智能型轮边制动器监控系统设计范文

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《机械设计与研究杂志》2014年第四期

1液压补偿系统的电控单元ECU

电控单元ECU的微控制器芯片采用PIC系列单片机，其内部自带多路10位精度AD输入，以及EEPROM存储模块。ECU内部模块主要包括:电源模块、信号调理模块、信号放大模块、电磁阀驱动模块、串口通讯模块等。ECU外设布置主要包括:LCD显示器、报警灯、蜂鸣器和功能按钮等，其中功能按键作为外部输入，可以实现切换显示屏显示内容，蜂鸣器消音以及复位。ECU控制流程图如图4所示。力传感器安装在顶杆上，分析轮边制动器工作原理可知，当轮边制动器工作处于夹紧制动状态时，碟簧力传递到顶杆上，传感器上力最大;而轮边制动器工作处于松开状态时，顶杆卸压，传感器上几乎不受力。力传感器实时传递压紧力至ECU，只要设置夹紧阈值Fh，通过比较力传感器与夹紧阈值Fh的大小，就可以判断轮边制动器是处于制动状态还是松开状态。只要是从松开状态变成制动状态，ECU就统计夹紧次数加1。利用ECU可以设置安全制动阈值Fs，当检测到制动状态下的制动力小于安全制动阈值Fs时，认为碟簧损坏或失效，会自动发出声光报警，并启动液压补偿系统。

当某个轮边制动器需要补偿制动力时，液压补偿油液通过油管从原大液压缸后端盖进入原碟簧组空心导向杆内部构成的液压补偿油缸，补偿油缸内活塞顶杆顶推原液压缸塞，增加制动力。由于夹紧制动状态下原液压缸活塞不再有位移，故液压补偿力不会对碟簧提供的制动力产生影响。力传感器与顶杆同轴螺纹固定，此时测得的力为碟簧制动力与液压补偿力之和，即为总制动力。当总制动力达到保压阈值Fo时，控制补偿油缸的进油电磁阀关闭，液压补偿系统进入保压状态。保压过程中，由于液压油泄漏使得总制动力缓慢下降，直到低于安全制动阈值Fs时，ECU控制进油电磁阀开启，此时液压补偿油缸补压。为防止液压补偿系统频繁关闭与开启，保压阈值Fo设定为比安全制动阈值Fs大4kN。在液压补偿过程中判断出轮边制动器夹钳在松开时，控制液压补偿油缸泄油。由图3可知，通过控制两个两位三通电磁阀的通断，可以实现液压补偿油路块进油、保压与泄油;通过控制各两位两通电磁阀，可以控制各液压补偿油缸与液压补偿油路的通断。当碟簧损坏时，控制两位两通电磁阀一直保持通的位置，否则保持断的位置。若有两个及以上轮边制动器需要液压补偿时，必须等这些轮边制动器总制动力都达到保压阈值才能进入保压模式。本压力补偿监控系统采用RS485通讯，采用一定的通讯协议接收来自串口的命令帧并反馈应答帧，实现与计算机、PLC以及其他支持串口通讯的设备进行通讯。监控系统可以接收的命令帧有两种，一种是对监控系统的阈值参数和各轮边制动器工作次数进行修改，另一种是让监控系统发送状态监测报告，使维护工作方式实现智能化。

2补偿控制策略验证

为验证监控系统与压力补偿系统控制逻辑，对监控系统与压力补偿系统进行了仿真实验与现场实验。在监控系统开发期间，实验室没有轮边制动器实物，采用计算机模拟碟簧制动力模型进行硬件在环仿真可以解决这个问题。具体来说，计算机与ECU连接，利用计算机建立被控对象的虚拟模型，计算机向ECU发送被控对象的仿真数据，ECU则将分析计算得到的数据或者控制策略上传给电脑，然后人工对数据进行分析判断。硬件在环仿真实验不仅可以验证ECU控制策略以及液压补偿系统油路块是否逻辑正确，而且可以减少现场实验的次数，缩短研发周期并降低研发成本。对于真实轮边制动器，力传感器测量的是碟簧制动力与液压补偿力两者的和，即为总制动力。在本硬件在环仿真中，没有真实的轮边制动器。计算机依据建立的碟簧制动力模型向ECU发送碟簧制动力，力传感器测量液压补偿力，ECU计算的总制动力仍等于碟簧制动力和液压补偿力之和。仿真准备是:ECU与力传感器以及液压补偿系统各电磁阀相连，并通过串口数据线与电脑连接;另设一个液压缸作为液压补偿油缸，并与液压补偿油路块相连。力传感器一端固定，另一端与液压补偿油缸活塞相连，以便测量液压补偿力的大小。

上位机计算机通过LabVIEW软件与ECU进行串口通讯。LabVIEW可以将碟簧制动力模型数据通过串口发送给ECU，接收ECU反馈回来的逻辑判断和计算数据比如碟簧是否损坏、轮边制动器工作循环次数、碟簧制动力、总制动力以及液压补偿系统工作情况等并且实时以图表和指示灯的形式直观显示出来，如图5所示。图6为碟簧制动力模型，模拟轮边制动器夹钳夹紧、张开循环下碟簧制动力随时间的变化。碟簧未损坏时，夹钳夹紧时碟簧制动力为42kN，夹钳张开时碟簧制动力为0，从85s开始碟簧损坏严重，碟簧制动力降为28kN。在液压补偿系统保压时会有少量液压油缓慢泄漏，导致液压补偿力下降，进而总制动力下降，甚至会小于安全阈值，这时要控制液压补偿系统进油补压。由于泄漏过程非常缓慢，为验证控制逻辑并且减少硬件在环仿真时间，在碟簧制动力模型中引入由泄漏导致的制动力损失，图6中，碟簧制动力在147s时从28kN逐渐降为23kN。ECU向LabVIEW反馈的有压力补偿的总制动力如图7所示。通过比较图6和图7可以发现，在前85s碟簧未损坏，液压补偿系统没有动作。在85s时ECU检测到轮边制动器工作在夹紧状态下且制动力小于安全制动阈值35kN，经过5s确认后，90s液压补偿系统开始进油补偿，使得总制动力达到保压阈值39kN并进入保压状态。此后由于泄漏，总制动力缓慢下降，在146s开始总制动力快速下降且在180s时小于安全制动阈值，液压补偿系统再次启动进油。由于实验室该液压补偿油缸面积和液压补偿油压有限，最大液压补偿力只有14kN，所以显示只能将制动力从图6中23kN补偿到图7中的37kN。在检测到220s夹钳开始张开的时候，液压补偿系统泄油，总制动力降为0。在后面的循环中，ECU都能在制动状态下迅速进行压力补偿。以上所述的是单个轮边制动器液压补偿仿真方法，对多个轮边制动器液压补偿仿真方法基本相同。所不同的是，当多个故障轮边制动器需要液压补偿时，要等这些轮边制动器都补偿完毕后才进入保压模式。由图3液压补偿原理图可知，液压补偿对各个故障轮边制动器的液压补偿力相同，因此控制液压补偿是以满足补偿需求最多的那个轮边制动器为准。鉴于篇幅，这里不予详述。通过验证LabVIEW的监测结果显示，碟簧的损坏情况、工作循环次数、总制动力以及液压补偿系统工作情况表明该液压补偿监控系统的控制逻辑是正确的。

3结论

为提高轮边制动器的可靠性和安全性，本文提出了在原轮边制动器上布置力传感器与液压补偿系统构成智能轮边制动器，并设计了一种可视化的液压补偿监控系统。监控系统能有效及时提醒轮边制动器存在的安全隐患，并对制动力不足的情形给予补偿。本文对智能轮边制动器的压力补偿执行机构与ECU控制策略进行了阐述，并且利用硬件在环仿真技术验证了控制策略的正确性。本智能型轮边制动器及其压力补偿监控系统既增加了安全性，也减少了维护轮边制动器的人工费用与时间成本，有较高的实际应用价值，且对压力传感器和压力补偿机构都作了小型化和工程化开发，保证了实际应用的便利性。

作者：耿健张建武郑修成单位：上海交通大学机械与动力工程学院