汽車電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行器的研制及壓力估算研究論文
1前目
隨著人們對(duì)汽車安全性能要求的提高，汽車電子機(jī)械制動(dòng)(EMB)巳成為國外汽車零部件廠商及整車廠的研究熱點(diǎn)[1，2]。作為制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，EMB改變了汽車制動(dòng)系統(tǒng)的工作模式，通過機(jī)電傳動(dòng)代替了傳統(tǒng)的液壓回路，具有傳動(dòng)效率高、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也對(duì)其可靠性提出了很高的要求。為了提高系統(tǒng)的可靠性，傳統(tǒng)方法是采用硬件備份，這不僅會(huì)增加EMB執(zhí)行器的體積、質(zhì)量，還會(huì)增加成本，因此在不增加成本的前提下來提高EMB執(zhí)行器的可靠性巳成為研究EMB的一個(gè)焦點(diǎn)[3?]。本文針對(duì)某轎車研制EMB執(zhí)行器，給出EMB執(zhí)行器的設(shè)計(jì)流程，并從降低執(zhí)行器成本、質(zhì)量及增加可靠性的角度出發(fā)，搭建了EMB執(zhí)行器壓力估算試驗(yàn)臺(tái)，
得到了壓力估算的兩種方法，為實(shí)現(xiàn)壓力的估算提供了依據(jù)。
2EMB執(zhí)行器的工作原理
電機(jī)采用空心軸式結(jié)構(gòu)，絲杠從電機(jī)中間穿過，以減小執(zhí)行器的軸向尺寸；減速裝置為2Z-X型行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，太陽輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，作為輸入;輸出是與絲杠相連的行星架，絲杠推動(dòng)螺母在電機(jī)的內(nèi)孔中運(yùn)動(dòng)，螺母端部與制動(dòng)襯片相連。該EMB執(zhí)行器工作原理是，施加電壓后，電機(jī)帶動(dòng)行星齒輪減速裝置運(yùn)動(dòng)，然后通過滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)制動(dòng)襯片運(yùn)動(dòng)以壓緊制動(dòng)盤從而產(chǎn)生制動(dòng)壓力。
3EMB執(zhí)行器的'設(shè)計(jì)開發(fā)
EMB執(zhí)行器的設(shè)計(jì)開發(fā)流程如圖2所示。設(shè)計(jì)開發(fā)過程主要分兩個(gè)部分：執(zhí)行器理論設(shè)計(jì)、市場調(diào)研及執(zhí)行器研制與裝配。本文所選目標(biāo)車型輪缸的最大制動(dòng)壓強(qiáng)為12MPa,活塞直徑為48mm。為保證制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤充分脫開,選定EMB的制動(dòng)間隙為0.3mm,消除制動(dòng)間隙的時(shí)間為0.1s。所設(shè)計(jì)EMB執(zhí)行器的參數(shù)見表1所列。
4EMB執(zhí)行器壓力估算試驗(yàn)臺(tái)
EMB執(zhí)行器的壓力估算是通過試驗(yàn)得到EMB執(zhí)行器壓力與電機(jī)電流、絲杠位移的關(guān)系后進(jìn)行的。本文以Matlab/xPCTarget[89]為平臺(tái)搭建了EMB
執(zhí)行器壓力估算試驗(yàn)臺(tái)，其原理如圖3所示。主機(jī)為PC機(jī)，主要用來接收目標(biāo)機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，以進(jìn)行
分析處理；目標(biāo)機(jī)是研華610H工控機(jī)，其作用是作為I/O板卡的載體，完成各種信號(hào)的采集。
EMB執(zhí)行器壓力估算試驗(yàn)臺(tái)原理壓力信號(hào)是與壓力大小成正比的電壓信號(hào)，它通過安裝在絲杠螺母與制動(dòng)襯片之間的壓力傳感器測(cè)量得到；電流信號(hào)是與電機(jī)母線電流大小成正比的電壓信號(hào)，它是通過串聯(lián)在電機(jī)電路中的大功率小阻值的采樣電阻得到的；絲杠位移是通過測(cè)量消除間隙后電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的，電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度通過測(cè)量電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)得到。本文所采用的電機(jī)為三相四極對(duì)無刷直流力矩電機(jī)，其有3個(gè)霍爾傳感器。根據(jù)無刷直流電機(jī)的工作原理知，該電機(jī)轉(zhuǎn)過90°,霍爾傳感器的輸出信號(hào)有6種組合狀態(tài)，即每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)角度為15°。電機(jī)轉(zhuǎn)角與絲杠位移之間的關(guān)系為：
&=9m/l(1)
S=9L/2n(2)
式中，9m為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角位移；e為絲杠轉(zhuǎn)過的角度;l為減速裝置減速比；S為絲杠位移；L為絲杠的螺紋導(dǎo)程
試驗(yàn)臺(tái)采用的數(shù)據(jù)采集卡為研華PCL-818HD和研華PCL-727,其中PCL-818HD通過AD來采集
壓力傳感器及電流采樣電阻傳來的電壓信號(hào)；PCL-727通過DI采集電機(jī)的3個(gè)霍爾傳感器輸出的信號(hào)以計(jì)算絲杠位移。試驗(yàn)臺(tái)的組成如圖4所示。
5EMB執(zhí)行器壓力估算試驗(yàn)
研究EMB執(zhí)行器壓力估算的目的有兩個(gè)：一是用來進(jìn)行執(zhí)行器壓力估算，以省掉價(jià)格昂貴的壓力傳感器，從而減小執(zhí)行器的體積、質(zhì)量；二是實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的冗余檢測(cè)，從而增加EMB執(zhí)行器的可靠性。試驗(yàn)方法是，分別給電機(jī)施加不同的電壓，使執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量電機(jī)堵轉(zhuǎn)后各參數(shù)的值。本文共設(shè)置了13組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)做3次，然后求取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。
根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行擬合，對(duì)于由于無刷直流力矩電機(jī)的特性是電流與輸出力矩成線性關(guān)系，所以電機(jī)電流與壓力的關(guān)系采用1階擬合，公式如下：
F=2.197I-0.74(3)
式中，F(xiàn)為EMB執(zhí)行器壓力；I為電機(jī)電流。
根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的分布知，絲杠位移與壓力不成線性關(guān)系,所以進(jìn)行高階擬合。擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)，3階以上擬合與3階相似，所以本文以2、階擬合為例說明，公式如下：
F=7.66S2+7.57S-1.187(4)
F=-31.75S3+62.24S2-19.31S+2.0607(5)擬合曲線分別如圖5~圖7所示，相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.9977、0.9638、0.9722。由相關(guān)系數(shù)可知，3種情況都能達(dá)到較高的精度，且通過電機(jī)電流來估算EMB執(zhí)行器壓力的精度較高；壓力與位移之間的2階擬合精度比3階擬合略差，但3階擬合時(shí)曲線不與位移成單調(diào)遞增的關(guān)系，與實(shí)際情況不符，且3階以上擬合與3階類似，所以壓力與位移的關(guān)系取2階擬合。另外，雖然通過電機(jī)電流進(jìn)行壓力估算精度較高,但是在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)電流測(cè)量受外界干擾較大，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該采用電流估算為主、以位移估算為輔的冗余壓力估算策略，從而提高EMB執(zhí)行器的可靠性。
6結(jié)束語
a.針對(duì)某轎車研制了EMB執(zhí)行器，并給出了EMB執(zhí)行器的設(shè)計(jì)流程。
b.搭建了EMB執(zhí)行器的壓力估算試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了壓力估算試驗(yàn)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過曲線擬合得到了電機(jī)電流與執(zhí)行器輸出壓力的關(guān)系曲線及絲杠位移與執(zhí)行器輸出壓力的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，通過電流與絲杠位移均可估算得到執(zhí)行器壓力，從而實(shí)現(xiàn)冗余壓力估算，提高EMB執(zhí)行器可靠性。
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