（控制科学与工程专业论文）摩擦试验机测控系统的设计与研究.pdf

摘要 摩擦试验机是测定制动装置及刹车副性能的基本设备之一。为准 确检测摩擦材料的各项性能指标，旧有的试验机测控系统已不能满足 广大用户的测试需求，迫切要求新一代试验机测控系统向数字化、智 能化、集成化方面迈进。本文的研究目标是在分析和总结国内外同类 测控系统技术现状的基础上，采用先进的检测技术和试验机控制技 术，设计开发一套新型的基于d s p 微处理器的摩擦试验机分布式测 控系统。 分布式测控系统以工控机作为整个系统的上位机，负责操作命令 的下发、曲线绘制和图表打印等功能；采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 微控 制器作为下位机，负责摩擦试验机测量参数的采集与处理、异步电机 的电惯量控制与执行机构开关量的控制等；并通过微控制器和p c 机 平台之间的c a n r s 4 8 5 通信，实现了硬件模块和软件模块之间的数 据交换。提高了摩擦试验机整个测控系统的实时性和抗干扰能力。 本文研究的电惯量技术是减小飞轮惯量，对原系统的电机调速系 统进行补偿控制，使其制动效果与原系统一致。在研究交流矢量控制 和电压空间矢量脉宽调带t ( s v p w m ) 的基础上，通过按规律改变经过 解耦之后的转矩电流环给定电压来实现的电惯量系统。 针对原试验机系统中传统p i d 控制中的缺点，采用基于单神经 元自适应p i d 控制器的控制策略，用以改造电惯量系统。最后对电 惯量系统进行了仿真和试验，并取得良好的控制效果，表明本文提出 的电模拟系统控制方法切实可行。 关键词：摩擦试验机，测控系统，电惯量，s v p w m ，单神经元 i i a bs t r a c t f r i c t i o n a lt e s t e ri so n eo ft h e b a s i ci n s t r u m e n t s ，w h i c hi su s e dt ot e s t b r a k ea p p a r a t u sa n db r a k e sp e r f o r m a n c e s i n o r d e rt od e t e c tz h e p e r f o r m a n c ei n d e xo ff r i c t i o nm a t e r i a lw e l la n dt r u l y , t h o s em e a s u r e m e n t a n dc o n t r 0 1s y s t e m so ft r a d i t i o n a lt e s t i n gm a c h i n e sc a n tm e e tt e s t i n g d e m a n d so fu s e r ，s oi ti su r g e n tt h a tt h en e wg e n e r a t i o no fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h et e s t i n gm a c h i n eg o e sf o r w a r do nt h ew a yo f d i g i t i z a t i o n ， i n t e l l i g e n t i z a t i o n a n d i n t e g r a t i o n a c c o r d i n g t o c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs i m i l a rt e c h n o l o g yn o w h o m ea n da b r o a d ，t h e m a i nt a s ko ft h et h e s i si st od e v e l o pas e to fn e wt y p ed i s t r i b u t e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r t h ee l e c t r o n i cu n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n eb a s e do nd s pm i c r o p r o c e s s o ra f t e ra d o p t i n ga d v a n c e dd e t e c t i o n t e c h n i q u ea n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft e s t i n gm a c h i n e t h ed i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mu s e si n d u s t r i a l c o m p u t e ra su p p e rc o m p u t e r , w i t hr e s p o n s i b i l i t yf o ro p e r a t i n gc o m m a n d s e n d i n g ，c u r v ep r o t r a c t ，c h a r tp r i n t i n ga n ds oo n ；t h el o w e rc o m p u t e r u s e sd s pm i c r o p r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) ，h a v ef u n c t i o no fd a t ac a p t u r e a n dp r o c e s s i n gf o rt e s t i n gm a c h i n e ，a s y n c h r o n o u sm a c h i n ee l e c t r i ci n e r t i a c o n t r 0 1a n da c t u a t o rs w i t c h i n gv a l u e s c o n t r o l e t c i tu s e sc a n b u s r $ 4 8 5c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm i c r o p r o c e s s o ra n dp cf o rd a t a e x c h a n g eb e t w e e nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e s s ot h es t e a d i l y a n da n t i - ja m m i n go fs y s t e mi sg r e a t l yu p g r a d e t h et h e s i so fe l e c t r i ci n e r t i at e c h n o l o g yi st or e d u c ef l y w h e e li n e r t i a ， u t i l i z eac e r t a i n t e c h n o l o g y t o c o m p e n s a t eo r i g i n a l d r i v e s y s t e m a p p r o p r i a t e l y , s oa st ot h en e ws y s t e mh a v et h es a m ed a m p i n g e f f e c tw i t h o r i g i n a ls y s t e m o nt h er e s e a r c ho fa cv e c t o rc o n t r 0 1a n ds p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，t h r o u g hc h a n g i n g e l e c t r i cc u r r e n tl o o po f d e c o u p i n gm o m e n t c u r r e n th e f tb yr u l ec a nr e a l i z ee l e c t r i ci n e r t i as y s t e m t h e o r e t i c a l l y a st h ed e f e c to ft r a d i t i o n a lp i dr e g u l a t o rf o rf r i c t i o n a lt e s t e rc o n t r o l s y s t e m ，t h et h e s i sa d o p tf r i c t i o n a lt e s t e rs y s t e mc o n t r 0 1s t r a t e g yb a s e do n t h es i n g l en e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ra n dc h a n g ee l e c t r i ci n e r t i a s y s t e mb yt h i s c o n t r o l s t r a t e g y a tl a s t w ed i dt h ec o n t r o lm e t h o d i i i s i m u l a t i o no fe l e c t r i ci n e r t i as y s t e m i cm o d e la n dt r i a l ，i th a ss h o w ng o o d c o n t r o lp e r f o r m a n c e i ti n d i c a t e st h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o lm e t h o df o r e l e c t r i ci n e r t i as i m u l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：f r i c t i o n a lt e s t e r , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，e l e c t r - i ci n e r t i a ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s i n g l en e u r o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：立龟毕 日期：2 业年旦月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲趣竿聊虢蟛吼丛年胜日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 为保证飞机起飞和着陆的安全，必须在各种条件下都能保证飞机的制动性 能。随着飞机对全天候正常着陆要求的不断提高，对制动装置的制动性能要求也 不断提高，刹车装置位于机轮轮毂中，其工作原理是利用摩擦制动器的动盘和静 盘相对运动时产生摩擦阻力，从而产生刹车力矩与地面摩擦力矩共同作用减低飞 机机轮的运动速度直至使其停止。航空刹车副是制动装置的重要组成部件，它对 制动性能有着举足轻重的作用。摩擦试验机是一种模拟飞机起飞和着陆条件，并 对航空刹车副进行性能检测的大型试验设备。为了研制出摩擦性能更好的航空刹 车副，摩擦试验机的开发将成为飞机制动领域中的一个重要课题。 航空刹车副的摩擦系数和磨损率是表征飞机刹车材料性能的重要参数之一， 测定这两个参数对了解刹车材料的性能和使用具有重要意义【l 】。摩擦学系统理论 作为摩擦学研究的科学方法决定了其研究的进展必须依赖于对摩擦系数、磨损 量、表面形貌等等系统输出量的科学的、动态的、大量的测量、描述、分析，进 而确定摩擦和磨损机理，这就是摩擦学测试，是摩擦学研究的关键之一。摩擦材 料是一种高分子多元复合材料，其性能主要包括在不同的工况条件( 温度、速度、 压力、湿度) 下的摩擦系数、制动力矩、磨损量、制动时间、吸收的能量等物理 量的变化情况。摩擦试验中，在不同的载荷、速度、压力以及摩擦副的条件下， 测得了摩擦系数变化曲线。摩擦副在机械磨损试验中都很难定量给出，原因是它 对外界环境的变化极其敏感，摩擦副所处的载荷、温度、周期、速度、接触状态 等因素都会对接触区域的应力场分布和磨损情况产生难以估计的影响【z 一引。所以 如何利用计算机具有的软硬件资源，建立具有高精度的参数测量以及高智能的计 算机数据采集控制测试系统的摩擦试验机具有重要的意义。 摩擦试验机是检测刹车材料及其制品在各种环境和模拟状态下的机械性能、 工艺性能、结构抗振强度以及材料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设 备。它广泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航与造船以及国防科技、高等 院校等国民经济的各个领域和部门。摩擦试验机作为一种精密测试设备，对于材 料科学的快速发展、工业产品和工程结构的合理设计、有效地使用材料、改进工 艺、减小产品的体积和重量、提高产品质量，以及保证安全可靠和提高使用寿命 等，都具有极其重要的作用【4 羽。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 摩擦试验机及其测控技术的国内外发展现状 1 2 1 摩擦试验机的特点及发展现状 摩擦试验机主要用来研究在不同速度、载荷和温度条件下飞机或汽车摩擦材 料的性能，也可以用来进行各种磨损形式的机理研究。摩擦材料性能的好坏，直 接影响着航天器及汽车等的安全性能。因此，试验机在国民经济中占有相当重要 的地位，它的发展水平在某种程度上反映了一个国家的工业水平。 目前，国内外飞机摩擦材料的测试方法，大体可分为材料性能小样测试( 即 实验室试验) 、总成台架试验以及跑道滑行试验三大类。跑道滑行试验通常由飞 机制造厂家及飞机设备测试厂家来完成的，科研机构和商用厂家主要关注于小样 测试和总成台架试验。 实验室性能测试包括摩擦性能试验、强度试验和耐热试验。大部分试验方法， 都有国际标准和我国相应的国家标准或行业标准。这种试验周期短、费用低，是 国内外生产厂家首选和必备的手段。 我国目前参照日本j i s 4 3 1 1 、j i s 4 4 1 1 标准，摩擦性能小样试验采用定速式摩 擦试验机，且该试验机已被我国g b 5 7 6 3 ，g b 5 7 6 4 国家标准所采用。该机自1 9 8 5 年由东汽集团设备制造厂引进生产后，对我国摩擦材料行业的发展起到了促进作 用，对实施g b 5 7 6 3 ，g b 5 7 6 4 等标准具有重要意义。据报导，韩国和我国台湾 省也采用定速式试验机。定速式试验机由于其成本低、试验程序简单、周期短， 且能基本反映出摩擦材料的性能，故而已被摩擦材料生产厂、商用于摩擦材料的 生产控制、配方筛选及产品的检验。今后相当一段时期内，它仍将在我国摩擦材 料行业中继续发挥作用。 国外实验室小样性能试验机首选机型，为蔡氏( c h a s e ) 试验机。该机最早由 美国l i n k 公司制造，执行美国s a e j 6 6 1 a 标准试验程序，为美国s a e j 8 6 6 摩擦 系数分级标准和s a e j 最低摩擦系数要求标准提供依据。由于国际标准 i s 0 7 8 8 1 8 7 参照采用了s a e j 6 6 1 a 标准，因此该标准及蔡氏( c h a s e ) 试验机，已得 到各工业发达国家的摩擦材料生产企业和汽车制造商的广泛采纳和认可，故该机 属小样摩擦性能试验设备中最具权威性的试验机之一。c h a s e 摩擦试验机与定速 式试验机相比，模拟性能更好，测试程序更完善、更科学，而且数据采集和操作 过程及结果的输出全由计算机完成。目前，我国已完成了等同采用i s 0 7 8 8 1 国际 标准制订的国家标准的审议，并通过了消化吸收c h a s e 机研制国产样机的生产定 型【6 1 。 总成台架试验机型的典型代表是1 ：1 惯性试验台和克劳斯试验机，其主要特 点是以制动器总成为试验对象，尽可能全面地模拟汽车制动器的实际工况。惯性 2 硕士学位论文第一章绪论 台架试验机又称惯性测功机( d y n a m o m e t e r ) ，是制动器和摩擦材料性能综合测试 中最具权威性的测试设备。惯性台架是一种以旋转惯性体动能等量模拟车辆行驶 动能对制动器加载并测试制动过程特性的试验台。现代的惯性台架模拟条件更加 完善，控制软件更加灵活且适应性强，试验数据的采集和处理，采用了计算机因 而更加方便和准确。目前，台架试验方法尚无国家标准和国际标准，但世界各工 业发达国家都有各自的惯性台架测试设备及相关标准，可见台架试验的重要程 度。克劳斯( k r a u s s ) 试验机，是随着工业向高速化、轻量化和微型化发展产生的 一种新型总成试验机。该机集中了小样试验机和惯性台架的优点，它以整片、原 配制动钳、制动盘或制动鼓为试验对象。由于具有试验时间短、费用低，而且试 验结果的重现性和模拟性好等特点，仅二十多年来的应用，k r a u s s 试验机尤其被 欧美国家所重视，也被全球摩擦材料生产企业和汽车制造厂商所认可。 1 2 2 摩擦试验机测控技术的国内外发展现状 随着现代工业技术的发展，任何一个机械系统都越来越多的加入了更多的控 制部分，以达到对其整个系统的性能优化。同时为了实现其机械系统的功能，我 们也需要通过检测系统对实际数据进行采集、对系统的实际工况进行监控。作为 摩擦试验机的控制和检测系统的组成，其设计依据也是根据摩擦试验机所要达到 的试验目的来制定的。 摩擦学测控技术所涉及的范围很广，包括电子、计算机、材料、机械等等方 面【7 】。图1 - 1 是典型的试验机测试原理图。在试验机中需要观测的参数可能是磨 损量、温度、扭矩和压力等等，它们通过传感器系统转换成电信号，然后通过采 集卡，将模拟量电信号转换成计算机可以接受的数字信号，进入微机进行定性、 定量分析、存储和可视化处理。利用计算机的软硬件资源，同时通过d a 转换、 串口和执行元件控制试验机需要的动力器件譬如电机、开关等，实现整个试验系 统要求的动作。试验系统的速度和力之间的动态关系是整个动态测试系统的关 键。因此，传感器信号处理( 测试技术) 和电机的变频控制( 控制技术) 是摩擦 学动态测试中的两个关键技术问题。 图1 - 1 典型摩擦试验机系统 硕士学位论文第一章绪论 我国传统的摩擦试验机，其测试原理是基于传统的测试系统理论，一般采用 不连续测定法，如试验前后称重，测定体积变化等等，测量仪器多采用基于模拟 技术的记录仪如电压式记录仪、电流式记录仪，甚至采用人工读数。这种方式的 摩擦磨损测试往往不能体现摩擦学的系统性和时变性，会导致试验结果的误差乃 至错误结论【8 】。模拟检测系统的自动化程度低，结构复杂，随后出现了以数字化 的测量仪器代替模拟仪器的数字化检测系统。通常，数字式测量系统的精度优于 0 5 ，比模拟式仪表测量精度高。随着计算机的普及，计算机辅助分析在摩擦磨 损实验机中获得越来越多的应用。来自传感器的微弱信号经过后面配接的信号调 理电路的放大和预滤波后标准的模拟电压或电流信号，经传输导线送入计算机中 的数据采集卡采样、a d 转换后，存储于计算机中进行运算分析与处理，以适当 的形式输出、显示或记录测量结果【9 】。在2 0 0 3 年，中国科学院合肥智能机械研 究所研制了一个汽车制动器惯性式试验台，在试验过程中，可测量各种模拟工况 下的制动初速度、制动管路压力( 或制动减速度) 、制动力矩、制动鼓( 盘) 温 度、制动衬片( 块) 温度、制动时间，并显示或打印各种需要的曲线和图表。 国外对车辆制动性能的研究和检测发展比较早，从7 0 年代起，己经开始用 现代设计方法取代传统的设计方法，如计算机数字仿真、优化设计、可靠性设计、 c a d c 舢彤c a e 等。美国m i c h i g a n ( 密西根) 大学的学者们在7 0 年代初，就将 计算机模拟技术应用在汽车制动动态过程研究中。从9 0 年代起，国外就不断开 发试验台系统的设计专家系统，而且也涉及到整车设计专家系统的研究开发。如 日本开发的小型车惯性试验台专家系统，使得设计的车辆具有良好的制动性能， 在省时省力的基础上得到最佳设计方案。同期法国也研制出最高转速为 2 9 0 0 r m i n 的新型制动试验台，它用一个扭矩计始终将扭矩信息传递给试验台导 向台，信息通过轴系和主动轴内的导线来传输，其主要优点是：自动化程度高， 具有连续的单独工作能力，能够以最短的时间完成多项实验。目前，应用较多的 惯性试验台制动性能检测设备是日本及欧洲的产品，现代化水平很高，代表性的 有德国的马哈( m a h a ) 系列和日本的弥荣系列等，这些惯性试验台制动性能检测 设备有精度高，功能全，耐磨损，不受温度的影响等特点。 国外的摩擦试验机测控技术经过几十年的发展，其产品在性能上有大幅的提 高，在种类上有很大的扩充，呈现如下发展趋势： ( 1 ) 试验机对摩擦副的工况尽可能的模拟。摩擦试验机不仅仅局限于对金属 材料试验，出现了针对不同材料、不同极限工作条件的新型摩擦试验机。模拟性 台架试验机几乎能模拟实际摩擦副的所有工况，如温度、湿度、润滑条件、转速 频率、荷载、表面膜、粗糙度等，其测量精度有很大的提高【l0 1 。 ( 2 ) 摩擦表面的温度测量技术。摩擦表面温度是影响和制约摩擦性能的最重 4 硕士学位论文第一章绪论 要参数之一，摩擦表面温度场的分布与接触物体表面形态、摩擦副材料的热物理 性能、结构尺寸、工况条件以及散热条件等因素有关，且具有微观、瞬时、动态 的特点，测量非常困难【l ，因而摩擦表面的温度测量将是一个重要的方向。 ( 3 ) 摩擦试验机和计算机结合更加紧密，其操作更加简单，设计更加人性化。 现在的几乎所有摩擦试验机至少配备一台计算机( 便携式配备单片机) ，试验机 采样、数据处理、打印、采样数据波形显示均由计算机完成，计算机已经取代示 波器进行虚拟显示。试验机的使用也非常简单，有的试验机只要用鼠标点击计算 机的操作界面即可。 ( 4 ) 成像摄影技术在摩擦试验机上的应用。随着成像摄影技术的日益成熟， 成像摄影技术已开始应用于摩擦试验机，用其测量各种试件的磨斑，并可通过计 算机实现试件的磨斑自动显示、测量、打印。 ( 5 ) 目前几乎所有摩擦试验机都能够适时测量出材料的瞬时摩擦系数，但大 多数摩擦试验机还不能对薄层的磨损进行适时测量( 微小磨损量测量) 。据报道： 仅有日本用激光发射超声高速脉冲来测量薄层的摩擦磨损特性取得了成功，因此 摩擦试验机对材料磨损量的适时检测也是一个发展方向。 ( 6 ) 纳米技术的发展对摩擦试验机的影响。自从1 9 8 4 年德国人g l e i t e r 研制 出纳米微粒进行压制烧结得到纳米固体材料以来，纳米材料已在许多领域引起了 广泛的重视和研究，成为材料学研究的热剧1 2 】，纳米摩擦学是材料科学与摩擦 学交叉领域最前沿的内容。纳米摩擦学主要包括从纳米尺度上研究纳米材料的摩 擦、磨损和润滑现象的本质和研究纳米材料的摩擦学特性及其与材料结构特性的 关系等，与纳米技术相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。 ( 7 ) 生态摩擦学( e c o t r i b o l o g y ) ，人类为了可持续发展面临着资源和环境两个 重大问题。为此，最近提出生态摩擦学研究可望成为今后的重要研究方向之一。 据估计，全世界约有1 3 - - - - 1 2 的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的机 械磨损所损耗的材料在我国每年高达几百亿元，因此减摩耐磨技术的开发和普及 具有重要的经济和社会效益，最大限度地降低摩擦是人们长期追求的目标。润滑 油，特别是添加剂含有多种有害的金属元素。据统计，全世界每年润滑油消耗量 为3 0 0 万吨，其中约有3 0 因各种原因被排放到环境中而造成污染。绿色环保 摩擦材料将是今后研究的热点，与绿色环保摩擦材料研究相关检测产品的开发将 带来摩擦磨损测试技术的革命【l 3 1 。 在摩擦试验机控制方面我国与国际还有一定的区别，惯性试验中机械惯量的 模拟一般有三种方式：飞轮模拟、机电混合模拟和电模拟。飞轮模拟是制动器制 动过程中摩擦功全部来自惯性飞轮储存的能量；机电混合模拟是大部分使用飞轮 储存能量，而另一部分使用电机以力矩的方式输出能量；电模拟是以电机输出能 5 硕士学位论文第一章绪论 量为主，机械飞轮能量只作为稳速和补偿电机特性的不足【1 4 】。 国际上目前大多采用电模拟的控制方式，如德国的申克公司、英国邓绿普公 司、美国的格林公司等都生产有此类性能检测设备。电模拟设计的思路是：考虑 到原系统中已有交流异步电机或者直流电动机( 他励直流电动机) 环节，能否充 分利用现有资源，以电动机拖动为基础，设计一个电动机模拟系统，模拟出原系 统运行时飞轮组的工作状况，通俗地讲，就是能否用电动机模拟系统模拟出转动 惯量。其方案是用电动机拖动一个小的转动惯量去模拟实现任意大的转动惯量系 统( 当然要在工作范围内) 【b 】【1 6 】。即电动机拖动一个小的转动惯量飞轮旋转， 达到给定的速度，制动器制动，提供制动转矩，此时，电动机并不关闭，而是通 过一个电模拟系统去模拟实现一个大转动惯量系统的工作状况。电机调速方面由 于脉宽调制技术和矢量控制技术的发展及其在交流调速系统中的应用，以交流异 步电动机为对象和以交流变频器为控制器的交流调速系统得到广泛的应用。逻辑 控制方面出现了以微处理器为核心的可编程控制器。自动控制理论与计算机技术 的结合产生了计算机控制技术，计算机在工业领域正成为不可缺少和不可替代的 强有力的控制工具。由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和方法被 替代，信息利用率大大提高，控制质量也更趋优良和稳定。 和国际上的发展趋势相比，我国摩擦试验机大多还采用着纯机械惯性盘模拟 制动过程的控制方式。同时也研制出了电模拟方式解决了机械盘式模拟中大量的 机械盘制造和安装方面的困难，但是出于我国的国情以及技术水平，电模拟方式 的台架试验机研制过程的高成本以及工作过程大量的电消耗在目前的情况下很 难适应中国市场的要求，因此我国目前主流的惯性台架试验机大多数还是采用纯 机械惯性盘的方式。其中在电惯量模拟方面，吉林大学研究的比较成熟，已经把 它转化为具体应用，在速度控制方面依然采用目前比较成熟的双闭环直流调速控 制。吉林大学机电设备研究所最近研制的j k l 2 2 c 制动器惯性台架，该机在j f l 2 2 型惯性台架结构基础上，参考德国申克公司同类台架的结构和参数，增加制动噪 音测试的机械硬件基础条件。在摩托车制动器试验台设计中，天津大学与天津内 燃机研究所研制的z d q i 型试验台比较具有代表性，它采用国内首创的机械模 拟和电模拟相结合的方式模拟转动惯量，转速和制动操作力均由计算机进行闭环 调节，具有较高的控制精度和自动化程度。该试验机于1 9 9 8 年7 月通过了天津 市市级鉴定，属“国内领先水平”，且遵照国家汽车行业标准摩托车和轻便摩 托车制动器台架试验方法的规定【l 。 我国现行法规及标准中，对制动系统及总成试验装置的形式、功能、技术参 数、精度等还没有一个统一的标准，许多制造厂商、研究院所均根据需求机构采 用自行设计和研制的试验机。国内许多单位引进或研制具有小样试验和惯性台架 6 硕士学位论文第一章绪论 试验特点的小惯性试验机。典型试验设备如m m 一1 0 0 0 惯性摩擦试验机，该试验 机是厦门机床厂在引进前苏联j q i 和j q 2 试验机的基础上，研制出能够模拟短时 反复制动的国产惯性摩擦试验机，该试验机是附带惯量的小样试验机，兼有小样 试验机和惯性台架试验的特点，采用环状式样。目前国内总共有三套大型电惯性 试验台，即陕西华兴航空机轮刹车系统有限责任公司( 5 1 4 厂) ，其拥有世界先 进水平的大型电模拟惯量试验台，可做航空轮胎、机轮、刹车装置、刹车材料及 动力模拟的鉴定试验：南京机电液压工程研究中心( 6 0 9 所) ；桂林橡胶工业研 究所研制的惯性试验台，可以做航空轮胎动力试验、航空机轮刹车装置动态力矩 试验和航空刹车结构扭矩试验。其自动化水平达到国际先进标准，试验台的机械 惯量采用电机进行模拟。随着技术的进步，我国试验台制作水平越来越高，其控 制和数据处理基本实现了计算机化，功能越来越向自动化发展方向。 1 3 课题背景及研究意义 本课题来源于中南大学粉末冶金国家工程研究中心的科研合作项目一“摩擦 副性能检测试验机的测控系统设计，研究目的是开发一套对航空新型刹车制动 材料一摩擦副性能自动检测的小惯性试验机的测控系统。 航空刹车副是飞机起落和滑行阶段保证其安全的最关键部件之一。目前，我 国民航拥有运输类飞机6 0 0 余架，其中使用炭炭复合航空刹车副的飞机在5 0 左 右，每年更换量达1 万盘，全部依赖进口，消耗外汇进4 0 0 0 万美元。该类飞机刹 车盘使用的c c 复合材料在国际上属高技术的新材料，它不仅具有高比强、高比 模等特性，而且抗热震性能好、高温强度高和摩擦磨损性能优异【18 1 ，用它作为 飞机刹车材料可以减轻刹车系统的重量，改善刹性能，可满足高速交通运输对刹 车材料的要求，已广泛用于大型飞机、重型坦克、高速列车、赛车等的刹车材料 1 1 9 ，已掌握其制备技术的国家和厂商把其工艺视为绝密技术。为研制出摩擦性 能稳定，重复性好，刹车力矩平稳，制动效率优良，能量水平高，而且磨损率低， 使用寿命长的摩擦材料，通过在小惯性试验机m m 一1 0 0 0 做大量的样品试验，模 拟实际机械装置的刹车过程，通过试验测试摩擦材料的制动力矩、制动压力、制 动温度、摩擦系数、磨损量、制动消耗的能量等参数，用于评价摩擦材料的性能。 根据摩擦试验机的性能指标和测试要求，以小惯性试验机m m 。1 0 0 0 试验机 为对象进行技术改造和更新，为实现摩擦试验机测控系统的数字化、智能化、集 成化而提出一个应用型研究项目。针对现场环境的特殊性( 企业厂房众多、电网 线路杂乱、电气干扰强) ，特别是真空气压烧结炉、钟罩式烧结炉、高温热压炉、 碳管炉等大量设备的运转，加剧了电网的谐波和工频干扰。测控系统采用总线分 散式的控制方案，在分散型计算机控制系统中，由于采用了分散化控制结构，每 7 硕士学位论文第一章绪论 台微处理机只控制一个局部过程，从而使可靠性得到提高。针对目前为数众多的 小惯量摩擦试验机的机械惯量模拟还都是采用机械飞轮。本文的机械惯量模拟参 照目前先进的电模拟方式，减少飞轮惯量部分，利用电机按照一定的控制算法输 出力矩对机械惯量进行部分或全部的特性进行模拟，使试验系统动力特性与具有 与飞机刹车过程的系统动力特性一致。 加快摩擦试验机生产的发展，促进新技术的开发与应用，具有重要的经济意 义和现实意义，而且对解决国家航空战略安全和国防建设具有重要意义【2 0 】【2 1 1 。 通过本文的研究，一方面就摩擦试验机本身而言，在不乏技术先进性的同时，不 仅使传统摩擦试验机得到更好的利用，节约成本，而且全面提高其测控系统的工 作效率、控制精度、实时性及操作人性化，并且使系统具有不同程度的自我故障 诊断与修复能力，扩大摩擦试验机的应用范围，这也完全适应新一代摩擦试验机 测控系统的发展趋势，因此具有很强的实践意义；另一方面对其它类型试验机测 控系统的技术改造也具有一定的借鉴意义。 1 4 论文的研究内容及结构安排 本文章节的内容及结构主要安排如下： 第一章主要介绍摩擦试验机的发展现状及测控系统的国内外发展，研究新型 摩擦试验机测控系统的意义。 第二章主要研究摩擦试验机的工作原理及电惯量的模拟，同时设计一套摩擦 试验机的控制与检测系统，并对测控系统组成单元具体进行分析。 第三章主要研究电惯量控制系统的控制原理，首先介绍了矢量控制原理的基 础上，着重研究了针对异步电机交流调速的电压空间矢量脉宽调制理论。 第四章是摩擦试验机测控系统硬件电路及软件设计，采用d s p 实现测控系 统的开发设计。 第五章是研究摩擦试验机电惯量控制系统的控制策略，采用p i d 单神经元自 适应控制器，并通过仿真平台验证控制策略的正确性和有效性，通过试验曲线分 析研究电惯量系统的实际制动效果。 第六章是论文研究工作的结论和展望。 硕士学位论文 第二章摩擦试验机测控系统总体方案设计 第二章摩擦试验机测控系统总体方案设计 摩擦材料性能的评价要通过摩擦试验来完成。如何迅速、准确地提供摩擦材 料性能的估计数据，是摩擦材料性能试验机发展的趋势和关键。原来的m m 1 0 0 0 摩擦试验机已不能动态地反映摩擦磨损的实际过程，摩擦系数动态变化规律难以 了解。随着现代计算机软硬件技术的迅猛发展，便捷、低价地实现摩擦系数的动 态测试是完全可行的。摩擦材料性能试验机就是采用了微控制器( d s p ) h i 控机 为核心的分布式测控系统来实现自身控制的，以此来满足对摩擦系数的动态测试 的需要。 2 1 摩擦试验机的工作原理 2 1 1 试验机的组成和结构 摩擦试验机的总体结构布置形式如图2 1 所示。试验台的具体机械结构由电 动机、联轴器、离合器、惯性飞轮组系统、支座、制动器静动磨头、测试装置等 几个主要部分构成【2 2 1 。 通过电动机提供动力，离合器连接飞轮主轴和试验台主轴。同时电机主轴与 试验机主轴通过联轴器连接起来，两者是刚性连接，实现惯量的电机模拟补偿。 惯性飞轮组由主轴、活动飞轮组组成，能完成对整个试验台的转动惯量的配比。 制动装置静动磨头分别装配静动试件，测量装置测出试验要求测量的各个参数。 1 0 图2 1m m 1 0 0 0 试验台结构简图 1 多级惯性盘2 惯性盘保护装置3 联轴器4 离合器5 制动器的动片6 热电偶7 制动器 的静片8 激光位移传感器9 气缸1 0 压力测量机构1 1 光码盘1 2 主驱动电机1 3 鼓风 机1 4 力矩测量臂1 5 气动阀门 9 硕士学位论文第二章摩擦试验机测控系统总体方案设计 摩擦试验机的工作原理是首先主电动机驱动主轴旋转，接着由预先指定压力 的气压通过气缸对摩擦元件作正向( 轴向) 加压。利用气压缸推动右侧机床滑台 轴向左运动，从而实现制动器的动盘和静盘相互摩擦，产生摩擦力矩实现对试验 台主轴的制动，在制动过程中，制动器不断吸收能量直至机床主轴停止运动。摩 擦力矩通过安装在静摩头轴上的等强度梁传出，摩擦温度由焊接在静摩块上的热 电偶传出，通过变送器进行转换。制动器动试件采用非接触式红外测温仪来检测 摩擦温度。气压的压力通过压力变送器进行转换，主轴的转速通过安装在摩擦机 上光电传感器进行测量。磨损量通过装在试件的一侧的高精度激光位移传感器测 得。作刹车试验时，装配惯性轮以模拟实际惯量的一部分，其余采用电机来模拟 惯性能，达到设定转速后即可脱开离合器，送气加压刹车。在制动过程中通过传 感器检测制动力矩和速度以及压力，从而计算出摩擦材料的磨损量及摩擦系数等 参数。 摩擦试验机实现的功能主要是通过对飞机刹车过程的模拟，利用惯量盘以及 电机对实际飞机刹车过程的惯量模拟，来测试刹车副的摩擦性能，其中利用传感 器测量出刹车过程的参数变化，通过摩擦系数以及磨损量等重要参数的研究可以 检测摩擦副的性能。图2 2 是试验机的总功能框图。 能量 试件 控制信号 2 1 2 试验机的试验方法 摩 擦 副 摩 擦 磨损量 摩擦力矩 摩擦温度 压力 转速 图2 - 2 摩擦试验机总功能框图 摩擦机的试验过程可以分为试验升速过程和制动过程( 刹车过程) ，首先是 主轴的升速过程，主轴升速通过三相交流异步电机来驱动，通过联轴器带动主轴 转动，同时其它辅助电机如鼓风机和油泵电机也一起打开，当主轴速度升到指定 的速度后，然后是施加制动力( 送气压使静动试件相互摩擦产生摩擦力) 使制动 器对主轴产生制动力矩使主轴减速制动的过程。在制动过程中，制动器制动，提 供制动转矩，而此时，电动机也并不关闭，而是通过一个电模拟系统去模拟实现 一个大转动惯量系统的工作状况。 l o 孚 硕士学位论文第二章摩擦试验机测控系统总体方案设计 升速和制动过程的切换如图2 3 所示，本文设计两个控制模块，利用升速控 制模块控制主轴的升速，当转速达到设定值时切入惯量模拟控制模块，继续对电 机进行控制，切入的控制通过软件实现。 图2 3 试验机控制结构原理图 制动器试验台的主要试验项目为：恒定力矩式制动试验、恒定压力式制动试 验、静力矩制动试验、拖磨制动试验、手刹车制动试验。 ( 1 ) 在恒定力矩式制动试验中，系统利用闭环反馈，根据力矩传感器测得的 制动力矩实施恒定力矩值控制，保证对制动器进行恒定力矩制动。 ( 2 ) 在恒定压力式制动试验中，根据压力传感器反馈的信息对制动压力实施 恒值控制。因为在制动过程中制动副的摩擦磨损性能( 如材料摩擦系数和磨损率) 根据工况条件( 如温度、制动频率、次数) 而改变，所以恒定压力式试验得到的 制动力矩不是恒定值，它将随着制动时间的增长而最终变为零。 ( 3 ) 在静力矩试验中对举升机构的输出力矩实施恒定速率控制。它们和恒定 压力式制动试验一样，也是变力矩制动。 ( 4 ) 拖磨试验主要在加载恒定压力( 小压力) 下，控制电机转速的恒定，由 于压力的恒定作用必定导致转速的下降趋势，所以必须通过闭环控制使电机恒速 运行，以此来测试材料的拖磨性能。 ( 5 ) 手刹车制动试验的实验目的主要是测试各个测试机构和部件的性能，从 而来判断试验机构是否正常，提供摩擦试验机的检修参考，从而及时排除试验机 故障，保障试验机正常运行。 2 1 3 试验机的电惯量模拟 电惯量技术的任务就是研究出一种机械转动惯量电机模拟系统，该系统利用 固定小飞轮和电机联合模拟传统的惯性式摩擦制动器试验台中的大飞轮惯量。 假设传统惯性式试验台的大飞轮转动惯量为几，在大飞轮转速达到n 十。时， 用恒定力矩m 制动，则其制动曲线如图2 - 4 ( 1 ) 所示，为匀减速运动。再假设电惯 量系统的转动惯量为j , j 、( ，、 1 时，乙为负值，即电机输出制动力矩，力矩方向与旋转方向相反； ( 3 ) 当k 1 时，乙为正值，即电机输出驱动力矩，力矩方向与旋转方向相同。 电惯量的加载需要根据当前已经施加的电能量与当前转速下需要加的电能 量来算出产生的能量误差，然后依据这个能量误差公式( 2 1 1 ) 中的惯量模拟系数 k 进行调整，达到控制模拟惯量的目的。 本文将检测过程分为，1 个a t 时间段，从f 0 时刻开始制动，隔a t 时间段后为 时刻( 即= t o + 垃) ，下面就每个时间段，对惯量模拟的控制过程进行分析。设 在时刻，惯量模拟系数为k = 厶l ，检测开始前可计算得出。则在f o - - + t 。时 间段内，以k 的值对电动机的电磁力矩进行调节。 在时刻下，需要加的电能e ，为： 瓦。= ：r c o d t = 吉( 1 一x o ) l ( q 2 一珠) ( 2 - 1 2 ) 硕士学位论文第二章摩擦试验机测控系统总体方案设计 式中k 为乇时刻设定的惯量模拟系数，为乇时刻的主轴角速度，q 为经 过础后 时刻的主轴角速度。则当前时刻( t o 专时间段内) 的电能量误差巨为： 巨= e 。一丘。( 2 - 1 3 ) 式中最。为乇一时间段内已经施加的电能量，根据能量误差巨，在到达乞时 刻之前进行能量调节，实现办法就是计算出新的惯量模拟系数k 。即 e 1 + i ia o ，l 哆2 一砰) 墨= - 一 ( 2 1 4 ) i i ，l 哆2 一砰) j 、 1 二 式中k 为时刻的惯量模拟系数，可由( 2 1 4 ) 式计算得出。然后用更新后 的惯量模拟系数k 在专t 2 ( t ：= + a t ) 时间段内进行惯量模拟控制。哆为乞时刻 的主轴角速度，在 时刻我们可以通过下式来估算。 7 c 0 2 = q + 手a t ( 2 1 5 ) ，肘 式中正为t ，时刻作用在试验机主轴的刹车力矩。依此类推，可得后面时刻需 要调整的惯量模拟系数k 。 由上面推论可得电模拟控制步骤为： ( 1 ) 测量制动力矩； ( 2 ) 在力矩乃作用下，模拟惯量以应有的减速度西； ( 3 ) 比较实际减速度与计算减速度西； ( 4 ) 计算本段时间惯量模拟系数k ； ( 5 ) 控制电机施加力矩，使面= 西，。实际减速度f o 可通过测量微小时间间隔 内的角速度变化得到，即 d o ，：盟：缈 ( 2 1 6 ) 乞一 垃 。 式中：c 0 2 为t ：时刻的角速度；为f | 时刻的角速度；a t 为角速度采样时间间 隔，即采样速度，垃不但取决于计算机的计算速度，更决定于转速控制系统的 响应速度。 电模拟系统设计的实质就是在满足可能产生的制动减速度西的条件下，合理 匹配电机功率和系统机械惯量。在刹车试验过程中，电子调节器控制电动机在惯 性轮组合上施加( 1 - k ) 乃大小的实际电磁力矩。从而实现对不同惯量飞机的试 验模拟。 2 1 4 试验机测量参数分析 摩擦试验主要是试验在不同的工况条件( 温度、速度、压力、湿度) 下的摩 擦系数、制动力矩、磨损量、制动时间、吸收的能量等物理量的变化情况。通过 1 4 硕士学位论文第二章摩擦试验机测控系统总体方案设计 试验过程中测量参数的获取，实时计算表征材料性能的摩擦参数。 作用在试件上的压力p ( n c m 2 ) 由预先指定压力的气压通过气缸对摩擦元 件作正向( 轴向) 加压产生，当作用在摩擦副间的平均摩擦力矩m ( m ) ，若 两个试件问的摩擦系数为万，则有 芦= 羔( 2 - 1 7 ) 式中，s 是