（电力电子与电力传动专业论文）abs动态模拟实验台的系统设计.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 s y s t e md e s i g nb a s e d o na b s d y n a m i cs i m u l a t i o n t e s ts t a n d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r y ，p e o p l eb e g a nt op a ya t t e n t i o n t ot h ei s s u eo ft r a f f i cs e c u r i t y t h ei n c r e a s i n gs p e e do fm o t o rv e h i c l en e e d s h i g h e rr e q u i r e m e n to fb r e a k i n gs y s t e ma n df o l l o w e db yq u e s t i o no fh o w t oc h e c k a n dm e a s u r et h el a r g en u m b e ro fa b sc o n t r o l l e ri no r d e rt om a k et h e mw o r kw e l l a t p r e s e n t ，a l lt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yi sf a c e dw i t ht h i sp r o b l e m ak i n do fa b sd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts t a n db a s e do nd e t a i l e dm a r k e t r e s e a r c ha n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fa b sc o n t r o l l e rr e f e r st ot h i sd i s s e r t a t i o n t h e d y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts t a n dc a np r o v i d eam o r er e a l i s t i cw o r k i n gc o n d i t i o na n d d ot h e i rj o bf o rd y n a m i ce x p e r i m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ea b ss y s t e m ， t h ee x i s t i n gt e s tm e t h o d sa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s p o w e ri sf r o m t h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r , w em a k et h ef l y w h e e l m o m e n to fi n e r t i a e q u a lt ot h em o t o rv e h i c l e s m o m e n to fi n e r t i aa n de x h i b i t s t h em o v e m e n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw h e e la n dr o a ds u r f a c ed u r i n gb r a k i n gp r o c e s sb yt h ea c t i v e r o t o ra n dd r i v e nr o t o ro ft h em a g n e t i cp a r t i c l ec l u t c h t h es i g n a la c q u i s i t i o nu n i t i n c l u d e st o r q u es e n s o r w h e e ls p e e ds e n s o ra n dl i q u i dp r e s s u r et r a n s m i t t e rm a k e t h et e s tm o r ec o n v e n i e n t w ed e v e l o p e da na b sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mu n i t sb y u s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dd e v e l o p m e n tt o o l sd e l p h it om a k et h ee x p e r i m e n t e r s l e a r nm o r ei n t u i t i v ea b o u tt h ee q u i p m e n t ss t a t u s w eg i v ead e t a i l e df r a m e w o r k f o rs t r u c t u r a ld e s i g na n da n a l y z e dt h ed i f f i c u l t i e si np r o c e s so fe q u i p m e n t i n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n ga n dc o m eu pw i t hs o l u t i o n s w em a s t e r e daw a yf o r a b sc o n t r o l l e rt ow o r ko u to ft h em o t o rv e h i c l ei n d e p e n d e n t l yd u r i n gt h e d e b u g g i n gp r o c e s s w ed e s i g n e d t h ea b sc o n t r o l l e ri no r d e rt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h et e s ts t a n d t h eb r a k ew h e e lc y l i n d e rp r e s s u r ed e t e c t i o ns h o w e d t h a tt h es i g n a lc a nb er e c e i v e db yt h ea b sc o n t r o l l e r t h u sc o m p l e t e da f e a s i b i l i t yd e m o n s t r a t i o ne x p e r i m e n to nt h ed y n a m i c s i m u l a t i o nt e s ts t a n d 1 1 哈尔滨理工人学工学硕b 学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fa b sd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts t a n dc a nm a k et h e p r o c e s so ft e s tm o r ec o n v e n i e n ta n dm a k et h ec y c l eo ft h et e s ts h o r t k e y w o r d sa n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，t e s ts t a n d ，d y n a m i c s i m u l a t i o n ， s t r u c t u r ed e s i g n ，d a t aa c q u i s i t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文a b s 动态模拟实验台的系统 设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 闻茹日期：劫矽年中月夥日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 a b s 动态模拟实验台的系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 同洲 刷噬氆缈 日期：沙罗年中月? 日 日期毋呷年争月钿 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 1 1 选题的目的和意义 第1 章绪论 随着我国汽车工业的迅猛发展，人们日益重视道路交通安全问题，车速的 提高对车辆制动系统提出了更高的要求，随之而来的问题就是如何对数量庞大 的a b s ( a n t i 1 0 c kb r a k i n gs y s t e m ) 的工作性能进行检测，以确保其发挥应有的 作用，这也是目前国内的汽车检测行业所面临的一道难题。 目前装有a b s 装置的汽车，测试制动性能很多都采用路试，道路试验需 要建造a b s 性能检测专用跑道，a b s 性能检测专用跑道投资大，而且每次对 a b s 性能进行测试前，都需要对试验路段进行仔细清理，准备试验的时间长、 试验费用高，而且道路试验过程存在一定风险，并只能凭借驾驶员的感觉来判 断a b s 的工作是否正常。随着汽车市场对a b s 需求的增加，为实现快速、有 效、经济地对a b s 性能进行检测，a b s 生产商迫切需要采用室内台架来对汽 车a b s 性能进行试验研刭。 本文所提出的a b s 检测方法是用模拟装置运动代替车辆运动向a b s 控制 器发送轮速信号，同时可根据实验需要任意改变车轮与地面间的摩擦，以适应 不同路况，通过检测四轮轮速在同一时刻是否一致来判断a b s 是否工作正 常。 本课题是集“机、电、气”于_ 二体的新产品开发项目，其目的是根据国家有 关a b s 性能标准要求，在深入研究汽车a b s 室内台架试验方法的基础上，研 制出能够对a b s 装置的性能进行动态检测和评价的实验台及其配套测试分析 系统。该实验台能够全面模拟出汽车在真实路面上进行制动时的动态过程，测 试出汽车的各个车轮在路面附着系数不同时a b s 的工作状态，从而全面检测 出a b s 装置在各种情况下的性能，并进行综合评价。a b s 动态模拟实验台的 研制成功，可以有效地解决利用台架对a b s 装置性能进行检测这一困扰我国 汽车检测行业多年的技术难题，可以适应控制器生产厂商、汽车电子研究所今 后发展需要，形象直观地展现汽车a b s 系统的结构、工作原理及参数检测方 法，将有助于对a b s 控制理论的掌握、对a b s 算法的深入研究、提高实验的 安全性、降低试验费用、缩短研发周期。该研究的开展与应用，具有较大的社 会价值及现实意义。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 1 2 汽车制动系统的发展概况 为了使汽车在行驶过程中以适当的减速度降低车速直至停车，保证汽车行 驶安全，汽车上均装有行车制动器。汽车事故往往与制动距离过长、紧急制动 时发生跑偏、侧滑等情况有关，因此汽车制动性能是汽车安全行驶的重要保 障。 人们对汽车制动时方向失稳现象及其产生原因的认识是逐步加深的。在路 面车辆诞生初期，汽车前轮上几乎不装制动器，制动器仅安装在后轮上。主要 原因有以下两点：一是当时车辆的行驶速度低，二是为了防止前轮因制动抱死 而失去转向能力，这一点也是最主要的。其间虽然注意到后轮抱死时会造成汽 车侧滑，但总的来说比前轮丧失转向能力要好些。随着汽车质量( 载荷) 和车速 的增加，仅靠后轮制动不足以获得足够的制动力，才致使在前轮上也安装了制 动器。但仅仅是作为后轮制动的补充，而且不允许前轮先于后轮抱死。渐渐 地，人们认识到应根据静态轴荷的分配比例来分配前后轮的制动力。后来，又 认识到制动时轴荷具有动态转移的特性，即前轮要增重，后轮要减重。后轮先 抱死更容易造成汽车特别是铰接汽车( 如半挂拖车机组) 的方向失控。从而着手 开始研制能够限制后轮制动力矩的装置，由此诞生了限压阀、比例阀、惯性 阀、感载比例阀等装置。这些前后制动力分配和调解装置目前已广泛应用于各 种汽车的制动管路中【2 l 。 随着前后轮制动力分配技术的发展，提高路面车辆制动性能的其它技术也 在发展。例如汽车的液压制动技术、钳盘式制动技术、双管路制动系统、真空 伺服制动装置等技术也都得到了应用和推广。 然而这些技术的应用，并不能够完全解决车轮制动时的抱死问题。这是因 为这些技术通通是开环制动系统，其特点是制动器制动力矩的大小仅与驾驶员 的操纵力、制动力的分配调节以及制动器的尺寸和结构型式有关。由于没有车 轮运动状态的反馈信号，无法感知制动过程中车轮的运动状态，因此也就不能 据此调节轮缸或气室制动压力的大小。这样在紧急制动时，不可避免地出现车 轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地面的侧向附着性很差，所能提 供的侧向附着力很小，当汽车受到很小的干扰外力作用时就会出现方向失稳现 象，容易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上制动时，这种失稳现象更是 经常发生。 制动防抱死系统a b s 的出现成功解决了这一问题。a b s 能够在汽车制动 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 过程中，自动调节制动压力大小，防止车轮抱死，以获得最佳制动性能，包括 最佳方向稳定性，正常转向能力和最i j , n 动距离【引。 1 3 国内外a b s 检测技术的研究现状 世界汽车工业迅猛发展的同时，人们对于汽车的安全性能的关注日益提 高，a b s 系统的装车率也随着汽车工业的发展及其自身技术的进步逐年提高。 是否装有a b s 装置，已经成为评价车辆性能的一个重要依据【4 】。自9 0 年代开 始，一些知名汽车公司( 如通用、奔驰、宝马等) 己在其生产的轿车上1 0 0 的安 装了防抱死制动系统。到9 0 年代末，美、日、欧等发达国家及地区基本上每 一辆新生产的汽车都装有a b s 。近年来，a b s 在我国也得到快速推广和应 用，如一汽大众、二汽富康、上汽通用、奇瑞、重庆长安、陕西汉江等汽车生 产厂家，均早己在其生产的汽车上加装了a b s 。机械工业部在“九五期间重点 发展的6 0 种零部件及被推荐的生产企业”目录中，将制动系统的防抱死装置和 防滑装置列在第二项( 第一项是汽油机电控系统) ，且该项是仅有的三项无被推 荐的生产企业的产品之一。由此，我国的a b s 产品开始进入重点发展时期。 随着a b s 装置的快速发展和广泛应用，如何对其工作性能进行全面的检测就 显得越来越重要。 我国从8 0 年代以来就开始实施对在用汽车的整车性能进行定期强制性检 测，9 0 年代以来开始要求汽车制造业进行整车出厂性能的全面综合检测。为 此，在国内的公安、交通及汽车制造部门分别建立了大量的汽车安全性能、综 合性能以及出厂质量检测线。在这些检测线中，对汽车的制动性能检测是最为 主要的检测项目。虽然经过了2 0 多年的发展，目前在国内各种汽车检测线 中，对汽车制动性能的检测方法，仍然都是利用反力式制动实验台来测试汽车 的最大制动力、制动协调时间、驻车制动力、制动拖滞力等参数以评价汽车的 制动性能【5 1 。但是，对于目前大量的安装有a b s 的车辆，这些参数的测量根本 不能反映其实际的制动效果。因为装有a b s 的汽车，其制动过程与未安装 a b s 的汽车有较大区别。装有a b s 的汽车在进行制动时，其制动力上升到一 定程度后，a b s 装置开始自动调节制动缸的制动压力，使车轮始终保持在一定 的滑移率范围内，从而获得最大地面制动力。在这一过程中，制动缸中的液压 处于不停的变化之中，汽车车轮的减速度也随之不断变化。反力式制动实验台 只能对未安装a b s 的车辆进行制动性能检测，其滚筒转速较低，制动测试时 的车速较低，如果对装有a b s 的车辆进行制动性能检测，在此低速下a b s 根 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 本不可能工作，同时轮胎与滚筒之间的附着系数也是一个固定值，不能测试在 路面附着系数发生变化时a b s 的工作性能【6 1 。 目前国内一些研究院及大专院校的相关研究部门虽然针对该问题在理论上 进行了一些探讨，但还没有真正地进行相关设备的研究与开发。国外像日本弥 荣以及德国的少数企业虽然已生产出成套的a b s 检测台，但其检测台在进行 多种路面制动效能模拟试验时，需要对检测台进行改装，延长了检测周期并且 价格昂贵，像日本弥荣生产的实验台每套约合人民币4 0 0 万元，显然不适合中 国国情川。目前国内对a b s 实验台架的研究，多是利用计算机对其中的某些部 分进行仿真，并不能如实反应a b s 系统在汽车制动时的控制情况。现阶段对 a b s 检测台的理论研究方法大体类似，主要在模拟汽车的平动惯量和路面的附 着系数变化上有一些区别，具体提出了三种方式： 1 以飞轮组的转动惯量模拟汽车的平动惯量，采用补偿电惯量的方案实 现连续模拟；通过专门的控制电路及模拟施加不同的车轮制动力实现对道路附 着系数的有效模拟。 2 直接用电机驱动汽车车轮，采用自藕变压器来调整电机工作电压，从 而调整电机与车轮转速来模拟不同车速；通过调节传动中皮带的松紧来调整摩 擦力的大小，以模拟汽车在不同附着系数路面上的制动情况。 3 以飞轮组的转动惯量模拟汽车的平动惯量，通过调节变频调速电机输 入电流的频率实现连续模拟；用扭矩控制器控制滚筒实现对道路附着系数的有 效模拟【8 】。 初步调查表明，目前国内还没有真正实现汽车a b s 实验台及测试分析系 统的产品化，也没有相关的专利问世。而随着对车辆制动性能检测要求的提 高，实现a b s 性能的台架检测日益重要。所以，国内急需开发出一种价格适 中、功能齐全、测试精度较高，并且完全拥有自主知识产权的检测设备，以满 足国内整个汽车检测行业的需要。 1 4 相关领域的研究进展及局限性 目前，国内外汽车a b s 实验台按检测时支撑受检车轮方式可分为两种： 一种为滚筒式实验台，另一种为平板式实验台。而根据实验台检测制动性的原 理，可将制动台分为惯性式实验台和反力式实验台两类【9 1 0 l 。 平板式制动实验台是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的，由测试平板、数据 采集等系统构成，集侧滑、悬架效能、轴重和制动性能测试为一体的汽车检测 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 设备。检测时，被检车辆以一定的车速驶上测试平板，操作员根据显示信号踩 下制动踏板，车轮制动器产生的制动力使车轮在平板上附加一个与车轮制动力 大小相等、方向相反的作用力，推动平板沿纵向位移，经拉力传感器( 水平方 向的力传感器) 就测出车轮的制动力，并由显示、打印装置输出检测结果。 从检测原理上来看，平板式制动实验台属于惯性式平板台，惯性式平板台 是当前平板制动实验台市场上的主流产品，通常所说的平板台就是指它。它是 在汽车行驶制动状态下利用汽车惯性检测制动力，是动态的检测，只要保证力 传感器能准确无误地把测试平板上受到的水平制动力与垂直力测量下来，就可 以如实地把汽车制动过程( 力系及变化) 检测出来。平板式制动实验台在理论上 的优势已经得到一致公认。 但平板式实验台也有其致命的弱点：在实际检测过程中，制动初速度及制 动踏板力不易控制，测试工况不稳定，重复性差；检测技术尚不成熟，定量分 析技术仍未完全解决，传感技术和计算机处理技术要求很高，有待电子技术应 用的进一步提高；不能测试车轴的阻滞力、失圆度，而且适用车型较少，不容 易对轴距变化大的汽车作四轮同时检测，且测试货车后轴的制动性能也不够理 想，多轴车不能测试；不能检测a b s 系统的性能，因为a b s 起作用的车速一 般在1 0k m h 以上，车速低于1 0 k m h 时，a b s 将停止作用。 滚筒式制动实验台分为反力式滚筒制动实验台和惯性式滚筒制动实验台。 反力式滚筒制动实验台是最普通的检测设备。检测时，汽车车轮停驻在滚筒 上，由电机通过减速器驱动滚筒，滚筒带动车轮，达到预定检测速度后，驾驶 员急踩制动踏板制动车轮，电机仍继续驱动滚筒转动，向车轮施加一个与制动 力矩方向相反的转矩，直至受检车轮停止转动，滚筒相对车轮滑转时，电机才 停止转动，截断滚筒的驱动力。测力杠杆将制动力传递给测力传感器，此时， 测力传感器测得的力值就是该检测条件下的车轮最大制动力。这种借助滚筒向 制动车轮施加一反力矩检测制动力的方法就是反力式检测。 使用反力式滚筒制动台检测时，汽车不动，只是滚筒带动车轮转动，是一 种静态检测，不能检测汽车动态制动状况( 轴荷转移) 下的制动力。检测车速较 低，一般在5k m h 以下，而且只有一个固定的车速。由于速度太低，反力式 滚筒制动台也不适合用于检测a b s 系统的性能。 惯性式滚筒制动检验台是模拟道路行驶动能检测车辆制动性能的装置。汽 车在惯性式滚筒制动检验台上检测制动性，与在反力式滚筒制动台上一样，汽 车对地面无相对运动，也是一种静态检测。 惯性式滚筒实验台的转速比反力式滚筒实验台的转速高得多，滚筒线速度 哈尔滨理工大学t 学硕f ：e p 位论文 一般都大于4 0k m h ，适合a b s 的检测要求。因为汽车制动过程是在持续制动 阶段才出现车轮抱死滑移现象，低速运行汽车急制动的制动过程很短，制动力 一旦达到峰值汽车就停住了，没有持续制动阶段。要评定a b s 防抱死系统的 状况，需要采用高车速工况检测，以使受检汽车经制动阶段后才停住，以创造 防抱死系统发挥作用的条俐1 1 1 。 台架测试法检验制动性能的优点是迅速、准确、安全，不受外界条件的限 制，重复性较好，能测得各车轮的制动全过程( 制动力随时间增长的过程) 。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、制动协调时间等参 数，给故障诊断提供可靠依据。 1 5 本课题的来源及主要研究内容 本课题为哈尔滨市科委攻关项目。 本文在详细分析汽车防抱死制动系统的结构及工作原理的基础上，讨论 a b s 系统的检测方法，提出台架检测理论，完成实验台的系统设计。 论文要完成以下几个方面的工作。 1 设计a b s 控制器； 2 提出a b s 动态模拟实验台的初步方案及改进方案； 3 主要部件的选择及总装图的绘制； 4 实验台机械部件和电路搭建； 5 针对a b s 控制器进行现场调试工作； 6 安装调试过程中遇到的困难及解决方案； 7 实验台数据采集系统的编写。 哈尔滨理工火学工学硕士学位论文 第2 章a b s 的工作原理及a b s 控制器的设计 2 1 汽车防抱死制动系统的组成 a b s 液压控制总成是在普通制动系统的液压装置基础上加装a b s 制动压 力调节器而形成的。 普通制动系统的液压装置一般包括制动助力器、双腔式制动主缸、储液 室、制动轮缸和双液压管路等。除了普通制动系统的液压部件外，a b s 制动压 力调节器通常由电动泵、储能器、电磁控制阀和一些控制开关等组成。实质 上，a b s 系统就是通过电磁控制阀控制轮缸上的油压迅速变大或变小，从而实 现了防抱死制动功能。a b s 系统如图2 1 所示l 埘。 图2 - 1 a b s 系统框图 f i g 2 - 1a b ss y s t e mc h a r t 1 电动泵电动泵是一个高压泵，它可在短时间内将制动液加压到( 在储 能器中) 1 5 - 1 8m p a ，并给整个液压系统提供高压制动液。电动泵能在汽车起 动一分钟内完成上述工作。电动泵的工作独立于a b s 电脑，如果电脑出现故 障或接线有问题，电动泵仍能正常工作。 2 储能器储能器的结构形式多种多样。用得较多的为活塞弹簧式储能 器，该储能器位于电磁阀与回油泵之间，由轮缸来的制动液进入储能器，进而 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 压缩弹簧使储能器液压腔体容积变大，以暂时储存制动液。 3 电磁控制阀电磁控制阀是液压调节器的重要部件，由它完成对a b s 的控制。a b s 系统中都有一个或两个电磁阀体，其中有若干对电磁控制阀， 分别控制前、后轮的制动。常用的电磁阀有三位三通阀和二位二通阀等多种形 式。 4 压力控制、压力警告和液位指示开关压力控制开关( p c s ) 独立于a b s 电脑而工作，监视着储能器下腔的压力。压力报警开关( p w s ) 和液位指示开关 ( e l 0 的功能是，当压力下降到一定值( 1 4m p a 以下) 时或制动液面下降到一定程 度时，点亮制动系统故障指示灯和a b s 故障指示灯，同时让a b s 控制器停止 防抱死制动工作 1 3 - 1 5 l 。 2 2 防抱死制动系统的工作原理 在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判 定有车轮趋于抱死时，a b s 就进入防抱制动压力调节过程。例如，电子控制装 置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮制动压力的进液电磁 阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右 前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍未通电而处于关闭状态，右前制动轮缸 中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的制动压力就保持一定，而其它未趋于 抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；如果在右前制动 轮缸的制动压力保持一定时，电子控制装置判定右前轮仍然趋于抱死，电子控 制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制 动液就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动 压力迅速减小，右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前制动轮缸制动压力的 减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速；当电子控制装置根据车轮转 速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制装置就 会使右前进液电磁阀和出液电磁阀断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液 电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸输送制动液，由 制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压 力迅速增大，右前轮又开始减速转动。 a b s 通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复将趋于抱死车轮的滑移率控 制在峰值附着系数的附近，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力 不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达4 1 0h z 。在a b s 哈尔滨理工大学t 学硕f 二学位论文 中对应于每个制动轮缸各有一对进液电磁阀和出液电磁阀，可由电子控制装置 分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个 车轮都不发生制动抱死现象f 1 6 1 。 2 3 防抱死制动系统的控制方式 2 3 1 双参数控制 双参数控制的a b s ，由车速传感器( 测速雷达) 、轮速传感器、电子控制单 元0 e c u ) 和执行机构组成。 其工作原理是将车速和轮速信号输入e c u ，由e c u 计算出实际滑移率， 并与理想滑移率1 5 一2 5 作比较，再通过电磁阀增减制动器的制动力。 这种车速传感器常用多普勒测速雷达。当汽车行驶时，多普勒雷达天线不 断向地面发射一定频率电磁波，同时又接收反射回来的电磁波，测量汽车雷达 发射与接收的差值，便可以准确计算出汽车车速。而轮速传感器装在变速器外 壳，由变速器输出轴驱动，所产生的频率与轮速成正比。 这种a b s 可保证滑移率的理想控制，防抱制动性能好，但由于增加了一 个测速雷达，因此结构较复杂，成本也较高。 2 3 2 单参数控制 它以控制车轮的角减速度为对象，控制车轮的制动力，实现防抱死过程， 其结构主要由轮速传感器、电子控制单元( e c u ) 及电磁阀组成。为了准确无误 地测量轮速，传感器与车轮齿圈间的间隙应减小到1m m 。 电磁阀用于调节车轮制动器的压力。在电磁阀不工作时，制动主缸接口和 各制动分缸接口直通。由于主弹簧强度大，使进液阀开启，制动器压力增加。 当车轮制动轮缸中的压力增长到一定值时，进液阀关闭。支架就保持在中间状 态，三个孔间相互密封，保持制动压力。当电磁阀工作时，支架克服两个弹簧 的弹力，打开出液阀降低制动轮缸压力。压力一旦降低，电磁阀就转换到压力 保持状态，或升压的准备状态。 e c u 的主要任务是把轮速传感器传回来的信号进行放大、计算、分析和判 别，再由输出级将指令信号输出到电磁阀，去执行制动压力调节任务。电子控 制装置，由四大部分组成，输入级a 、控制器b 、输出级c ，稳压与保护装置 d 。电子控制器以4 1 0h z 的频率驱动电磁阀，这是驾驶员无法做到的。这种 哈尔滨理丁大学工学硕十学位论文 单参数控制方式的a b s ，由于结构简单、成本低，故目前使用较广1 1 7 1 。 2 4a b s 控制器的设计 在了解控制器原理的基础上，为配合实验台的开发，我们自主设计了 a b s 控制器，控制方式采取单参数控制。以i n f i n e o n 公司的x c l “c s 作为控 制核心，辅以外围电路，完成了防抱死系统的硬件控制电路设计，其中针对防 抱死系统的功率执行器件的工作特点，设计的驱动部分电路灵活运用了高集成 度的智能功率驱动模块b t s 6 5 1 0 、m c 3 3 3 8 5 ，使得驱动电路简单、经济、可 靠。整体硬件系统具有宽范围、高精度的轮速采集处理功能以及可靠的液压调 节能力，满足了防抱死控制器的硬件设计要求。针对硬件电路，编写了测试软 件，算法采用世界上最先进的逻辑门限值算法，以参考车速、轮加速、轮减 速、加速度上限值、滑移率上限值、滑移率下限值作为算法的基础，通过上述 参数之间的相互关系调节制动压力的大小，使滑移率在车轮峰值附着系数附近 波动，从而获得较大的车轮纵向附着力和横向附着力，使车辆同时具有较短的 制动距离和制动稳定性。该软件采用模块化编程的方法，增强了程序的可移植 性和灵活性，此软件的设计为整个控制器的实际应用奠定基础。 2 4 1 主控电路的整体设计 a b s 控制器主要由制动信号输入、钥匙门信号输入、轮速采集模块、主控 c p u 、驱动控制模块和外部通讯模块组成【培1 。硬件结构如图2 2 所示。 l 左前轮轮速信号 h 左前篙銎篙阀和l 轮速信号 + 调理电路 i 右前轮轮速信号 一右前篙茉篙阀和l 轮速信号 - 嬲卜 一左后篙未篙阀和 调理电路 i 左后轮k 轮速信号 l 轮速信号l 调理电路 x c l 6 4 l 左后轮 i 轮速信号 c s 一右后篆最焉阀和 i 轮速信号r调理电路 制动信号 驱动 厂1 刁也仉 一l 泵电机l i 石由甘， 钥匙fj 信号 c a n 总线l 电路 i 图2 - 2 基于x c l 6 4 c s 的硬件控制系统框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a mo fh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nx c l 6 4 c s 哈尔滨理工大学t 学硕二l ：学位论文 2 4 2 泵电机控制电路的设计 我们选用的是i n f i n e o n 公司的b t s 6 5 1 0 ，它是一款高端大电流功率开关芯 片，泵电机所需驱动电流为8 4a ，而b t s 6 5 1 0 的最大负载电流可达7 0a 。另 外这款芯片适合于控制浪涌电流较大的电机负载，并且具有电源反接保护，限 流功能、负载电流反馈诊断功能以及过温、短路保护等功能。芯片发热量低， 散热相对容易。泵电机驱动电路如图2 3 所示。 u 1 1 m g l 2 v m 甚毒二干哥刮1 1 厂 8 = ：c 2 l o l r r 一 酗i v l d t o r 0 u t 卜二一 l 矾 d 1 2 图2 3 泵电机驱动原理图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fm o t o rd r i v e 2 4 3 电磁阀驱动控制电路的设计 通常，制动压力调节器串联在制动主缸与轮缸之间，通过电磁阀直接调节 轮缸的制动压力。我们采用的调压方式为回流泵式调压。工作原理如图2 4 所 示，制动液在主缸和轮缸之间交换，实现调节作用。 单向 图2 - 4 回流泵式调压方式 f i g 2 - 4r e f l u xp u m pa d j u s tp r e s s u r e 哈尔滨理工人学工学硕一 ：学位论文 由于电磁阀要实现的是出液阀( 通电关闭、断电- 开启) 、进液阀( 通电开 启、断电- 关闭) 两种状态【1 9 i ，因此总体方案采用一片高端开关进行总体控制， 选用8 路低端开关进行分别控制，电磁阀控制方案如图2 5 所示。 图2 - 5 电磁阀控制方案示意图 f i g 2 - 5d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l 我们仍选用b t s 6 5 1 0 作为8 路电磁阀的高端驱动芯片，选用m c 3 3 3 8 5 作 为电磁阀的低端驱动芯片。m c 3 3 3 8 5 是一款保护全面的四路低端开关，它可 以与微控制器x c l 6 4 c s 直接接口。电磁阀控制电路如图2 6 所示。 立 图2 - 6 电磁阀控制原理图 f i g 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 最终的整体驱动电路控制板如图2 7 所示，考虑到实验的方便性，电路板 的规格完全与大众公司的a b s 控制电路一致，可直接将电路板安装在电磁阀 装置背板上进行实验。 图2 7 驱动电路扳 f i g 2 - 7 d r i v e c i r c u i tb o a r d 2 4 4 控制器主程序设计 成熟的防抱死控制产品采用逻辑门限值控制方法。其基本的原理是根据设 定的车轮加减速度、车轮减速度，加速度上限值、参考车速、参考滑移率及滑 移率上限值和滑移率下限值，调节轮缸制动压力的大小，防止车轮抱死。防抱 死制动系统最根本的目的就是要将滑移率控制在车轮峰值附着系数附近，从而 获得较大的车轮纵向附着力和横向附着力，使车辆同时具有较短的制动距离和 较强的制动稳定性。本软件设计中采用的控制方法就是基于逻辑门限值的控制 方法。 根据前文的理论分析，以及对相关资料的查阅，设计了一套基于逻辑门限 值的控制算法，系统主程序流程图如图2 8 所示。 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 图2 8 系统主程序软件流程图 f i g 2 8f l o w c h a r to fm a i np r o g r a m 1 4 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 2 5 本章小结 本章讨论了a b s 的组成、工作原理及控制方式，细致的分析了a b s 的整 个工作过程，以面向汽车电子控制的x c l 6 4 c s 单片机作为主控单元，设计了 轮速传感器输入电路、a b s 主控电路、电磁阀和电机驱动电路，并对各部分电 路进行了分析和说明，从而为实验台的设计奠定了基础。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 第3 章实验台的机械结构及部件选用 3 1 实验台方案设计 3 1 1 实验台的初步构思 动态模拟实验台单轮结构的初步构思如图3 - 1 所示。 制动盘 图3 1 实验台关键部分结构连接简图 f i g 3 1t h es t r u c t u r a ls k e t c ho fi n e r t i ad y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts t a n do fs i n g l ew h e e l 图3 - 2 实验台整体结构连接简图 f i g 3 - 2t h e s t r u c t u r eo fd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts t a n do ff o u rw h e e l s 整个装置需要对四个车轮同时进行模拟实验，且采用四通道控制，此外还 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 需要对电机电压和磁粉离合器电流进行控制，以模拟不同车速不同路面时a b s 的动作情况。a b s 实验台初步总体布局如图3 - 2 所示。 3 1 2 单轮结构的三维立体图设计 为了让全课题组的设计人员更加直观的了解实验台的各个部分构造，我们 用u g 画图软件绘制出实验台的三维立体图。u g 软件对于学习电气的人来说 还很陌生，但其在航天、汽车、通用机械、工业设备、以及其他高科技领域得 到广泛应用，其特点如下： 1 、具有良好的用户界面，绝大多数操作都可用鼠标完成，进行对象操作 时，具有自动推理功能，每部操作都有相应的提示信息。 引入复合建模的概念，将实体建模、曲线建模、线框建模和参数化建 模的概念融为一体。 3 ) 用基于特征( 孔、凸台、槽沟等) 的建模与编辑方法作为实体造型的基 础，形象直观。 具有统一的数据库，真正实现c a d 、c a m 、c a e 等模块之间的自由切 换。 5 ) 出图功能强大。可以方便的从三维实体建模直接生成二维工程图。能 根据i s o 标准和国家标准标注尺寸、形位公差和汉字说明，增强了绘制工程图 的实用性p 0 】。 根据实际结构尺寸汇出了三维立体结构图，如图3 - 3 所示。 图3 - 3 实验台三维结构图 f i g 3 - 3 t h es t r u c t u r eo f t h t e e d i m e n s i o n a ld y n a m i cs i m u l a t i o n l e s ts t a n d 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 3 1 3 实验台的构造原理 该实验台的构造原理是：利用电机带动飞轮旋转到一定转速，用飞轮旋转 时的转动惯量来模拟车身在此速度下的平动动能，飞轮一侧通过联轴器与扭矩 传感器相连，扭矩传感器可以同时对车速和扭矩进行测量，在制动前转速与车 速相同，也与轮速相同，当踩动制动踏板开始制动动作同时磁粉离合器处于激 磁状态时，轮速与车速不再相等，此时通过安装在制动盘上的轮速传感器来测 量轮速。当制动盘处于抱死状态时，通过电子控制单元对压力调节器进行控 制，进而控制制动力的大小，从而检验电控单元的性能。 图3 4 实验台平面结构图 f i g 3 - 4t h ei c h n o g r a p h yo fd y n a m i cs i m u l a t i o nt e s ts t a n d 我们曾将最初的构思应用到实际中，搭建出单轮实验台部分，实际尺寸如 图3 4 所示( 单位：r a m ) 。但在测试中发现了诸多弊病。首先，用四台电机给实 哈尔滨理工人学t 学硕j ：学位论文 验台提供动力，无法保证四个飞轮的速度完全一致，也就无法模拟车辆在a b s 工作之前的状态；其次，由于某些硬件的指标不能达到标准而产生了附加的摩 擦和噪声，实验表明，当电机转速上升到9 0 0r m i n ，噪声现象已十分严重。 3 1 4 实验台的结构改进 通过课题组的讨论以及在机械方面专家提供的帮助下，我们对实验台的整 体结构做出了几点改动。 1 _ ) 对飞轮进行了重新设计，在铸造方面采取了去应力热处理工艺，如图 3 5 所示。将铸造好的飞轮在5 小时内升高到5 5 0 ，高温保持3 小时，然后 以1 4 0 h 的速度缓慢冷却到常温。在没有采用去应力热处理工艺之前，由于 台体本身的震动使飞轮外表面发生了轻微的弯曲，使得整体平衡发生了变化， 实验后期飞轮与固定轴之间发生了相对位置变化，这是在大惯量旋转物体上决 不能发生的。采用这种工艺不但严格确保了飞轮旋转时不会发生形变，还有效 的降低了噪声【2 。同时对飞轮进行精确的动平衡处理，使飞轮在1 5 0 0r m i n 的 速度下也能平稳的运行【2 2 1 。 p 刨 赠 5 5 0 时间l l 图3 5 去应力热处理工艺流程 f i g 3 - 5f l o wc h a r to ft h eh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fg e t t i n gr i do fs t r e s s 2 ) 将扭矩传感器轴与飞轮轴之间的联轴器更换为链条联轴器，以缩短飞 轮轴的长度，进而缩短整体底台的长度，节省设备空间，台体经改进后缩短长 度为2 0c l t i 。 3 ) 在飞轮轴承座两端加装固定螺母，防止轴承座受驱动力作用发生偏 移。 哈尔滨理工人学下学硕上学位论文 钔在整体装配过程中，先将底台位置固定，后将设备按照从飞轮侧向制 动装置侧的顺序摆放到底台上，用千分尺对各个轴的水平位置与垂直位置进行 校对，使轴与轴之间的相对位置偏差在1m m 以内，最后将设备从底台上撤 下，将底台整体焊接加固。由于焊接后的底台会发生不同程度的形变，所以磁 粉离合器两端的联轴器保持不变，这样可以利用联轴器中间的弹性环节加以调 整。 5 ) 四个飞轮采用一台电机作为动力源，飞轮与飞轮之间采用链条连接而 非皮带连接，使飞轮之间不会产生滑差，确保速度一致。 6 ) 全部设备安装完毕以后，在设备的周围加装防护板，并在联轴器与链 条的上方加装防护网，确保调试人员的安全。 经过以上改进，实验台单轮结构如图3 6 所示。图中可以看到在飞轮与扭 矩传感器之间安装了四个相同的