（测试计量技术及仪器专业论文）小型车辆制动性能检测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 车辆制动性能是车辆行车安全的重要保障，对其进行准确，快捷， 高效的检测具有十分重要的意义。虚拟仪器技术本着“软件就是仪器” 的思想，降低了系统的硬件费用，缩短了开发周期，增强了系统的扩展 能力。本设计以l a b v i e w 为软件开发平台，将虚拟仪器技术与检测技术 相结合，构建了功能强大、性能可靠、操作便捷的车辆制动性能检测系 统。 本文首先介绍了车辆制动性能检测台的种类，原理与效果以及虚拟 仪器的发展及优势。并且根据惯性制动检测原理，完成了该检测平台的 机械部分设计。 检测系统的硬件部分主要由变频器，电机，圆编码器，数据采集卡 组成。变频器通过频率的变化控制电机的转速，数据采集卡采集圆编码 器输出的脉冲信号。这一完整的硬件系统为制动性能检测奠定了基础。 本设计采用了三种控制方法对电机转速进行控制，分别是p i d 控制， 模糊逻辑控制以及p i d 一模糊逻辑控制，并对三者的控制效果进行了仿 真，结果表明p i d - 模糊逻辑控制具有最佳的控制效果。 检测系统的软件部分主要实现了计算机与变频器的串口通信，p i d 控制算法，模糊逻辑控制算法，控制曲线图的显示，数据保存等功能。 软件界面清晰明了，具有良好的人机交互性。 本文最后介绍了实际检测条件下的操作步骤，并且进行了真实情况 下转速控制效果的比较以及制动性能检测的结论分析，结论表明该系统 达到了预期的功能要求，检测及控制精度较高。 关键词：制动检测；p i d ；模糊逻辑；变频器；虚拟仪器；l a b v i e w a b s t r a c t t h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo fv e h i c l ei sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e ef o r d r i v i n gs a f e t y t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot e s tv e h i c l ec o r r e c t l y , r a p i d l ya n de f f e c t i v e l y v i r t u a li n s t r u m e n ti nl i n ew i t ht h ep r i n c i p l et h a t “s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ”r e d u c e st h ec o s to fh a r d w a r ei nt h es y s t e m ， s h o r t e n st h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n ds t r e n g t h e n st h ee x p a n s i o nc a p a b i li t yo f t h es y s t e m t h i sd e s i g ni sb a s e do nt h el a b v i e wp l a t f o r m ，c o m b i n i n gt h e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw i t ht h et e c h n o l o g yo ft e s t i n g ，c o n s t r u c t i n ga b r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t i n gs y s t e mw h i c h i s p o w e r f u l ，w i t hr e l i a b l e p e r f o r m a n c ea n dw i t hc o n v e n i e n to p e r a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h es o r t so ft e s t i n gs y s t e m ，p r i n c i p l e s ， r e s u l t sa n dt h ea d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n t so fv i r t u a li n s t r u m e n t t h e nt h e m e c h a n i c a lp a r to ft h et e s t i n gp l a t f o r mi s c o m p l e t e da c c o r d i n gt o t h e p r i n c i p l eo fi n e r t i ab r a k i n g t h eh a r d w a r eo ft h et e s t i n gs y s t e mi sc o m p o s e do ff r e q u e n c yc o n v e r t e r ， e l e c t r i cm o t o r , d i s kl i g h tb e a me n c o d e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d f r e q u e n c y c o n v e r t e rc o n t r o l st h er o t a t i o n a ls p e e dt h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ef r e q u e n c y ， a n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r dg a t h e r st h ep u l s es i g n a l so u t p u to fd i s kl i g h tb e a m e n c o d e r t h i sw h o l eh a r d w a r es y s t e ml a y saf i r mf o u n d a t i o nf o rt h eb r a k i n g p e r f o r m a n c et e s t t h i sd e s i g na d o p t st h r e em e t h o d st oc o n t r o lt h er o t a t i o no fm o t o r ，w h ic h a r ep i dc o n t r o l ，f u z z yl o g i cc o n t r o la n dp i d f u z z yl o g i cc o n t r o l ，a n dt h e c o n t r o le f f e c t sa r es i m u l a t e d t h er e s u l t sh a v ep r o v e nt h a tp i d f u z z yl o g i c c o n t r o lh a st h eb e s tr e s u l t t h es o f t w a r eo ft h i s t e s t i n gs y s t e mh a sf u l f i l l e d t h ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o no fs e r i a lp o r t ，p i dc o n t r o la l g o r i t h m ，f u z z yl o g i cc o n t r o l a l g o r i t h m ，d i s p l a yo fc o n t r o ld i a g r a m ，d a t ap r e s e r v a t i o n t h ei n t e r f a c eo f t h es o f t w a r ei sc l e a rw i t hg o o dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， t h i sp a p e rf i n a l l yi n t r o d u c e st h eo p e r a t i o n a ls t e p su n d e rp r a c t i c a l t e s t i n g ，a n da n a l y z e st h ec o m p a r i s o no fe f f e c to fs p e e dc o n t r o lu n d e rt h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dt h et e s to fb r a k i n gp e r f o r m a n c e t h er e s u l t sh a v e p r o v e nt h a tt h i ss y s t e mh a sm e tt h ee x p e c t e df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sw i t h h i g ha c c u r a c i e so ft e s ta n dc o n t r 0 1 k e yw o r d ：b r a k i n gp e r f o r m a n c et e s t ；p i d ；f u z z yl o g i c ；v i r t u a li n s t r u m e n t ； l a b v i e w 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 设计了一个功能全面的制动性能检测系统，完成了车辆制动性能 检测系统机械部分设计任务。 2 对滚筒的转速控制采用了p i d 控制与模糊逻辑控制相结合的方 法，达到了精确控制滚筒转速的目的。 套才移 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密吵使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：套寺移 日期：冲胁艿 指导老师签名： 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 项目提出背景及研究意义 车辆是近代文明的一个象征，车辆的出现既推动了人类文明的发展，也 给人类带来了巨大的利益。随着我国经济的高速发展，特别是加入w t o 以 后，我国的车辆拥有量迅速增长，车辆己成为当代中国社会最重要的交通运 输工具。但是车辆的增加也带来不少的社会问题，车辆的废气和噪声会造成 环境污染，车辆引发的交通事故则会对人民的生命财产带来危害。对机动车 如何扬长避短成为全社会关注的问题。 2 0 0 4 年经国家公安交通管理部门受理的道路交通事故5 6 7 7 5 3 起，造成 9 9 2 1 7 人死亡、4 5 1 8 1 0 人受伤，直接经济损失达3 3 7 亿元，平均每天约1 5 5 起，平均每天死亡2 7 2 人。我国车辆保有量只占全世界的1 9 ，但事故死亡 人数却占全世界的1 5 左右，己成为世界上道路交通事故最为严重的国家。 在2 0 0 4 年的交通事故中，因机械故障造成的死亡人数为4 5 2 7 人，而机械故 障中主要是由于制动失效和制动不良所引起的，此两项分别造成1 3 8 9 人和 1 9 7 2 人死亡【1 1 。2 0 0 1 年，法国共有1 5 7 0 万辆车接受了安全性能检测，其中 1 3 为特种车，8 7 为3 5 t 以下车辆。检测中发现存在问题的主要有：6 7 在制动方面；1 5 在底盘方面；6 在转向方面：4 在灯光方面：2 5 在轮胎 方面：2 5 在噪声方面【2 1 。 由此得出，在因车辆故障引起的事故中，制动系统故障占6 0 以上。车 辆制动性能好坏，是安全行车最重要的因素之一，因此也是车辆检测诊断的 重点。车辆有良好的制动性能，在正常行驶时，可以提高平均速度，从而提 高运输效率；遇到紧急情况，可化险为夷。随着车辆行驶速度的提高，车辆 制动性能对保障交通安全尤为重要。为减少交通事故，世界各国有关法规明 确规定在用车辆必须经过定期检验合格后才允许上路行驶，在车辆定期检验 中，制动性能被作为判定车辆安全技术状况的主要因素p j 。 车辆的制动性能是车辆的主要性能之一，制动性能的检测对所有车辆都 极其重要，它关系到人的安全，是车辆安全行驶的重要保障。车辆的制动性 能是由车辆的制动系统决定的，其制动过程相当复杂，它与车辆总布置和制 动系各参数选择有关。车辆本身又是一个复杂的系统，在运行当中，各个总 西南交通大学硕士研究生学位论文 一篁2 亟 成之间都在运动，随着时间的推移，各系统的技术状况都会发生变化，其技 术状况将不断恶化，造成车辆的各种性能的下降，从而使其发生故障的可能 性逐渐增加，造成交通安全隐患的大量聚合。随着道路质量的提高和高等级 公路及高速公路的发展，车辆行驶速度愈来愈快，因此对车辆制动性能的要 求也愈来愈高。 由此可见车辆安全检测中的制动性能检测是重要而且是必须的。为了尽 量减少因交通事故死亡的人数，国家对机动车进行强制性的定期安全检测。 我国车辆制动性能测试技术相对落后，面对车种繁多，以及现代车辆结构和 使用条件的日趋复杂，需检测项目增多的现状，用传统的检测手段检测车辆 制动性能已难以满足需要【4 j 。 随着电子技术与测控技术的迅速发展，在传统检测方法的基础上，逐步 发展成现代车辆诊断与检测技术【5 】。车辆检测通常指使用现代检测技术和设 备，结合计算机、自动控制等高新技术来检测车辆技术状况，以工程数学、 故障物理、可靠性理论、电子学和电子技术、信息控制理论等为基础的一门 综合性应用科学 6 1 。车辆检测对于保证交通安全，加强环境保护，提高运输 能力和降低生产成本都具有重要意义。因此作者选择车辆制动性能检测作为 研究课题，采用先进的设计理念和手段，将虚拟仪器技术引入到车辆制动性 能测试领域，开发了一套功能齐全、性能良好，使用方便，具有高精度和高 可靠性的车辆制动性能测试系统，这对提高车辆制动系统的设计制造水平和 在用车辆的定期安全检验能力具有十分重要的意义。 1 2 国内外应用情况 1 2 1 国外车辆制动性能检测技术的发展与现状 国外对车辆制动性能的研究和检测发展较早，从上世纪七十年代起，已 经开始运用现代方法，如计算机数字仿真、优化设计、可靠性设计等取代传 统方法【_ 7 1 。上世纪七十年代初，美国密西根大学的学者们就将计算机模拟技 术应用到车辆制动动态过程研究中。目前，国外生产的车辆制动性能检测台 现代化水平很高。如法国的萨基姆( s a g e m ) 公司、德国的博世( b o s c h ) 公司、申克( s c h e n c k ) 公司、马哈( m a h a ) 公司等等嗍。 目前我国在用的车辆制动性能检测设备大多数是日本以及欧洲产品，其 代表性的产品有日本的弥荣系列与德国的m a h a 系列。其中欧系制动台附着 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 系数高，线速度大，模拟实际路况条件能力更强，检测结果更准确。 1 2 2 国内车辆制动性能检测技术的发展与现状 我国的车辆工业起步较晚。车辆制动性能检测技术是伴随着车辆技术的 发展而发展的。2 0 世纪7 0 年代，我国大力发展了车辆检测技术，车辆不解 体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项目。由交通部主持研制开发 了反力式车辆制检测台、惯性式车辆制动检测台。但是整体研发能力还比较 落后，相应地，制动性能检测技术也经历了从引进技术、引进检测设备到自 主研究开发、推广应用的阶段，并发布实施了有关的车辆检测国家标准和行 业标准，取得了很大的进步。例如在g b 7 2 5 8 2 0 0 4 机动车运行安全技术条 件中规定了路试检验制动性能与台试检验制动性能的检验项目、检测方法 与相应的技术要求例。 目前车辆制动性能的检测方法主要有如下几种： 1 、路试法【1 0 1 路试法要求试验路面应为平坦( 坡度不超过1 ) 、干燥和清洁的水泥或 沥清路面。轮胎与路面之间的附着系数不小于0 7 ，风速不大于5 m s 。在试验 路面上应画出与标准中规定的制动稳定性要求相应宽度车道的边线。被测车 辆沿着试验车道的中线行驶，至高于规定的初速度后置变速器于空档。当滑 行到规定的初速度时急踩制动踏板，使车辆停住。用速度计、第五轮仪或用 其他测试方法测量车辆的制动距离；用速度计、制动减速度仪或其他测试方 法测量车辆充分发出的平均减速度( m f d d ) 、制动协调时问。这种方法受入 的主观和试验条件如速度、负荷、路面、轮胎类型和风阻差异的影响很大， 并且因为车辆在制动过程中，车轮被抱死时的制动力不是最大，其有效制动 力比最大制动力约小了5 - 2 5 。 目前国内有国家级的车辆试验场有四个，分别是海南车辆试验场、襄樊 车辆试验场、定远车辆试验场、北京通州车辆试验场。 2 、视觉检查法【4 】 我国目前的一些小型修理厂或公路旁的特约车辆维修站，人们还常常运 用这种方法。这种方法得到的结果可用来预见车辆目前或者运行一段时间后 的制动性能，显见其优点在于其检视费用少，设备简单，仅需要尺子、闪光 灯、上螺丝器、铅笔和纸张就行，操作方便，操作人员的经验可帮助他发现 特种车或带有特别携带物品车辆的故障。同时该种方法的缺点也是显而易见 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的：检视工作耗时长，只能部分定期检查在运行的车辆，同时检视工作带有 一定的主观性，测试结果在很大程度上取决于操作人员的经验和操作水平， 且有不少项目如制动力、制动减速度等一些重要性能参数测不出来。 3 、台试法【l i j 台试检测车辆的制动性能是在室内制动检测台进行的。台试法检验制动 性能不受外界条件的限制，重复性好，能定量测得各轮的制动全过程。有利 于分析前、后轴制动力的分配及每轴制动力的平衡状态、制动时间等参数， 给故障诊断提供可靠依据。所以台试法在国内外获得了广泛的应用。 目前国内在用的车辆制动性能检测设备绝大部分采用的是日本式与欧洲 式结构的检测设备，其中又以前者居多。制动检测台常见的分类方法有按测 试原理不同，可分为反力式和惯性式两类，按检测台支撑车轮形式不同，可 分为滚筒式和平板式两类，按检测参数不同，可分为测制动力式、测制动距 离式和综合式按检测台的测量、指示装置传递信号方式不同，可分为机械式、 液力式、和电气式三类，按检测台同时能测车轴数不同，可分为单轴式、双 轴式和多轴式三类。从市场产品分类上讲，大致分为两类：一类是简易流动 检测站，它是采用车载简易便携式测试仪器，在进入测试现场后，将车内的 仪器移到地面，使被检车辆通过这些测试仪器，完成各项安全性能指标的检 测。另一类是载体式流动检测站，它的各种检测设备与车体刚性联接，当被 检车辆通过车体上的检测台时，便可直接检测车辆的各项安全性能指标。 现今我国各检测站所使用的制动力检测设备大致有：单轴反力式滚筒制 动检测台、惯性式制动检测台、平板式制动检测台。 ( 1 ) 单轴反力式滚筒制动检测台 单轴反力式滚筒制动检测台的结构简图如图1 2 1 所示。它由结构完全 相同的左右两套车轮制动力测试单元和一套指示控制装置组成。每一套车轮 制动力测试单元由框架( 有的检测台将左右测试单元由框架制成一体) 、驱动 装置、滚筒组、举升装置、测量装置等构成。是现在全国各检测站普遍选择 的制动性能检测设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 2 1 单轴反力式滚筒制动检测台 1 、电动机2 、变速器3 、压力传感器4 、滚筒5 、第三滚筒 6 、光电传感器7 链传动8 、测量指示仪表 在单轴反力式滚筒制动检测台中，电机控制驱动滚筒的转速，每次测量 转速的变化不会太大，且车轮在滚筒上的位置也基本不变，也就是说测量的 条件变化不大，所以这种设备测量的重复性较好。它最大的缺点则是由安置 角引出的。所谓安置角是指车轮中心与两个滚筒中心连线之间夹角的一半。 由于不同型号车辆的轮径不同，而滚筒的直径和两个滚筒的中心距是固定不 变的( 当然也有是可调的) ，所以对不同型号的车辆来说，安置角是不同的。 小型车，车轮的安置角大，车轮对滚筒的正压力大，附着力也就大，这样就 容易测到最大制动力；而大车的情况则相反，往往需要施以附加载荷才能测 到最大制动力。此外，采用的反力式滚筒制动检测台对具有防抱死( a b s ) 系 统的车辆制动系的制动性能，还无法进行准确的测试。主要原因是这些检测 台的测试车速较低，一般不超过5 k m h 。而现代防抱死系统均在车速1 0 k m h 以上起作用，所以在上述检测台上检测车轮制动力时，车辆的防抱死系统不 起作用，只能相当于对普通的液压制动系统的检测过程。 ( 2 ) 惯性式制动检测台 惯性式滚筒制动检测台按同时检测的轴数不同可分为单轴式、双轴式。 双轴惯性式滚筒制动检测台的结构简图，如图1 2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 2 2 双轴惯性式滚筒制动检测台 l 、飞轮2 、传动器3 、变速器4 、测速发电机5 、光电传感器 6 、移动架7 、传动轴8 、万向节9 、后滚筒1 0 、前滚筒1 1 、举升托板 1 2 、移动架驱动液压缸 惯性式制动检测台的滚筒相当于一个移动的路面，检测台上各对滚筒分 别带有飞轮，其惯性质量与受检车辆的惯性质量相当。因此滚筒传动系统具 有相当于车辆在道路行驶的惯性，制动时，轮胎对滚筒表面产生阻力，虽然 这时驱动滚筒传动系统的动力( 如电动机或车辆发动机的动力) 已被切断。 但由于滚筒传动系统肯定有一定的惯性，因而滚筒表面将相对于车轮移过一 定距离。由此可见，在惯性式制动检测台上可以模拟道路制动试验工况。这 种检测台的主要检测参数是各轮的制动距离，同时还可测得制动时间或减速 度。 惯性式制动检测台具有可在任何车速下进行车辆制动行能检测的优点， 因此，其试验条件接近车辆的实际行驶工况。但是，这种检测台旋转部分的 转动惯量比较大，因而使其结构较复杂，占地面积亦大，而且检验的车型范 围受到一定限制，因此其应用范围远不如测力式制动检测台普遍。另一方面， 惯性制动检测台，最大制动力的调试是在被检车辆轮胎的两个点与两个滚筒 相接触的情况下进行的。而实际工况是轮胎与地面一点接触，因而常出现在 制动台上测试制动力并不理想，而在实际使用中存在被检车辆的制动力反映 良好的现实差异。为较好的解决这一问题，一些发达国家选用钢带式制动检 测台、平板式制动检测台。由于被检车辆轮胎的一点接触制动台传感器，与 实际工况更接近，所以测试到的制动力更接近于实际工况【1 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 3 ) 平板式制动检测台 平板式制动检测台是2 0 世纪8 0 年代发展起来的检测设备，凭借车辆在 测试平板上的实际紧急制动过程来测定前、后轴制动力，能比较客观地反映 车辆制动器产生的制动力的大小，正确评价车辆的制动性能。其结构如图1 2 3 所示。 图1 2 3 平板式制动检测台 l 、控制台2 、制动轮荷测试平板3 、侧滑测试平板4 、拉力传感器 5 、压力传感器6 、面板7 、钢球 它的检测原理是利用平板将车辆制动时的前冲惯性力( 数值与车辆制动 力相等) 传递给平板下的力传感器。其优点剧1 3 】：检测原理和结构简单，检 测条件与车辆在道路上的制动状态类似，能充分反映车辆制动的真实性能； 不存在安置角引出的问题；还可设计成既能检测制动力，也能检测轴重、侧 滑、悬挂等项目的车辆综合性能检测台，从而可大大减少占地面积，节约土 建投资。当然，平板式制动台也有缺陷：测量重复性不如滚筒反力式制动力 检测台。这是由于在每次检测时驾驶员不能保证车辆的初始速度和施加于制 动踏板的力都一致，所以测量数据显示出较大的离散性。但必须指出的是， 这种情况并不是测量设备本身的重复性不好，而是由于测量条件的变化而引 起制动力检测数据的变化，这样的测量结果反而能真实反映车辆的制动性能， 与道路试验的情况相似。另外现在各生产厂家的平板式制动检测台己经能够 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 达到动态测试的目的，但他们都存在个不足，即无法测量车辆惯性的作用 导致的中心前移的变化过程，都是在制动最后测出车辆的轴重而已，以及这 一过程导致车辆制动时的稳定性问题。这也是现在急需解决的问题。由于其 测试技术不成熟与测试的重复性不好及人们的传统观念，使平板式制动检测 台一直都未能成为车辆制动力检测的主流设备 1 4 1 。 1 3 虚拟仪器简介 1 3 1 虚拟仪器与传统仪器对比 传统仪器一般是一台独立的装置。从外观上看，它一般有操作面板、信 号输入端口、检测结果输出等部分。操作面板上一般有开关，按钮、旋钮等。 检测结果的输出方式有：数字、指针式表头、图形窗口、打印输出等。传统 仪器的功能都是通过硬件( 或固化的软件) 来实现的。这种框架结构决定了 它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无 法随意改变其结构和功能【1 引。 虚拟仪器是通过应用程序将通用计算机与功能模块硬件结合起来的一种 全新的测控仪器系统。用户通过显示器友好的图形界面操作计算机，完成对 被测试量的数据采集、分析、判断、显示、存储等整套测试工作，如同操作 一台自行定义与设计的专用传统仪器一样。 虚拟仪器与传统仪器比较，它具有所需的硬件少、购置费用低、可重复 利用；仪器的关键在软件、可自行定义、技术更新快、开发与维护费用低、 系统开放、方便与外设、网络连接等一系列的优点。因此虚拟仪器技术备受 各国关注，在短短的十多年里，国际上发展十分迅速，发达国家应用已十分普 及，被广泛应用于测量、监控、检测、电信及教育等各个领域，目前正朝着 总线与驱动程序标准化；硬、软件模块化，硬件模块即插即用；软件编程平台 图形化及通用化、智能化和网络化方向发展n 刮。 传统仪器和虚拟仪器的特点对比可见表1 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表1 3 1 传统仪器和虚拟仪器的对比 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义，与其他仪器设备 的连接十分有限，图形截面小，人工读 取数据，信息量小，数据无法编辑，硬 件是关键部分，价格昂贵，系统封闭、 功能同定、可扩展性差，技术更新慢， 开发和维护费用高 功能由用户自己定义，可方便地与网络外 设及多种仪器连接界面图形化，计算机直 接读取数据并分析处理数据，可编辑、存 储、打印软件是关键部分，价格低廉，仅 是传统仪器的五至十分之一，基于计算机 技术开放的功能模块可构成多种仪器技 术，更新快，基于软件体系的结构可大大 节省开发费用 1 3 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世 界中的被测信号，可分为两类：一类是满足一般科学研究与工程领域测试任 务要求的虚拟仪器。最简单的是基于p c 总线的插卡式仪器，也包括带g p m 接口和串行接口的仪器；另一类是用于高可靠性的关键任务，如航空、航天、 国防等应用的仪器系统，由计算机统一管理、统一操作。 软件的功能定义了仪器的功能。因此，虚拟仪器最重要、最核心的技术 是虚拟仪器软件开发环境。作为面向仪器的软件环境应具备以下特点：一是 软件环境是针对测试工程师而非专业程序员，因此，编程必须简单，易于理 解和修改；二是具有强大的人机交互界面设计功能，容易实现模拟仪器面板； 三是具有强大的传统仪器虚拟仪器功能由仪器厂商定义功能由用户自己定 义数据分析能力和数据可视化分析能力，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动 程序【1 7 1 。 1 3 3l a b vl 酬语言简介 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 1 a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第】0 页 e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形 化软件开发集成环境，并且得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它能够 以直观简便的编程方式、众多的源代码级的设备驱动程序、多种多样的分析 和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际工程中所需要的仪器系统创 造了基础条件【】驯。 l a b v i e w 与其它计算机语言相比，有一个重要的不同点：其它计算机语 言都是采用基于文本的语言产生代码行，而l a b v i e w 采用图形化编程语言 乜语言，产生的程序是框图的形式，易学易用，特别适合硬件工程9 币、 实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌 握并应用到实践中去。因此，硬件工程师、现场工程技术人员及测试技术人 员们学习l a b v i e w 驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用 l a b v i e w ，也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 l a b v i e w 的功能十分强大。像c 或c + + 等其它计算机高级语言一样， l a b v i e w 也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括 数据采集、g p i b 、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还 有目前十分热门的网络功能。l a b v i e w 也有完善的仿真、调试工具，如设置 断点、单步执行等。l a b v i e w 的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察 程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。 1 4 本文主要研究内容 本文针对传统仪器的不足，设计了一套基于l a b v i e w 虚拟仪器平台的制 动性能检测系统。该系统根据惯性制动的检测原理，采用了三种速度控制方 式，适用于一般小型车辆，能够精确检测车辆的制动距离。 在该系统中，待检车辆的车轮由制动台的滚筒驱动。为了模拟车辆在实 际路况条件下的行车状态以及检测车辆左右两轮的制动距离差，必须在制动 过程开始之前将滚筒的速度调至相等。为了达到这一目的，本设计采用了三 种控制方法，分别是p i d 控制，模糊逻辑控制，p i d 模糊逻辑控制。文中详 细介绍了这三种控制方法的原理，实现及效果。 l a b v i e w 平台是虚拟仪器的编程工具。本文通过h b v i e w 实现该系统 的软件功能，主要包括了与变频器的串口通信，数据采集，p i d 控制器，模 糊逻辑控制器，控制曲线图显示等功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章检测系统整体设计 在前一章里简明地介绍了车辆制动性能检测系统原理，收集分析了有关 的历史资料和行业信息。从本章开始，将设计一套技术先进、功能齐全、精 度高、性能稳定可靠、方便实用和易于维护的“智能化”、“自动化的车辆 制动性能检测系统，它遵循相关国家标准、技术规范、技术条件，同时着重 于计算机控制技术的应用，实现车辆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。 2 1 系统功能 车辆制动性能检测系统是基于p c i 板卡的数据采集系统， 车的制动系统进行检测，客观评价其制动性能优劣。 l 、检测系统可提供0 4 0 k m h 范围内的多种检测速度。 于4 0 k m h 时( 低于4 5 k i n h ) ，不会出现故障。 2 、对两滚筒转速的控制误差在1 以内。 3 、系统可检测卡丁车车辆制动性能。 主要针对卡丁 系统速度稍大 4 、可自动精确计算出左、右车轮制动距离。 5 、自动精确检测车辆制动距离及左、右车轮制动距离差。 6 、适时、直观地显示测试数据，所有检测数据与曲线均自动记录，存盘。 7 、系统软件具有友好的人机界面，操作简单。 2 。2 制动性能检测系统机械部分设计 本检测系统的设计思想是在采用简单、可靠、合理的系统结构的同时， 使系统具有先进的性能和技术指标。系统的设计还应具有应用上的灵活性， 可适应多种不同的使用场合与要求。 本系统的机械设计部分采用的软件是s o l i d w o r k s 。功能强大、易学易用和 技术创新是s o l i d w o r k s 的三大特点，这使得s o l i d w o r k s 成为领先的、主流 的三维c a d 解决方案。s o l i d w o r k s 能够提供不同的设计方案、减少设计过 程中的错误以及提高产品质量。s o l i d w o r k s 不仅提供如此强大的功能，同时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用【2 0 】口”。图2 2 】就 是s o l i d w o r k s 的操作界面。 一 - e 】 7 一 1 1q 。x 刍函覃霹尹墨= ：量王：j 亟e j j i 互二亘j 五! 岛笛鲞 图2 2 1s o l i d w o r k s 的操作界面 图中显示的是车辆制动性能检测台的效果图。图中上部分为待检车辆， 下部即制动性能检测平台这是本设计中的主要设计对象。本检测平台依据 惯性制动原理，与目前国内使用较多的反力式制动检测装置相比，由于采用 高速惯性模拟试验过程，更接近道路行驶条件，试验方法更为先进。 本检测系统机械部分主要由四部分组成，即斜坡装配体，前轮装配体， 后轮装配体和连接装置组成。具体组成结构见图2 22 。其中斜坡装配体提供 一个斜坡，供车辆驶入试验台。前、后轮装配体分别供停置车辆的前轮及后 轮。其中后轮装配体是整个检测平台的核心。 后轮装配体的设计结构如图2 23 所示，其中包括电机，编码器，滚筒， 张紧轮，齿型带等部分。当电机转动时，首先通过齿型带驱动下边的滚筒， 由于下边的滚筒和上边的滚筒通过齿型带相连，所以当下边的滚筒开始转动 时，上边的滚筒也被驱动。因此电机可以同时驱动两个滚筒，且两个滚筒能 图2 22 制动性能检测试验台结构组成图 图2 23 后轮装配体结构设计图 在整个制动性能检测台中，一共有两对滚筒这两对滚筒分别由两台电 机驱动，因而四只滚筒可获得相同的制动初速度。由滚筒驱动车辆后部的两 个车轮，因此两车轮也能获得相同的制动初速度。并且这两对滚筒为实心滚 筒，通过实心滚筒储存的旋转惯性能量能模拟车辆以一定速度行驶时所具有 的动能。系统的机械传动机构采用了左右两边完全独立且对称的却局方式。 这样可以独立地检测两只车轮的制动性能，比较两车轮的制动距离，试验结 果准确可靠。 图2 2 4 给出了试验台的侧视图，前视图，后视图和立体图。 必 疑l 幽i - - - 怠 图2 24 制动性能检测试验台视图 系统主要技术参数： 1 、电机：功率1 5 k - w 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 、微处理机控制变频式马达控速器( 富士f r n 2 2 g l l s ) -2 2 k w ，频率 0 0 1 5 0 h z ，精度0 0 1 ，键盘频率设定，外部频率控制信号设定方式：可 变电阻、端子台及程序自动控制。 3 、工控机：工业级p e n t i u mi i i 母板，5 p c i ，l i s a p c i ，1 a g p 插槽 4 、圆编码传感器( 含变送器) ：2 5 0 0 线每周 5 、数据采集卡：8 计数器，8 数字量输入输出 整个系统的设计遵循中华人民共和国国家标准( g b ) 和国际电工协会标准 ( i e e e ) 。机构设计中并充分考虑外型美观。 2 3 系统检测原理 车辆制动性能检测系统由变频电力驱动、机械传动和转速控制和制动检 测四大部份组成。具体检测原理图见图2 2 5 。 图2 2 5 车辆制动性能检测系统原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第l6 页 检测时，先将被检车辆停置于车辆制动性能检测试验台上，将两后轮置 于两滚筒之间，然后启动计算机。使用编制的软件设定车轮转速预期值，选 择转速控制方法( 可选用p i d 控制，模糊逻辑控制，或者p i d 模糊逻辑控制， 具体内容见第四章详细介绍) ，工控机控制变频控制器实现加速起动，电机驱 动滚筒，滚筒驱动车轮，最终使车轮达到设置的制动初速度。因为在实际行 驶过程中，两车轮的转速总是相等的，如果两车轮在制动过程开始前未达到 相同的转速，则无法实现对车辆真实路况条件下行车状态的模拟，随后进行 的车轮制动距离差的计算也是无意义的。由此可见，在车辆制动过程开始前， 对两车轮的转速进行调节是相当重要的。 制动时，按规定踏制动踏板。车轮制动后，实心滚筒在惯性作用下继续 转动，由安装在第- - f l # 滚筒端部的圆编码器精确记录的滚筒转动圈数即相当 于车轮的制动距离。两轮制动距离的差则对应表现出车辆制动跑偏量。制动 初速度，制动减速度、制动距离等重要数据和这些参数相对于制动时间等参 数的完整变化曲线都可方便、直观地显示并且被自动存储记录下来。 检测系统本身的实心滚筒在转动时的转动动能能模拟车辆在道路上行驶 时的平移动能，它可使系统的总惯性质量与受检车辆的惯性质量相当，这样 车辆在实验台上再现了道路行驶的实际情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 亟 第3 章测控系统硬件平台设计 在第二章检测系统整体设计中介绍了系统的检测原理，在检测系统进行 制动性能检测之前，需要对滚筒的转速进行调节，两滚筒转速调至相等后才 能启动制动性能检测功能。 在本设计中，使用的硬件( 不包括机械部分) 主要有圆编码器，数据采 集卡，变频器和串口转换器等，见图3 0 1 。其中变频器控制电机带动滚筒 旋转，圆编码器在滚筒转动时输出脉冲信号，数据采集卡采集脉冲，在转速 调整阶段，供计算机计算车轮转速；在制动性能检测阶段，供计算机进行制 动距离计算。串口转换器将r s 2 3 2 信号转换为变频器需要的r s 4 8 5 信号，建 立计算机与变频器间的串口通信。 图3 0 1 车辆制动性能检测硬件平台结构图 3 1 编码器概述 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者称为旋转 编码器，是用来测量转速的装置，后者称为码尺嘲。 编码器按照读出方式可以分为接触式和非接触式两种接触式编码器采 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1 还是“0 ”； 非接触式编码器的接受敏感元件是光敏元件，采用光敏元件时以透光区和不 透光区来表示代码的状态是“1 还是“o 。 按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位 移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数 表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应个确定的数字码，因此 它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 3 1 1 科奥达g b z 0 6 d 2 5 0 0 - p r - w e 0 5 p 光电轴角编码器 在本设计中，传感器选择的是成都科奥达光电技术有限公司生产的 g b z 0 6 d 2 5 0 0 一p r w e 0 5 p 光电轴角编码器。从型号上可以看出，该编码器输出 的脉冲数为每圈2 5 0 0 个脉冲。该编码器拥有a 、b 、z 三路输出，顺时针方向 旋转时，a 信号超前b 信号9 0 0 ，z 信号为每旋转一圈输出一个脉冲。见图3 1 1 所示。零位宽度为：已= t + o 5 t 。 图3 1 1圆编码器输出波形示意图 该编码器属于增量式编码器的一种。增量式编码器是一个中心有轴的光 电码盘，其上有环形通、暗的刻线，通过光电发射和接收器件读取，获得四组 正弦波信号组合成a 、b 、c 、d ，每个正弦波相差9 0 度相位差( 相对于一个 周波为3 6 0 度) ，将c 、d 信号反向，叠加在a 、b 两相上，可增强稳定信号； 另每转输出一个z 相脉冲以代表零位参考位。由于a 、b 两相相差9 0 度，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 通过比较a 相在前还是b 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉 冲，可获得编码器的零位参考位陶3 。 科奥达g b z 0 6 d 2 5 0 0 一p r - w e 0 5 p 光电轴角编码器接线方式如表3 1 1 所 示。 表3 1 1 编码器连线表 3 1 2 编码器使用过程中的问题及解决 在编码器的实际使用过程中出现过脉冲输出不稳定的问题( 编码器并未 旋转，但却仍然有输出脉冲) 。经过调试，可总结为以下三方面的原因： 1 、安装 安装时不要给轴施加直接的冲击。编码器轴与机器的连接，应使用柔性 连接器。在轴上装连接器时，不要硬压入。即使使用连接器，因安装不良， 也有可能给轴加上比允许负荷还大的负荷，导致编码器在使用过程中出现问 题。 2 、振动 加在旋转编码器上的振动，往往会成为误脉冲发生的原因。因此，应对 设置场所、安装场所加以注意。每转发生的脉冲数越多，旋转槽圆盘的槽孔 间隔越窄，越易受到振动的影响。在低速旋转或停止时，加在轴或本体上的 振动使旋转槽圆盘抖动，可能会发生误脉冲。 3 、关于配线和连接 误配线，可能会损坏内部回路，故在配线时应充分注意，配线应在电源 o f f 状态下进行，电源接通时，若输出线接触电源，则有时会损坏输出回路。 延长电线时，应在l o m 以下。并且由于电线的分布电容，波形的上升、下降 时间会较长，可以采用施密特回路等对波形进行整形。为了避免感应噪声等， 要尽量用最短距离配线。向集成电路输入时，特别需要注意。电线延长时， 因导体电阻及线间电容的影响，波形的上升、下降时间加长，容易产生信号 间的干扰，因此应用电阻小、线间电容低的电线( 双绞线、屏蔽线) 。 32 数据采集卡 数据采集( d a q