ABS测试设备设计（精选7篇）
ABS测试设备设计 篇1
摘要：利用MATLAB与LABVIEW联合仿真, 结合硬件在环仿真技术, 搭建了汽车防抱死制动控制器试验台, 对ABS工作模式和故障状态进行了试验分析, 能够初步体现控制器的性能特征和状态参数, 验证控制器运行的正确性, 证明硬件在环仿真试验系统的可信性和实用性。
关键词：防抱死制动系统,硬件在环仿真系统,试验台
0 引言
汽车防抱死制动系统是汽车主动安全的重要组成部分, 目前已经逐渐成为汽车的标配产品。汽车ABS性能的优劣直接影响汽车的行驶安全。现有的国家标准仅是针对应用已开发成熟的ABS整车制动试验[1], 而对处于开发阶段的ABS产品并无测试, 本文设计的ABS控制器性能测试系统可以对汽车ABS控制单元进行硬件在环测试, 分析该系统工作过程和工作方式, 发现该系统存在的问题, 提出优化的措施, 发现故障形成方式, 为产品开发提供改进依据, 降低试验成本, 缩短开发周期。在汽车ABS控制器性能测试系统的开发设计中, 采用硬件在环仿真技术, 该系统包括车辆仿真、硬件设计和软件设计三个模块。
1 仿真模型的建立
1.1 车辆模型
忽略车身侧倾的影响, 将悬挂质量和非悬挂质量合为车辆整车质量, 忽略轮胎的滚动阻力、车辆的空气阻力, 汽车进行直线行驶, 不存在轮胎横向力的作用。考虑车辆纵向运动 (x方向) 、横向运动 (y方向) 和横摆运动 (绕z轴的转动) , 设车辆坐标系的原点在整车质心处, 可以建立一个的四轮车辆模型。
根据汽车理论知识[2], 列出车辆制动时的运动方程, 建立数学模型, 在Matlab/simulink环境下建立车辆模型, 仿真得出曲线符合实际制动情况, 模型建立正确。
1.2 轮胎模型
轮胎的力学特性对汽车的操纵稳定性、舒适性、动力性和制动安全性起着极其重要的作用。车辆性能的定量分析与研究及先进的底盘控制系统的设计开发, 在很大程度上依赖于车辆动力学模型和轮胎动力学模型的研究[3]。根据本文的研究特性, 采用了Magic Formula模型 (魔术公式模型) [4]。
式中:D—峰值因子, 表述曲线的最大值;B—刚度因子;E—曲线曲率因子, 表示曲线最大值附近的形状;C—曲线形状因子, 即表示曲线是象征横向力、纵向力还是回正力矩;Sh—曲线的水平方向漂移;SV—曲线的垂直方向漂移。
2 ABS硬件在环系统硬件设计
整个混合仿真系统的硬件部分由5个模块组成:1) 仿真计算机系统:用以运行仿真软件, 其机箱内中泰研创的USB7322板卡用以采集电磁阀信号及输出阶梯轮速信号;2) 接口箱:电磁阀信号调理电路板将电磁阀动作时的电压信号转变为TTL电平信号;3) VF变换盒:VF变换电路板将阶梯轮速信号转变为方波信号;4) ABS信号转接盒:ABS信号转接盒将ABS控制器的接口引到机柜面板;5) ABS控制器:桑塔纳2000Gsi的美国ITT公司MK20—I系[5]。
系统的结构原理图如图1所示。实物连接和关系如图2所示。
3 ABS硬件在环系统软件设计
本系统的软件开发选择了NI公司的Lab VIEW开发平台。根据系统要求, 软件设计包括轮速信号模拟模块、轮速信号输出模块、数据存储模块、数据分析模块等四个部分。软件系统的设计功能包括设定不同的路面条件来进行仿真试验, 通过改变车辆数学模型的几何参数实现不同车辆的制动过程仿真, 并且在制动过程中, 数据采集卡能及时处理压力传感器信号和电磁阀状态信号。系统软件设计流程图如图3所示。
4 HILS ABS试验台的应用
通过仿真得到输入信号, 通过Matlab与Lab VIEW接口, 然后经Lab VIEW显示图像, 仿真系统的输入端已经成功运行。向ABS控制器发送相应的信号, ABS控制器内电磁阀在一定的工况下有对应的工作状态, 通过采集卡得到输出信号, 经Lab VIEW导出图像, 这说明ABS硬件在环系统可行。图4是HILS部分仿真曲线。其中包括电磁阀信号、不同附着系数路面上制动车速与轮速变化曲线和滑移率曲线图。HIL仿真系统的应用过程说明系统开发是成功的。
5 结语
制动控制器作为车辆的主动安全核心部件, 具有系统硬件和软件复杂, 对测试环境和道路条件要求高, 开发周期长等特点, 通过硬件在环仿真方法, 可以提高试验的安全性和可靠性, 缩短开发周期, 降低成本。随着软件技术和硬件技术的迅速发展, HIL仿真技术成为汽车控制系统开发和应用研究的重要技术, 在系统中加入了真实的硬件, 减少了纯数字模型仿真的模拟误差, 其结果更接近实际情况。
参考文献
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[5]施云翔.液压ABS仿真试验台的开发[D].北京:清华大学, 2004.
ABS测试设备设计 篇2
汽车防抱死制动系统(ABS)是一种主动安全装置,能够防止制动时车轮抱死,在汽车制动过程中自动控制和调节制动压力,将汽车纵向附着系数保持在最大值附近、横向附着系数保持在较大值,消除制动过程中的侧滑、跑偏、丧失转向能力等非稳定状态,使汽车获得良好的制动性能、操纵性能和稳定性能。虚拟仪器技术是计算机与测试技术相结合的产物,在汽车ABS测试系统中以LabVIEW软件为核心,能够减少各种控制按钮、开关以及传统仪器的采用,不仅节约了成本,而且使系统功能更加灵活。
1ABS的结构与工作原理
汽车制动系统随车型的不同而不同,同样ABS系统也因车型而异,但是汽车ABS基本都是由电子控制单元(ECU)、制动压力调节装置和车轮转速传感器等组成。通过各个部分的有效结合,使汽车制动时滑移率控制在20%左右,防止车轮抱死,从而达到制动距离最短。汽车ABS的基本控制框图[1]如图1所示。
当驾驶员在汽车行驶过程中紧急制动时,车轮速度传感器会检测车轮的速度,并不停的向ECU发出信号。ECU通过判断车轮加减速度的大小来确定车轮是否抱死并计算滑移率的大小,一旦发现某个车轮滑移率不在预控制范围,ECU会立即发出指令,控制电磁阀改变车轮制动缸的制动压力,将滑移率控制在最佳值附近,起到防止车轮抱死的目的,并使汽车达到最佳的方向稳定性和制动效能。
2ABS测试系统硬件的选择
2.1 速度传感器
由于电磁感应式轮速传感器在低车速时输出信号较弱,而且抗电磁波干扰能力差,因此选择霍尔式车轮转速传感器。
霍尔式车轮转速传感器是由传感头和齿圈组成,其中传感头由永久磁铁、霍尔元件和电子电路等组成。测量车速时,传感头安装在车轮总成的非旋转部分上,与车轮一起转动的齿圈相对。如图2所示,为传感器磁路。随着齿圈的转动,由于齿圈与传感器之间间隙的交替变化,导致穿过霍尔元件的磁场线密度发生变化,从而引起霍尔电压的变化。霍尔电压最终经过运算放大器放大、施密特触发器转换、输出级再放大后便可以使用。
2.2 数据采集卡
数据采集卡是将模拟信号转换为数字信号,形成计算机能够处理的数据,并且大多可以直接进行数字信号的输入和输出。
测试系统选用北京阿尔泰科贸有限公司生产的外挂式数据采集卡USB2015,USB2015 模板是与USB总线兼容的数据采集板,可经USB接口直接接入计算机,构成实验室、产品品质检验中心、野外测控、医疗设备等领域的数据采集、波形分析和处理系统,也可构成工业生产过程控制监控系统。而且USB2015采集卡还具有体积小,即插即用等特点,特别适合本测试系统的车载电脑的输入输出接口。如图3所示,为USB2015数据采集卡的结构。
USB2015数据采集卡,具有8路开关量输入通道,使用时DI0～DI3连接四个轮速传感器,DI4连接刹车灯开关,DI5连接驻车制动开关,DI6输入蓄电池电压信号,DI7输入主电源电压信号;具有8路开关量输出通道,D00～D07用以控制4个常开电磁阀和4个常关电磁阀;具有4路定时/计数器通道;最大采样率为100kHz,完全能满足测试系统要求。
3 测试系统控制程序设计
3.1 测试系统控制流程
ABS测试系统是基于LabVIEW语言,采用模块化设计编程的。前面板用来显示测试系统运行结果与选择汽车制动方式,具体控制过程将在后台程序框图中以数据流的方式运行。软件控制流程如图4所示[2]。
3.2 车速与角加减速度计算
车速是根据采集的霍尔传感器的连续方波信号计算的,常用的速度计算方法有频率法和周期法。汽车的最大速度一般不超过200km/h,折合到车轮转速信号也就几kHz,因此采用周期法测量车轮转速信号。根据奈奎斯特采样定理,以频率几十至几百kHz为时基信号,就可保证不失真采样。启动计数程序,记录一个周期内通过的时基脉冲数量,即可求得车轮的角速度ω=2π/zT,车轮线速度为V=ωr,其中T为交变电压周期,z为齿圈齿数,r为车轮滚动半径[3]。图5为车轮速度计算程序。
车轮的角加减速度就是单位时间内车轮角速度的变化量,程序利用角加减速度的大小判断路面附着系数的高低以及对制动系统压力的控制。角加减速度的计算如下:
undefined
式中,ωk和ωk-1分别为当前时刻和上一采样时刻的车轮角速度。
3.3 滑移率计算
表征车轮滑移程度的参数即为滑移率,它的定义为
undefined
式中:v——车轮中心的速度,级汽车车身的速度;
r——车轮的动力半径;
ω——车轮的角速度。
在计算滑移率之前首先需要知道地面的附着情况,在程序设计中利用Pacejka等人提出的魔术公式来表征。魔术公式比较真实的表述了纵向附着系数与滑移率之间的关系,即
μ=μo+A×sin{B×tan-1[C×S-D-(C×S-tan-1(C×S)}]
式中:μ0为车轮在纯滚动时的附着系数,一般情况下取为0;A,B,C,D为待定系数,都是与路面相关的常数,通过选择参数可以代表不同的路面。
在汽车制动过程中,通过检测角加减速度的大小,LabVIEW控制程序可以判断地面附着情况。制动初期,如果测得车轮角速度低于设定值,则取此刻的车轮速度作为汽车的参考车速vRefo。然后汽车参考车速vRefo可依据车轮的减速度j(即相应滑移率下的附着系数μ与g的积),由vRefo=vRefo-jt确定,并由此计算出车轮在任一时刻的参考滑移率[4]。滑移率计算程序如图6.
3.4 测试系统前面板设计
测试系统的前面板是测试者操作和信息显示的面板,因此要求界面友好、直观、便于操作和人机交互。测试系统的LabVIEW前面板如图7所示,可以直观显示制动过程中采集的轮速信号、车速变化曲线、滑移率变化曲线、角加速变化曲线以及理论制动距离。在测试系统过程中可以对有无ABS两种情况分别进行测试,测试过程中可以实时观察并存储数据,以对试验后数据进行分析处理。
4 结论
在霍尔式车轮轮速传感器、USB2015采集卡以及其他制动系统基本结构的基础上,以LabVIEW软件为核心设计了ABS测试系统。该测试系统具有良好的人机交互界面,并且操作简单,功能全面。在汽车制动过程中可以实时了解制动过程和存储数据,发现制动过程的影响因素,对控制过程进行优化改进。利用该测试系统可以有效提高汽车ABS产品开发的效率,降低开发成本,具有较高的实用性。
参考文献
[1]迟瑞娟,李世雄.汽车电子技术[M].北京:国防工业出版社,2008.
[2]李果.车辆防抱死制动控制理论与应用[M].北京:国防工业出版社,2009.
[3]杨欣.基于LabVIEW的汽车防抱死系统设计与仿真[D].北京:华北电力大学硕士学位论文,2004.12:39-41.
[4]周志立,徐斌,卫尧.汽车ABS原理与结构[M].北京:机械工业出版社,2005.
车辆ABS数据采集系统设计 篇3
关键词：ABS系统,数据采集,软件测试
车辆在行驶过程中紧急制动时,车轮将很快抱死。车轮抱死是一种很危险的工况。当前轮抱死时车辆会丧失转向性能,从而失去躲避前方障碍物的操纵性 ;当在弯道制动时,由于不能保持原有预定的轨迹,车辆将沿弯道切线方向甩出。当后轮抱死时,车辆易产生侧滑和甩尾,导致车辆失稳。根据统计资料,车辆安装ABS后,可以减少侧滑引起的事故比例为轿车8%,小客车4%,轻卡7.5%,重型货车9.5%。轮胎寿命可提高6%~ 10%,在潮湿沥青路面上,车速较高时车辆制动距离可减少10%~ 20%。极大的减少交通事故的发生,减小经济损失。
1 ABS 控制原理
机动车在制动过程中,车轮在路面上的运动是一个边滚边滑的过程,车轮未制动时车轮可以认为是纯滚动状态。当车轮抱死时,车轮在路面上的运动处于纯滑动状态。为了定量描述车轮的运动状态,引入车轮滑动率λ这一参数,用来表明车轮滑动成分的多少。滑动率λ的定义为 :
虚线-横向附着系数 实线-纵向附着系数 ;
式中,Vw —车轮中心的速度即车身速度 ;
r—车轮的动力半径 ;
ω—车轮的角速度。
理想的ABS控制系统应以滑移率为控制目标。当车轮旋转从稳定区域刚刚进入非稳定区域时,迅速而适当的降低制动压力,使制动器摩擦力矩略小于地面制动力形成的车轮转矩,车轮转速升高使滑移率恢复至靠近稳定界限的稳定区域内。这时由于制动压力减小,车轮角减速度回升,当达到一定值时适当地增加制动压力,把滑移率控制在稳定界限附近,即图1斜线区域内。由于从稳定区过渡到非稳定区压力变化比较小,如果压力增长速度过快车轮将迅速抱死,所以要通过小步长阶梯增长的方式,减缓压力增长速度,尽可能使滑移率稳定在最大附着系数附近的狭小范围内,通常为8~30%,这样可以保证车辆良好的操纵性能和方向稳定性,并缩短制动距离。
制动防抱死装置(ABS)的基本功能就是可感知制动轮每一瞬时的制动状态,并根据起运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小,避免出现车轮的抱死现象,因而是一个闭环控制系统。可使的汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离,有效地提高了行车安全性。
它的系统控制框图由图2所示。
2 ABS 系统基本组成
ABS的硬件主要由三部分组成 :压力调节器、轮速传感器、电子控制单元(ECU),另外还包括一些液压管路及指示灯等。图3为汽车ABS的控制回路简图。
1—制动踏板 ;2 -制动主缸 ;3 -压力调节器 ;4 -制动钳 ;5 -制动盘 ;6 -齿圈 ;7 -转速传感器 ;8—ECU
3 车辆 ABS 数据采集系统设计
本数据采集系统由两个部分组成 :
1.硬件部分
硬件部分由ABS系统中的轮速传感器、制动管路压力传感器、齿圈、电子控制单元(ECU)、用于测量车身速度的五轮仪等组成。
2.软件部分
ABS数据采集程序分两个部分 :数据采集程序和数据处理程序。
(1)数据采集程序
数据采集程序主要就是通过单片机的端口和A/D转换获取车轮转速和制动管路压力的原始数据并把这些数据通过串口传送至数据处理程序。
数据采集程序框图如图4。
(2)数据处理程序
接收数据采集程序传送过来的数据,并对这些数据进行处理,计算出角减速度、角加速度、车速和滑移率。
(3)单片机仿真测试
以调试完毕可靠数据采集程序,按照指定格式向数据处理程序发送数据。然后用仿真器向单片机高速输入口输入方波及模拟信号,模仿轮速、压力信号的输入。
生成的波形图见图5。由于模拟加入的信号为固定的轮速与压力信号,因此速度为常数,加速度为零。有三路信号的频率不同的输入波形,所以三路速度不等,故滑移率不为零,由图可见结果合理。并经计算得结果与程序处理结果吻合。表明软件操作方便,工作稳定,能高速无限接收、正确处理数据,得到我们所关心的车身运动参数。
4 结论
汽车ABS动态性能试验台的设计 篇4
1 汽车惯量机电模拟原理
1.1 汽车制动系的工作原理分析
汽车制动时,驾驶员踩制动踏板,不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个制动力矩,同时地面对车轮产生一个向后的作用力,即制动力。制动力Fb由车轮经车桥和悬架传给车身,迫使整个汽车产生一定的减速度。阻碍汽车运动的制动力Fb不仅取决于制动力矩Tm,还受限于轮胎与路面间的附着条件。制动力愈大,则汽车减速度愈大。
1.2 汽车制动过程分析
1.2.1 汽车制动受力分析
汽车在平整的路面上制动时,汽车所受总的阻力为:
式中:F为汽车受到的总的阻力;
Fb为汽车受到的地面制动力汽车ABS动态性能试验台的设计;
Fw为汽车受到的风阻;
Ff为汽车受到的滚动阻力。
在汽车正常制动行驶时,Ff和Fw在F中占的比例非常小。以Santana 2000GSI为例,其基本参数为:A=1.89m2,CD=0.425,m=1140kg。
若取V=50km/h(本课题中模拟的最高速),则最大的空气阻力:
若取f=0.01,则车轮受到的滚动阻力:
而若取=0.7,则地面对车的最大的制动力:
可见空气阻力和滚动阻力相对于地面制动力小得多,可忽略不计,所以F≈Fd。
1.2.2 汽车制动整车运动分析
紧急制动时断开动力传递,N1为前轴地面法向反力;N2为后轴地面法向反力;Fg为汽车受到的滚动阻力,Ff汽车受到的风阻力,m为整车质量;h为车重心高;L为轴距;L1为重心至前轴距离;L2为重心至后轴距离;F1、F2为各车轮地面制动力,整车力学方程有:
由上面分析得F≈Fb=N1+N2=m
得整车运动时的惯性力为:mα
式中:为车轮路面附着系数
dv/dt为整车减速度;
V0为整车制动时的初速度。
1.2.3 汽车制动时车轮运动分析
取上述汽车的从动车轮为研究对象,设车轮的转动惯量为J轮,根据得:
则车轮的角加速度dω/dt:
其中:J轮为车轮转动惯量;设dω/dt为各轮角减速度;Tm为制动器的制动力矩;Fb为路面对车轮的制动力。
1.3 试验台上制动时车轮的运动分析
本ABS综合性能试验台中用制动鼓运动代表汽车车轮的运动,以台架上制动鼓为研究对象,设台架上制动鼓制动力矩为Tm,皮带传递力矩为T电,制动鼓模拟部分转动惯量为J台,忽略台架阻力矩,则根据
得
Tm=T电+J台×’(8)
即’=(Tm-T电)/J台(9)
1.4 试验台上汽车惯量机电模拟原理
根据模拟要求,令=’则由式(7)和(9)得:
在汽车前后车轮制动未抱死时,汽车前后轮地面制动力按该车前后制动器制动力比例(汽车的β线)变化,设在汽车制动的车轮角减速度时,试验台测试车轮对应实车上车轮产生的制动力占整车制动力的比例为k,则:
由式(12)可知,为保证ABS试验台上车轮运动状况与汽车道路行驶时一致,有两种方案可以采用,一是用试验台飞轮等部件的转动惯量完全模拟汽车运动惯量,即使J台=J轮+kM车r2,其代价是必须配备大惯量的飞轮。另一方案是由试验台飞轮等部件模拟部分汽车运动惯量,其差值由磁粉离合器传递力矩补偿,此即为汽车转动惯量的机电混合模拟技术。
1.5 地面制动力的模拟原理
由(6)式发现路面对车轮的制动力和制动器对轮子的制动力矩有对应的关系。只要正确控制磁粉离合器就可以正确地反映路面对车轮制动作用。又由(6)式可发现除了dω/dt是变化值,其余都是常量。由于dω/dt可以通过采集轮速,进行一定的计算得到,因此磁粉离合器的控制目标就可以得到。
2 试验台设计方案
2.1 设计思路
基于汽车制动时驱动轮和非驱动轮速度不同的考虑,提出四个车轮单独驱动方法,实现汽车在制动时每个车轮速度的模拟。
基于汽车在不同路面状况制动时的附着系数不同和汽车运动时惯量对每个车轮作用效果不同的考虑,提出地面制动力和汽车转动惯量单独模拟方法,实现四个车轮转速的单独测量和四个电机和磁分离合器的单独控制,实现对开、对接路面、不同车速制动时的汽车运动的模拟。
基于设计的实验台与实际汽车制动系统在形式上更相接近、使用者容易接受方面考虑,提出实验台由四个单车轮模块组建的方法。
2.2 设计方案
该方案由四个单车轮模块组成,各单车轮模块在结构组成上是完全相同的,测量与控制上是相互独立的,各模块共用同一个控制系统。单个车轮模块,由公式(12)T电=(J轮+kM车r2J台),可以看出:如果惯量完全由机械方式来模拟,J台就比较大就要使用大转动惯量的飞轮,这样可以选择功率低一点的电动机;如果电动机功率足够高,相当于T电足够大,可以实现对惯量的完全电模拟;另外从本课题设计的要求出发,模拟的车速、轮速要和实际的车速、轮速要一致,但是小功率电动机本身转动惯量很小,踩制动后电动机的转速和轮速变化情况和实际踩制动后车速和轮速的变化达不一致,显然上面两种方法都不可取。
3 程序设计
运用Labview软件设计程序。当速度已调整到所要设定的初速度时“开始制动”图标就会变绿,如果要进入制动模式只要踩制动踏板就开始进行制动试验了进行制动试验时,车速和前、后轴轮速通过界面上的示波器动态显示。
4 试验结果
部分试验结果,从汽车车速和前、后轴轮速的变化曲线来看,本系统基本实现了设计目标,能够比较真实的模拟在不同初速度和不同路况(不同)下制动,ABS起作用时的汽车制动过程。
5 结语
本课题研究了基于机电混合模拟技术的ABS试验台,应用计算机测控技术对磁粉离合器传递力矩的控制实现地面对车轮的制动作用力和汽车运动惯量的模拟;通过电动机调速控制实现汽车行驶速度的模拟。以控制车轮的瞬时角加速度和减速度为主要参数,使用混合模拟技术,大胆取消了滚筒装置,飞轮仅模拟一小部分惯量,体积小;被测车辆的运动惯量、车轮与地面的附着系数等参数可通过电模拟实现在线调整;模拟精确,操作方便,试验精度高。
摘要：本文通过对当前国内ABS性能试验台系统现状的分析;针对目前教学和科研用试验台系统存在的缺陷,在分析了前人在机电混合模拟技术所做工作的基础上,提出了汽车惯量和地面制动力机电模拟的理论。以自行研制的新型ABS动态性能试验台为平台,设计了各种不同车速与不同路况下的汽车ABS试验方案,并进行了大量的实验验证。
关键词：ABS动态性能试验台,LabView,机电模拟技术,PID
参考文献
[1]陈家瑞.2003年.汽车构造(下册()第四版)[M].人民交通出版社.
[2]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2002.
ABS测试设备设计 篇5
PC/ABS材料电镀工艺复杂,其中和材料最相关的是粗化工序,而粗化效果直接影响电镀质量。下面研究PC/ABS材料中PC含量、橡胶含量及橡胶粒径对粗化质量及镀层性能的影响。
1 试验部分
1.1 主要原材料
a.Dow-LG公司普通级PC:300℃、1.2 kg负荷时的熔指为10 g/10 min。
b.kumho公司ABS高胶粉1:含胶量为40%,粒径为200 nm。
c.kumho公司ABS高胶粉2:含胶量为40%,粒径为400 nm。
d.kumho公司普通级SAN:调节配方中的橡胶含量。
按照表1的材料配方,通过双螺杆挤出机挤出PC/ABS粒料,然后用注塑机注塑PC/ABS高光板,高光板的尺寸为:长140 mm、宽90 mm、厚3 mm。
%
1.2 主要试验设备
a.TE-35型双螺杆挤出机:南京科亚塑料机械有限公司。
b.JEOL1230透射电镜:日本电子公司。
c.7010型剥离力 测试仪 :德国Zwick/Roell公司。
1.3 电镀试验
1.3.1电镀流程
高光板的电镀工艺流程如下。
去应力→除油→水洗→粗化→水洗→还原→水洗→敏化→活化→水洗→解胶→水洗→化学镀镍→预镀铜→水洗→镀镍→镀铬→水洗→烘干。
其中,粗化液中的硫酸浓度为400 g/L、铬酸浓度为400 g/L,粗化温度为64℃,粗化时间为16 min。
1.3.2电镀结合力测试
将电镀件切割成长140 mm、宽10 mm、厚3 mm的尺寸,测试剥离力。测试速度为100 mm/min,得到力和距离的曲线,取平台区的平均值作为镀层平均剥离力。
1.4 粗化形貌观察
粗化后取样件通过SEM观察粗化效果。
2 结果与讨论
2.1 橡胶含量的影响
PC/ABS中的橡胶组分B(聚丁二烯)在粗化液中被刻蚀形成表面凹坑,图1显示了B含量对PC/ABS材料表面粗化形态的影响。图1a是材料1(B含量为12%)粗化后的表面状态,蚀坑数量较多、分布均匀,并且孔与孔之间有一定的间隙,为良好的粗化状态;图1b是材料2(B含量为16%)粗化后的表面状态,蚀坑数量很多,但局部位置的蚀坑连在一起,表面粗糙、粗化过度。
图2是B含量对镀层剥离力的影响,以剥离力-位移曲线平台区的平均值为平均剥离力。从图中看出,B含量增加的材料2的镀层结合力下降(镀层结合力为3.8 N/cm,材料1的镀层结合力为7.3 N/cm)。这是因为橡胶含量过多时,粗化后局部位置的蚀坑连在一起,表面粗糙,粗化过度,从而导致镀层剥离力下降。
图3是橡胶粒径对镀层剥离力的影响,以剥离力-位移曲线平台区的平均值为平均剥离力。材料4中除了含有200 nm的ABS高胶粉1以外,还加入了大粒径(400 nm)的ABS高胶粉2,镀层剥离力为9.5 N/cm。镀层剥离力提高的原因是:小粒径橡胶均匀分散在PC/ABS中,能够提高足够数量的铆合点,为材料提供良好的电镀性能(图4a);增加少量大粒径橡胶、粗化后,能够提供更深的铆合点,因此提高了镀层的结合力(图4b)。
2.2 PC含量的影响
图5显示了PC含量对粗化表面形态的影响。图5a是材料1的表面状态;图5b显示材料3蚀坑数量少、粗化不足,电镀后表面存在漏镀现象。表明PC含量增加到65%时,粗化困难、电镀出现漏镀等缺陷。
3 结论
a.橡胶含量为12%、PC含量为50%时,粗化效果好、镀层剥离强度高;
b.在电镀PC/ABS材料中加入400 nm粒径的橡胶后,提高了镀层的剥离强度。
参考文献
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ABS测试设备设计 篇6
关键词：滑移率,滑模控制,制动系统,智能滑模控制器
引言
车辆能否安全稳定的驾驶在很大程度上取决于车辆ABS系统, 它对车辆的安全行驶起着关键性作用。目前适用范围比较广泛, 应用比较成熟的控制理论方法主要有逻辑门限值控制、最优控制和变结构控制等。逻辑门限值控制的门限值必须要经过多次试验才能确定, 无法对系统稳定性品质进行评价, 控制过程不稳定。对ABS这种具有明显非线性和不确定性的系统, 有必要采用一种高鲁棒性的非线性控制器来加以控制。滑模控制[1,2,3]是一种重要的高鲁棒控制理论和方法, 它能使非线性系统相对保持稳定并且能消除模型中的不确定性。本研究中用神经网络控制理论与滑模控制理论相融合, 研究并完成一种智能滑模控制器, 并且用边界层方法消除颤动现象。
1、制动过程模型建立
1.1 单轮车辆制动模型
本研究目的是对汽车ABS系统的功能进行研究, 并探讨汽车ABS系统的控制策略问题, 主要涉及车辆的刹车距离、刹车时间、刹车减速度等方面。当汽车行驶过程中突然进行刹车, 在刹车过程开始前车轮速度等于汽车行驶速度;刹车过程中, 车轮速度小于汽车行驶速度速度。刹车时, 作用在车轮上的力矩有两个:一是刹车动盘与静盘摩擦产生的刹车力矩Tb, 其方向与车轮转动方向相反;另一个是路面与车轮轮胎的摩擦力Fz产生的力矩, 其作用是使车轮转速增加车辆行驶速度减小。如图1 所示。
根据牛顿定理有:
公式中, J表示轮胎转动惯量, w表示轮胎角速度, v表示车辆速度, R表示轮胎滚动半径, Ff表示轮胎与地面之间的摩擦力, Tb表示动力矩, m表示车的总质量的1/4, Fz表示路面对轮胎的反作用力。
1.2 制动执行器模型
制动执行器模型主要包括无刷直流电机模型、电机驱动器模型、传动装置模型和制动器模型等。
1.2.1 电机模型[4,5]
当汽车制动时, 电机工作状态要经过消除间隙、堵转状态和恢复间隙三个阶段。仅第二种状态时电机会产生堵转力矩。通过减速机构和滚珠丝杠副, 最后形成制动压力产生制动力矩, 在这时需要进行力矩控制。连续堵转的转矩公式为:
其中, TH表示连续堵转转矩;9.55 为功率、转矩转换常数;Ke表示反电势系数;Ik表示连续堵转电流;U0表示空载电压;I0表示空载电流;Ra表示电枢电阻;n0表示空载转速。
1.2.2 传动机构及制动器
传动机构由行星减速机构和滚珠丝杠副构成:
其中, N为输出推力;ηs为传动效率;Ph为丝杠导程。TX为输出转矩;i为传动比;ηX为机械效率。
制动力矩为:
其中, kp为制动因数。
将公式 (2) (4) 和 (5) 代入 (6) 可以得到制动执行器的数学模型;
1.3轮胎模型[6,7,8,9]
Lu Gre模型是法国学者Canudas de Wit在基于鬃毛的平均变形下对轮胎建模, 属于轮胎物理模型, 模型的表达式为[10]:
式中, μ 为摩擦系数;vr为相对滑移速度;vs为特征速度;z为刷毛的平均变形量;g (vr) 为Stribeck效应函数:α0、α1分别为刷毛的刚度参数和阻尼参数;σ0、σ1为摩擦系数参数;σ2为粘性摩擦参数。
每种道路都有不同的滑移率附着系数曲线, 当道路条件不同时, 道路滑移率附着系数曲线是不相同的, 其峰值所对应着的道路最佳滑移率也都不相同的, 它的值是动态变化的。因此, 为了能够更好地仿真本论文采用离线的方法计算出路面的最优滑移率, 在仿真过程中智能滑模控制器的最优滑移率是通过查表方的式得出的, 该表的输入参数是车辆速度和路况参数, 最优滑移率是用Lu Gre模型计算出来的。
2、智能滑模控制器设计
2.1 滑模控制方法
考虑单输入动态系统:
式中, 表示状态向量, u表示控制器的输入, 函数f (x) 和b (x) 分别表示非线性的、有界的、连续的未知函数。现在系统的问题是如何在系统存在建模不确定的情形下使状态x能够更好地跟踪特定的时变状态。
为了既好又快的实现跟踪, 设:
根据以上叙述知, 跟踪误差向量:
在状态空间Rn中时变滑模面用标量s (x , t ) = 0 定义:
其中, a>0。当n=2 时, 有
即s是误差及其导数的线性组合。
给定初始状态 (10) , 当t>0 时跟踪任务轨线必须保持在滑模面S (t ) 上。所以, 可以把跟踪向量xd的任务可转化为标量的问题来处理。
李雅普诺夫泛函V (t ) Î R+定义为:
通过设计u, 使即使在滑模面S (t ) 以外也可以满足可达性条件:
其中η>0。实际上, 式 (16) 说明了轨线趋向于滑模面S (t )
选择合适的控制律u使s2是李雅谱诺夫泛函。设计控制器的过程共分为两步:1) 设计控制律u使得可达性条件; (15) 得到满足;2) 消弱抖振现象。
2.2 滑模控制器设计
1/4 车辆动力学的公式结合 (7) 可得:
其中, a1=RwFn/J, a2=k*/J, a3=Tm以及甜u =Ik为控制量。
滑移率λ对时间求导, 得:
为了用滑模控制器控制车辆ABS系统, 通过调节电流Ik的值, 使得误差λd-λ趋近于零, 其中, λd为道路最优滑移率, 通过离线查表方法获得。定义滑模面为:
在这里e=λd-λ, b表示待设计的正常量, 选择n=1 则
则滑模面的可达条件为:
式中, η为正数。
2.2.1等效控制量及切换控制量设计
将式 (16) 代入式 (17) , 得
尽管μB的准确值很难获取, 但是只要
就能够设计出鲁棒性很强的滑模控制器。
对 (19) 进行求导, 得
在上式中的表示当μB达到峰值时的控制量, 即等效控制量, 它的作用是补偿系统的不确定性和参数变化。
因为系统中有很多不确定性因素和外界的干扰, 因此需加入切换控制, 即, 使系统对不确定性因素和外界干扰具有鲁棒性。
将 (23) 代入 (20) , 得
若令
则 (25) 可改写为
当时, 要确保满足可达性条件, 满足
即可, 所以设计
当s<0时, (29) 也适用。
将 (29) 代入 (26) 得
2.2.2 抖振现象抑制
通常削弱抖振的方法有分两类[11]: (1) 用饱和函数代替符号函数; (2) 插入边界层, 当系统进入边界层时, 用等效控制代替相应控制。因为当采用第二种方法时经常存在静态误差, 所以大多数用饱和函数和S函数代替符号函数。本文用Ambrosioe函数:
消弱抖振。因此, 上文设计的控制律 (31) 最终为:
公式 (32) 即为滑模控制器。
2.2.3智能滑模控制设计[12]
通过公式 (32) 可得, 滑模控制共有两个部分构成, 他们分别是等效控制量与切换控制量, 因为后者有不连续性, 所以经常导致抖振的产生。为减小抖振使系统能够根据输入量自动调节切换控制量的大小, 在智能滑模控制器的研究设计中用BP神经网络滑模校正器替代切换控制量。BP神经网络校正器设计如下。
由滑模控制理论可知系统运动点沿着切换平面做滑模运动与滑模误差函数s及其变化率有关。根据控制器校正器的输入输出个数和控制精度的要求, 选择双输入单输出控制器。输入为误差s及误差变化率s& , 输出为切换控制量us。因此建立一个具有两个输入节点, 一个隐含层具有两个节点, 和输出层具有一个节点的BP神经网络。其BP神经网络控制图如图2。
根据上述的神经网络, 来简单介绍BP神经网络的算法。
(1) 置所有的隐含层的加权系数及偏置的初始值为最小的随机数
隐含层的加权系数及偏置的初始值为:
输出层的加权系数及偏置的初始值为:
(2) 计算样本集中所有样本的隐含层和输出层各节点的输出值, 即
隐含层第1 个神经元的输出为:
隐含层第2 个神经元的输出为:
输出层神经元的输出为:
(3) 计算在所有样本作用下的各层误差, 即输出层的误差为:
隐含层第1 个神经元的误差为:
隐含层第2 个神经元的误差为:
(4) 调整各层的加权系数及偏置, 即输出层的加权系数及阈值修正公式为:
隐含层的加权系数及阈值修正公式:
(5) 计算输出误差:
存在一个ε >0, 使得J<ε , 否则返回调整权值, 重新计算, 直到误差满足要求为止。p=1, 2, 3, 4η为学习步长;
BP神经网络学习算法有离线学习 (批处理) 和在线学习两种。所得的权值修正是在所有样本输入后, 计算完总的误差后进行的, 这种修正称为离线学习。离线学习修正可保证其总误差J向减少的方向变化, 在样本多的时候, 它比处理时的收敛速度快。在线学习是对训练集内每个模式对逐一更新网络权值的一种学习方式, 其特点是学习过程中需要较少的存储单元, 但有时会增加网络的整体输出误差。上述学习算法就是在线学习过程。因此使用在线学习时一般使学习因子足够小, 以保证训练集内每个模式训练一次后, 权值的总体变化充分接近于最快速下降。
3、控制器的仿真[13]
3.1 模块模型
最优滑移率辨识模型如图3 所示, 输入为路面条件系数与车速, 输出为最优滑移率。
3.2 仿真结果
选用智能滑模控制器的车辆ABS系统仿真结果如图5、6、7所示:
ABS测试设备设计 篇7
制动防抱死系统 (ABS, Anti-lock Brake System) 是基于汽车轮胎与路面之间的附着性能随滑移率改变的基本原理而开发的高技术系统[1]。汽车制动时, 制动防抱死系统自动控制制动器制动力的大小, 车轮处于边滚边滑的状态, 并使车轮与地面间的附着力保持最大, 有效地避免了汽车制动时产生的后轮侧滑和前轮丧失转向能力的现象, 从而达到了提高汽车行驶稳定性、操纵性和制动安全性的目的, 有效地降低了汽车制动时产生的影响汽车安全性的负效应, 如方向稳定性降低、侧滑、甩尾、急转、制动距离加长、轮胎使用寿命缩短等负效应。
对ABS性能的检测主要有两种方法, 一是在整车上布置传感器, 通过分析各传感器数据而进行检测;二是在ABS制动实验台架上进行检测。前一种成本较高, 如使用ABS制动实验台检测则具有方便、快捷和费用低的优点。目前, ABS实验台架主要是针对单个制动器总成或制动系统的组件进行检测, 而无法对整车制动系统进行全面检测。为了克服这些缺点, 设计了汽车ABS防抱死制动系统试验台, 新设计的ABS试验台可完成多项常规检测及ABS疲劳性能检测等。
2 ABS制动系统工作原理
汽车常规制动原理如图1所示, 踩踏制动踏板, 真空助力器产生增力推动制动主缸, 通过制动管路传递压力, 最终驱动各车轮制动轮缸通过制动盘 (或制动鼓) 对车轮进行制动。ABS制动系统是在常规制动系统的基础上添加了轮速传感器和电子控制系统[2], 如图2。在汽车制动时, 轮速传感器将与车轮转速成正比的交流电压信号送入电子控制器 (ECU) 。ECU中的运算单元算出车轮转速、滑动率及车轮的加、减速度等参数, ECU中的控制单元对这些参数进行分析比较, 判断车轮在制动减速过程中是否有制动抱死的趋势, 再根据判断对压力调节器发出控制制动压力指令。压力调节器中的电磁阀根据控制指令控制制动压力的增减, 以便调节制动力矩, 使之与地面附着状况相适应, 防止制动车轮被抱死[3]。
1.盘式制动器2.制动管路3.制动主缸4.真空助力器5.制动踏板
1.制动钳2.轮速传感器3.制动主缸4.制动盘
3 ABS制动系统结构设计和控制设计
ABS防抱死系统试验台由机械系统、控制系统、液压系统和真空助力系统等组成。
3.1 ABS制动系统的结构设计
ABS制动系统试验台的机械系统由电机、传动轴、联轴器、离合器、中桥和后桥组成[4], 如图3所示。该实验台装置采用的是卡车传动原理, 4个制动器全部采用的是盘式制动模式。选用具有启动力矩大、可频繁启动特点的直流调速电机作为驱动电机。当直流调速电机启动后, 传动装置把旋转扭矩传递到前、后、左、右4个制动装置, 4个制动盘与4个制动装置一起旋转。当制动器对车轮进行制动时, 对传感器采集的制动器及车轮状态数据进行分析, 可以实现对制动系统的效能进行评价。
3.2 电子控制系统设计
电子控制系统 (见图4) 主要由电子控制器 (ABS ECU) 、转速传感器信号和电磁阀等组成。信号采集由装在各车轮上高灵敏度的车轮转速传感器来完成。紧急制动时, 转速传感器把转速信号传递给电子控制器, 由电子控制器对转速进行记录并依据转速来判断ABS的工作状况。一旦发现某个车轮有抱死趋势, 计算机立即发出控制指令, 电磁阀根据对该车轮制动分泵进行泄压, 从而使车轮恢复转动。ABS系统通过“抱死-松开-抱死-松开”的工作循环过程对车辆进行控制, 使车轮处于边滚边滑的状态、车辆处于临界抱死的间隙滚动状态、车轮与地面间的附着力保持最大, 有效地克服了紧急制动时产生的跑偏、侧滑及甩尾等现象, 从而避免制动引起的车身失控。
1.轮速传感器2.进液电磁阀3.回液电磁阀4.制动灯开关5.ABS指示灯6.制动液指示灯开关7.驻车指示灯开关8.回液泵电机9.诊断接口
3.3 液压系统设计
液压系统由脚踏模拟装置、真空泵、制动主缸、液压管道和电磁阀等组成 (如图5) 。当踩下制动脚踏板, 真空泵提供真空助力, 液压系统开始工作, 实行制动, 车轮转速开始下降, 根据转速传感器的转速数据, ECU判断是否有抱死趋势, 从而判断ABS是否开始工作。
3.4 真空助力系统的设计
ABS防抱死系统试验台采用单台真空泵对4个制动器集中提供真空助力。为了对试验件提供所需压力, 在真空回路中安装有真空调压阀, 真空回路的开关由两通电磁阀通过工作控制机控制;在真空助力装置处设置了气压传感器, 真空度直接在试验台工作控制机或传感器自带显示器上显示;另外为了保护真空元器件, 在回路中安装了过滤器。工作时, 当真空罐内真空度达到要求时, 由真空罐上的传感器将信号传给工作控制机, 计算机发送指令促使真空泵停止工作[5]。
1.回液泵2.单向阀3.回液电磁阀4.进液电磁阀5.制动钳6.低压储液罐7.真空助力器8.制动主缸
4 试验台操控系统的设计
图6所示为ABS防抱死系统试验台的操控系统图, 该系统主要承担对所有检测信号的采集、存储、加工和显示, 并管理制动试验台检测过程的进程。操控系统通过发送控制指令, 对车轮转速和制动管路压力进行控制, 对操作指令和设备工作状态信号进行检测并做出处理[3]。操控系统除了能够对制动过程中主要性能参数进行监测外, 还需要具有对产品工艺参数的设定、修改功能、开机自检功能、单步调试功能、程序检测功能和异常情况报警并急停功能。当被监测的参数出现异常时 (如超速、欠电压、过电流、过扭矩和过热等) , 系统将自动报警、停机, 并记录报警时的工作状态, 以便对故障进行分析处理。试验台所有的参数均能以数据或图表的形式加以显示并实时存储;另外为了保留ABS防抱死系统试验台后期的拓展功能, 试验台操控系统采用开放式结构。
5 结语
汽车ABS防抱死制动系统试验台的设计为相关企业解决急需的生产问题提供了具体的解决方案, 所设计的ABS制动系统试验台可用于ECU成品筛选以及新车型匹配时对ECU的某些主要参数进行预置, 也可以利用该试验台进行仿真测试, 把测试结果与实车路试结果进行比较。同样可为高校汽车类专业的教学提供方便。
参考文献
[1]刘建房, 李以农, 郭旭, 谢敏松.汽车ABS动态试验台的开发设计[J].重庆大学学报 (自然科学版) , 2006 (12) :1-3.
[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社, 2006
[3]王红, 李占峰, 刘玉清.现代汽车主动安全技术[J].农业装备与车辆工程, 2009 (5) :45-48.
[4]谢峰, 瞿文平, 林巨广.整车制动系统台架试验方法的研究[J].合肥工业大学学报 (自然科学版) , 2010 (9) :1290-1294.