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汽車(chē)電子機械制動(dòng)執行器的研制及壓力估算研究論文
1前目
隨著(zhù)人們對汽車(chē)安全性能要求的提高，汽車(chē)電子機械制動(dòng)(EMB)巳成為國外汽車(chē)零部件廠(chǎng)商及整車(chē)廠(chǎng)的研究熱點(diǎn)[1，2]。作為制動(dòng)系統的發(fā)展趨勢，EMB改變了汽車(chē)制動(dòng)系統的工作模式，通過(guò)機電傳動(dòng)代替了傳統的液壓回路，具有傳動(dòng)效率高、節能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也對其可靠性提出了很高的要求。為了提高系統的可靠性，傳統方法是采用硬件備份，這不僅會(huì )增加EMB執行器的體積、質(zhì)量，還會(huì )增加成本，因此在不增加成本的前提下來(lái)提高EMB執行器的可靠性巳成為研究EMB的一個(gè)焦點(diǎn)[3?]。本文針對某轎車(chē)研制EMB執行器，給出EMB執行器的設計流程，并從降低執行器成本、質(zhì)量及增加可靠性的角度出發(fā)，搭建了EMB執行器壓力估算試驗臺，
得到了壓力估算的兩種方法，為實(shí)現壓力的估算提供了依據。
2EMB執行器的工作原理
電機采用空心軸式結構，絲杠從電機中間穿過(guò)，以減小執行器的軸向尺寸；減速裝置為2Z-X型行星齒輪減速機構，太陽(yáng)輪與電機轉子相連，作為輸入;輸出是與絲杠相連的行星架，絲杠推動(dòng)螺母在電機的內孔中運動(dòng)，螺母端部與制動(dòng)襯片相連。該EMB執行器工作原理是，施加電壓后，電機帶動(dòng)行星齒輪減速裝置運動(dòng)，然后通過(guò)滾珠絲杠將旋轉運動(dòng)轉化為直線(xiàn)運動(dòng)，從而推動(dòng)制動(dòng)襯片運動(dòng)以壓緊制動(dòng)盤(pán)從而產(chǎn)生制動(dòng)壓力。
3EMB執行器的設計開(kāi)發(fā)
EMB執行器的設計開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。設計開(kāi)發(fā)過(guò)程主要分兩個(gè)部分：執行器理論設計、市場(chǎng)調研及執行器研制與裝配。本文所選目標車(chē)型輪缸的最大制動(dòng)壓強為12MPa,活塞直徑為48mm。為保證制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤(pán)充分脫開(kāi),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。所設計EMB執行器的參數見(jiàn)表1所列。
4EMB執行器壓力估算試驗臺
EMB執行器的壓力估算是通過(guò)試驗得到EMB執行器壓力與電機電流、絲杠位移的關(guān)系后進(jìn)行的。本文以Matlab/xPCTarget[89]為平臺搭建了EMB
執行器壓力估算試驗臺，其原理如圖3所示。主機為PC機，主要用來(lái)接收目標機傳回的數據，以進(jìn)行
分析處理；目標機是研華610H工控機，其作用是作為I/O板卡的載體，完成各種信號的采集。
EMB執行器壓力估算試驗臺原理壓力信號是與壓力大小成正比的電壓信號，它通過(guò)安裝在絲杠螺母與制動(dòng)襯片之間的壓力傳感器測量得到；電流信號是與電機母線(xiàn)電流大小成正比的電壓信號，它是通過(guò)串聯(lián)在電機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(guò)測量消除間隙后電機轉過(guò)的角度，然后經(jīng)過(guò)轉換得到的，電機轉過(guò)的角度通過(guò)測量電機霍爾傳感器信號得到。本文所采用的電機為三相四極對無(wú)刷直流力矩電機，其有3個(gè)霍爾傳感器。根據無(wú)刷直流電機的工作原理知，該電機轉過(guò)90°,霍爾傳感器的輸出信號有6種組合狀態(tài)，即每個(gè)狀態(tài)對應角度為15°。電機轉角與絲杠位移之間的關(guān)系為：
&=9m/l(1)
S=9L/2n(2)
式中，9m為電機轉軸的角位移；e為絲杠轉過(guò)的角度;l為減速裝置減速比；S為絲杠位移；L為絲杠的螺紋導程
試驗臺采用的數據采集卡為研華PCL-818HD和研華PCL-727,其中PCL-818HD通過(guò)AD來(lái)采集
壓力傳感器及電流采樣電阻傳來(lái)的電壓信號；PCL-727通過(guò)DI采集電機的3個(gè)霍爾傳感器輸出的信號以計算絲杠位移。試驗臺的組成如圖4所示。
5EMB執行器壓力估算試驗
研究EMB執行器壓力估算的目的有兩個(gè)：一是用來(lái)進(jìn)行執行器壓力估算，以省掉價(jià)格昂貴的壓力傳感器，從而減小執行器的體積、質(zhì)量；二是實(shí)現壓力信號的冗余檢測，從而增加EMB執行器的可靠性。試驗方法是，分別給電機施加不同的電壓，使執行器運動(dòng)，并測量電機堵轉后各參數的值。本文共設置了13組試驗，每組試驗做3次，然后求取平均值，試驗結果見(jiàn)表2所列。
根據所測得的數據在Matlab中進(jìn)行擬合，對于由于無(wú)刷直流力矩電機的特性是電流與輸出力矩成線(xiàn)性關(guān)系，所以電機電流與壓力的關(guān)系采用1階擬合，公式如下：
F=2.197I-0.74(3)
式中，F為EMB執行器壓力；I為電機電流。
根據各數據點(diǎn)在坐標系中的分布知，絲杠位移與壓力不成線(xiàn)性關(guān)系,所以進(jìn)行高階擬合。擬合時(shí)發(fā)現，3階以上擬合與3階相似，所以本文以2、階擬合為例說(shuō)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(xiàn)分別如圖5~圖7所示，相應的相關(guān)系數分別為0.9977、0.9638、0.9722。由相關(guān)系數可知，3種情況都能達到較高的精度，且通過(guò)電機電流來(lái)估算EMB執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(xiàn)不與位移成單調遞增的關(guān)系，與實(shí)際情況不符，且3階以上擬合與3階類(lèi)似，所以壓力與位移的關(guān)系取2階擬合。另外，雖然通過(guò)電機電流進(jìn)行壓力估算精度較高,但是在試驗過(guò)程中發(fā)現電流測量受外界干擾較大，所以實(shí)際應用時(shí)，應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執行器的可靠性。
6結束語(yǔ)
a.針對某轎車(chē)研制了EMB執行器，并給出了EMB執行器的設計流程。
b.搭建了EMB執行器的壓力估算試驗臺，進(jìn)行了壓力估算試驗。由試驗數據通過(guò)曲線(xiàn)擬合得到了電機電流與執行器輸出壓力的關(guān)系曲線(xiàn)及絲杠位移與執行器輸出壓力的關(guān)系曲線(xiàn)。結果表明，通過(guò)電流與絲杠位移均可估算得到執行器壓力，從而實(shí)現冗余壓力估算，提高EMB執行器可靠性。
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