基于GMM的汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

初長(zhǎng)寶，賈興建，李松領(lǐng)

CHU Chang-bao1,2, JIA Xing-jian1,2, LI Song-ling1

（1.江西省精密驅(qū)動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099；2.南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330099）

0 引言

隨著人們對(duì)現(xiàn)代生活水平的要求日益提高，以及汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和城市道路設(shè)施的不斷完善，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚闹匾煌üぞ撸藗冊(cè)谙硎芷噹?lái)便捷、舒適的同時(shí)也對(duì)汽車的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)需要制動(dòng)主缸、比例分配閥、壓力調(diào)節(jié)裝置、管路等部件，不僅傳遞效率低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，還使整車重量增加，因此，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷、性能安全穩(wěn)定的現(xiàn)代汽車制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)顯得更加重要。近年來(lái)，隨著汽車電子技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展，線控技術(shù)已成功應(yīng)用于汽車領(lǐng)域[1]，汽車線控技術(shù)用電子線路取代傳統(tǒng)的機(jī)械、液壓或氣動(dòng)部件，大大降低系統(tǒng)部件的復(fù)雜性，使油耗和制造成本得到有效降低，提高不同工況下汽車的操縱性和駕駛舒適性，具有傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

本文以超磁致伸縮材料（簡(jiǎn)稱GMM）為驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)出了一種新型汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)的匹配性能及該線控制動(dòng)系統(tǒng)的整體性能。

1 基于GMM的線控制動(dòng)系統(tǒng)工作原理分析

由于GMM具有變形量大、輸出力大、能量密度大、響應(yīng)速度快、低電壓驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)[2]，目前已在多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。基于其多方面的優(yōu)良性能設(shè)計(jì)出了以GMM為驅(qū)動(dòng)源的新型汽車線控制動(dòng)系統(tǒng)。

基于GMM的線控制動(dòng)系統(tǒng)主要由車輪輪速傳感器、踏板傳感器、電子控制單元（ECU）、GMM執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源等部件組成。其系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于GMM的線控制動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)在執(zhí)行制動(dòng)操作時(shí)，首先通過(guò)踏板傳感器將駕駛員的制動(dòng)意圖轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將此信號(hào)傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧娮涌刂茊卧C合輪速傳感器、踏板傳感器及相關(guān)輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理，然后將控制信號(hào)反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，GMM執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊根據(jù)電流大小輸出所需制動(dòng)力，最終完成制動(dòng)操作。

2 線控制動(dòng)系統(tǒng)各部件的設(shè)計(jì)

2.1 制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使制動(dòng)系統(tǒng)盡可能的滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快、控制方便等現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的要求，該線控制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)采用杠桿原理，以GMM棒作為驅(qū)動(dòng)源，GMM棒在通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生軸向伸長(zhǎng)變化，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的杠桿放大原理使摩擦片側(cè)產(chǎn)生更大的位移變化，在摩擦片和制動(dòng)盤(pán)的相互作用下達(dá)到制動(dòng)目的，其結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖

圖3 GMM驅(qū)動(dòng)源實(shí)物圖

2.2 GMM驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)

磁致伸縮是鐵磁性晶體在外磁場(chǎng)中被磁化，其長(zhǎng)度尺寸及體積均發(fā)生變化的現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)采用的是甘肅天星稀土功能材料有限公司生產(chǎn)的Ф20×50mmGMM棒，線圈為0.8mm銅質(zhì)漆包線，為了減少磁路損耗，使磁動(dòng)勢(shì)盡可能多的加載在GMM棒上，線圈骨架采用鋁制材料，套筒采用鐵質(zhì)材料。其制作實(shí)物如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 Sepic電路設(shè)計(jì)

目前，汽車車載電源一般采用12V或24V的供電系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)綜合分析對(duì)比選擇了Sepic電路變換產(chǎn)生的電能為GMM驅(qū)動(dòng)源供電[3]，其電路圖如圖4所示。

圖4 Sepic電路原理圖

Sepic電路由可控開(kāi)關(guān)S、儲(chǔ)能電感L1和L2、二極管D、儲(chǔ)能電容C1、濾波電容C2、負(fù)載電阻R及控制電路等組成。電路基本原理為：當(dāng)開(kāi)關(guān)管S受控制電路的脈沖信號(hào)觸發(fā)而導(dǎo)通時(shí)，Vin-L1-S回路和C1-S-L2回路同時(shí)導(dǎo)通，電感L1和L2儲(chǔ)能；S處于斷態(tài)時(shí)，Vin-L1-C1-D-負(fù)載（R和C2）回路及L2-D-負(fù)載回路同時(shí)導(dǎo)通，此階段Vin和L1既向負(fù)載供電，同時(shí)也向C1充電，C1儲(chǔ)存的能量在S處于通態(tài)時(shí)向L2轉(zhuǎn)移。

本設(shè)計(jì)采用24V直流電源作為Sepic電路的供電系統(tǒng)，要求輸出電壓達(dá)到0～40V可調(diào)，輸出電流為0～5A。通過(guò)對(duì)Sepic電路各參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算[4]，電路中各元件參數(shù)值確定為：二極管選取快速關(guān)斷二極管MUR1560，電感L1=L2=283uH，電容C1=10uF、電解電容C2=400uF，開(kāi)關(guān)管選取IGBT H30T90。同時(shí)計(jì)算出占空比最大值為：αmax=0.6279。

Sepic電路的輸入電壓與輸出電壓關(guān)系為：

2.3.2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

要使Sepic電路的輸出電壓在負(fù)載允許的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，需設(shè)計(jì)控制電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)管IGBT的通斷，本控制系統(tǒng)采用Atmel公司的8位MCU Atmega8L芯片作為控制核心。該單片機(jī)最高工作頻率可達(dá)到8MHz，其完全能夠滿足控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)要求。制動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，將踏板傳感器及車輪輪速傳感器的電信號(hào)傳輸?shù)組EGA8中，單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)，通過(guò)改變脈沖寬度調(diào)制器（PWM）的占空比來(lái)控制Sepic電路輸出相應(yīng)的電壓值，使GMM線圈獲得相適應(yīng)的電流，實(shí)現(xiàn)車輪制動(dòng)的目的。

控制系統(tǒng)還包含其他相關(guān)硬件電路組成，如電流信號(hào)檢測(cè)電路、過(guò)流保護(hù)電路、PWM驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路等。電流檢測(cè)電路主要用于檢測(cè)GMM線圈上的電流信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)；開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路采用高速光耦合器TLP250實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)，以提高驅(qū)動(dòng)電路的安全性能，該電路采用12V供電；過(guò)流保護(hù)電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電源的輸出電流和電壓的限制保護(hù)作用，當(dāng)GMM線圈中電流過(guò)載，或Sepic電路輸出電壓超過(guò)安全限度時(shí)將會(huì)產(chǎn)生過(guò)流、過(guò)壓信號(hào)，該信號(hào)傳給控制單元后會(huì)出現(xiàn)相關(guān)保護(hù)動(dòng)作，從而提高了系統(tǒng)的安全性。

2.3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案為：將踏板傳感器接收到的踏板位移信號(hào)和輪速傳感器采集到的輪速信號(hào)，以及Sepic電路負(fù)載端的電壓采樣信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)ATmega8的AD端口進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)單片機(jī)PID控制方式的數(shù)字計(jì)算處理，由ATmega8產(chǎn)生的PWM信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，從而使Sepic電路產(chǎn)生所需的可調(diào)控電壓值。其控制框圖如圖5所示。

圖5 控制結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)采用閉環(huán)PID控制[5]，算法簡(jiǎn)單可靠，能夠保證控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。控制系統(tǒng)的軟件程序采用Code Vision AVR軟件編寫(xiě)，首先對(duì)Atmega8單片機(jī)進(jìn)行初始化，通過(guò)踏板傳感器的分壓電路檢測(cè)踏板位移和車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。MEGA8通過(guò)計(jì)算產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）是否滿足相應(yīng)轉(zhuǎn)速的制動(dòng)要求，若不滿足，繼續(xù)寫(xiě)入MEGA8得到新的PWM；若滿足要求，則使Sepic電路輸出相應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)GMM棒產(chǎn)生制動(dòng)力，達(dá)到制動(dòng)目的。

3 制動(dòng)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由理論分析確定制動(dòng)系統(tǒng)各部件的合理參數(shù)，經(jīng)過(guò)加工、裝配制作成實(shí)物在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)踏板傳感器的位置變化來(lái)測(cè)試Sepic電路的輸出電壓和執(zhí)行機(jī)構(gòu)處兩剎車片之間位移變化量，試驗(yàn)分別在驅(qū)動(dòng)源空載和驅(qū)動(dòng)源負(fù)載兩種情況下進(jìn)行。

Sepic電路在加載負(fù)載的情況下進(jìn)行測(cè)試，其理論分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由于驅(qū)動(dòng)線圈屬于感性負(fù)載，當(dāng)其通電工作時(shí)，線圈內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將會(huì)使Sepic電路的輸出電壓比純電阻負(fù)載時(shí)有所降低。

由踏板傳感器的位置行程變化測(cè)得負(fù)載端電流在0～4A范圍內(nèi)變化，分別在制動(dòng)系統(tǒng)空載和負(fù)載兩種情況下測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)處兩剎車片之間位移變化量，所測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)測(cè)試電流-位移對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 位移-電流關(guān)系

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可知，驅(qū)動(dòng)源GMM棒的位移隨電流增大而增加，空載時(shí)其伸長(zhǎng)量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)；在加載負(fù)載時(shí)因存在預(yù)緊負(fù)載力，位移比空載測(cè)試時(shí)的對(duì)應(yīng)值略小，電流達(dá)到2.4A時(shí)，摩擦片加緊制動(dòng)盤(pán)，驅(qū)動(dòng)源將位移輸出轉(zhuǎn)化為力輸出，位移不再增加。在試驗(yàn)平臺(tái)下測(cè)試，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)制動(dòng)盤(pán)以1500rmp的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，將踏板傳感器置于最大行程位置，制動(dòng)盤(pán)在1～2秒內(nèi)可實(shí)現(xiàn)完全制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)各部件均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，線控制動(dòng)效果良好。線控制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 線控制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于GMM為驅(qū)動(dòng)源的新型線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)各部件的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)理論分析計(jì)算對(duì)各參數(shù)合理設(shè)置，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)各參數(shù)進(jìn)行了有效修正，最終試驗(yàn)結(jié)果表明該線控制動(dòng)系統(tǒng)性能良好，能達(dá)到很好的制動(dòng)效果，充分表明了該制動(dòng)系統(tǒng)的科學(xué)性、合理性，為線控制動(dòng)系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展指引了新的方向。該制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)源采用新型材料具有輸出應(yīng)力大、響應(yīng)時(shí)間快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足現(xiàn)代汽車制動(dòng)系統(tǒng)輕量化、高效率、安全性能高的要求。

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