電子機械制動系統無壓力傳感器控制策略研究

馮玉龍?陳飛洪?吳文祥?曹武樂

摘要：隨著時代的發展，探索范圍的擴大，人們對傳感器抗干擾性能要求不斷提高，高性能微機電系統（MEMS）傳感器的研制具有重要意義。溫度漂移和時間漂移是傳感器測量的兩個主要干擾因素，指傳感器隨溫度和時間偏移、器件特性變化導致的測量誤差。傳感器時漂效應嚴重影響了測量結果的可靠性和傳感器使用壽命。時漂產生的具體原因較多，根據實際工作情況與環境的不同，其時漂效果也有差異，難以統一修正解決。基于此，本篇文章對電子機械制動系統無壓力傳感器控制策略進行研究，以供參考。

關鍵詞：電子機械制動系統;壓力傳感器;控制策略

引言

作為軌道交通領域下一代新型制動方式，電子機械制動（EMB）技術最早于航空領域以“全電剎車”概念提出，屬于航空技術民用化。區別于有軌列車常見的空氣和液壓制動方式，EMB系統省去復雜的空氣與液壓管路，避免了油液泄露的風險，具有響應快、結構簡單、輕量化、智能化等優點。目前常用的EMB系統無壓力傳感器制動力伺服控制主要分為三類：1）轉矩動態方程法;2）特征曲線法;3）汽車EMB系統的制動正壓力與絲杠位移滿足三次多項式的參數關系，但忽略了兩者之間的“遲滯”特性。與之相比，文獻建立了電機轉角與制動力間關系式，保留了制動力極值間的“遲滯”特性。

1抗干擾系統軟硬件設計

設計電路的硬件部分主要分為壓力信號采集模塊、恒溫控制模塊、恒流源自校正模塊和通信模塊，實現壓力信號采集、恒溫時漂自校正功能和信號傳輸功能。其中，壓力信號采集模塊通過傳感器芯片采集壓力信號，經調理電路濾波放大后由AD7794進行模數轉換，經隔離電路后輸入STM32處理器進行數據處理。恒溫控制模塊主要由溫度采集模塊PT1000、驅動模塊TB6612FNG、聚酰亞胺加熱片組成。通過開爾文四線制測量PT1000電阻變化，得到當前溫度;通過控制處理器STM32輸出的PWM波占空比，動態控制加熱片工作功率;為了提供足夠加熱功率并防止電路串擾，需要單獨的電源電路。恒流源自校正模塊由AD5420可編程電流源提供可變恒流源，與STM32采用SPI通信協議連接，輸出電流范圍選擇0～20mA，分辨率16位。為了提高傳感器端的電流分辨率，增加恒流源自校正可靠性，在傳感器端并聯一個高精電阻，實現電流分流。在硬件設計的基礎上，編寫了對應的軟件系統。以STM32F407為核心處理器，通過處理器運行相關程序，實現抗干擾系統功能。系統在實現傳感器恒溫后進行恒流源模擬氣壓自校正，然后實現壓力測量與數據傳輸。

2故障傳感器壓力測試

操作過程中，將故障電壓傳感器安裝到相應的壓力測試端口進行測試。數據表明，零位置壓力傳感器本身并不存在故障，而是在應用過程中受到電氣干擾，因此在實驗室中進行了測試。重復實驗室中的故障測試結果，如當電壓峰值增大到20V以上時，傳感器輸出會急劇增加，并且隨著干擾的增加和時間的增加而增加。通過對DK-1G電機控制原理的分析，可以使高速電磁閥在基于磁感復制的高頻開啟狀態下運行，使高速電磁閥能夠立即關閉，從而產生高達100伏的較大交換。抗電壓用于增加BCU功率模塊的電氣干擾抑制，輸出電壓必須增加，以提高傳感器輸出的穩定性和服務壽命。通過測試和分析可以得出壓力傳感器的動態前進運動是由高速電磁閥抗電磁電壓引起的電氣干擾造成的。

3實驗平臺及參數設置

為驗證上述無壓力傳感器制動力伺服控制策略的在工程應用中的可行性，搭建了實驗平臺并進行相關的驗證實驗。選用TI公司的TMS320F28335型數字信號處理器以實現控制算法。采用絕對式編碼器ST-5208-13-SS-5V測量電機轉子位置并計算電機轉速。電流傳感器選用LEM公司的LA100-P。選用N溝道場效應管CSD19506KCS搭建三相橋式逆變電路，直流母線電壓為低地板有軌電車車載電源額電壓24V，開關頻率設定為20Hz，驅動芯片選用半橋柵極驅動芯片UCC27211。電流環采用PI控制，控制周期為100μs，積分反步控制周期為1ms，制動力參考值更新周期為10ms。EMB系統技術指標如下：（1）具備制動間隙條件下，施加28kN目標制動力。從接收到指令開始計時，要求制動力施加至目標制動力90%時，時間小于300ms。（2）制動力控制穩態誤差小于2%。EMB系統主要參數如下：（1）電機參數：極對數pn=4，額定電壓DCV=24V，額定電流I=45A，額定轉矩eT=2.96Nm，額定轉速Nn=3028rpm，定子電阻sR=0.01，交直軸電感dqLL==0.336uH。（2）從動機構參數：絲杠導程：0L=10mm，減速比GR=40。EMB控制器主要參數如下（1）積分反步控制器參數：1=10，1=2，2=16。（2）觀測器參數：a=1，b=5，1=10，2=6，3=30。

結束語

在分析電子機械制動系統結構及工作原理的基礎上，提出了一種電子機械制動系統無壓力傳感器制動力伺服控制策略，具有如下優勢：在強耦合條件下提出的無壓力傳感器控制策略，考慮了系統制動和緩解過程中存在的“遲滯”特性，與傳統控制相比，有效地改善了制動力的估計精度，可作為備用控制回路，為EMB系統在軌道交通領域的可靠性研究提供一種方案，具有創新型。

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