電模擬慣量汽車制動器臺架試驗機的控制系統的開發與研究

王望

摘 要：在當前世界中汽車制動器臺架試驗機是最具權威評價制動器性能的實驗設備，其實驗對象為制動器，能夠可靠真實的分析制動器性能，具備數據重現性和優良模擬性。傳統汽車制動器臺架試驗機存在的操作復雜、調速參數常改動、被模擬慣量存在極差性等缺陷，而電模擬慣量汽車制動器臺架試驗及能夠將這些缺陷克服，并發揮出非常重要的優勢和作用，以下將進行相應分析。

關鍵詞：電模擬技術;制動器臺架;測控系統

工業傳動場合下，為保證其運行安全性需使用制動器等器件，制動器可以降低運動傳動裝置的速度，使其停止或者是保持停止的狀態。目前制動器廣泛應用到了電力、汽車、工程、冶金、運輸和傳播等場合。目前對于制動器操作性能、安全性能、耐磨性和準確性有著越來越高的要求。汽車制動器臺架試驗機是對汽車制動襯片進行檢測的權威試驗方法，該臺架試驗機具備專業檢測設備，精準采集試驗數據并合理控制計算。基于此，本文主要對電模擬慣量的汽車制動器臺架試驗機具備的控制系統進行開發，主要從升速控制和加速度控制兩方面進行控制系統研究，以供參考。

一、升速控制系統

該臺架試驗機的升速控制系統是模擬汽車行駛初始狀態，通常速度控制在工業生產中是以輸出速度信號，接著通過直流調速器內部速度環和電流一同控制輸出。在速度反饋下，促進電機輸出相應扭距，由此控制其轉速。而本文所研究需對轉速進行控制，同時也需對加速度進行控制，從而這一方法不適用，以下將對適用方法加以分析。

（一）構建數學模型

考慮到慣量輪加速度的控制，可使用加速度控制方式對電機輸出轉速加以控制，升速控制系統主要分為三個控制過程：（1）直流調速器。應用型號為歐陸590+的直流調速器，該調速器為四象限轉換，制動過程中調速器可向電網反饋多余電能，以此節約電能，使調節穩定、快速，并且經濟、節能，這一調速器可在內部控制電流，并具有電流環和速度環等功能。本文對電流環功能加以分析，基于加速度控制系統來控制加速度，可使用電流輸出模型，破開速度環，只應用電流環。通過試驗軟件的主程序實現速度環，并基于此構建直流調速器電流環仿真模型。（2）直流電機。直流電機所選用型號是z4-150-12，主要特點是加速或減速，較快扭距加載或卸載快。（3）慣量輪。慣量輪可起到穩速作用，電機在輸出扭距后，電機將能量輸出到制動器對偶轉盤中，該慣量為慣量輪所具備的慣量，同時包括緊急制動盤、電機主軸和制動器對偶轉盤等。因為這些慣量中慣量輪占有較大比重的慣量，因此將整個旋轉部分具備慣量，稱為慣量輪所帶慣量。在計算主軸、慣量輪以及緊急制動器等慣量時，使用機械部件算法較為復雜繁瑣，即可應用試驗法對總的慣量加以計算[1]。需充分考慮到空氣阻力、軸間摩擦力和電機功率等影響因素，可將電機和慣量輪式為被控整體過程，被控過程輸入是電機電流信號，而輸出式編碼器速度信號。利用計算機軟件臺架試驗機操作程序，將不同電流輸入至直流電機控制，接著微分光電編碼器所測量的速度信號當做輸出結果，在多次測量下獲得測量數據，通過差分運算方法對輸入電樞電流及加速度間的關系進行計算，以獲得最終結果。（4）其他部分仿真模型，應用計算機軟件的操作程序實現算法控制，在信號控制中應運用計算機通信向PLC傳送，接著由PLC輸送到歐路590+調速器中，基于此可實現晶體管組件，電流內環和電流限制等三部分功能。

（二）傳統控制設計

一般工業現場中使用PI控制算法來控制被控過程，該算法具有簡單結構的特點。控制速度時，因為慣量輪具有較大慣性，如果速度控制出現超調情況，則會使設備產生較大震動，從而在保證無超調情況時，對PI參數進行反復調整，以獲得良好仿真效果。當歐陸590+調速器中進入給定速度偏差信號時，調速器會將電機電樞電流輸出。

（三）模糊控制設計

升速控制系統被控過程慣性較大，應用PI控制難以達到期望控制效果，對于大慣性被控過程，可使用模糊控制算法來控制。但是該方法具有一定缺陷，因為不具備積分環節，在控制時容易出現穩態誤差，單純模糊控制無法獲得理想效果。傳統PID控制設計簡單，容易控制算法效果，這時可將PID模糊控制器對輸入信號進行模糊推理，在線自整定PI控制器，以獲得理想控制效果。PI控制和模糊控制兩種算法結合起來，控制思路為將信號輸入至模糊控制器和PI控制器中，將兩種算法優勢發揮出來，以獲得良好控制效果。

二、加速度控制系統

該臺架試驗機加速控制系統，主要是用電模擬慣量偏差，為使慣量輪模擬汽車制動狀態，需保證速度控制的一致性，也應確保加速度模擬一致性。但因為只應用一個慣量輪，觀量是一定的，無法改變，待測量汽車的水平質量跟隨型號而變化[2]。

（一）基本工作原理

在汽車水平行駛制動中將產生一個和行駛方向相反加速度，臺架試驗機慣量輪制動中加速度和汽車車輪制動加速度相同情況下，能夠對汽車制動狀態進行模擬。并考慮同步性，將汽車水平運動轉變為汽車車輪旋轉運動，由此提出汽車慣量概念。在汽車制動中，汽車制動器表現出的制動扭距制動力荷載與汽車制動器上安裝的臺架試驗機制動相同，而汽車慣量和慣量輪可能會有不同的慣量。為了使臺架試驗機慣量輪可對汽車制動加速度狀態進行模擬，需要在制動中將一個扭距施加在控制直流電機中，并對直流電機輸出的扭距加以控制。

（二）控制系統設計

結合制動器制動產生扭距，對已知汽車慣量進行加速度計算，根據加速度結果對達到目標控制效果的扭距值進行計算。結合當前制動扭距和期望制動扭距計算出直流電機，提供補償扭距。該加速度控制系統雖未使用限制系統和電流飽系統，但為保證電機安全性，不應在算法程序中出錯，使電機面臨燒壞的威脅，實現電流限制可提升電機運行安全性。

結束語

電模擬慣量汽車制動器臺架試驗機能夠將升速控制響應速度提升，無超調，不會使設備震動。此外，其可克服傳統汽車臺架試驗機繁瑣操作程序以級差模擬等缺陷，在扭距輸出情況下，可對制動干擾加以限制。

參考文獻：

[1]黃朝慧.電模擬慣量汽車制動器臺架試驗機的控制系統的開發與研究[A].香港康健醫藥有限公司.2017年博鰲醫藥論壇論文集[C].香港康健醫藥有限公司：，2017：1.

[2]唐玉龍.浮鉗盤式制動器制動特性仿真及試驗研究[D].山東理工大學，2018.