制动器试验台的控制方法研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇制动器试验台的控制方法研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要:针对制动器试验台上进行汽车制动性能模拟测试问题。本文采用电动机进行能量补偿实现惯量模拟的方法,通过控制电动机电流来补偿待模拟惯量存贮的动能,提出了一套随观测量实时调整电流的计算机辅助控制系统模型,并提出一些合理化建议。

关键词:制动器;能量补偿;模拟惯量

近年来随着交通事业的发展,行车安全受到越来越大的重视,更多的目光投入到汽车设计方面。制动器的设计是车辆设计中最重要的环节之一,直接影响着人身和车辆的安全。为了检验设计的优劣,必须在专门的制动器试验台上对所设计的路试进行模拟试验。模拟试验的原则是试验台上制动器的制动过程与路试车辆上制动器的制动过程尽可能一致。制动器试验台一般由安装了飞轮组的主轴、驱动主轴旋转的电动机、底座、施加制动的辅助装置以及测量和控制系统等组成。飞轮组及主轴的惯量成为机械惯量,模拟过程中尽可能使得机械惯量与车轮平动能量计算的等效转动惯量相同。一般制动过程中,让电动机在一定规律的电流控制下参与工作,补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,从而保证模拟试验的准确性。试验台采用的电动机的驱动电流与其产生的扭矩成正比,且试验台工作时主轴的瞬时转速与瞬时扭矩是可观测的离散量。本文主要研究模拟过程中电机驱动电流的控制方法。

一、等效转动惯量计算

为保证路试车辆与振动试验台上飞轮和主轴等机构等效,应遵守动能相等原则来求算转化件的等效转动惯量。

按动能相等的原则,可以写出等效转动惯量和等效力矩M的普遍公式。本文中将路试车辆平动时所具有的能量等效地转化为试验台上飞轮和主轴等机构转动时具有的能量,列出如下求解模型:

J ω =(m v+J ω )(i=1,2,......,n)(1)

忽略车轮自身的转动能量,则(1)可简化为:

J ω = mv (2)

根据线速度和加速度的关系:

v=rω(3)

将(2)式进一步简化为:

J =mr = (4)

二、电动机驱动电流计算模型

考虑制动实验过程中,电模拟系统输出力矩TA需要满足与飞轮转动惯量共同作用后,制动器吸收相当于单轮等效转动惯量作用时的能量。利用能量相等原理设计在制动试验过程中基于观测的制动力矩的电动机驱动电流的计算模型。

在制动过程中,制动器吸收能量来减低机械速度或者使机械停止,其吸收的能量可以由下式表示:

E= T ωdt(5)

而制动力矩TB可以通过角速度和等效的转动惯量求得,即:

TB=Jv (6)

等效惯量Jv是由两部分组成,即飞轮组所具有的转动惯量Jm和电动机补偿的转动惯量Js,则有:

J -J +J (7)

由(2)和(3)两式可以得到:

TB=J+Jm (8)

根据(5)式和(8)式可以得到:

E= J (ω-ω)+ J•ωdt(9)

从(9)式我们可以清楚的看到,在制动过程中有 J (ω-ω)的制动能量来自飞轮组的模拟,而 J•ωdt部分需要电动机来模拟。

T =J(10)

经过(6)式和(10)式整理可得:

T =(1- )T (11)

驱动电流I和扭矩TA成正比,其比例系数为K,于是根据(11)式可以建立电动机驱动电流依赖于可观测量的数学模型:

I=K(1- )T (12)

三、驱动电流控制方法

制动试验台的实验过程中,其对应的主轴的力矩和转速可以准确的测出。设系统的初速度为,制动要求在T时间间隔内达到,假定要求以匀减速运行,则运行中加速度a= 应为一常数。在制动试验过程中,电模拟系统任一时间段的输出力矩TA应尽量保证该时段的实际加速度向靠近。

本文采用等间隔采样,不等间隔调整方法来设计电流值的控制算法,以前一时间段观测的瞬时转速n和瞬时扭矩TA,结合模拟实验的起始控制条件,假定理论上能够实现匀减速运行,加速度恒定,根据保持匀减速运行所需的电动机驱动电流IA作为初始电流,分析后续各时间段采样数据,按照能量守恒原则,根据后续数据重新计算电流调整值,以提高模拟精度。

已知设计任一时刻测量转速为n,制动力矩为TB,系统的采样间隔为T

则该时段转速:

ω' =f(n)=2πn(13)

据前述内容可知:

T =(1- )TI=KT (14)

则此时的实际加速度为:

a = (15)

要保证以加速度a运行,则要求:

-T +T =J •a I'=KT (16)I=I'-I(17)

在控制过程中以等间隔采样,不等间隔调整的方式进行。设在下一采样时刻实测数据为TB',n'则:

ω' =2πn'(18)

此时该时间段内制动器吸收的能量(即根据实测数据所得的能量)为:

E'= Jv(ω'-ω')(19)

若匀减速运动,则:

ω2=ω1-a•T(20)

对应的理论值为:

E'= Jv(ω'-ω')= Jv(ω1-a•T)2-ω= Jv-2a•T+(a•T)2(21)

因制动过程中TA与Jm共同作用时,保证制动器吸收的能量相当于Jv作用下时的能量,考虑在实际测量过程中存在各类误差,因此给定一个允许的误差范围ε(通常规定给3%-5%),当时, ≥ε可根据能量的差值通过对电流的调整实现补偿。

四、模型改进

由于制动器在制动器惯性试验台中存在惯量误差,其通常包括飞轮的加工误差和风阻及轴承损耗等阻力引起的误差,所以前述所给出的控制方法尚存在一定的不完善性,即其在一定的时间段内调整的次数很多,这样就增加了控制的复杂性。飞轮的加工误差是固定的,可以在制造过程中加以修正,在此不予考虑。阻力引起的误差相当复杂,难以逐一精确地定量分析。可以采用一种间接的损耗模型回归方法对总的损耗能量进行分析,即在试验前,先对试验台的系统本身含有的阻力进行测试,经过多次的测试最终取其期望值。在制动过程中风阻和轴承摩擦等阻力产生的力矩方向均与飞轮旋转方向相反,这些能量损耗需电动机额外做功进行补偿,这样电动机在制动过中的总功为电惯量应提供的能量与系统损耗量之和。

采用如下方式模拟出飞轮损耗能量:将飞轮升速到最高转速,切断驱动电机电源,飞轮会在风阻和轴承摩擦等阻力作用下自由停止,停止过程中每隔10s记录一次转速数据,可以通过拟合的方法得出纯阻力情况下的转速方程,进而计算出损耗方程。由于阻力的变化规律未知,不能按线性规律处理,因而试验要遍历各飞轮组合。所以飞轮的个数不同,组合数就不同,若有3个飞轮,则需试验8次。

所以将飞轮损耗考虑后得出制动力矩:

TB=(Jv+J)• (18)

对前述模型进行改进,引入惯量误差,即可提高试验精度。

五、结束语

采用能量补偿法结合飞轮组合来进行制动器负载试验,具有模拟精度准确,控制算法易于实现等优点,在实际工程中可以得到推广应用。但是由于惯量的模拟范围受电机容量限制,电机容量过大势必增加系统成本,因此选择飞轮的组合应尽可能贴近等效转动惯量。另外,电机的补偿时间及采样间隔选择的选择与计算机的控制算法对该问题的影响较大,因此,只有不断提高算法严密性,改进系统误差,才能使得该模型得以较好地推广和应用。

参考文献:

[1]林荣会,刘明美.制动器试验台中模拟负载的新方法[J].机械科学与技术,1997,(6):58-60.

[2]林荣会,蒋建平.双分流加载式制动器试验台的电模拟系统[J].自动化与仪器仪表,1997,(3):39-41.

[3]马继杰,吴博达,刘笑羽等.制动器惯性台架电模拟惯量的研究[J].汽车技术,2009,(4):49-52.

[4]陈汉汛,李擎柱,刘丽等.制动器性能试验台的电子模拟仿真[J].武汉理工学报,2007,(1):37-40.

[5]谷曼.制动器惯性试验台的研制[J].成组技术与生产现代化,2008,(2):51-55.

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文