电模拟惯量汽车制动器台架试验机的控制系统的开发与研究

王望

摘 要：在当前世界中汽车制动器台架试验机是最具权威评价制动器性能的实验设备，其实验对象为制动器，能够可靠真实的分析制动器性能，具备数据重现性和优良模拟性。传统汽车制动器台架试验机存在的操作复杂、调速参数常改动、被模拟惯量存在极差性等缺陷，而电模拟惯量汽车制动器台架试验及能够将这些缺陷克服，并发挥出非常重要的优势和作用，以下将进行相应分析。

关键词：电模拟技术;制动器台架;测控系统

工业传动场合下，为保证其运行安全性需使用制动器等器件，制动器可以降低运动传动装置的速度，使其停止或者是保持停止的状态。目前制动器广泛应用到了电力、汽车、工程、冶金、运输和传播等场合。目前对于制动器操作性能、安全性能、耐磨性和准确性有着越来越高的要求。汽车制动器台架试验机是对汽车制动衬片进行检测的权威试验方法，该台架试验机具备专业检测设備，精准采集试验数据并合理控制计算。基于此，本文主要对电模拟惯量的汽车制动器台架试验机具备的控制系统进行开发，主要从升速控制和加速度控制两方面进行控制系统研究，以供参考。

一、升速控制系统

该台架试验机的升速控制系统是模拟汽车行驶初始状态，通常速度控制在工业生产中是以输出速度信号，接着通过直流调速器内部速度环和电流一同控制输出。在速度反馈下，促进电机输出相应扭距，由此控制其转速。而本文所研究需对转速进行控制，同时也需对加速度进行控制，从而这一方法不适用，以下将对适用方法加以分析。

（一）构建数学模型

考虑到惯量轮加速度的控制，可使用加速度控制方式对电机输出转速加以控制，升速控制系统主要分为三个控制过程：（1）直流调速器。应用型号为欧陆590+的直流调速器，该调速器为四象限转换，制动过程中调速器可向电网反馈多余电能，以此节约电能，使调节稳定、快速，并且经济、节能，这一调速器可在内部控制电流，并具有电流环和速度环等功能。本文对电流环功能加以分析，基于加速度控制系统来控制加速度，可使用电流输出模型，破开速度环，只应用电流环。通过试验软件的主程序实现速度环，并基于此构建直流调速器电流环仿真模型。（2）直流电机。直流电机所选用型号是z4-150-12，主要特点是加速或减速，较快扭距加载或卸载快。（3）惯量轮。惯量轮可起到稳速作用，电机在输出扭距后，电机将能量输出到制动器对偶转盘中，该惯量为惯量轮所具备的惯量，同时包括紧急制动盘、电机主轴和制动器对偶转盘等。因为这些惯量中惯量轮占有较大比重的惯量，因此将整个旋转部分具备惯量，称为惯量轮所带惯量。在计算主轴、惯量轮以及紧急制动器等惯量时，使用机械部件算法较为复杂繁琐，即可应用试验法对总的惯量加以计算[1]。需充分考虑到空气阻力、轴间摩擦力和电机功率等影响因素，可将电机和惯量轮式为被控整体过程，被控过程输入是电机电流信号，而输出式编码器速度信号。利用计算机软件台架试验机操作程序，将不同电流输入至直流电机控制，接着微分光电编码器所测量的速度信号当做输出结果，在多次测量下获得测量数据，通过差分运算方法对输入电枢电流及加速度间的关系进行计算，以获得最终结果。（4）其他部分仿真模型，应用计算机软件的操作程序实现算法控制，在信号控制中应运用计算机通信向PLC传送，接着由PLC输送到欧路590+调速器中，基于此可实现晶体管组件，电流内环和电流限制等三部分功能。

（二）传统控制设计

一般工业现场中使用PI控制算法来控制被控过程，该算法具有简单结构的特点。控制速度时，因为惯量轮具有较大惯性，如果速度控制出现超调情况，则会使设备产生较大震动，从而在保证无超调情况时，对PI参数进行反复调整，以获得良好仿真效果。当欧陆590+调速器中进入给定速度偏差信号时，调速器会将电机电枢电流输出。

（三）模糊控制设计

升速控制系统被控过程惯性较大，应用PI控制难以达到期望控制效果，对于大惯性被控过程，可使用模糊控制算法来控制。但是该方法具有一定缺陷，因为不具备积分环节，在控制时容易出现稳态误差，单纯模糊控制无法获得理想效果。传统PID控制设计简单，容易控制算法效果，这时可将PID模糊控制器对输入信号进行模糊推理，在线自整定PI控制器，以获得理想控制效果。PI控制和模糊控制两种算法结合起来，控制思路为将信号输入至模糊控制器和PI控制器中，将两种算法优势发挥出来，以获得良好控制效果。

二、加速度控制系统

该台架试验机加速控制系统，主要是用电模拟惯量偏差，为使惯量轮模拟汽车制动状态，需保证速度控制的一致性，也应确保加速度模拟一致性。但因为只应用一个惯量轮，观量是一定的，无法改变，待测量汽车的水平质量跟随型号而变化[2]。

（一）基本工作原理

在汽车水平行驶制动中将产生一个和行驶方向相反加速度，台架试验机惯量轮制动中加速度和汽车车轮制动加速度相同情况下，能够对汽车制动状态进行模拟。并考虑同步性，将汽车水平运动转变为汽车车轮旋转运动，由此提出汽车惯量概念。在汽车制动中，汽车制动器表现出的制动扭距制动力荷载与汽车制动器上安装的台架试验机制动相同，而汽车惯量和惯量轮可能会有不同的惯量。为了使台架试验机惯量轮可对汽车制动加速度状态进行模拟，需要在制动中将一个扭距施加在控制直流电机中，并对直流电机输出的扭距加以控制。

（二）控制系统设计

结合制动器制动产生扭距，对已知汽车惯量进行加速度计算，根据加速度结果对达到目标控制效果的扭距值进行计算。结合当前制动扭距和期望制动扭距计算出直流电机，提供补偿扭距。该加速度控制系统虽未使用限制系统和电流饱系统，但为保证电机安全性，不应在算法程序中出错，使电机面临烧坏的威胁，实现电流限制可提升电机运行安全性。

结束语

电模拟惯量汽车制动器台架试验机能够将升速控制响应速度提升，无超调，不会使设备震动。此外，其可克服传统汽车台架试验机繁琐操作程序以级差模拟等缺陷，在扭距输出情况下，可对制动干扰加以限制。

参考文献：

[1]黄朝慧.电模拟惯量汽车制动器台架试验机的控制系统的开发与研究[A].香港康健医药有限公司.2017年博鳌医药论坛论文集[C].香港康健医药有限公司：，2017：1.

[2]唐玉龙.浮钳盘式制动器制动特性仿真及试验研究[D].山东理工大学，2018.