（机械设计及理论专业论文）车辆制动性能试验台检测系统研究.pdf

摘要 车辆制动性能检测系统是应用于新车研究开发的实验、新车的出厂检验和交 通管理部门对上路车辆定期检验的测试装置。鉴于目前我国汽车工业的迅速发展 和有关法规的出台，以及我国车辆检测站设备的落后状况，车辆制动性能检测系 统的研究尤其受到关注。 车辆制动性能检测系统的研究是- - i 1 综合性应用科学，涉及诸多学科和领 域。本论文的主要目标是设计一套车辆制动性能试验台检测系统，着重于计算机 控制技术和虚拟仪器技术的应用，使之具备功能齐全、性能良好、性价比高、使 用方便、高精度、高可靠性，以及“智能化”和“自动化”的特点 本论文首先阐述了车辆制动性能试验台检测系统研究的意义、发展和现状， 并介绍了虚拟仪器技术的发展历程和趋势；详细介绍了本设计方案的机械部分、 检测部分的硬件和软件设计，着重于检测部分的主要元件选择，电路设计，及上 位机、下位机的程序设计 最后，本论文介绍了检测系统在p c 上模拟仿真，整个系统运行正常，能够提 供合理准确的数据结果，证明了设计方案的可行性，为设计技术人员提供了参考。 关键词：车辆制动性能检测，数据采集，虚拟仪器，单片机，u s b 总线 a b s t r a c t t h ea u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sa n t e s t i n gd e v i c ew h i c hi sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s , s u c ha st h et e s to fn e w c a r d e s i g n ， t h eo u t p u tt e s to fn 州c a ra n dt h er e g u l a rt e s to fa u t o m o t i v ew h i c hi sh o l d e db yt h e t r a f f i cm a n a g e m e n td e p a r t d l e n tf o rt h ea u t o m o t i v eo nt h el o a d a c c o r d i n gt ot h er a p i d d e v e l o p m e n to fa _ i l t o m o t i v ei n d u s w ya n dt h es i t u a t i o nt h a tt h ed e v i c eo fo a r a u t o m o t i v ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n th a sl a gb e h i n df o r e i g n ，p e o p l eh a v ep a i dm o r f a t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho ft h ea u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m “ 。 t h er e s e a r c ho ft h ea u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mi sa na l l - a r o u n da p p l y i n gs c i e n c ei n c l u d i n gm a n ys u b j e c t sa n df i e l d s t h em a i n a i mo ft h i st h e s i si st od e s i g na na u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t s y s t e ma n dl a ys t r e s s0 1 1t h ea p p l i c a t i o no ft h ec o m p u t e rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yt ot r y t oi m p r o v et h e 。i n t e l l i g e n c e “a n d ”a u t o m a t i o n ”s p e c i a l i t yo ft h es y s t e mw h i c hm a k ei t m o r em u l t i f u n c t i o n a l , g o o d - p e r f o r m a n c e , e a s y u s e da n dw i t hh i g hp r e c i s i o na n d r e l i a b i l i t y t h ec o n t e n t sa b o u tt h es i g n i f i c a n c e , d e v e l o p m e n ta n ds i t u a t i o no ft h er e s e a r c ho f t h ea u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ed i s c u s s e di n t h eb e g i m “n go ft h i st h e s i s ，a n dt h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r eo ft h e v m u a ii n s t r u m e n ti si n t r o d u c e d t h es c h e m ef o rt h ea u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c e m e a s u r e m e n ti se m p h a s i z e d , i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ed e v e l o p m e n to ft h ed a t a a c q u i s i t i o na n dt h ea p p l y i n gs o f t w a r ei si n t r o d u c e d 、 f i n a l l t b et e s t i n gh a sb e e nd o n es u c c e s s f u l l y t h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m ei s c o n f i r m e db yt h er e s u l t s oi tc a nb es u p p l i e da sr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n e r s k e y w o r d s a u t o m o t i v eb r a k i n gp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t , d a t aa c q u i s i t i o n , v i r t u a l i n s t r u m e n t ，m c u ，u s b 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：3 1 磊甚， 加月矽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢z 磊l 一、州年；月姗 导师签名： 彬儿 缈f 年5 f 月，日 第一章绪论 1 1 车辆的制动性能及特征参数 车辆的制动性能是指车辆在行驶过程中制动时所具有的强制减速( 或连续下 坡时维持一定速度) 乃至停车的能力，是车辆主动安全性的主要性能之一【，直 接影响车辆速度性能的发挥，关系到乘车人员、车辆和行人的安全，是车辆安全 行驶的基本保障。车辆若没有优良的、可靠的制动性，再好的动力性、再好的道 路也都不能发挥其效能，收不到快速、高效运输的社会效益，还可能造成人员伤 亡的严重后果，据统计，目前国内因车辆制动性能不良导致的道路交通事故占总 数的1 3 以上。因此，车辆制动性受到制造者、使用者、维修和管理人员的高度 重视，对车辆制动性提出了越来越严格的法规性要求。 车辆制动性是由车辆制动装置( 制动和减速系统) 的各结构参数确立的，通 过制动过程输出特性参数显示出来i 主要表现在三个方面：制动效能、制动效 能的恒定性、制动时车辆方向的稳定性。 车辆制动效能是指车辆以一定速度迅速停车的能力，通常以制动距离和制动 过程中的制动减速度来表征，是表征车辆制动性最基本的特性参数。制动距离的 长短直观地体现了车辆制动效能的高低；制动减速度的大小量化地体现了车辆降 低行驶速度能力的强弱。制动效能的稳定性是指车辆抗制动效能下降的能力在 不同的使用环境下，车辆制动系的制动效能会发生变化，产生不同程度的衰退、 降低根据导致制动效能衰退的原因，可将制动效能的衰退现象分为热衰退和水 衰退。由于摩擦热的影响使制动器摩擦材料的摩擦系数下降，导致制动效能暂时 降低的现象，称为热衰退，是目前制动器不可避免的；永衰退是指制动器摩擦表 面浸水使制动效能下降的现象。制动时的方向稳定性是指车辆在制动过程中维持 直线行驶的能力或按预定弯道行驶的能力，即车辆预防制动跑偏和侧滑的能力 制动距离、制动力及制动减速度、制动时问是车辆制动性能的三个评价标准。 1 2 车辆制动性能检测技术的发展和国内外研究状况 车辆检测技术是伴随着汽车技术的发展而发展的在汽车发展的早期，人们 主要是通过有经验的维修人员发现车辆的故障并作有针对性的修理。即过去人们 常讲的。望( 眼看) ”、“闻( 耳听) ”、“切( 手摸) ”方式瑚。随着现代科 学技术的进步，特别是计算机技术的进步，车辆检测技术也飞速发展。目前人们 能依靠各种先进的仪器设备，对汽车进行不解体检测，而且检测速度快、准确性 高、能定量分析，多用在车辆检测站和大型维修企业等，是车辆检测技术新的发 展方向随着汽车工业的迅速发展，车辆检测技术已经成为了一门以工程数学、 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综合性应 用科学 ， 现代车辆检测技术发展很快，在管理上已实现了。制度化0 在检测指标上 实现了“标准化”，在应用技术上正在向“智能化”、“自动化”方向发展。 1 2 1 国外研究状况 国外对车辆制动性能的研究和检测发展比较早，从七十年代起，已经开始用 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 m c a e 等美国密西根大学的学者们在七十年代初，就将计算机模拟技术 应用在汽车制动动态过程研究中，从九十年代起，国外就不断开发车辆制动系统 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 型车制动专家系统，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。目前，应用较多的车辆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( 姒h a ) 系列和日本的弥荣系列等， 这些车辆制动性能检测设备有精度高，功能全，滚筒耐磨损，不受温度的影响等 特点。 1 2 2 国内研究状况 我国的汽车工业起步较晚，研发能力还比较落后，从2 0 世纪6 0 年代才开始 研究车辆检测技术，研制了一些简单的诊断设备，在1 9 8 0 年交通部在大连建立 了国内第一个检测站，此后，车辆检测技术得到迅猛发展，目前呈现一种迅速追 赶的态势。相应地，制动性能捡测诊断技术也由最初的引进技术、引进检测设备， 发展到目前的自主研究开发、推广应用阶段，与此同时，相应的法律法规建设也 逐步完备，出台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 借改革开放之力，我国的车辆检测设备生产行业也得到了空前的发展车辆 制动性能检测设备生产企业由8 0 年代的几十家增加到目前的近千家，并由过去 2 仅能生产简单的维修工具发展到能够开发和生产具有一定水平的检测设备，逐步 形成了独立的类别和系列。车辆检测设备生产厂家增多，从引进国外先进经验到 现在自己能够研发各种检测台，是设备更加符合中国的实际情况。 但与世界先进水平相比还有一定距离。我们应该加强车辆检测基础理论的研 究，借鉴发达国家的先进经验和技术，在车辆检测基础技术的标准化，车辆检测 设备的智能化和监测管理的网络化等方面进一步研究和发展，尤其要在检测设备 的性能、精度、可靠性、稳定性、智能化、和自动化等方面多下工夫，才能适应 汽车工业迅速发展的需要。 1 3 车辆制动性能检测台概述 目前，国内外广泛使用的车辆制动性能试验台可归类为：平板式和滚筒式， 而根据制动台检测制动性的原理，又可将制动台分为惯性式制动检测台和反力式 制动检测台两类目前，在国内各检测站应用较广泛的车辆制动性能试验有：单 轴反力式滚筒制动检测台、滚筒惯性式制动检测台、平板式制动检测台 1 3 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筒图如图1 - 1 所示。 1 电动机2 压力传感器3 减速器4 滚筒5 第三滚筒 6 电磁传感器7 链传动8 测量指示仪表 图1 一l 单轴反力式滚筒制动检测台结构简图 根据滚筒表面形式的不同分为齿槽式和喷砂式制动检测台齿槽式是在滚筒 表面开有沟槽用来增加附着力，喷砂式是在滚筒表面用一层特殊的砂石物质来增 3 加附着力齿槽式容易对被测车辆的轮胎造成磨损，因此又增加了第三滚筒。目 前使用的滚筒式检测台大多都具有第三滚筒。喷砂式具有附着系数高、滚筒速度 高的特点，而且测量结果较接近实际情况，因此得到广泛应用。但喷砂式滚筒制 动检测台的使用寿命低，使用成本高现在我国国内生产厂家已生产了一种低速 喷砂滚筒检测台，该检测台综合了齿槽式和喷砂式的优点，制动台滚筒附着系数 得到提高，测试能力满足国家标准和使用要求，具有成本低、测试数据重复性好 等优点。该类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( a b s ) 均在车速l o k m h 以上起作用，所以上述检测台不能检测车辆的防抱死系统的性 能。 1 3 2 滚筒惯性式制动检测台 滚筒惯性式制动检测台通过模拟车辆道路行驶的动能来检测车辆的制动性 能滚筒惯性式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i - 2 所示 图卜2 双轴惯性式滚筒制动检测台结构简图 滚筒惯性式制动检测台检测车辆的车速由被检车控制，检测车速通常在 4 0 - 7 0 k m h 滚筒惯性式制动检测台的滚筒相当于移动路面，检测时，转动的滚 筒系统便具有转动动能，相当于车辆在道路上行驶的平均动能为使测得的结果 ( 制动距离、制动减速度) 可信、可靠，就必须要求滚筒惯性式制动检测台要能 准确模拟车辆道路行驶时的动能。而以往大部分的检测台都是通过设置多只飞轮 来模拟匹配各种不同类别车型的要求，由于这种动能模拟匹配是机械式，最终模 拟的结果就不可能准确地等于被检车辆的平均动能，如此的差异就导致了台试结 果与真实情况的差异，进而制约了滚筒惯性式制动检测台的推广应用。但随着计 4 算机控制技术的发展，通过飞轮模拟和电模拟相结合的方式，如此能实现模拟的 无量级匹配，就能以较高的准确性模拟被检车辆的平均动能，本论文的出发点就 基于此。 平板式制动检测台早在2 0 世纪6 0 年代初国内就有汽车运输企业从国外进口 这类检验台但当时并为得到重视，但目前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治理检测的主流设 备。由于g b 7 2 5 8 对它的认可，现在已引起很业内的关注。 1 4 本文的主要内容 本论文是应某公司的要求，在对滚筒式惯性制动检测台的结构和工作原理、 车辆制动性能评价标准、计算机控制技术、及虚拟仪器等技术研究的基础上，设 计了一套车辆制动性能试验台检测系统该系统采用a t 8 9 s 5 2 作为下位机，计 算机作为上位机，通过u s b 总线实现两者之间的数据传输，系统体积小、成本 低，能够满足检测台工作的实际需要 ，o 本文的主要内容如下： 1 介绍了车辆的制动性能及相关参数、国内外车辆制动性能检测技术的发 展状况，在此基础上，简单说明了目前采用较多的车辆制动性能检测台的几种形。 式，并说明了各自的缺点，提出了研制车辆制动性能试验台的必要性 2 介绍了车辆制动性能试验台的机械结构部分和检测系统 3 介绍了数据采集和虚拟仪器技术，在此基础上提出了上位机+ 下位机的检 测系统。 4 下位机数据采集系统的硬件开发，电路板设计中的抗干扰技术 5 整个检测系统的软件开发编制 6 车辆制动性能试验台检测系统的模拟仿真试验，及最终的结论。 5 第二章车辆制动性能试验台设计方案 制动器是一种将制动轴的惯性能变成热能的装置因此，车辆制动性能试验 台需要能模拟出制动轴的惯性能。目前，广泛使用的是惯性式制动器试验台，是 用电动机驱动制动轴上与负载的转动惯量相当的飞轮块，并使之达到开始制动时 制动轴的转速，以此来模拟出制动轴的惯性能。这种制动性能试验台主要存在下 列问题： 1 大部分试验台没有考虑到车辆传动系统的转动惯量，事实上随着汽车速 度的提高，这部分能量对汽车的制动性能有越来越大的影响。 2 现有的试验台主要采用双滚筒，车轮和滚轮的摩擦受到滚筒曲率的影 响，所以不能很好地反映真实路面的情况 3 惯性飞轮组转动惯量只能有级调节，因而存在加载误差，在不停机的情 况下，不能对转动惯量进行调节。 通过对国内外文献检索和对现有的试验台的分析，本论文提出一种新的设计 方案( 如图2 1 ) ，它可有效地解决以上的问题。首先，通过附加质量法测出车辆 传统系统的当量转动惯量；其次，利用电模拟和机械式相结合的方法解决了惯性 飞轮组能连续加载转动惯量的问题。 l 2 34 567 1 电动机2 减速器3 飞轮组4 制动器5 滚筒 6 速度传感器7 电磁离合器8 附加质量块9 离合器 图2 一l 制动性能试验台结构图 2 1 设计方案及原理 2 1 1 附加质量法 6 该方法是基于经典力学理论导出的一种求车辆传动系统转动惯量j 动态方 法，它只需测量车辆制动过程中的减速度即可求得j ，避开了较困难的机械损失 扭矩测量问题，这一方法简单且精度较高。 车辆在无外载情况下试验台滚筒上运行时，制动过程中的力矩平衡方程为： 如一m ，( 2 - 1 ) 式中：- ，一车辆传统系统当量转动惯量：s 滚筒轴的角减速度；m ，一系 统的当量阻力矩。 如果在飞轮上附加以转动惯量为j 的质量，则制动时力矩平衡方程为： ，+ ，。) f - m +(2-2) 式中，一附加转动惯量；f 有附加质量时系统的角减速度；肘一有 附加质量时的阻力矩 。 在同一转速下，若试验系统的轴承润滑良好，则有无附加转动惯量时的车轮 及滚筒系统的当量阻力矩的平均值近似相等，即m ，mm 一，若已知安装附加质。 量前后相应的制动过程系统角速度的变化历程，则可求得同一微小采样间隔t 内角速度的变化值a ，厶吐，即可按下式计算出车辆传动系统的转动惯量。 ，- l a ( a a j - a t a ) ( 2 - 3 ) 式( 2 - 3 ) 是由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 导出的，若飞轮上分别装有两个不同的附加质 量，相应的转动惯量分别为，。、，：，参考上面的推导过程可得： ，- u 1 吐l - j 2 吐2 ) ( a q 2 一q 1 ) ( 2 - 4 ) 式( 2 - 3 ) 是式( 2 - 4 ) 的特例 以上理论推导表明：若已知车辆制动过程中在不同附加质量情况下相应的转 角速度的变化历程，求得微小的采样阃隔t 内的瞬时角速度变化量珊、a t a ( 或q i 、a 峨2 ) ，即可按式( 2 - 3 ) 或者式( 2 - 4 ) 计算出车辆的当量转动惯量 2 1 2 双分流加载法 双分流加载法也称为电模拟转动惯量加载法，它的模拟原理是：飞轮是一种。 7 储藏能量的部件，它在角速度上升时吸收能量，在角速度下降时释放能量。因此， 它可以用来模拟制动器负载，但仅用飞轮存在一些缺点。电机可以认为是电能与 机械能相互转换的机器，在电机内部电功率与机械功率是平衡的，功率流动的方 向取决于外来的作用。因此，一台电动机在一定的外界条件下，可以转化为发电 机运行，反之亦然，即史机具有可逆性因此，电机也可以用来模拟制动器的负 载。但是，如果仅用电机将产生下列问题：( 1 ) 在欲模拟的制动器负载较大时， 模拟初期误差较大；( 2 ) 在一般情况下，初始几次的调节量较大，被调量的波形 振荡严重。综上所述：单独使用飞轮或者电机来模拟制动器的负载都存在缺点 为此，提出一种新的模拟方法，即利用l 2 片固定飞轮( 飞轮常固定于制动轴 上，设其转动惯量，_ ) 和电机联合模拟实际负载的双分流加载法。 在制动过程中，制动器吸收的能量可由下式表示： e - 上2 毛础 - ( 2 - 5 ) 式中，一制动力矩it l 一制动开始时刻；t 2 一制动结束时刻；一制动轴 的角速度。制动力矩。 瓦一，警( 2 - 6 ) 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 5 ) 可得； e 一去，( 砰一；) ( 2 - 7 ) 式中，一换算到制动轴上的等效转动惯量；q 一制动开始时制动轴的角 速度；蚺一制动结束对制动轴的角速度。 在传统的惯性式制动试验台上，为了满足式( 2 - 7 ) ，是由试验台上的飞 轮组合得到的在利用双分流加载法加载时，_ ，是由固定飞轮和电机共同模拟 产生的其中固定飞轮的转动惯量为常数，。，需电机模拟的转动惯量为 j - ，- l ，- j 。这样，在制动试验过程中电机需要输出一个附加力矩l 。且l 要 满足以下两个条件：( 1 ) l 与，的共同作用后，能保证加载到制动器所要求的 能量；( 2 ) l 能保证按与式( 2 5 ) 一致的时间函数关系加载到制动器所应吸收 8 的嚣1 5 分i | 琶量a 当电机模拟的转动惯量大小为j ，时，由式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 可得： e - 一_ 扣+ “警 s ， 根据式( 2 - 8 ，可知：制动器吸收的机械能中。r l 瓮n 协部分的能量需要 电模拟系统产生所以，电机需要输出的力矩为： l - 一，i d 6 0 ( 2 - 9 ) 也可以进一步处理得到： 乃! 粤毛( 2 - 1 0 ) 因此，电模拟系统在制动试验过程中输出力矩乃- 互i 丘x 瓦即可实现对 。 制动器负载能量的模拟 2 1 3 系统结构设计 系统基本组成示意图如图2 - 2 所示 专 1 滚筒2 附加质量3 旋转编码器4 离合器5 马达 图2 - 2 单滚筒检测台示意图 本方案采用大直径的单滚筒结构，其滚筒外表面铣有纵向沟槽，以增加附着 力滚筒l 用来支撑被检测车轮并与被检测车轮同时转动；附加质量2 用来测量 系统的当量转动惯量；旋转编码器3 用来测量滚筒的角速度；离合器4 用来控制 附加质量和滚筒的组合与分离；在检测非驱动车轮时，马达5 用来驱动滚筒运转。 2 1 4 工作原理 如果知道旋转物体的转动惯量，通过测量旋转物体的角加速度，即可求得作 9 用于旋转物体上的和力矩。同理，只要知道车轮和检测台滚筒等旋转部分的转动 ，惯量，通过测量滚筒的车轮自由减速和制动过程中的角减速度，即可求得车轮的 阻滞力矩、制动力矩，进而实现对车辆制动性能的检测。 检测时，首先将被测两车轮驶上滚筒，左右被测车轮分别位于左右滚筒上， 非检测车轮位于地面上并可靠定位，然后输入或测量被测车轮的当量转动惯量。 用检测台的马达或被测车辆的发动机驱动滚筒及车轮加速到一定的转速后，使滚 筒及车轮作自由减速运动。根据式( 2 - 1 ) ( 2 - 4 ) ，用附加质量法，测量计算 出滚筒及被测车轮等部分对滚筒轴线的当量转动惯量。通过测量两滚筒自由减速 过程的减速度，根据式( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 4 ) 可以求得左右轮的阻滞力在滚筒自 由降速过程中实施制动然后再将车轮和滚筒加速到一定转速后，让滚筒和车轮 转入自由降速，实施制动，通过制动踏板开关测量制动协调时间并通过旋转编码 器测量滚筒的角速度及其变化量，根据式( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 8 ) 求得制动过中不同 时刻制动力矩和制动力的大小。根据有关标准规定确定出制动协调时间和左右轮 制动力的不平衡性等，从开始踏下制动踏板至左右轮制动力分别达到最大制动力 的7 5 时，对应的时间分别为左右轮的制动协调时间；制动过程中左右轮制动力 之差与左右轮制动力最大值中大者之比的百分数即为左右轮制动力的不平衡性。 肘声- 1 j h s z o - m j 。 f 摩1 j h o - m 彦。 疋- 警 乃一争 扣，毗 扣，一m ， 只丝 r f ，等 ( 2 - 1 1 ) ( 2 _ 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 式( 2 1 1 ) ( 2 1 8 ) 中，m 邡、_ l o 分别为左右滚筒轴承的滚筒阻力矩，n * m ， 与滚筒及车轮重量和轴承滚动阻力系数大小有关，可由系统本身测定；j 。为滚 筒和车轮等部分的当量转动惯量，k g 木m 2 ；j 。为附加质量( 即飞轮) 的当量转动 惯量，k g * m 2 ；m ，为车轮及滚筒系统的当量阻力矩，n 芈m ；f 、# 分别为有附加 质量前后车轮及滚筒系统的当量角减速度，r a d s 2 ；g 加、s ，o 、：、f ，分别为自 由降速和制动时左右滚筒的角减速度，r a d s 2 ；肘卢、m 彦、j | l ，。、肘，分别为左 右车轮阻滞力矩制动扭矩的当量值，n * m ；疋、e 、f ，分别为左右车轮 的阻滞力和铡动力，n ；r 为滚筒半径，m 由以上分析可知。要准确求得阻滞力、制动力，计算瞬时角速度是关键，这 也是本论文的主要内容，而瞬时角减速度g 和瞬时角速度埘的关系如下式： g丝(2-19) d f 当采样间隔很小t 时，瞬时角减速度f 约等于平均角减速度，即 8 塑( 2 2 0 ) 址 由此可知，只要求的微小采样间隔& 内瞬时角速度的变化量，就可算出 瞬时角减速度亭有了车轮和滚筒的角速度及角减速度，根据上述有关公式即可 求得各检测参数，从而实现了对车辆制动性能的检测。 2 2 检测控制部分 本试验台采用上位机、下位机的数据采集处理和系统控制方式，可以准确的 实现对角减速度的测量和双分流加载的控制系统的控制原理框图如图2 3 。 n 圈2 - 3 系统控制原理简图 该试验台的控制部分包括两方面的内容：角速度测量、模拟惯性量的加载。 这两部分的计算都通过上位机计算机处理，然后通过u s b 总线将结果送入单片 机( m c u ) ，单片机控制飞轮组和电模拟部分各自的加载量，达到最终的准确模 拟加载 编码器采用增量式光电数字编码器，电缆输出方式可选择电缆侧出或者电缆 后出，输出方式为电压输出，输出路数为a 、b 二路输出编码器输出信号经过 四倍频电路( 图中未画出) ，用来提高分辨率，提高测量精度。上位机和下位机 的通讯采用流行的u s b 总线，u s b 总线数据传输速率高，为系统升级留有空间。 测量计算车辆传动系统转动惯量阶段，w c u 将采集数据通过u s b 口传送至计 算机，由上位机通过预先编制的计算机程序计算角减速度模拟试验测量阶段， 8 9 s 5 2 实时采集脉冲信号，并将数据通过u s b 总线传送至上位机，然后计算角减 速度并据此调整变频电机，同时保存数据 在计算机部分使用l a b v i e l 建立上位机操作控制界面，实时显示数据曲线和 相关参数。 2 3 电模拟系统 正如双分流加载法部分所述，除飞轮组模拟的转动惯量部分外，另一部分用 电模拟方法实现。而电模拟惯量法可归结为电动机转速和力矩的控制问题电模 拟系统是利用计算机进行控制的，力矩传感器不断的读入制动器轴上的力矩信号 毛，通过模拟惯性计算可以得出电模拟系统所要加载的力矩l ，当l 和实际电 动机输出的力矩有差距时用力矩调节器调节此力矩。这样就可以加载足够准确的 力矩到制动器上，从而准确地模拟汽车制动时的动能。电模拟系统框图如图2 4 所示，其中m 是测速电机。 图2 _ 4 电模拟系统框图 根据电模拟加载的原理及试验台的实际情况，本文将电模拟系统分划分为三 个模块来实现，控制模块、输入模块及输出模块。其中，输入模块的主要功能是 完成采集电流和力矩的模拟信号并转换成数字信号送入主控模块。输出模块是将 数字信号转换成模拟量，并经放大后转换成变频电机可以接受的控制信号硬件 方案结构图如图2 - 5 所示。 在该部分的具体操作中，首先根据经典控制理论导出电流和输出力矩的传递 函数，为便于计算机控制。进一步求得二者之间的差分方程，通过差分方程将n 时刻的参数应用于n + l 时刻，实现实时的惯量电模拟。由于时间原因，本文对此 部分只做了初步的探讨，设计了实现方案，同时在下位机的硬件设计中为此部分 预留了接口，没有做深入的研究 图2 - 5 电模拟系统硬件方案结构图 2 4 本试验系统的主要特点 通过附加质量法可测出车辆整个传动系统部分相对试验台轴线的当量转 动惯量。 采用机械式加载( 即惯性飞轮组) 和电模拟加载组合的方式，一方面可在 不停机的情况下将车辆传动部分当量转动惯量加在制动器模拟试验系统上； 另一方面，通过电模拟加在可实现无级加载，从而可提高加载精度。 通过大滚筒减小滚筒曲率对模拟真实性的影响 - 本试验台既可作制动性能模拟试验研究，也可做车辆制动性能质量检验 用。 1 4 第三章虚拟仪器技术介绍 3 1 虚拟仪器概况 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称7 i ) 是基于计算机的仪器，最早是 由美国国家仪器公司( n i 公司) 在1 9 8 6 年提出的。它是计算机技术在仪器仪表 领域的应用所形成的一种新型的仪器种类( 也称之为第四代仪器) ，是计算机硬 件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件之间的 有效结合，其核心是：以计算机作为仪器的硬件平台，充分利用其计算、存储、 回放，调用、显示及文件管理等功能，将传统仪器的专业化功能和面板控件软件 化，使之与计算机融为一体这样就形成了一台外观和功能于传统仪器相同，但 能充分利用计算机智能资源的全新的仪器系统。虚拟仪器利用了计算机的强大资 源使本来需要传统硬件实现的功能软件化，不仅大幅度地降低了测试系统成本， 而且增加了系统的功能和灵活性图3 - 1 反映了常见的虚拟仪器组建方案隅】 图3 - 1 常见的虚拟仪器组建方案 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，其研究中涉及的 基础理论主要是数据采集和数字信号处理经过十几年的发展，虚拟仪器技术在 军事和民用领域获得了广泛的应用，而且对现代测控技术产生了深远的影响。 3 2 虚拟仪器的构成 从功能上来讲，虚拟已通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来， 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能，因此，它可划分 为数据采集、数据分析、结果显示三大功能模块，图3 - 2 为其内部功能框图。 插人式d q 卡 信号处磁 罔钴传旨 g p l b 饭罄敦字溶碇 - 甓复翻 v 仪器 , 4 - - - - - 镜计 文件 o r s 2 3 2 分圻 酗形崩户井面 采集赴理救据分析 “ 结粜褒达 。 图3 - 2 虚拟仪器的功能框图 其中，采集处理功能主要完成数据的调理采集；数据分析功能对数据进行各 种分析处理；结果表达则使将采集到的数据和分析后的结果表达出来 同时，从结果上划分，虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应 用软件两大部分构成，其结构框图如图3 - 3 所示 叫舸号翻理样l - i 菜_ 烟采集卡卜 叫哪接u 榀 l- l 脚湖如悟卜叫j 擤机 。1 一o 一 i 硷 叫1 2 一 l 软件 便嚣 涮 列 毫 虻画-_o_o一 叫! 婴兰| - iv 控嘲帔u 卡卜 _ l 其它幸l 算机硬忭饭卡 i - 一孺舀置墟( 也h ，卦0k - 图3 - 3 虚拟仪器结构框图 3 3 虚拟仪器的硬件 硬件是虚拟仪器工作的基础，主要完成被测信号的采集、传输、存储、处理 及输入输出等工作，由两部分构成。 ( 1 ) 计算机 它一般为一台p c 机或者工作站，是硬件平台的核心。包括微处理器、存储 器和输入输出设备等，用来提供实时高效的数据处理工作 ( 2 ) i o 接口设备 即信号采集调理部件，包括p c 总线的数据采集板卡( 简称为数采卡板， d a q ) 、g p i b 总线仪器，v x i 总线仪器模块、串口仪器模块、串口总线仪器等，主 要完成被测输入信号的采集放大、模数转换。主要有5 种方式： p c d a q 系统 p c d a q 系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成 的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或计算机本身的i s a 总线，将数采卡 板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 系统 g p i b 是计算机和仪器间的标准通信协议，g p i b 的硬件规格和软件协议已纳 入国际工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 中g p i b 是最早的仪器总线，目前多 数仪器都配置了遵循i e e e 4 8 8 标准的g p i b 接口 v x i ( e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统 v x i 系统是v m e 总线在仪器领域的扩展，1 9 8 7 年在v 旺总线、e u r o c a r d 标 准( 机械结构标准) 和i e e e 4 8 8 标准的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开放 ； 性仪器总线标准、) 【i 系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。蟊 前，国际上有两个v x i 总线组织v x i 联盟和v x i 总线，这两个联盟制定的标准组 成了v x i 标准体系，从而实现了v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x i 仪器的 互换性和互操作性v 1 ( i 的价格相对过高，适应于尖端的测试领域 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、 模块化仪器总线规范，其核心是c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。 p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了用于 多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定对的星型触发总线以及用于相邻模 块问高速通信的局部总线等，以满足试验和测量用户的要求 串口系统 串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚拟仪器测 试系统。 无论上述哪种v i 系统，都通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合。其中， 串口系统即包括u s b 总线系统。本论文所作的工作就基于u s b 总线的 ” 3 4 虚拟仪器的软件 虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和i o 接口仪器驱动程序。虚拟仪 器应用程序实现虚拟仪器面板功能并定义测试功能的流程图。抛接口驱动程序 完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信 构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实 现不同的功能软件是虚拟仪器系统的关键，因此提高计算机软件编程的效率意 义重大。 虚拟仪器系统的软件主要分为4 层：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层 和i 0 接口层作为开发虚拟仪器软件的工具平台，必须使设计出的以上软件层 具有鲜明的“即调即用”特征，并且确保用户能用以完成整个系统中所有软件部 分的开发工作 目前比较流行的软件开发工具平台有： 可视化编程工具 v i s u a lc + + 是一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作，支 持多任务多线程v i s u a lc + + 不仅是c h 语言的集成开发环境，而且与w i n 3 2 紧 密相连，所以，利用v i s u a lc + + 开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从 底层软件直到上层直接面向用户的软件都可以用v i s u a lc + + 来完成开发。 l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w s o i 是一个完全的标准c 开发环境，用予开发虚拟仪器应用系 统。具有以下主要特点： 基于a n s ic ，不用学复杂的c + + 即可实现w i n d o w s9 x n t 下的编程； 同标准c c + + 兼容，可实现3 2 位用户库、目标模块、d l l 的相互调用； 可直接生成3 2 位d l l ，生成的d l l 也可被l a b v l l 阴直接调用： 提供简单的拖放式用户界面编辑器以及自动代码生成工具，使得编程、调 试轻松自如； 提供丰富的数值分析、数字信号处理函数库； 提供g p i b 、v x i ，、r s 2 3 2 、数据采集板卡以及网络连接功能； 可免费获得数百种源码组g p i b 、v x i 、l c s 2 3 2 仪器驱动程序。 l a b v l e 霄 m 公司的虚拟仪器开发平台l 丑b v m w 作为目前国际上唯一的编译型图形化 编程语言，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择 功能( 图形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起来的简单图形编程方式。l a b v i e w 中编写的方框图程序，很接近程序流程图。只要把程序流程框图画好，程序也就 差不多编好了 同传统的编程语言相比，采用l a b v i e w 图形编程方式可以节省大约8 0 的 程序开发时间，而运行速度却几乎不受影响。 除了具备其他语言所提供的常规函数功能外，l a b v i e w 中还集成了大量的 生成图形界面的模板，丰富实用的数值分析，数字信号处理功能以及多种硬件设 备驱动程序( 包括r s 2 3 2 、g p i b 、v x i 、数据采集板卡、网络等) 。另外，免费 提供的几十家仪器厂商的数百种源码级仪器驱动程序，可为用户开发仪器控制系 统时节省大量的编程时间开销。如表3 - 1 所示，为各类软件编程特点的比较。 软件特点 m i c r c 6 0 f tv i s u a lc h 易学，易用，面向对象可视化编程软件l 圈形控件能生 b o r l a n dc + + b u i l d e r 成复杂的多窗口界面而不必编写复杂代码；可创建自己 b o r l a n db e l p h i 的a c t i v e 控件，多线程 不必编写代码就可以进行数据采集分析i 提供数据、处 h e w l e t t p k e t 肝v e e 理控制；提供测量过程和侧试报告 具有用于数据采集、仪器、同络和分析的完全集成化的 库的固形化环境l 可变易性能强lw i n9 x s t ，0 6 、 n a t i o n mi n s t r l m e n t s s u n ，咿1 勰和并行p o w e r m a x 中应用，其有交叉平台兼 l a h v i e - 容性t 用于g u i 的拖拉用户界面编程器；用于快速样机 l a b | i n d o w s c v i 开发的代码生成工具和内部编译嚣：用于g p i b v j 口 串行、o q 、t c p 和用户控钼界面的集成库 表3 - 1 各种开发环境的特点 这些软件工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与 良好的开发环境。本论文选择l a b v i e w 图形化编程语言作为应用程序设计的开 发软件。 1 9 3 4 与传统仪表的比较 ? 概括地说，虚拟仪器与传统仪器仪表比较有以下特点： 软件为核心。一旦虚拟仪器的硬件确定，它的测量功能主要由内部软件而 决定，规模可通过软件的修改而增减 灵活方便，用户自己定义。虚拟仪器打破了传统仪器由厂家定义，用户无 法更改的模式，虚拟仪器技术给用户一个自由发挥才能的天地，用户可根据自己