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电子机械制动系统制动执行器建模与试验

发布时间:2016-07-16 10:02

  本文关键词:电子机械制动系统制动执行器建模与试验,由笔耕文化传播整理发布。



2007年 8月

农 业 机 械 学 报

第 3 卷 第 8期 8

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

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电子机械制动系统制动执行器建模与试验
沈 沉 王 军 林 逸

摘要 】 电子机械制动系统以电驱动元 件 为 制 动 执 行 器 , 代 传 统 的 液 压 或 气 压 制 动 执 行 器 。 阐 述 了 电 子 机 取 【 械制动系统的结构组成 、 工作原理及电子机械式 制 动 执 行 器 的 结 构 , 立 了 制 动 执 行 器 的 数 学 模 型 ,, 对 制 动 执 行 建 并 器原理机进行了试验验证 。 关键词 :电子机械制动系统 中图分类号 :U4 1 3 6? 制动执行器 数学模型 文献标识码 :A

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S e h n Wa gJn LnYi h nC e n u i ( 牉 牏牋爤 牞 牠牠 牗 牉牎 牗 牋 ) 爜 牏牕 牕牠牣牉 牊爴 牅牕牓 牪 牐 牏 牗 ﹢ ┈ ?┉ ?┉ ? ┇ T ee cr? c a i l rkn ytm,u igtep we diigcmp n ns s t atao, h l tomeh nc ba igsse e a s n h o r r n o o e t a i cu tr v s whc a e tepae f o vnin l rk cu trl udo a pes r,i an w cn e t no i htk s h lc o cn e t a ba eatao?q i r i rsue s e o cpi f o i r o ba igsse rkn ytm.T ecmp s ina dwokn r c l f lcr? c a i l rkn ytm, h o oio n t rigpi i e n p so eetomeh nc ba igsse a a d tesrcue fba eatao n h tu trso rk cu trweeito u e .T emah mai r nrd cd h te t cmo eso h rk d l fteba e atao weeb i,a dats o tepooy eo ba eatao wa efr d cu tr r ul n t et f h rttp f rk cu tr sp r me . o ?? ┄? E etomeh ncl rkn ytm,B a eatao,Mah mai ┎┌ ┇ ┈ lcr? c a i ba igsse a rk cu tr te t cmo e dl 车轮制动 模块 和 电 子 踏 板 模 块 等 组 成 , 1为 电 子 图 1 机械制动系统控制框图 [ ]。

引言
目前关于汽车制动的研究主要集中在制动控制 方 面, 括 制 动 控 制 的 理 论、 法 以 及 采 用 的 新 技 包 方 术。 随着电子科技和网络技术的发展 , 出现了更加高 节 效 、 能 的 电 子 机 械 制 动 系 统 ( lcr? c a i l eetomeh nc a ba ig 简称 E ) 电子机械制动系统变传统液 rkn , MB 。 便 压或 气 压 制动执 行 元 件 为 电 驱 动 元 件 , 于 实 现 线 控制 动 ( rk ?ywi ) 是 一 种 全 新 的 制 动 理 念 。 ba eb ? r , e 由于电驱动系统可控性好 、 响应速度快 , 电子机械制 显 动系 统 极 大地提 高 了 汽 车 的 制 动 安 全 性 能 , 现 出 良好的发展前景 。 本文对电子机械制动执行器进行 仿真分析 , 并进行了原理机的试验 , 得到了电子踏板 输出与执行器输出力之间的关系 。

图 1 电子机械制动系统控制框图 Fg 1 C nrl tu tr f MBsse i. o to srcueo E ytm

? 电子机械制动系统的组成
汽车电子机械制动系统主要由制动系统 E U、 C
收稿日期 :2 0 0 2 06 5 2 沈 沉 北京理工大学机械与车辆工程学院 王 林 军 逸 北京理工大学机械与车辆工程学院 北京理工大学机械与车辆工程学院

? ? 制动系统 ﹦ ? ? ﹤ 制 动 系 统 E U 接 收 制 动 踏 板 发 出 的 信 号, 控 C

制 制动器 制 动 ; 收 驻 车 制 动 信 号 , 制 驻 车 制 动 ; 接 控

接收车轮 传 感 器 信 号 , 别 车 轮 是 否 抱 死 、 滑 等 , 识 打

博士生 副教授 教授

副教授 ( 辽宁省交通高等专科学校 ) 0 0 1 北京市 ,1 0 8

第 8期

沈沉 等 :电子机械制动系统制动执行器建模与试验

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控制车轮制动力 , 实现防抱死制动和驱动防滑 ; 制动 系统 E U 还将对 系统的电源进行 管 理 , 配 电 流 ; 分 C 同时兼顾车辆其他系统的控制 。 ? ? 车轮制动模块 ? 车 轮 制 动 模 块 是 整 个 制 动 系 统 中 的 关 键 部 件, 也是系统的执行元件 , 由车轮制动执行器 、 车轮制动 执行器控制器等组成 。 制动模块采用电力制动 、 电子 有两个输入 : 即控制电信号输入和供能电流输 控制 , 入 , 动执行器控 制 器 接 收 控 制 信 号 来 控 制 制 动 执 制 行 器 电 动机 的输 出 力 矩 和 旋 转 方 向 , 产 生 动 力 并 以 能改变其大小 。 ? ? 电子踏板模块 ? 电子踏板模块可产生与踏板转角成比例的踏板 反力 , 并将作用在踏板上的力和速度转为电信号 , 传 给制动系统 E U。 可编程的制动系统 E U 将控制 C C 电流 输 入 到制动 执 行 器 模 块 , 制 其 输 出 所 需 的 制 控 动力 , 有效地提高了制动响应速度 , 改进了车辆的制 动性能 。 制 动 系 统 E U 根 据电子踏 板 模 块 传 感 器 的 位 C 移和速度信号 , 并且结合车速等其他传感器信号 , 向 车 轮 制 动模 块的 制 动 执 行 器 控 制 器 发 出 指 令 , 动 制 执行器控制器再向电动机发出信号控制其电流和转 子转角 , 进而产生需要的制动力 , 实现驾驶员要求的 制动效果 。

结 构, 的 最 大 特 点 就 是 模 块 化, 个 机 构 又 可 分 它 整 为: 驱动部 分 , 磁 无 刷 直 流 力 矩 电 动 机 ; 级 减 速 永 一 行星 齿 轮 减 速 器 ; 珠 丝 杠 螺 旋 传 动 部 分 , 滚 把 部分 ,
2 ] 旋转运动变成丝杠的直线运动 [ ~ 4 。

? ? 数学模型 ? ? ? ? 电动机模型 ?? 车 辆 制 动 时, 动 执 行 器 中 的 电 动 机 工 作 状 态 制 并驱动 有 : 在制动踏板信号的控制下电动机转动 , ① 行星减速器及滚珠丝杠副 , 使丝杠平动 , 以消除整个 此时电动 机外 部 负 载 很 低 , 要 是 各 部 件 间 的 摩 擦 主 阻力和制动器回位弹簧力 。② 当整个机构的间隙消 除后( 制动钳与 制动 盘 接 触 后 ) 电 动 机 进 入 第 2种 , 工作状态 , 此时电动机堵转 , 电动机产生的堵转力矩 经行星 减速机 构 、 珠 丝 杠 副 在 制 动 器 上 形 成 制 动 滚 压力 , 进而产生制动力矩 。③ 解除制动时 , 电动机反

机 构各部件间 的 间 隙 及 制 动 盘 与 摩 擦 片 间 的 间 隙 ,

丝杠回位 , 并进行制动器间隙的自调整 。在第 1 转, 、 3工 作 状 态 时 电 动 机 主 要 进 行 位 置 控 制 和 调 速 控 制, 电动机的数 学 模 型 与 普 通 的 永 磁 无 刷 直 流 电 动 机的数学模型相同 , 本文不再叙述 。 由于制动钳与制动盘接触后 , 电动机将处于 “ 堵 转” 工作状态 , 制动执行器中的电动机可选用永磁无 刷直流力矩电动机 。 文献 [ ] 5 提出了电动机连续堵转 时, 堵转力矩与输入电流之间关系的计算公式 ?5 爤 爴 =9 5 爦牉 牑 爣 其中 式中

? 电子机械制动执行器的结构及数学模型
? ? 结构 ? 电子机械制动系统和传统的液压制动系统的差 别主要是 : 在电子机械制动系统中 , 电源代替了液压 源, 机电作动器代替了液压作动装置 , 制动力由电动 机产生 , 大小受电子控制器的控制 。 以 浮 动 盘 式 制 动 器 为 例 , 2为 电 子 机 械 盘 式 图 制动执行器结构图 。 该执行器采用了电动机内置的

() 1

=( () 2 爦牉 爺0-爤爲 ) 牕 0 牃 燉0 连续堵转转矩 爴 —— 爣 定 爦牉—— 反 电 势 系 数 , 义 为 单 位 转 速 下 的 反 电势值 爤—— 连续堵转电流 牑 爺0—— 空载电压 爤—— 空载电流 0 电枢电阻 爲 —— 牕—— 空载转速 牃 0 电 选 用 某 永 磁 无 刷 直 流 力 矩 电 动 机, 动 机 参 数

如表 1所示 。
表 ? 永磁无刷直流力矩电动机参数 ? ? ? ? ┇│??┈┄ ┅ ┇ ┃ ┃ ?┊??┈ ﹤ ?. ?? ┉┇ ? ?│? ? ┉ ┇┈━┈ ﹥ ┉┇ ┊ ┄┆ ?│┄┄ ┉┇
参数 数值 空载电压 燉 V 2 4 空载电流 燉 A 055 .7 电枢电阻 燉 Ω 080 .5 空载转速 燉·mi- 1 r n 27 2

将表中数值代入式 ( ) 则反电势系数 2,
图 2 电子机械盘式制动执行器结构示意图 Fg 2 D s rk cu tr f MB i. i cba eatao o E
1制动钳 . 感器 2摩擦片 . 3行星轮 . 8 推杆 . 4定子 . 5转子 . 6压力传 . 7 滚珠丝杠副 . 9 制动盘 .

=0 1 4 () 3 爦牉 ? 0 对 该 电 动 机 在 电 动 机 试 验 台 上 进 行 堵 转 试 验, 测试结果如表 2 。 对表 2中 数 据 进 行 插 值 拟 合 并 结 合 式 ( ) 对 3,

3 2













2007年

式() 的 功 率、 矩 转 换 常 数 进 行 修 正, 到 修 正 转 得 1中 后的永磁无刷直流力矩电动机连续堵转时输出转矩

与输入电流间关系的计算公式 ?9 爤 爴 =4 8 爦牉 牑 爣

() 4

表 ? 电动机堵转时堵转力矩与输入电流测试数据 ? ? ? ? ┈??? ┉ ?┉┇ ┊ ┃ ┃ ┊ ?┇? ┉ ?━ ┄??┃?┄ ?┃ ?. ?┉ ┃ ??┄ ┄┆ ?? ??┅ ┉ ┊┇┃ ┌ ? ┉┉ ┐━? ?? ?┇ ┄
线圈端电流 燉 A 堵转力矩 燉 N·m 08 .8 04 .1 25 .5 12 .2 50 .8 26 .0 60 .9 31 .6 70 .0 36 .8 87 .9 46 .0 1. 05 54 .8 1. 24 64 .4

? ? ? 行星减速机构模型 ?? 式中 爴 =爴 牏牀 牀 爣 犣 行星减速机构输出转矩 爴 —— 牀 —— 行星减速机构传动比 牏 () 5

得 将式 ( ) ( ) ( 0 代 入 式 ( 1 并 求 导 , 制 动 4、 5、 1) 1) 执行器的数学模型 爴 =牑 爤 牄 牑 其中
? · ? ·

(2 1)

犣 —— 行星减速机构的机械效率 牀 ? ? ? 滚珠丝杠模型 ?? 电 动 机 通 过 行 星 齿 轮 减 速 器 驱 动 滚 珠 丝 杠 副, 将电 动 机的 旋转 运 动 转 换 为 丝 杠 的 直 线 运 动 , 制 对 动盘施加压力 。 由于滚珠丝杠副将电动机的旋转运 动转换为直线运动 , 则 犽 牨 牠 = 2 牘 π 牎 —— 滚珠丝杠副螺母的角速度 犽 —— 丝杠的位移 牨 牘 —— 丝杠导程 牎 () 6

7 4 π 牏牀 爳 ( 牎 牘 牑 =1 ? 8 爦牉 犣犣燉 牘牑) 由 上 述 制 动 执 行 器 的 数 学 模 型 可 知, 杠 所 提 丝

供的推力 与电 动 机 的 堵 转 电 流 、 动 机 堵 转 时 的 输 电 因 出转矩 呈线性 关 系 , 此 可 以 计 算 出 加 在 制 动 装 置 在设计过程中 , 可以通 上的压力和制动力矩的大小 。 过所需的最大制动力矩和制动压力估算丝杠输出推 力的大小 , 并选用一定规格的丝杠来满足要求 , 然后 选 择合适传动 比 的 行 星 减 速 器 , 后 计 算 出 所 需 的 最 电动机 堵转力 矩 , 用 相 应 的 永 磁 无 刷 直 流 力 矩 电 选 动机 。

式中

—— 滚珠丝杠副的动作时间 牠 滚 珠 丝 杠 副 所 承 受 的 转 矩, 行 星 减 速 机 构 输 即 出的转矩 , 包括滚珠丝杠的驱动力矩 、 阻力矩及其传 动系统的摩擦力矩 。 即 爴 =爴 +爴 +爴 牀 爧 爟 牊 其中 爫 牎 牘 2 π 爡牘 爮 牎 爴= 爧 2 π 滚珠丝杠的阻力矩 爴 —— 爧 爴= 爟 爴 —— 滚珠丝杠的驱动力矩 爟 爴 —— 滚珠丝杠传动系统的摩擦力矩 牊 爫—— 丝杠输出推力 爡 —— 滚珠丝杠的轴向预紧力 爮 爴 是指除滚珠丝杠本身的摩擦力矩外的摩擦 牊 主要为支承轴承和密封装置的摩擦力矩 。 阻力矩 , 考 虑式 ( ) 9 , 滚 珠 丝 杠 副 的 传 动 效 率 来 8 ~( ) 用 表示系统的阻力矩和摩擦力矩 , ( ) 式 7 可简化为 爫=2 爴 犣燉 牎 π牀 爳牘 其中 犣=爴 燉 牀 爳 爟 爴 ? ? ? 制动器模型 ?? 制动力矩 爴 表达式为 牄 式中 爴 =牑( 牄 牘 爫-爫牔) 牑—— 制动器制动因数 牘 爫牔—— 克服弹簧力所需推力 (1 1) (0 1) () 7 () 8 () 9

? 制动执行器原理机的试验
根 据 上 述 制 动 执 行 器 结 构、 理 制 作 出 制 动 执 原

行器原理机 , 3为制动执行器原理机试验装置图 。 图 测试时 , 以电子踏 板 的 输 出 电 压 信 号 ( ~ 5V) 电 为 0 动 机控制器的 输 入 , 拉 压 传 感 器 测 量 丝 杠 的 推 力 用 从而确定 出 制 动 踏 板 的 输 出 信 号 与 丝 杠 输 出 输出 , 之间 的关系 , 即 确 定 了 踏 板 信 号 与 制 动 器 上 所 产 也 生的制动力的关系 。

式中

图 3 制动执行器原理机试验装置图 Fg 3 T sigpooy eo E i. et n rttp f MBba eatao rk cu tr
1无刷直流力矩电动机 . 压传感器 2行星减速器 . 3滚珠丝杠副 . 4拉 . 5 电动机控制器 . 6 支架及连接件 .

图 4 为制动踏板电压信号与无刷直流力矩 ~5 电动机在堵转时的力矩输出及电动机线圈端电流的 关系曲线 。 图 6为制动踏板输出电压信号与滚珠丝

第 8期

沈沉 等 :电子机械制动系统制动执行器建模与试验

3 3

图 4 制动踏板信号与电动机输出力矩关系 Fg 4 R lt n hpo ba ep d l in l n i. eai s i f rk e a s a a d o g o tu tru up t op e

图 6 制动踏板信号与丝杠输出推力的关系 Fg 6 R lt n hpo ba ep d l in l n up t i. e i s i f rk e a s a a do tu ao g o l dsrw f e ce a

似呈线性关系 , 系统的可控性好 ; 踏板电压信号与丝 杠输出推力 ( 即制动器所产生的制动力 ) 也近似呈线 性 关系 , 即电 动 机 的 线 圈 端 电 流 与 丝 杠 输 出 推 力 近 似呈线 性关系 , 而 验 证 了 所 建 立 的 制 动 器 模 型 是 从 正确的 。
图 5 制动踏板信号与电动机线圈端电流关系 Fg 5 R lt n hpo ba ep d l in l n i. eai s i f rk e a s a a d o g widn urn n igc re t

? 结束语
通过制动执行器原理机的设计及制作可进行系 统的可靠性和 可 行 性 试 验 , 对 系 统 关 键 部 件 进 行 可 单项试 验研究 , 系 统 结 构 集 成 及 性 能 优 化 提 供 试 为 验和理论依据 。
文 献

杠输出推力的关系曲线 。 由曲线可以看出 , 踏板的电 压信号与电动机的力矩输出及电动机线圈端电流近
参 考

1 Kale zBl r i i,Mat e c , et ru r hn l ri msh B r B e e.A n w a po c oivsiaetevhc nefc r e燉 rk e a nS e p raht n et t h e i eitraedi rba ep d l g l v u d r el o dcn io si i o o cmigba eb ? r?ytmsC .S n e ra ra o dt n nve f n o n rk ?ywi sse [ ] AEP p r1 9 0 2 4 , 9 9 i w e ae 9 9 1 9 9 1 9 . 2 R l S h r,R l Iema n lmpn oc si t nfraba igb ? r cu trC .S , af c waz of sr n .Ca igfreet i o ma o rkn ?ywi eatao[ ] AEP p r1 9 0 ae 9 9 1 08,99 4219.

3 R l c waz ofIema n afS h r,R l sr n .Mo e n n o to o ne crmeh ncl i rk [ ] AE P p r9 0 0 , d l ga dcnrl fa l to c a i ds i e a kba e C .S ae 8 6 0 19. 98 宋健 .电子机械制动系统发展现状 [] 机械科学与技术 , 0 5 2 :2 8 1 . 4 张猛 , 2 0 ( ) 0 ~2 1 J. 5 张文海 .用反电势系数计算直流力矩电动机堵转转矩的公式 [] 微特电机 , 0 4 4 : 5 6 2 0 ( ) 4 ~4 . J.

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上接第 ? 页 ) ( ?

文提出的铰点轴与轴套间隙的计算理论及方法是可 行的 。

() 4 通过对某 挖 掘 机 工 作 装 置 铰 点 轴 与 轴 套 间 隙 的 实 例计 算分 析 以 及 与 国 外 间 隙 设 计 的 比 较 , 本
参 考





王家序 , 秦大同 .液压挖掘机工作装置固有频率的试验灵敏度 [] 农业机械学报 , 0 6 3 ( ) 2 ~2 . 1 杨为 , 20,72:1 4 J. 赵洪伦 .过盈配合应力的接触非线性有限元分析 [] 机械设计与研究 , 0 0 1 ( ) 3 ~3 . 2 许小强 , 20,11:1 5 J. 25 5. 4 ~2 4 潘双夏 , 冯培恩 .基于 AD 4 刘静 , 20,61)19 1. AMS的挖掘机液压系统仿真技术 [] 农业机械学报 , 0 5 3 ( 0 : 0 ~1 2 J.

3 E g nu zB d y o did p n e t o to o ah da l x a ao[] u e is u n .L a ? e e d n cnrl f y rui cv trJ.Auo t ni o srcin 2 0 , 2 3 : n ce tmai nC n tu t , 0 3 1 ( ) o o



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本文编号:71919

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