EPB制動鉗綜合性能檢測裝置研制

仲光宇，馬朝永，楊佳樂，于 航

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院北京市先進制造技術重點實驗室，北京 100124）

0 引言

汽車制動性能對行車安全有著至關重要的作用，因此制動零部件研發過程中必須嚴格按照相應標準進行驗證試驗。EPB（Exhaust Back Pressure，排氣背壓）制動鉗是汽車制動系統的關鍵零部件，其耐久、溫度、過載等性能需要科學精確的檢測[1]。結合國家標準、專業標準、有關技術要求，設計一臺符合要求且具有較高通用性的汽車EPB綜合性能檢測裝置，有重要現實意義。

課題組在企業技術要求的基礎上，完成了檢測裝置硬件的設計、下位機PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）程序以及基于LabVIEW的上位機測控軟件的編寫，實現了上位機下位機數據交互，完成了對試件實時數據的采集、分析處理、顯示及儲存，成功研制了EPB制動鉗綜合性能檢測裝置。

1 控制系統組成

控制系統的設計過程中，需要把技術先進性、架構合理、低成本、低維護量等多方面進行綜合考慮，同時結合國家標準和廠商需求，以保證其高效、有序、可靠的發揮管理職能。本裝置控制系統采用開放的計算機網絡系統加上流行的 Lab－VIEW人機友好界面及可靠通用的PLC模塊。如圖1所示，控制系統中上位機是研華IPC-610L型工控機，LabVIEW作為上位機編程軟件，貝加萊PLC作下位機。其中，UDP是UserDatagram Protocol的縮寫，為用戶數據報協議。工控機完成對測試過程的數據采集、數據處理、波形顯示和分組、統計分析和經以太網口與PLC通信等工作。PLC完成對16個現場開/關量檢測、21個模擬量輸入信號采集、2個模擬量輸出信號及2路脈沖輸入信號的處理。

圖1 自動控制系統原理

2 硬件設計

2.1 工控機和PLC選型

工控機是自動控制系統的核心，經常處在24 h連續工作的工業現場環境下，所以首先從可靠性出發，了解工控機的工作指標，如工作溫度、耐振動、抗沖擊等。其次從性能比較，主板、CPU技術參數、外部接口配置等。服務也是選擇工控機的一個重要參考，工控機經常用在比較重要的場合，出現故障需要及時排除。綜合以上條件，選擇研華IPC-610L型工控機。

自動控制系統開發過程中，控制器的選型至關重要，貝加萊X20系列PLC，有相對高速的指令處理器能力和浮點運算能力，能兼容大部分主流現場總線。CPU模塊標準配置3個接口，分別為 ETH，POWERLINK 和 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）接口。它們相比國產PLC成本高，但是編程軟件容易上手、穩定性較好，軟硬件靈活性較高。并且，X20系列PLC帶有一套實時的操作系統，能實現毫秒級高速通信控制，響應速率快，符合系統要求。

2.2 MGU控制

直流電機在工業自動化設備中應用非常廣泛，針對不同的應用場合和電機特性，采用的控制方式也不盡相同。MGU是Motor Gear Unit的縮寫，即電機齒輪控制單元。對MGU穩定、準確的控制，模擬駐車制動狀態，是實現控制系統的重要環節[2]。本裝置通過PLC DO輸出模塊直接控制電機正反轉控制模塊，實現了EPB制動鉗的夾緊與釋放。

直流電機正反轉控制模塊是一個執行器，根據PLC輸出電平信號實現電機正反轉切換。如圖2所示：1、2位置接程控電源，程控電源與上位的機通信保證了系統在恒壓狀態下工作，3、4位置接電機齒輪控制單元。A+、A-、B+、B-控制信號位置接到PLC DO信號輸出模塊，A+、A-接通電機正轉，B+、B-接通電機反轉，A+、A-、B+、B-同時接通或斷開電機處于非工作狀態。程控電源與正反轉模塊之間接電壓傳感器，電機正極通過霍爾電流傳感器，電壓和電流傳感器連接到PLC模擬量輸入模塊，將系統的電壓和電流隨時反饋到上位機。

圖2 MGU控制原理

2.3 增量式編碼的應用

傳感器包括每個工位的電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器、扭矩傳感器，液壓回路的壓力傳感器及1、2工位的增量式編碼器。增量式編碼器是一種采用光電等方法將軸的機械轉角轉換為數字信號輸出的精密傳感器，在電機測速中應用廣泛[3]。增量式編碼器分為單通道增量式編碼器、AB相編碼器和三通道增量式編碼器，本試驗臺將三通道增量式編碼器與貝加萊PLC相結合，即時、準確地測出電機轉速，提高了系統實時性。

三通道增量式編碼器可利用光電轉換原理輸出A，B兩組脈沖相位差90°，能夠判斷出電機的旋轉方向，而Z相為每一圈輸出一個脈沖，用于基點定位。實際運用中使用了A，B兩路脈沖，正轉和反轉時兩路脈沖的超前、滯后關系剛好相反（圖3）。在B相脈沖的上升沿，正轉和反轉時A相脈沖的電平高低剛好相反，PLC可以很容易地識別出轉軸旋轉的方向。為了增加測量的精度，采用4倍頻方式，即分別在A，B相波形的上升沿和下降沿計數，分辨率可以提高4倍，由1024變為4096，但是被測信號的最高頻率降低。

根據脈沖計數測量電機轉速的方法有M法測速、T法測速和M/T法測速。本編碼器分辨率較高，優先采用M法測量電機轉速[4]。設定檢測時間為T（單位為s），編碼器分辨率為P，電機轉速為 n，根據 PLC檢測到的脈沖數m計算電機轉速（圖 4）[5]，則電機轉速測量值為

圖3 編碼器正轉和反轉模型

圖4 M法測速原理

2.4 氣動液壓系統

氣動液壓系統為4個工位EPB制動鉗提供液壓，模擬卡鉗工作狀態，系統由氣動回路、液壓回路和傳感器3部分組成。氣壓回路由空氣壓縮機提供（0.5～0.8）MPa的壓縮空氣，經由三聯件進入回路，減壓閥控制系統壓力，兩位五通電磁閥控制氣流通道通斷或改變。

液壓系統以汽車制動液為工作介質，制動液儲存在儲液罐，為整個液壓回路供油，氣液增壓器為試件提供制動液壓，氣控球閥控制每個工位油路的通斷。

氣液增壓器為試件提供的液壓最大可達20 MPa，是液壓回路的核心部件。氣液增壓器將氣缸與油缸結合到一起，使用純氣壓作為原動力，具有以下特點：有多重安裝方式，可以在不同工作場合，出力調整容易，使用保養方便；缸體沒有油壓系統升溫的困擾，故障率小；動作速度較液壓傳動快且較氣壓傳動穩定。

圖5 氣液原理

氣液增壓器利用氣缸活塞和活塞桿受力相同，把活塞受到的氣壓力傳遞到油缸活塞上，該力施加到油缸的油液上，設氣缸端活塞面積為A1，所受氣壓為P1，油缸端活塞面積為A2，所受液壓為P2，根據帕斯卡液壓傳遞定律，得到P1×A1=P2×A2，故P2=A1/A2×P1，即輸出液壓壓力值與輸入氣壓壓力值的比值等于氣缸活塞面積與液壓缸活塞面積的比值。由兩位五通換向閥控制加壓和泄壓，DT1通電時，利用氣源壓力P1）推動大面積活塞A1，由小面積A2推動另一端的液壓油，從而使高壓達到增壓目的，P2為作用于EPB卡鉗的液壓力。

圖6 氣液增壓器原理

3 軟件設計

3.1 通信協議

NI提供了相對簡單的TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）函數庫，但是相對于UDP，TCP協議的程序流程相對復雜，尤其是數據包組成方面。試驗設備在工業現場24 h運行，產生的數據量大。UDP通信的特點：可傳輸的數據量大、不需要建立連接且傳輸效率高[6]。根據工程實際應用，選用UDP協議實現上位機和下位機的通信和服務。

通信的基本過程大致如下（圖7）：創建打開UDP函數，建立連接；指定偵聽網絡地址為192.168.0.106，通過字符串至IP地址轉換函數可獲取當前計算機的IP網絡地址；指定端口為15051、15061和15060，即要創建UDP套接字的本地端口。15051端口得到4個工位傳感器的數據包，解碼后顯示在前面板中，包括壓力傳感器、夾持力傳感器、扭矩傳感器、電流傳感器和電壓傳感器，該通信是下位機向上位機的單向數據傳輸。156061和156060是雙向傳輸數據端口，需要上位機向下位機發送指令，也需要下位機的反饋[7-8]。在程序中創建2個UDP簇，UDPS和UDPR。函數簇包含電磁閥狀態、電子卡鉗狀態、按鈕及接近開關狀態等參數。

3.2 PLC程序

作為檢測裝置的控制核心，PLC完成了整個裝置的動作過程控制、電磁閥開關量輸出控制以及電流傳感器、電壓傳感器、力傳感器等模擬信號的輸入[9]。根據檢測裝置工作原理繪制出PLC主程序流程（圖8）。

3.3 LabVIEW人機界面設計

圖7 UDP通信過程

圖8 PLC程序流程

LabVIEW語言是面向對象的圖形化編程語言，使用圖標代替文本代碼創建應用程序，擁有大量與其他應用程序通信的VI庫。故基于Lab－VIEW平臺開發人機界面和上位機下位機數據交互系統，增加了控制系統的可靠性和穩定性[10]。LabVIEW與PLC通信以后，主要實現了以下功能：檢測系統的參數設置，參數設置界面和檢測界面集成在一起；檢測系統傳感器數據的采集，接近開關、輸出端口等狀態的顯示；檢測數據的管理。

系統主界面如圖9所示。界面左上方設置了系統檢測界面按鈕，工作模式選擇按鈕及數據管理入口，可以在各個工作界面自由切換。

系統調試界面能實時反映傳感器參數變化，反映電磁閥、電子卡鉗、接近開關的工作狀態，同時可以調節程控電源電壓值和比例閥電壓值（圖10）。

系統檢測界面和參數設計界面可以實時顯示不同工作模式的數據變化曲線，對不同工作模式下的參數進行設置（圖11）。如溫度梯度工況下，在檢測界面可以對PLC參數進行設置，也可對溫度梯度數組、溫度梯度次數等試驗參數進行設置。

圖9 系統主頁面

圖11 系統檢測界面

檢測完成后數據會儲存到數據庫中，可以通過參數管理界面選擇想要查看的數據，添加后數據后顯示相應工作狀態的參數曲線（圖12），應用于試件研發的數據分析。

圖12 數據管理界面

4 實驗結果

根據不同性能的檢測標準，設定EPB制動鉗具有多種工作模式，以工位3、工位4的不帶液壓性能測試工況和加液壓性能測試工況為例。不帶液壓性能測試工況需要得到加持力、電壓、電流4個參數實時數據曲線。加液壓性能測試工況還要求得到液壓力的實時數據曲線，如圖13、圖14所示。

不帶液壓性能測試工況中，在試驗參數設置界面中設置電壓參數，使系統在（9～16）V恒壓工作，同時設置試驗次數、溫度達到后等待時間等參數。如圖13，電壓曲線穩定在9 V，執行機構剛通電時，電流曲線出現第一個峰值，此時為最大駐車啟動電流，隨后為電機空轉時間，空轉電流≤3 A，當制動塊開始接觸制動盤時，電流曲線出現第2個峰值，駐車電流為（17±2）A，駐車期間，最大制動力穩定在18 kN左右。同理，解除制動力時電流曲線出現反向峰值，第1個峰值為最大釋放啟動電流，第2個峰值為釋放電流，釋放電流為（9±2）A。

5 結語

EPB綜合性能檢測裝置結合了企業檢測要求和通用技術條件，是涉及電、氣、液和計算機技術一體化的綜合檢測系統。裝置加載系統的氣液增壓器為EPB制動鉗提供液壓，實現制動鉗的夾緊和松夾，有出力大、速度快、能耗低等特點?？刂葡到y基于UDP通信協議的通信方式，能滿足試驗裝置數據量大、傳輸效率高的要求。提出了PLC和電機正反轉模塊相結合的控制方式，實現了對MGU正反轉的控制。應用表明，試驗裝置的硬件設計合理，軟件自動化程度高、測試結果準確可靠。

圖13 工位3-4不帶液壓性能測試工況

圖14 工位3-4加帶液壓性能測試工況