（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式电涡流缓速器智能控制器的研究.pdf

摘要 摘要 制动系统是汽车的一个重要组成部分，它对于提高汽车行驶安全和运输效率、降 低驾驶员的劳动强度都有十分重要的影响。为了减少汽车主制动器的负荷、提高汽 车制动效能和稳定性，载重或大客车都必须安装缓速器，以承担大部分的制动负荷。 近几年我国引进并应用电涡流缓速器，在国内也开始研究开发自主知识产权的缓速 器，本文是针对目前我国汽车行业的电涡流缓速器控制器设计问题展开研究。 本文首先对车辆制动力学进行了分析，阐述了安装缓速器的必要性，介绍了目前 缓速器的结构、工作原理、使用效果等等。文章从理论和应用的角度主要对以下问 题进行了研究： 通过对电涡流缓速器的制动力矩的数学模型进行理论研究，总结了前人提出的 各种工作模型，并选取合适的参数对制动力矩进行了推导。分析了气隙、温度、速 度和励磁电流等控制参数对制动力矩的影响。 从对象的非线性、强耦合性和难以建立精确度数学模型等的特点、结合实用和 精度等方面考虑，提出了基于模糊控制和自动寻优相结合的方法对控制器进行详细 的设计。控制结果的仿真表明，该方法能有效地适应缓速器对象的特性，可以达到 预定的稳态精度。 文章在提出了模糊+ 自寻优的控制方法后，设计并开发了基于l p c 2 1 1 9 的3 2 位 a r m 嵌入式技术的软硬件。详细地论述了控制器硬件的体系结构和各个功能部分的 设计，并开发了相应功能模块的软件。在软硬件设计后对控制器的性能进行了实验。 课题还设计了汽车测试与仿真系统软件，实现了对缓速器运行状态的监测和虚拟现 实工作，最后针对性做实验并对结果进行了分析。 实验结果表明，控制器达到了快速的响应性能，恒速实验、温度控制实验、限流 实验都收到了良好控制效果。模糊加自寻优的思想改变了传统的控制模式，提高了 控制器的稳态精度，并体现了嵌入式控制器的良好智能性和鲁棒性。 关键词：电涡流：缓速器：模糊控制：自寻优控制：嵌入式技术 耋三些查耋三兰璺：耋釜兰三 a b s t r a c t t h eb r a k es y s t e mi st h ei m p o r t a n tp a r to fa u t o m o t i v e ，i th a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c ef o r t h es a f e t yd r i v e ，t r a n s p o r te f f i c i e n c ya n dr e d u c ed r i v e r sw o r ki n t e n s i t y f o rt h es a k eo f r e d u c et h em a i nb r a k ea p p a r a t u sw o r kl o a d ，i m p r o v et h eb r a k ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y , c a m i o n sa n dc o a c h e sh a v et of i x e dt h ee d d yc u r r e n tb r a k e s ，w h i c hc a r ls h a r et h el o t so f b r a k el o a d a tp r e s e n t ，o u rc o u n t r ys t a r tt oi n t r o d u c ei n t oa n da p p l yt h ee d d yc u r r e n tb r a k e t oa u t o m o t i v e s ，w ea l s os t a r tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ee d d yc u r r e n tb r a k e sw h i c hh a v e a 1 1r e s e r v ec o p y r i g h t t h ep a p e ri sr e s e a r c ho nt h er a t a r d e r sc o n t r o l l e rd e s i g n p a p e rf i r s t l ya n a l y z e dt h ev e h i c l eb r a k ed y n a m i c s ，d i s c u s so nt h en e c e s s a r yo f t h e u s eo fe d d yc u r r e n tb r a k e ，i n t r o d u c et h ep r e s e n t l yr e t a r d e r ss t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c e p a p e rh a dd o n e t h er e s e a r c ho nt h em a t t e r sa sf l o w ： r e s e a r c h e do nt h ee d d yc u r r e n tb r a k e sw o r km o m e n tm a t h e m a t i c s m o d e l s s u m m a r i z et h ef o r m e r sm a t h e m a t i c s m o d e l s , d e d u c et h eb r a k em o m e n te q u a t i o n 。b e s i d e s p a p e ra n a l y z e dt h ep a r a m e t e r ss u c ha st h eg a p ，t e m p e r a t u r e ，r o t a t es p e e da n dc u r r e n t i n f e c t i o no nt h eb r a k em o m e n t t h ee d d yc u r r e n t sn o n l i n e a r i t y , s t r o n gc o u p l i n ga n dt h em a t h e m a t i c si sd i f f i c u l tt o b e i n ga m o d e l t a k et h ec h a r a c t e r i s t i c sa sa b o v em e n t i o na n dc o m b i n et h ep r a c t i c a l i t ya n d p r e c i s i o ni n t oa c c o u n t ，a f u z z yc o n t r o lp l u ss e l f - s e e k i n go p t i m i z e c o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d f o rt h ec o n t r o l l e r sd e s i g n t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h ec o n t r o lt h i n k i n gf i x t h ee d d yc u r r e n tb r a k e sc h a r a c t e r i s t i c sv e r yw e l l ，a n dc a l la c h i e v et h ep r e f e r a b l es t e a d y p r e c i s i o n 、 a f t e rp u tf o r w a r dt h e f 娩珂c o n t r o l + s e l f - s e e k i n go p t i m i z e t h i n k i n g ，t h es o r w a r e a n dh a r d w a r ea l ed e s i g n e db a s e do nt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y p a p e ri n t r o d u c e st h e e m b e d d e dh a r d w a r es y s t e ms t r u c t u r ea n df u n c t i o n a lm o d u l a rd e s i g n e d ；t r a v e r s et h ee v e r y f u n c t i o n a lm o d u l ed e s i g n b e s i d e sd e s i g nt h ep ca u t o m o t i v et e s t i n gs o f ts y s t e m t h i sc a r l t e s tt h ec o n t r o l l e r sp e r f o r m a n c ea n dk e y sp a r a m e t e r ss u c h 觞t h es p e e d ，m o m e n t ，c u r r e n t ， a n db a t t e r ys t a t u se t c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h ec o n t r o l l e ra c h i e v et h ef a s tr e s p o n dp e r f o r m a n c e ， l l t h ec o n s t a n ts p e e dt e s t ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o la n dt h ec u r r e n t - l i m i t i n gt e s t i n gr e a c ht h e e x c e l l e n c ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ，t h ed e s i g ne x t e r n a l i z a t i o nt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e r s i n t e l l i g e n ta n dr o b u s t n e s s k e y w o r d s ：e d d yc u r r e n t ，r e t a r d e r s ，f u z z yc o n t r o l , s e l f - s e e k i n go p t i m i z ec o n t r o l , e m b e d d e dt e c h n o l o g y 1 1 1 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 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，不包 含本人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任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 概 缸j ， 年，月扣f ：i 绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 1 i 1 课题研究的背景分析 由于汽车技术的迅速发展和道路条件的不断改善，汽车的行驶速度普遍提高； 同时一些汽车的大型化发展，其最大总质量也有不同程度的增加，增加了车辆的惯 性。另一方面，随着汽车保有量的急剧增加，道路行车密度r 益增大，为避免交通 事故，需要进行频繁的不同强度的制动；行驶在矿山或山区道路的载重货车经常要 下长坡，为不使汽车在自身重力作用下不断加速到危险程度，应当对货车进行持续 制动。与此同时，现代城市车辆的驱动功率比过去增加了2 3 倍，动力性能的改善 带来了我国城市车辆平均行驶速度的大幅度提高；道路建设飞速发展，使得路况和 车辆通行能力有了极大的改善。在道路通行情况好的城市，车辆的平均行驶速度一 般都能达到原来的2 倍或更多，这就意味着在同样的制动条件下、同样的时间内， 这些城市的车辆的制动器要产生更多的热量，要承受更大的热负荷【l 】。而在道路通行 情况差的城市，虽然车辆行驶的速度没有很大提高，但是车辆制动器的工作却更加 频繁，发热更严重。 另一方面，现在的车辆制动器虽经多方改进，其制动性能提高的不多，面临的现 实是：现在城市车辆的制动安全性能不仅没有提升，反而有所降低1 2 1 。以城市公交车 辆为例，通过对城市公交车辆在行驶中运用制动的强度和次数进行统计分析，发现 使用最为频繁的制动方式是低强度制动。我们把减速度在o 2 1 2m s 的车辆制动 称为低强度制动，把减速度在1 2 3 m s 的车辆制动称为正常制动，把减速度在3 m s 。以上的车辆制动称为紧急制动。据统计城市车辆在行驶中使用低强度制动的比 例占了8 5 【l j 。越是繁华的闹市，这一比例就越高，车轮制动器的温升也越高。在这 些情况下，造成行车制动器的负荷很大，长时间的制动会使制动器产生大量热量， 引起过热现象，从而导致摩擦系数降低，使制动效能下降，这是十分危险的，还可 广东工业大学1 = 学硕+ 学位论文 能发生制动失效而酿成重大事故。 对于长坡，由于制动时间长，刹车片积累的热量多，摩擦系数降低和衬面磨损 加剧，制动能力下降。分析现有车轮制动器存在各种问题的原因。最重要的一点， 就是高温积累。资料显示f 3 】，经过一定次数的制动，轮鼓内表面的温度就高达5 8 0 c ， 轮毂和轮胎胎肩部位的温度分别达到2 5 0 ( 2 和1 7 0 。在高温作用下，制动片摩擦系 数将大幅度下降，而摩擦片的磨损率将急剧上升。 摩擦片是由几 种不同成分粉末状 的摩擦材料与粘接 剂混合压制而成 的。在正常制动时， 被磨掉极薄的表 层，制动产生的热 量有足够的时间进 行散发，摩擦片基 体材料性质不会发 生变化。如果制动 使用过于频繁，制 动产生的热量来不 0 5 0 1 0 01 5 02 2 5 0 3 0 0 3 5 0 图1 1 温度与摩擦系数和磨损率的关系 f i g 1 - lr e l a t i o n s h i po f t e m p r e t u r e f r i c t i o nf a c t o ra n dw e a r i n gf a c t o r 及散发。摩擦片在数百度高温持续侵袭下，材料会产生不同程度的变异，特别是粘 接剂的有效成分大量挥发、碳化，以致基体材料发生崩溃，失去机械强度。这时摩 擦片不仅失去了应有的摩擦系数，而且会迅速磨损，从而使制动性能劣化( 见图 1 - 1 ) 1 4 | 。以上分析可以看出，要使车轮制动器保持正常的制动性能和使用寿命，关键 要控制制动器的温度，使之不至于上升到危害摩擦片的程度。现有的车轮制动器， 由于受空间尺寸的限制，其散热能力有限，在频繁制动或者持续制动的条件下会出 现高温积累。因此，常在山区公路上行驶的大型客货车、城市公交车以及一些制动 要求高、反应灵敏迅速的特种车辆，为保证具有良好的制动性能，除行车制动器外， 还应装备辅助制动器，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 全范围内 s l 。 2 绪论 1 1 2 电涡流缓速器国内外技术现状 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【6 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f ”。 电涡流缓速器是在1 9 世纪利欧傅科( l e o n f o u c a u k ) 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( s 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( 1 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 电磁缓速器与传动轴做成一体的产品降1 。 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 r l s a ) 和克莱姆( k l a m ) 、德国的克罗伏特( k l o f t ) 以及 日本的东京部品工业( 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( t 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力多台，仅这家公 司的产品在世界上装车使用量就达5 0 多万台。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。 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。2 0 0 2 年6 月1 日交通部已颁布实施中华人民共和国交通行业 标准j 1 r t3 2 5 - - 2 0 0 2 营运客车类型划分及等级评定，该标准规定中型客车中高 二级，大型客车中高一级、高二级和高三级客车都必须装备缓速器。建设部2 0 0 2 年 l o 月1 日公布执行的c j 厂r 1 6 2 - - 2 0 0 2 城市客车分等级技术要求与配置也规定超 二级、超一级、高级的市区和城郊城市客车规定必须装备缓速器【7 1 1 9 1 。因此，大型客 广东1 = 业大学t 学硕十学位论文 车、货车装备缓速器已经成为大势所趋，即使达不到高二级的客车，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。 国内已有许多大、中型豪华客车，如上海申沃、郑州宇通、东风日产、厦门金 龙、苏州金龙等客车安装了电涡流缓速器，大多选装法国泰乐马和西班牙的弗雷纳 萨电涡流缓速器。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、浙江峰州市艇湖汽车零部件厂、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、浙江瑞立集团和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、北京工业大学等一些科研院所也在进行相关产品丌发及 其关键技术的研究工作，并已经取得一定科研成果。 1 1 3 课题研究的意义 现代汽车的发展方向是安全、高速、环保、舒适，辅助制动器是必不可少的标 准配置。制动系统是汽车的一个重要的组成部分，它对于提高汽车行驶安全和运输 效率、降低驾驶员的劳动强度都有十分重要的影响。 目l j 我国j 下在实施西部大开发战略，经济增长，交通先行。我国西部多山地丘 陵，上下坡道多，为了行车的安全可靠，在车辆上装用电涡流缓速器就显得十分必 要。另外，现代城市的公交车和豪华大客车也都需要安装辅助制动装置。 研究开发基于嵌入式技术的智能型电涡流缓速系统，形成有自主知识产权的特 色产品，具有较高的社会价值和研究意义。嵌入式系统以接近1 6 位单片机系统的价 格提供了高速响应的性能，将是未来汽车电子控制系统发展的一个方向。它的研发 成功可以有效提高产品的质量和加工效率，有利于拉近我国缓速器技术与国外先进 水平的差距、填补省内缓速器生产企业的不足，对提高我国经济效益和社会效益都 有着重要的意义。本项目的研究符合现代汽车控制的发展趋势，能很好地满足我国 现阶段汽车蓬勃发展的需要，对我国汽车制造业的国产化发展具有良好的促进作用 并且具有极大的市场潜力和经济效益。 4 绪论 1 2 本课题的来源及研究的主要内容 1 2 1 课题来源 2 0 0 5 年广东省科技计划项目( 2 0 0 5 b 1 0 2 0 1 0 1 7 ) ：“节能型汽车电涡流缓速器智 能控制系统”。 1 2 2 课题研究的主要内容 论文针对当前国内电涡流缓速器的研究状况，提出了基于嵌入式的智能缓速器， 并对控制器进行了设计与应用。研究内容分为六章，分别从理论和应用的角度对课 题的重点难点进行了深入分析。本课题旨在对电涡流缓速器进行理论分析和产品的 实际开发设计。主要的内容包括以下几个部分： 第二章电涡流缓速器的介绍。对各种缓速器使用的优缺点进行分析，介绍了缓 速器的历史、种类和特点。 第三章电涡流缓速器的数学模型推导。对现阶段常用的几个数学模型进行分析， 在前人的基础上根据电磁场理论和动力学理论，得出电涡流缓速器的制动力矩随转 速变化的公式；经验证，该推导方法对认识和设计缓速器的工作有实际的指导意义。 第四章是在介绍模糊控制思想的基础上，详细论述在缓速器控制器如何实现对 恒速、温度、电流等等的模糊控制。在介绍了恒速控制的二维结构模型后，结合对 控制器达到稳态精度的需要，提出自寻最优的算法对输出值进行修正，以达到“微 调”的控制效果。再讨论控制器中采样时问的选择和控制效果的仿真。 第五章是关于嵌入式技术的论述。从嵌入式技术的概念到系统设计，从整体的 电路布局到功能模块的电路设计，再到对系统的抗干扰设计，文章介绍的比较详细。 对重要的硬件结构作了必要的论述。 第六章嵌入式软件的设计和实验结果讨论。在嵌入式硬件的基础上设计了相应 的软件，对主体程序、驱动模块、恒速算法、模糊实现模块等等进行详细的论述。 后面部分是对实验结果的讨论。最后是对全文的结论与展望。 广东- i = 业大学t 学硕十学位论文 第二章汽车缓速器的工作原理 2 1 汽车制动过程 2 1 1 汽车制动力学 汽车制动的目的是使汽车从一定的车速制动到较低速度或停车，必须由路面 提供的制动所需的阻力，这个阻力称为路面制动力l 。如图2 1 所示，n 为车轴 对车轮的推力，n 为路面对车轮的法向反作用力，f 1 4 , 为车轮垂直载荷。忽略车 轮的滚动阻力偶矩、减速时的惯性力和惯性力偶矩。汽车制动时，车轮制动器的 摩擦力矩( 胁) 通过车轮传给路面的周缘力称为制动器制动力( 凡) 。显然： e = m 7 ( 2 1 ) 式中：m u 制动器的摩擦力矩，n m ：r 车轮半径，r n 。 由式可知，制动器制动力取决于制动器的结构参数。但路面制动力最大值受 车轮与路面问的摩擦力的限制。车轮与路面间的摩擦条件称为附着条件，其矧的 摩擦力称为附着力( e ) ，摩擦系数为附着系数( 伊) 。关系如图2 - 2 所示，制动 管路压力在某一极限值肋以内时，路面制动力足以克服摩擦力矩推动车轮滚动， 当超过j p 臼极限值后，路面制动力不再随制动管路压力增大而增大，这是由于路 面附着力制约了路面制动力的继续增大。即匕冗= 矿，为当路面制动力达 到最大值匕一= 矿，车轮将“抱死”停转而产生滑动。 2 1 2 汽车车轮的制动特性 汽车制动过程中，路面附着系数不是固定不变的，而是与车轮的滑动程度有 关l m 。车轮的滑动状况常用滑移率( 五) 表征。滑移率定义为汽车速度与车轮速 度之差对汽车速度之百分比，其值可按下式计算： 6 第二章汽车缓速器的_ 丁作原理 ( 趔x 1 0 0 v 图2 1 汽车制动时车轮、路 面和车身上的力和力矩 f i g 2 1c a r t w h e e l , r o a d ，c a r b o d y sf o r c ea n dm o m e n t 砰 4 ( 2 2 ) i 司再 图2 2 路面制动力、制动器制动力及路面附 着力的关系 f i g 2 2r e l a t i o n s h i po f t h er o a db r a k ef o r c e ， b r a k es y s t e mp o w e ra n dr o a da d h e s i i o n 式中：v 是汽车速度，m s ； w 车轮速度，r a d s ； r 车轮半径，m 。 实验证明，当车轮在路面滑动的时候，附着系数与滑移率之间的关系如图所 示。图中为沿车轮旋转平面方向的附着系数，称为纵向附着系数。识为垂直于 车轮旋转平面方向的附着系数， 称为横向附着系数。从图可见， 附着系数随滑移率( a ) 的增大 p 咋 近似直线上升，达最大值后，便 l 随滑移率( 五) 继续增大逐渐减鼙 唯 小。附着系数的最大值称为峰值 塞 附着系数( 砟) 。峰值附着系数 在滑移率( a ) = o 2 左右生成， 在峰值滑移率的左边，路面附着 图2 - 3 滑移率与附着系数 力能跟随汽车制动力矩的增加， f i g 2 - 3s l i pr a t i o 姐d 甜a c h m 。m 。f f i 。i c n t 7 话盈 广东工业大学t 学硕+ 学位论文 提供足够的路面制动力( 矩) ，而这时的横向附着系数( ) 也较大，具有足够 的抗侧滑能力，故一般称峰值滑移率的左边为制动稳定区。 在峰值滑移率的右边，附着系数随滑移率的增大而减小，制动器摩擦力矩与 路面制动力差值的急剧扩大，就使车轮迅速减速而趋向“抱死”停转，发生拖滑。 称这一区域为制动不稳定区。这就有可能导致车速反而加大，由于每个车轮的受 力和方向都不平衡，汽车的方向不可控，是非常危险的情况【l i 】。这个时候就要启 动a n t i - l o e kb r a k es y s t e m ( 刹车防抱死装置) ，或者辅助刹车装置通过非接触刹车 来解决险情。 2 2 汽车采用辅助制动装置的必要性 从2 0 世纪9 0 年代开始，中国进入了公路建设快速发展的时期，从1 9 9 0 - - 2 0 0 3 年的1 4 年间，中国公路建设累计投资近2 万亿元人民币。到2 0 0 3 年底，中国 公路通车总里程达1 8 1 万公晕，居世界第三位，其中4 4 是在最近1 4 年内修 通的。在过去的十多年里，中国高速公路从零起步，经过十多年的建设，目的已 突破3 万公里，高速公路总里程位居世界第- - i 1 。 随着汽车工业的技术进步，汽车发动机功率逐年增加，现代汽车发动机功率 已经比过去增加了2 3 倍。汽车性能的改善提高和道路条件的同趋完善，汽车的 行驶速度大幅度提高，这就意味在同样的制动条件、同样的时蚓内，现代汽车的 制动器要产生更多的热量，要承受更多的热负荷。然而现在的车辆制动器虽经多 方面改进，如鼓式制动改为盘式制动、加宽制动鼓和摩擦片的尺寸，改变摩擦片 材料配方等，都未能从根本上解决问题。因为受空间尺寸的限制，现有车轮制动 器的散热能力始终是有限的1 1 4 】。 主要行驶于山区公路上的汽车经常要下长坡。为不使汽车在本身重力作用下 加速到危险程度，应当对汽车进行持续制动，从而使汽车速度稳定在某个安全值。 经常在行车密度很高，交通情况复杂的城市街道上行驶的汽车( 如市内公共汽车) ， 为避免交通事故，需要进行频繁的不同强度的制动。在高速公路上行驶的车辆也 有时将高速降低到低速段保持行车安全。在这些情况下，单靠行车制动系统是难 以完成这样的制动任务的，因为制动器长时自j 频繁工作不仅会使得其温度大大增 高，还会使制动器发生热衰退，以致制动效能衰退甚至完全失效。 0 第二章汽车缓速器的r t 作原理 若采用辅助制动系统，则能避免这种情况发生，辅助制动系统能够降低车速 或保持车速稳定，但不能将车辆紧急制停。辅助制动系中用以产生制动力矩对车 辆起缓速作用的部件称为缓速器。故在这种行驶条件下运行的汽车，往往有必要 增设辅助制动系。近年来，国内商用汽车重型化、高档化趋势明显，越来越多的 尖端科技将应用于现代公路交通，而缓速器作为一种辅助制动装置的先进技术应 用于道路运输汽车，并且可与的a b s 兼容，其诸多优点使其成为长途客车、公交 客车和重型卡车上的基本配置。 2 3 汽车辅助制动装置的分类 常用于车辆的辅助制动装置主要有以下5 种形式。 1 、发动机缓速器。对行驶中的汽车的发动机停止供给燃料，并将变速器挂入 某一前进挡，使汽车得以通过驱动轮和传动系带动发动机曲轴继续旋转【l3 1 。这样， 本来是汽车动力源的发动机就变成消耗汽车动能从而对汽车起缓速作用的空气压 缩机。在这种情况下，汽车对发动机输人的动能大部分耗损在机内的进气、压缩、 排气过程中，小部分消耗于对水泵、油泵、空压机、发电机等附件的驱动上。 2 、发动机排气辅助制动装置 汽车在挂挡前进时，对发动机停止供油，汽车前进的惯性力通过驱动轮和传 动系反带发动机曲轴继续旋转。这样，发动机就像空气压缩机那样，对汽车起到 了缓速的作用。为了加强发动机这种缓速作用，可设法增加进气、排气、压缩等 方面的阻力，如阻塞进气或排气通道 或改变进、排气门启闭时刻等。其中， 比较常用的方法是在发动机排气管处 设置排气阀。在需要缓速时，关闭排 气阀，阻塞排气通道。该方法又称为 排气缓速。 3 、电涡流缓速器 电涡流缓速器结构如下图所示。 是由转动的圆盘和固定的磁极、线圈 组成。l 一定子外壳；2 一电磁铁：3 9 图2 4 电涡流缓速器结构形式 f i g 2 - 4t h ee d d yc u r r e n tb r a k es t r u c t u r e 二查三些奎兰二兰堡：兰竺鎏三 一转子盘；a 一接变速器；b 一接主减速器。线圈在通电后产生磁场，由于圆盘在 磁场中转动，因此有电涡流流过，电涡流和磁场间因相互作用而产生方向相反的 制动力。其中随电涡流而产生的热量由装设在圆盘上的散热风道散发到大气中。 电涡流缓速器的发展趋势是：轻量化、集成化、电子控制、自带发电机。 4 、永磁铁电涡流缓速器 永磁铁电涡流式缓速器与使用电磁线圈的电涡流缓速器工作原理相同，使用 永久磁铁替换了励磁模块，较电涡流缓速器有以下优点： 永久磁铁比电磁铁质量轻，体积小，质量与体积均为电磁铁的1 ，8 左右； 不消耗电能，不用考虑发电机或蓄电池的容量大小，永磁式不会发热； 永久磁铁的磁力很强，在高速区制动力也不会低下。 但是永磁式力矩不可调节，安装控制较为麻烦。 5 、液力缓速器【l 卅 液力缓速器的主要零件是固定叶轮和旋转叶轮，一般安装在变速器处。当汽 车需要缓速时，汽车通过驱动桥和变速器等反带液力缓速器的旋转叶轮转动，固 定叶轮通过流动的液体对旋转叶轮产生阻力矩，使汽车缓速。 此外，还有汽车一般难用上的，常用在航空飞行器上的缓速器，如空气动力 缓速器，牵引电动机缓速器等等。在这罩不讨论。 2 4 汽车辅助制动装置的工作原理与使用效果 2 4 1 电涡流缓速器的机械结构 缓速器本体的机械结构参考图2 5 。l 一转子盘；2 一铁心；3 一励磁线圈：4 一转子轴；5 一轴承；6 一固定架；7 一气隙；8 一接线柱。缓速器定子上有8 个由 高导磁材料的磁极作为磁轭，呈圆周分布形式均匀安装在优质铝板上，8 个励磁 线圈套于磁极上，圆周上相对的2 个磁极的励磁线圈为串联连接而形成的一对磁 极，相邻磁极均为北、南相问，这样就形成了相对相互独立的4 对磁极。转予出 内转予与外转子组成，内外转子均为圆环状，用导磁性能良好的铁磁材料制成， 转子通过法兰盘装置在传动轴凸缘上，可随传动轴自由转动，内外转子盘和定子 1 0 第二章汽车缓速器的丁作原理 磁轭问保持有极小的、均 匀的间隙。 2 4 2 电涡流缓速器 的传统电控方法 电涡流缓速器的传统 控制方式采用继电器控制 1 13 1 。传统的手控开关一般 分4 个档次。开关处于0 1 黧髫 。1 - f 潋j 、3 怖习h 、q !到p i 蝌： 过 u 弱剜 图2 - 5 电涡流缓速器结构 f i g 2 - 5e d d yc u r r e n tb r a k es t r u c t u r ed i v i s t i o n 挡位时，线圈全部断电；处于第l 挡位时，继电器盒内l 号继电器吸合，则第一 组励磁线圈通电，这时缓速器产生的制动力矩约为最大力矩的2 5 ；处于第2 挡 位时，继电器盒内1 号与2 号继电器吸合，则第一组和第二组励磁线圈同时通电， 这时电涡流缓速器产生制动力矩约为最大力矩的5 0 ；第3 、第4 档位依此类推。 电涡流缓速器还有一个脚控开关，当驾驶员踩下制动踏板时，电涡流缓速器 自动起作用，并根据制动踏板的行程，脚控开关上4 个压力传感器依次接通，其 作用与手控开关一样。继电器盒内有4 个大电流继电器，分别为每组励磁线圈提 供励磁电流。 2 4 3 电涡流缓速器的工作原理 车辆缓速或制动时，定子励磁线圈通入直流电流而励磁，产生的磁力线穿过 转子圆盘。根据电磁感应理论，当穿过闭合导线回路所包围的面积的磁通发生变 化时，在导线回路中将产生感应电流。缓速器的转子从表上看不是一个闭合导线， 但从微观角度，可以把它看成是一个由数个闭合导线构成的集合体，这样，当转 子转动时，其内部无数闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化，从而在转 子内部产无数段感应电流，这种电流称为涡电流i l 。l 。涡电流的作用有两个方：一 是这些涡流在具有一定的电阻的转子内部流动时会产生热效应而散失，也就是车 辆的动能就通过感应电流转化为热能，并通转子风叶产生的强劲风力将热量快速 广东t 业大学丁学硕士学位论文 散发出去；二是涡流会产生的磁场，根据它自己所产生合导线回路中所产生的感 应电流总是向引起电磁感应的变化，也就是说转子内部涡流所产生的新的磁场与 定子线圈产生方向相反的、反抗转予的转动，这样就产生了制动力矩。 2 4 4 电涡流缓速器的使用效果 电涡流缓速器的使用效果显著，主要表现在以下五个方面： 一，提高了汽车行驶的安全性。由于电涡流缓速器可承担制动系统3 0 8 0 的负荷【1 3 1 ，可使得车轮制动器的使用次数显著减少，因而可避免由于制动器热衰 退而引发的安全事故。这对长期行使在山区的车辆和需频繁制动停车的城市公共 汽车尤为有益。 二，提高了坡道行驶时的平均速度。随着道路条件的改善，人们也希望汽车 在行驶过程中具有更高的平均车速。如果要求汽车在6 的坡道上以6 0 k m h 速度 行驶6 k m 时，单靠发动机制动或者使用车轮制动器很难满足要求，由于高档位的 发动机制动和排气制动效果比低档位的差，因此单靠变速器档位控制车速只能使 汽车低速行驶。一般使用排气制动的汽车挂高档时，在超过4 的坡道上就不能 形成稳定的行驶车速，不得不靠脚制动减速。而缓速器本身不存在与变速器档位 关联的制动动力变化，因此下坡时利用缓速器可以维持较高的车速行驶。 三，增强了驾驶员下长坡时安全感和舒适性。不必担心车速高而制动减速后 造成制动器过热。在下长坡时不需要频繁变换变速器档位以增加发动机和排气制 动的效果，也不必担心低档运行时发动机超速运转。 四，降低了汽车的维护费用。采用了缓速器，刹车片的磨损大大降低，爆胎 的概率也下降，一年可以节约可观的经济支出。据统计1 1 8 】在深圳特区第2 2 3 路和 第2 0 8 路公共汽车线路上，对安装电涡流缓速器和末安装电涡流缓速器的车辆制 动衬片千公里磨损量平均值的比较。2 2 3 路未安装电涡流缓速器的车辆制动衬片 平均磨损量比安装了的高达5 8 倍，2 0 8 路为6 9 倍。这充分说明使用缓速器 后，由于用车轮制动的次数大幅度减少，从而制动衬片的磨损量也显著减小。 五，提高了汽车的环保性能。电涡流缓速器由于其非接触式制动的特点，工 作时没有摩擦材料接触，因此其本身不会产生制动声响。通常的摩擦片材料在制 动时会产生有害于环境的粉尘，如石棉粉、化学粘合剂微粒、金属及有机物粉未 第二章汽车缓速器的t 作原理 等，缓速器的使用可以显著减少制动器的粉尘污染达5 0 以上1 2 0 1 。 目前国内使用的缓速器存在技术缺陷：( 1 ) 在汽车低速行驶时( ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) i f e = n b o r n m a n d e c = n 8o r n m t h e nu = p bo g i f e = n bo r n m a n d e c = n s o r o t h e nh = p bo r i f e = n bo r n m a n d e c = p s t h e nu = p m o r 钎e = n bo r n m a n d e c = p m o r p b t h e nu = 0 0 r 玎e = n s a n d e c = n bo r n m t h e nu = p mo r - f e = n s a n d e c = n s o r0 t h e nh = p m o r i f e = n s a n d e c = p s t h e nu = 0o r 矿e = n s a n d e c = p m o r p b t h e n “= n s o r 玎e = n 0o r p 0 a n d e c = n bo g n m t h e nu = p mo r f e = n o o r p 0 a n d e c = n s t h e nu = p s o r 矿e = n o o r p 0 a n d e c = 0 t h e n “= 0 0 r 话e = n o o r p 0 a n d e c = p s o f p s t h e n ”= n s o r i f e = n o o r p o a n d e c = p m o r p b t h e nh = n mo r f e = p s a n d e c = n bo r n m t h e n u = p s o r i f e p s a n d e c = n s t h e n u = 0 0 r 钎e = p s a n d e c = 0 0 r p s t h e n u ；n m o r 矿e = p s a n d e c = p m o r p b t h e n 群= n m o r 钎e = p m o r p b a n d e c = n bo r n m t h e nu = 0 0 r i f e = p m o r p b a n d e c = n s t h e nu = n m o r 第四章缓速器模糊控制器设计 f 2 d ， ，。e = p a l o r p b a n d e c = 0 0 r p s t h e n “= n bo r ( 2 1 ) 瑟e = p m o f p b a n d e c = 0 0 r p s t h e nh = n b o r 上述的条件语句就构成了描述被控过程的模糊模型。这些描写模糊控制的2 l 条条件语句之间是“或”关系，由第1 条语句所确定的控制规则可以计算出u l 。 由第l 条语句所确定的模糊关系可以用“若a 或b 且c 或d 则e ”，( 即r = 【( a + b ) x e ( c + d ) e ) 可以写出： 月= ( n b e + n m ) p b 。 ( n b e c + n m m ) p b 。( 4 4 ) 如果此刻采样所得到的实际速度误差为e 且误差的变化为e c ，由u = e o r 计算 得出控制量为： u l = e o ( n b e + n m e ) p b 。 e c o ( n b m + n m ) x p b 。( 4 5 ) 如果对于e 及e c 的隶属函数值对应于所量化的等级上取i ，其余均取为零值， 这样就可使得式子简化为： u l2m i n m 埘“慨( | f ) ；”慨( f ) 】；m a ) 【“( n ”。( 川；“) ( 4 6 ) j 式中，“慨( f ) ，“慨( f ) 是模糊集合n 民和n 眦第i 个元素的隶属度，而“( f ) ， ”。( j ) 是模糊集合n b e c 和n m e c 的第j 个元素的隶属度。 同理，可以由其余各条语句分别求出控制量“2 ，u 2 1 ，则控制量为模糊集 合1 3 表示。 材= u l + u 2 + u 3 + - i - u 2 1( 4 7 ) 上述计算可以知道，在计算机控制过程中，都要不断地计算每个采样值，计 算它的隶属度，再推算出模糊控制输出。这个计算量是比较大的，在这里我们可 以离线计算好后，制成表格存储在a r m 的f l a s hr o m 里。当进行实时控制时，便 于根据输出的信息，从文件中查询采取的控制策略。控制表如下： 表4 - 4 模糊控制表 t a b 4 4t h ef u z z yc o n t r o lt a b l e 一65 4 32一lo+ l+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6 67676777442ooo 一566666664420oo 一4 76767 7 744200 o 一3 76666 66 32o一1一l l 一2 4445444looll l l 444544lo0032一l o4445llolll一444 + o4445ll01一ll一4 44 + 12222ool4 一d一3 4 4 4 + 2i 2