置。 1 2 研究电涡流缓速器的意义 近年来，我国的汽车工业处在高速发展期。可以预见，在未来的若干年内汽车的 数量会以很高的速度增加。随着人们对汽车安全性和舒适性的要求越来越高，安装缓 速器的汽车的品种和数量也必将是越来越多的。电涡流缓速器的市场需求是巨大的。 目前，我国的高档客车，如上海申沃客车、郑州宇通客车、东风日产客车、厦门 金龙等，底盘都几乎安装了电涡流缓速器。国外进口的主要是法国泰乐马( t e l m a ) 、 西班牙的弗雷纳萨( f r e n r l s a ) 和日本的日野牌电涡流缓速器。其中，法国泰乐马是 当今世界上历史最悠久、规模最大的电涡流缓速器生产和供应商。进口电涡流缓速器 的质量比较稳定。但价格相对较高。国产的如深圳特尔佳缓速器，虽然价格较进口的 产品低，但无论是质量、性能和稳定性，还是产品规格品种都还与进口电涡流缓速器 存在较大的差距。加强研究，迅速提高车用电涡流缓速器的设计与制造能力，掌握具 硕士学位论文 有自主知识产权的电涡流缓速器的关键技术，对全面替代进口产品，促进我国民族汽 车工业的发展具有重要的意义。 1 3 国内外的研究现状 电涡流缓速器是缓速器中的一种，它采用的是非接触制动方式，通过转子高速转 动与电磁作用，吸收车辆制动能量，达到减速的目的口1 。缓速器可以加强制动器系统， 不需要使用主制动器就能减缓车辆行驶速度”j 。 电涡流缓速器是在1 9 世纪利欧傅科( l e o nf o u c a u l t ) 发现的电磁感应理论的基础 上发展起来的。1 9 0 3 年，斯特克勒( 8 t e c k e l ) 首先申请了一种电磁制动装置的专利。1 9 3 6 年，鲁尔塞瑞真( r a o u ls a r a z i n ) 首次将电磁制动技术应用到汽车上。1 9 3 8 年出现将 电涡流缓速器用万向节与中心传动法兰结合起来组成的安全缓速制动器。1 9 6 5 年泰 乐马( t e l m a ) 公司设计出首台没有中心轴、直接安装到变速器或驱动桥上的电涡流缓 速器。该类型缓速器的出现，使其结构趋于紧凑、质量变轻，并且安装简便，从而使 得电涡流缓速器在汽车上的应用更加广泛。1 9 9 3 年出现了将电涡流缓速器与传动轴 做成一体的产品【”。 国际上，电涡流缓速器的著名生产厂商主要有：法国的泰乐马( t e l m a ) 、西班牙 的弗瑞纳萨( f r e n k l s a ) - h 克莱姆( k l a m ) 、德国的克罗伏特( k l o f t l 以及日本的东 京部t - q l ( t o k y o b u h i k o g y o ) 和五十铃住友( i s u z u s u m i t o m o ) 等，其产品已 发展成多系列，可适合各种型式的车辆。法国的泰乐马r r e l m a ) 公司是世界上的电涡 流缓速器最大的制造商，其每年的产销量为三万多台，仅这家公司的产品在世界上装 车使用量就已超过5 0 万台，如图1 2 。其产品广泛安装在雷诺、戴姆勒奔驰、沃尔 沃、依维柯、斯堪尼亚、尼奥普兰等著名汽车公司生产的重型汽车大中型客车上。目 前欧、美、日等发达国家汽车界已经把缓速器作为标准件在多种级别的客车和中型、 重型汽车上装用，作为现有汽车制动系统的必要补充装置。 扣雄乐硼遗嚣 x 眦系列和) 搴乐勇曩逮嚣阳。也秉捌( c ) 聋皋母t i 述曼i i y d r a u l 秉刷 图1 1 h s l i v i a 电涡流缓速器结构 硕学位论文 实验用电涡流埋速器控制横蜓段计研究 总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处于起步阶段。人们越来越 注重汽车的安全性、经济性、舒适性和环保性，所以电涡流缓速器的作用在国内汽车 界开始受到重视n 大型客车、货车装备缓速器已经成为太势所趋，即使选不到高二级 的客车，也把缓速器列为选装件。所以电涡流缓速器在国内拥有广阔的市场。 图1 2 深圳冠业电子有限公司和江苏南通三泰 铸造有限公司生产的电涡流缓速器 国内众多企业和部分科研单位看到电涡流缓速器潜在市场，积极从事电涡流缓速 器的研究开发。目前国内的电涡流缓速器的生产和研制厂商有：深圳的特尔佳科技有 限公司、无锡三生科技有限公司、江苏超力电器有限公司、扬州洪泉实业公司、扬州 华露机电有限公司、济南中国重型汽车集团发动机厂、浙江瑞立集i 虱；f d 嘉兴市纽曼机 械有限公司等。此外，江苏大学、长安大学、浙江大学、北京工业大学等些科研院 所也在进行相关产品开发及其关键技术的研究工作并取得一定科研成果。 本课题所要研究的是在汽车电磁制动器实验装置中的电涡流缓速器，由于本装置 拟用于小型试验- 所以要求体积重量都很小，目前市场上还没有看到有类似的产品。 1 4 课题研究的主要内容 在过去两年对电涡流缓建器的研究中，取得了一定的成效，比如：上届的杨志 远同学对能量回收式电涡流缓速器就做了比较有成果的研究。本课题旨在对汽车电磁 制动器实验装置中电涡流缓速器有一个比较系统的设计研究，主要研究内容体现在以 下几个方面： ( 1 ) 将对国内外电涡流缓速器的计算模型进行总结，井对现有计算模型存在的 问题进行分析，提出自己的看法。 ( 2 ) 根据已知条件和相似理论，对实验用电涡流缓速器的各项参数进行计算和 修正，计算出符合要求的实验用电涡流缓速器的制动力矩。 3 1 绪论硕士学位论文 ( 3 ) 将对设计出的实验用电涡流缓速器结构尺寸进行优化，尽可能的减轻重量。 ( 4 ) 将对电涡流缓速器的控制方法进行研究，并确定本课题的电涡流缓速器控 制策略。 ( 5 ) 将对电涡流缓速器的控制单元进行研究，本课题选用p h i l i p s 公司的一款新 型高性能微控制器p 8 9 c 5 1 r d 2 f a ，利用其内部自带p w m 功能，对电涡流缓速器实施 无级控制。 ( 6 ) 将对电涡流缓速器的驱动电路进行研究，并对其进行改进，用大功率m o s 管取代传统的继电器，并选用专门的驱动芯片i r 2 1 1 0 来控制电路。 ( 7 ) 将根据课题所需选用分辨率较高的传感器，并对其抗干扰电路进行研究。 ( 8 ) 将对数据采集电路进行研究，选用专门的采集芯片m a x l 9 7 。 ( 9 ) 将对整个电路的抗干扰措施进行研究，并对以后要继续的工作进行展望。 4 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 2 电涡流缓速器概况 2 1 电涡流缓速器的结构及工作原理 2 1 1 机械装置部分 电涡流缓速器的机械装置部分是由定子、转子及固定架等部件组成 6 】。如图2 1 所示，电涡流缓速器定子上一般有八个( 也有六个的) 高导磁材料制成的铁心，呈圆 周均匀地分布在固定架上。八个励磁线圈套于铁心上，共同构成磁极。圆周上相邻两 个磁极串联成一对磁极，这样磁极n 、s 相间，共形成四对n 、s 相间的磁极。 a a 截面 图2 1 电涡流缓速器结构示意图 转子通常由前转子盘、后转子盘和转子轴构成。前后转子盘均为圆盘状，用导磁 性能良好的铁磁材料制成，一般厚度为2 0 m m 左右。不过，为了及时将涡流产生的热 量散发掉，转子盘上通常都铸有散热叶片和通风气道，而且为了更好产生空气流动， 转子盘不是板状的，其中心会凹陷下去。转子通过法兰盘联结在传动轴突缘上，可随 传动轴自由转动。前后转子盘和定子磁极间保持有极小的均匀的气隙，其值一般在 0 7 6 1 7 0 m m 范围内变动。 龟涡流缓速器的定子般是通过固定架安装于车架上( 或变速器的后端外壳，或 驱动桥的主减速器外壳上) ，两者呈刚性连接，即相对车架而言，定子是固定不动的。 2 1 2 控制装置部分 电涡流缓速器的电控装置部分一般是由控制器、驱动器、励磁线圈、车速信号传 感器、温度传感器、电流电压传感器、制动压力信号传感器等组成【7 】【8 1 。励磁电流控 制示意图如图2 2 所示。电涡流缓速器控制器是装于驾驶室仪表板上的，其上有缓速 2 电涡流缓速器 硕士学位论文 器用于当前励磁电流工作状态的显示，还有按钮可进行手动励磁或自动励磁的切换操 作。 一 图2 2 缓速器励磁电流控制示意图 驱动器是缓速器的中央控制器，也是励磁线圈的功率驱动模块，它根据控制器的 操作信号，车速信号及转子温度等工况输入信号，自动调节和控制各对磁极的励磁电 流大小，并进行自动切换。励磁线圈是电涡流缓速器的执行部分，它直接控制所产生 磁场的强弱，能根据当时车速的高低，在传动轴上自动产生于车速成比例的，合适的 阻力矩，迫使车辆迅速制动减速。车速传感器信号实际上产生零速开关信号，通过驱 动器的控制，使得当车辆被制动静止时，自动切断缓速器的励磁电流，避免驾驶员在 车停后仍踩在制动踏板上，电池仍向缓速器励磁线圈供电，造成浪费及损坏线圈。 2 1 3 电涡流缓速器的工作原理 其工作原理简单地讲就是：利用电磁学原理把汽车行驶的动能转化为热能而散发 掉，从而实现汽车的减速和制动。 电涡流缓速器制动力矩的产生具体过程是：当驾驶员接通缓速器的控制手柄( 或 踩下制动踏板) 开关进行减速或制动时，电涡流缓速器的励磁线圈自动导通已经调节 的直流电流而励磁，产生的磁场在定子磁极、气隙和前后转子盘之间构成回路，如图 2 3 所示。磁极磁通量的大小与励磁线圈的匝数以及所通过的电流大小有关。这时在 旋转的转子盘上，其内部无数个闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化( 或者 说其内部无数个闭合导线就切割励磁线圈所产生的磁力线) ，从而在转子盘内部产生 无数涡旋状的感应电流，即涡电流( 简称涡流) 。以磁极的正上方为界，在转子盘内就 6 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 会分别产生磁通正在减少和磁通正在增加的两种涡流，其方向相反。一旦涡电流产生 后，磁场就会对带电的转子盘产生阻止其转动的阻力( r i p 产生制动力) ，阻力的方向可 由弗莱明( r e t a i n ) 左手法则来判断。阻力的合力沿转子盘周向形成与其旋转方向相反 的制动力矩，如图2 4 所示。同时涡流在具有一定电阻的转子盘内部流动时，会产生 热效应而导致转子发热。这样，车辆行驶的动能就通过感应电流转化为热能，并通过 转子盘上的叶片产生的强劲风力将热量迅速散发出去。 旋转方向 - - - - - - - - - 二；- 励磁线圈 磁授 铁心 气隙转子圆盘磁力线 图2 3 电涡流缓速器的磁场 矩 图2 4 电涡流缓速器的制动力矩 图2 ：5 是在试验系统上测得的某电涡流缓速器四个不同档位上产生的利动力矩随 转子转速变化的特性曲线。从特性曲线上可以看出力矩随转速增加而迅速增大，达到 一定转速时有极大值，而后随着转速增加制动力矩略有下降。这主要是由于涡流去磁 效应影响的结果。 7 2 电涡流缓速器硕士学位论文 0姗2 | d3 0 转速 图2 5 各档制动力矩与转速的特性曲线 2 2 电涡流缓速器的发展趋势 ( 1 ) 轻量化 为了克服质量大的缺点，近年来各厂家除了优化电涡流缓速器结构外，还在选用 材料上下功夫，即选用既满足性能要求同时质量又较轻的材料。如克罗伏特( k l o f t 公司的电涡流缓速器的质量和体积近年来都有减小，特别是其转子质量较其他公司滴 小3 5 。另外，为了提高冷却效率，还改进了转子盘的冷却气流，使其流速由一般的 1 2 r n s 提高至l j 3 6 m s 。 ( 2 ) 集成化 即将电涡流缓速器与车桥集成一体。如西班牙的弗瑞纳萨( f r e n r l s a ) 公司设计 和生产的一种内置于车桥中的电涡流缓速器( 其型号为f t - 4 0 0 l ) 。这种内置式缓速器 整体车桥是由一根中心车桥、一组差速系统、一个两半片式电涡流缓速器和两个标碓 空气制动系统组成的。它是专为半挂车而设计的，安装在拖架上，替换半挂车的一相 车桥，这样产生的制动力直接作用在半挂车的尾部，可避免半挂车在制动时产生“拐 叠”的危险情况，因此大大提高了半挂车的行驶安全性能。这种内置式缓速器可产生 1 最大制动力矩为3 1 0 0 n m ，适合于总质量为4 4 吨左右的半挂车。 ( 3 ) 使用永久磁铁励磁 为了克服线圈电磁铁励磁方式的一些缺点，日本的五十铃住友 ( i s u z u s u m i t i o n ) 公司在2 0 世纪9 0 年代开发出使用永磁铁励磁的电涡流缓速器。谴 种永磁铁电涡流缓速器与电磁铁电涡流缓速器相比，有以下优点：质量轻，体积小： 基本不消耗电能( 不需电流励磁) ；由于永久磁铁本身不会发热( 温升最高在6 0 0 c 左右) ， 8 撇 姗 姗 鲫 瑚 甚乏v艘r需蘸 硕士学位论文实验甩电涡流缓速器及控制模块设计研究 因此不会出现电磁铁那样因自身发热而产生大幅度的退磁现象，故制动力矩比较稳 定。同时，它也有以下不足；工作响应时间较长：因为需要汽缸中气体来回推动永磁 铁进退，故结构较复杂；永磁铁产生的磁场较弱，故所产生的制动力矩较小；由于不 能像电磁铁那样可以通过改变电流大小和磁极组数来控制磁场强弱的产生，因此不能 根据车辆实际情况的需要提供大小不同的制动力矩。 ( 4 ) 电子控制 现有的电涡流缓速器多采用继电器分级控制，这样所产生的制动力矩是分级阶梯 状不连续的，其发展方向是无级调节技术，即通过电子控制装置调节激磁线圈中的电 流大小来控制磁场的产生，从而使得所产生的制动力矩连续变化，以更好适应车辆的 制动要求。为了解决转子温度过高这一问题，近年来日本一家公司设计了一种电子控 制式电涡流缓速器。图2 6 所示是经电子控制后缓速器产生的转子盘温度和制动力矩 曲线。其控制的原理是通过对传统电涡流缓速器励磁线圈内的电流进行控制，当控制 系统监测到转子温度超过一定值时，就减少工作励磁线圈的数量或短暂切断供电电 源，以使温度保持在缓速器工作允许的范围内。由于断电时间极短，驾驶人员几乎感 觉不到有什么变化。 避 赡 水 辩 疑 婢 帽 饕 时网 图2 6 电子控制后的温度与制动力矩曲线示意图 另外，国内外正在研究电涡流缓速器与车轮主制动器和其他辅助制动系统( 如发 动机制动、发动机排气制动) 协同工作的规律。随着汽车控制系统的发展，电涡流缓 速器的控制系统以开始与汽车的车轮防抱死( a b s ) 和驱动防滑系- 统( a s r ) 联系起来， 由a b s 、a s r 的计算机系统根据汽车行驶工况对缓速器控制继电器进行控制，从而使 得装有电涡流缓速器的汽车获得更安全、更可靠的制动性能。 9 2 电涡流缓速器硕士学位论文 2 3 电涡流缓速器的控制方法 电涡流缓速器发展到了今天，国内外的学者主要研究的对象基本上都是其结构、 材料、制动力矩的计算方法等等，很少有对其控制策略和控制算法进行专门的研究。 但随着现代生活的不断提高，人们对驾乘工具的制动性能的要求也是越来越高，对汽 车的制动性能要求快速、灵敏、有效、少跳跃性和更加的舒适，因此现今在电涡流缓 速器中所采用的一些传统而又简单的控制方式很显然已经满足不了人们对汽车制动 系统的要求。根据作者对电涡流缓速器研究和分析的结果来看，电涡流缓速器实际上 是一个高度的非线性系统，运用传统的控制方法难以取得良好的控制效果，因此有必 要采用一些现代智能控制方法对其进行有效控制。下面就电涡流缓速器传统控制方式 和新近出现的新型控制方式做一些简要介绍。 2 3 1 传统继电器控制 现有的电涡流缓速器多采用传统的继电器分级控制方式，该种控制方法的优点 是：控制电路简单、控制逻辑简单、价格低廉，所以现在很多厂商仍然采用继电器控 制方法。但这种控制方法没有包含任何的控制算法在内，对电涡流缓速器的控制只是 通过驾驶员在行驶过程中对行车状况的简单判断，将装载在车内的操纵手柄推至l 一 档其中的一档，实际上就是将控制器中继电器盒中某组继电器吸合或断开来使得电涡 流缓速器中的一组或几组励磁线圈工作，从而产生相应的制动力矩。其系统如图2 7 所示聊。 1 0 图2 7 继电器控制系统工作示意图 因为对电涡流缓速器励磁绕组中的电流无法进行有效的控制，所以这样所产生的 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 制动力矩是分级阶梯状不连续的，无法实现一些诸如恒流、恒转矩、恒转速的控制功 能，而且由于电涡流缓速器是以发热耗能方式实现缓速的，所以当温度升高时不仅影 响制动盘的电磁性能，还会导致机械结构的变化，这种情况随着制动力矩的上升而越 发的明显。 2 3 2p w m 控制 为了实现对励磁线圈绕组中电流的有效控制，从而实现对电涡流缓速器制动力矩 的控制，人们采用了利用p w m 电路来调节励磁电流的控制方法。因为采用了p w m ( 脉 宽调制) 技术，可以通过对控制器输出脉宽大小的改变来改变励磁电流的大小，使得 控制更为精细，而且因为在控制电路中采用了微电脑控制，能够实时采集汽车的车速， a b s 控制报警信号等等，使得微电脑能够根据一定的车况来调节励磁电流的大小，一 定程度上实现了自动控制功能【1 0 】。其控制系统如图2 8 所示。 该控制系统中的控制策略和算法仍然非常简单，只是对车速信号、a b s 信号等做 了一些门限控制方法。其一般控制规则如下： ( 1 ) 车速信号 当车速低于3 , - - 4 公里4 , 时，车速控制信号为低于5 h z 的方波，控制器切断电磁线 圈电流。 图2 8p w m 控制系统工作示意图 当车速高于6 - - 7 公里j 、时，车速控制信号为高于1 0 h z 的方波，控制板正常输出脉 ， 宽调制信号： 手控0 档，控制板无输出，电磁线圈无电流； 手控1 档，电磁线圈电流为总电流的2 5 ； 手控2 档，电磁线圈电流为总电流的5 0 ； 2 电涡流缓速器硕士学位论文 手控3 档，电磁线圈电流为总电流的7 5 ； 手控4 档，电磁线圈电流为总电流的1 0 0 ) 无速度信号视为速度低于3 公里d , 时。 ( 2 ) a b s 信号 a b s 正常工作时，a b s 报警信号悬浮，说明a b s 控制信号有效，这时a b s 控制信 号接地，说明刹车没有抱死，控制板输出正常脉宽调制信号；a b s 控制信号接正，说 明刹车抱死，控制板切断励磁线圈中的励磁电流，刹车抱死解除后，控制板脉宽调制 信号输出以延迟的方式恢复；a b s 损坏时，a b s 报警信号接地，说明a b s 控制信号无 效。 2 3 3 动态控制原理 因为电涡流缓速器实际上是一个高度非线性系统，因此对其控制应该采用如最优 控制、智能控制等方法。1 9 9 4 年s o e t tk i m b r o u g h 在s a e 上发表的一篇“o p t i m a lc o n t r o l o fe l e c t r o m a g n e t i cb r a k er e t a r d e r ”论文，在该论文中，他采用了b e l l m a n 动态规划法 的最优控制理论来对电涡流缓速器进行了有效的控制，取得了良好的控制效果。该方 法具体描述如下： 动态规划最优设计依赖于最优性原理，如果定义性能指标函数为【1 1 】： n ，g g ) ，“g ) ；刀，n ) = g ( x ，u ，z ) ( 2 1 ) i = 1 其中x 一代表系统的状态变量( 例如电涡流缓速器的电流比) ；g 一最小化的状态和 控制的某个函数。运用最优原理，可以推导出递归控制方程： ，厂) ；) = m i n ( u ( n ) ，蜘) ，u 咒) + 厂+ 1 ) ；0 + 1 ) ) ) ( 2 2 ) 其中而且为性能指标函数的最小值。这个方程通过n 为最后步长开始，继续往后 移动反相求解。通过对电涡流缓速器的动态分析可以得到一个动力热力学状态方程： 戈= 肛- f a + m g 嵋s i n 班0 ) m 这个状态方程可以表示为 ( 2 3 ) 戈= 口g ，“，p ) ( 2 4 ) 其中x 是状态向量，”是控制量，p 是参数。对于电涡流缓速器来说，控制就是实 际电流和最大电流之比，而参数有两个分别为坡角倾斜度口和环境温度t 。为了实 1 2 硕士学位论文 实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 现动态规划设计和数字仿真，状态方程必须离散化有： 文刀+ 1 ) = 文船) + 以k “，p x 办 其中出是选择的时间步长，而步长必须足够的小以使得离散方程保持足够的精度。令 那么有 选择性能指标函数为 x ( n + 1 ) = b ，u ，p ) ， k d = 荆+ 如u , p p t n ，= z ( x ( i ) - v d ) 2 i = 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 相对应的性能指标函数的最小值穗味着实际车淑和理想车辆速度v 的误差的最 小平方和。将由动态规划最优设计应用到简化了的电涡流缓速器离散状态方程中，可 以使在其控制中得到优化。这种优化控制方法产生了较好的速度调节和防止了缓速器 的过热情况的出现j 具体结果可见参考文献1 1 1 。 2 4 本章小结 本章的主要内容是介绍有关电涡流缓速器的知识，包括电涡流缓速器的基本结构 和工作原理，其机械结构和电子控制结构以及- 日后的发展趋势。最后着重介绍了现在 市场上已经出现的电涡流缓速器的控制方法：继电器控制方法和p w m 脉宽调制励磁 电流的方法，分析了两种控制方法的基本控制结构和各自的优点和缺点。在本章中还 介绍了一种运用b e l l m a n 动态规划最优设计来对电涡流缓速器控制进行优化设计的控 制算法。 1 3 3 电涡流缓速器的数学模型 硕士学位论文 3 电涡流缓速器的数学模型 3 1 引言 在电涡流缓速器的设计计算中，制动力矩的计算是最重要的工作，电涡流缓速器 虽然机械结构不是很复杂，但是，电涡流缓速器的工作环境涉及到电磁场、热场的复 杂环境，制动力矩的计算受到诸多因素的影响。目前，国内有人提出了计算制动力矩 的方法，大都建立在数学推导基础上，对模型进行了诸多简化。国外的文献也有关于 电涡流缓速器制动力矩的计算论述，而在对制动力矩的计算是更注重数学推导与试验 相结合，但由于电涡流缓速器影响因素的复杂性，一些参数不能精确获得，都提出了 修正系数。下面介绍一下国内外的关于制动力矩的计算方法。 3 2 电涡流缓速器的计算模型 3 2 1w r s m y t h e 模型 s m y t h e 提出的方法：求解时第一步计算磁感应强度b ，电涡流是产生在绕长圆柱 体形的磁极旋转的转予圆盘内。电涡流的大小不仅取决于外部磁场的磁感的变化，还 受在圆盘内部别处的电涡流的磁感变化的影响。存在一个退磁效应，以至于部分抵消 了电涡流的磁通量n 刁。当圆盘转动时，考虑到涡流的去磁效应得到磁通量的表达式为： 纵一牮= 高 经积分后的制动力矩为： 警却2 肚一 式中，r 一磁阻；夕一常系数；毋二磁通量；一角速度：口一圆盘电阻率；d 一常 系数；口一静止时的圆盘渗透通量。与实验数据相比，这个模型在低速时效果不错， 但是当转速很高时转矩衰减的很快，在高转速区域，模型所计算出力矩的下降趋势要 快于角速度的倒数，这与试验结果相矛盾。s m y t h e 指出，出现这种现象可能是由于其 它条件导致的，例如在磁场内磁饱和度使得假设的磁动势和磁通量之间的关系不再适 用，因此需要对公式3 1 和3 2 进行修正。 1 4 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 3 2 2n s c h i e b e r 模型 s c h i e b e r 采取的是通用的解决旋转体系统的方法n 。其计算结果表达式为： r _ 丢一，舻彰c 卜端) _ 慨3 ) 式中，o 一圆盘的电导率；6 一圆盘的厚度；一角速度；r 一电磁铁半径；m 一磁 极面中心到圆盘轴的距离；a 一圆盘半径；b z z 方向的磁感应强度，z 是指向电磁极 的中心方向。 上面的公式仅适用于低转速时的情况，s c h i e b e r 指出他的结果在低转速下非常接 近于s m y t h e 的结果，并指出这个公式同样适用于电磁体做线性移动的条棒以及旋转圆 盘。s c h i e b e r 没有对高转速的情况进行研究。 3 2 3j h w o u t e r s e 模型 、在s m y t h e 和s c h i e b e r 的基础上，w o u t e r s e 试图找到高转速以及低转速区域通用的 解决转矩问题方法，他注意到，当电涡流缓速器的圆盘制动时，被激发的电场e - - - n x b 同时正交于圆盘的切线速度v 和电磁感应强度b 。如果转速处于低转速区域( 相对于 出现最大制动转矩的临界转速而言) ，与圆盘在零速度下的初始磁感应强度b o 相比较 由电流方式激发的磁感应强度则可以忽略不计，此时，正交于圆盘平面的磁感应强度 可以假定等效于b o 。根据这个现象，w o u t e r s e 提出了低速时的制动力表达式“4 1 ： f = j l 柏2 磊bo 洲 ( v 口l , j 4 ) u1 ， 其中：c = 圭l 1 一戈再i 历蒜j ；a _ 转子盘外圆半径；r t 一磁极中心到 转子盘中心的距离；f 一制动力；v 一圆盘的切向速度；b o 一初始磁感应强度；d 一铁 芯所对应的圆盘直径；h 一转子盘厚度。 其中f 是制动力，v 是圆盘的切向速度。其余的变量是依据电涡流缓速器类型的不 同而定的参数。这个公式的计算结果在低速时非常吻合s m y t h e 的计算结果。w o u t e r s e 注意到电涡流缓速器制动和直流反馈感应式电机很类似，在低转速时，初始磁通量不 受转子电流所产生的磁场的影响，并且此时产生与转速成正比的转矩。这种特性由高 转速时转子电路的电流源特性所决定，并使得最初的主磁通量在正交于圆盘齿的方向 1 5 3 电涡流缓速器的数学模型 硕士学位论文 上出现漏磁。w o u t e r s e 研究了不同转速下磁场的气隙，发现三个重要的现象； 1 ) 在低转速时，磁场与零转速时的磁场比较变化很小； 2 ) 在出现最大拖曳力的临界转速附近，平均磁感应强度明显小于初始磁感应强度 b o ； 3 ) 在更高转速时，磁感应强度的大小趋向于进一步的衰减。 依据以上的观察，w o u t e r s e 提出了高转速的计算公式： f ( v ) _ f 百2 了 ( 3 - 5 ) 其中：f = ! “ 式中，夕一转子盘电阻率；扣转子盘厚度；肛铁芯所对圆的直径；f 一在磁极的 周围，。渐进电流分布区域的宽度与气隙的比率；c 一比例因子；是圆盘表面的电阻与 圆盘磁极下部分表面的电阻之比；p 圆盘旋转的切线速度；一临界转速，即制动 力最大时的转速；易一在零速时气隙的磁感应强度；卜气隙的宽度；乃一磁极中心 到转子盘中心的距离。 。在w o u t e r s e 的建议里也运用了另外的在高转速区域已知的现象：制动力与成正 比，他修正了在高转速时的模型，使得这一特性得以突出，因此模型在高转速区域时 变地更加与实验结果相接近。 3 2 4 张逸成模型 张逸成提出的方法是将转子盘看成无数个通过圆心的铁棒，转子盘转动时，这些 铁棒切割磁力线而产生电动势n 朝： 占= b 国i r ( 3 6 ) 式中：l = 4 ( d x 韵，在工处涡流环上的电阻为： 所以涡流环上的涡流功率为： 1 6 积= 垫l ( 3 7 ) 1 7 h d x 七2 一钆 三 = t v v 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 ：d p = = 2o h 国2 天2 8 2 ( d 二x k ， (38)r 乃，、 7 最后求得一对电磁铁产生的涡流功率为： p = 二葫国2 8 2 r2 d 2 ( 3 9 ) 2 n 张逸成先生强调磁感应强度b 是由电磁铁激励和涡流去磁共同作用的结果。在制 动盘静止的情况下，即没有涡流的情况下，静磁场b 可以求出，但在有涡流的情况下， b 的计算甚为困难。提出修正系数k ，最终涡流功率为： p = k 二砌国2 8 2 r 2 d 2( 3 1 0 ) 2 n 3 2 5 何仁模型 设垂直穿过转子盘的磁通密度为b ，转子盘的旋转角速度为。，将转子盘看作为 无数个长度为( r 2 一r 1 ) 过圆心的钢杆组成n 叼。转子盘转动时，这些钢杆切割磁力线而产 生电动势，于是在转子盘表面产生了涡电流。转子盘由r 1 n r ：所产生的电动势为： ：+ s = ：s c o n ( r 2 2 一巧2 ) 2 。( “) 转子盘上d l 段所产生的电磁力矩为： d t _ - - t b d t d l 心12 ) 由于定子线圈是用直流励磁，可以认为转子盘处在均匀磁场中旋转，在其径向所 产生的电动势相等，在涡电流途径上所表现的电阻值也相等，在转子盘中的涡电流呈 均匀分布，故有： c l i = ( ，已2 ：z ) do ( 3 1 3 ) 式中i e 2 n 为转子盘单位弧长涡电流。转子盘上锻的电阻值 积= 2 望! ( 3 1 4 ) 2 万z 式中p 为电阻率，转子盘由r l i n r 2 的电阻为 r = r 2 岛= 二h a 垒 ( 3 1 5 ) 2 m a砸 咒 前后转子盘所产生的电磁力矩为 1 7 3 电涡流缓速器的数学模型 硕士学位论文 又有 一，丁= 7 c a ( r e 2 - r 1 2 ) b 2 彩拧 l 一 上，w 一 2pi nl 3 16 ) ( 3 17 ) ( 3 1 8 ) 胁层百2 庀n p n 心= 百2 7 7 2 一洲= 万u k o d 2 一n i r 嘞枷n 研、 占为气隙，n 为匝数，i + 为励磁电流代入上式得 ，6 万3 d 4 n 2 1 2 1 = 一 4 8 0 1 nr - - r 2 8 2 吒 1o 一1 0 ( 3 1 9 ) 其中“，是相对磁导率，低碳钢通常可取1 0 0 5 0 0 。这种方法在低速时，理论计算 制动力矩和试验值比较接近，而随着转速的升高( 大于8 0 0 r m i n ) ，即大于最大力矩转 速时，理论计算力矩比试验数据偏大。这是因为在推导电涡流缓速器的制动力矩时， 没有考虑涡流的去磁效应的影响。实际上由于涡流的去磁效应或涡流的存在，使磁路 的磁阻抗变大，迫使励磁磁通渗入转子盘的深度以及其数值均减小。即随着转速的提 高，磁场变化角速度越大，电涡流的去磁效应影响越大，磁通密度b 减小越厉害从而 造成制动力矩减小。作者也提出了在高速时结合试验研究来修正计算公式。 3 2 6 孙为民模型 作者在推导电涡流缓速器制动功率的过程中，作如下简化和假定n 7 1 ： 电磁绕组产生的磁通只分布在直径为d 的磁扼圆形面积内，不考虑其漏磁情况： 前后转子盘简化为两块一定厚度的环状金属盘； 各导磁材料的相对磁导率u r 为常数，且不考虑磁路的磁饱和以及磁滞耗损的影 响。 认为在转子盘旋转过程中，铁芯所对圆形区域其磁通量中是不断变化的，其变化 过程是可以认为是按中矽专0j 一妒专0 一变化的。将上述圆形区域视为若干个半 径，大小不同的，宽度为办，厚度为4 i l 的金属圆环构成的，通过此环的磁通为： 1 r 讲 万d l r 瓜 刎 矿 砒 观 ，也 聆 2 切 i | z 硕士学位论文实验用电涡流缓速器及控制模块设计研究 = p 2 c 。s 1 2z n 矿v n f 因此磁通变化而在环上产生的感生电动势为： 积= p 旦 hd r 由此推出瞬时制动功率的表达式： p 二f d 护= s 2 a h b 2 0 9 2 s i n 2c o t 由 8 z p 有效功率为：一 。 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 寥亍1r 融= 毪乒 2 4 ) 总的制动功率为： 。p = 竺曼全! 堡! 16 夕z p 在考虑了涡流的去磁效应的基础上推出磁感应强度为 3 2 5 ) 肚靠万8 而z p u 而o n i 2 6 ， 1 6 删g + 2 尼e “o 五s p 国 一。 i 主i p = t w 打，推出制动力矩的表达式为： t = 9 0 压n p ( p u 。) 三2 万3 d 4 石 厄删任 ( ，哆+ 皿割。 式中，肋一磁极对数；口一磁场变化角速度；坳一真空磁导率；夕一转子盘的电阻率； 名一气隙宽度；岛一折算系数，通常取= 1 5 ；r 广。磁极中心相对于转子盘中心的距离； 一励磁线圈的匝数；j 一励磁线圈的通电电流。 1 9 缈n吼缈口万= 塑出 一 = 占 为阻电的环圆 3 电涡流缓速器的数学模型硕士学位论文 3 2 7 现有计算模型存在的问题 在s m y t h e 模型和s c h i e b e r 模型申都没在高转速区进行讨论，尽管w o u t e r s e 的模型 给出了一个在高转速和低转