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《機械設計與研究雜志》2014年第四期

1液壓補償系統的電控單元ECU

電控單元ECU的微控制器芯片采用PIC系列單片機，其內部自帶多路10位精度AD輸入，以及EEPROM存儲模塊。ECU內部模塊主要包括:電源模塊、信號調理模塊、信號放大模塊、電磁閥驅動模塊、串口通訊模塊等。ECU外設布置主要包括:LCD顯示器、報警燈、蜂鳴器和功能按鈕等，其中功能按鍵作為外部輸入，可以實現切換顯示屏顯示內容，蜂鳴器消音以及復位。ECU控制流程圖如圖4所示。力傳感器安裝在頂桿上，分析輪邊制動器工作原理可知，當輪邊制動器工作處于夾緊制動狀態時，碟簧力傳遞到頂桿上，傳感器上力最大;而輪邊制動器工作處于松開狀態時，頂桿卸壓，傳感器上幾乎不受力。力傳感器實時傳遞壓緊力至ECU，只要設置夾緊閾值Fh，通過比較力傳感器與夾緊閾值Fh的大小，就可以判斷輪邊制動器是處于制動狀態還是松開狀態。只要是從松開狀態變成制動狀態，ECU就統計夾緊次數加1。利用ECU可以設置安全制動閾值Fs，當檢測到制動狀態下的制動力小于安全制動閾值Fs時，認為碟簧損壞或失效，會自動發出聲光報警，并啟動液壓補償系統。

當某個輪邊制動器需要補償制動力時，液壓補償油液通過油管從原大液壓缸后端蓋進入原碟簧組空心導向桿內部構成的液壓補償油缸，補償油缸內活塞頂桿頂推原液壓缸塞，增加制動力。由于夾緊制動狀態下原液壓缸活塞不再有位移，故液壓補償力不會對碟簧提供的制動力產生影響。力傳感器與頂桿同軸螺紋固定，此時測得的力為碟簧制動力與液壓補償力之和，即為總制動力。當總制動力達到保壓閾值Fo時，控制補償油缸的進油電磁閥關閉，液壓補償系統進入保壓狀態。保壓過程中，由于液壓油泄漏使得總制動力緩慢下降，直到低于安全制動閾值Fs時，ECU控制進油電磁閥開啟，此時液壓補償油缸補壓。為防止液壓補償系統頻繁關閉與開啟，保壓閾值Fo設定為比安全制動閾值Fs大4kN。在液壓補償過程中判斷出輪邊制動器夾鉗在松開時，控制液壓補償油缸泄油。由圖3可知，通過控制兩個兩位三通電磁閥的通斷，可以實現液壓補償油路塊進油、保壓與泄油;通過控制各兩位兩通電磁閥，可以控制各液壓補償油缸與液壓補償油路的通斷。當碟簧損壞時，控制兩位兩通電磁閥一直保持通的位置，否則保持斷的位置。若有兩個及以上輪邊制動器需要液壓補償時，必須等這些輪邊制動器總制動力都達到保壓閾值才能進入保壓模式。本壓力補償監控系統采用RS485通訊，采用一定的通訊協議接收來自串口的命令幀并反饋應答幀，實現與計算機、PLC以及其他支持串口通訊的設備進行通訊。監控系統可以接收的命令幀有兩種，一種是對監控系統的閾值參數和各輪邊制動器工作次數進行修改，另一種是讓監控系統發送狀態監測報告，使維護工作方式實現智能化。

2補償控制策略驗證

為驗證監控系統與壓力補償系統控制邏輯，對監控系統與壓力補償系統進行了仿真實驗與現場實驗。在監控系統開發期間，實驗室沒有輪邊制動器實物，采用計算機模擬碟簧制動力模型進行硬件在環仿真可以解決這個問題。具體來說，計算機與ECU連接，利用計算機建立被控對象的虛擬模型，計算機向ECU發送被控對象的仿真數據，ECU則將分析計算得到的數據或者控制策略上傳給電腦，然后人工對數據進行分析判斷。硬件在環仿真實驗不僅可以驗證ECU控制策略以及液壓補償系統油路塊是否邏輯正確，而且可以減少現場實驗的次數，縮短研發周期并降低研發成本。對于真實輪邊制動器，力傳感器測量的是碟簧制動力與液壓補償力兩者的和，即為總制動力。在本硬件在環仿真中，沒有真實的輪邊制動器。計算機依據建立的碟簧制動力模型向ECU發送碟簧制動力，力傳感器測量液壓補償力，ECU計算的總制動力仍等于碟簧制動力和液壓補償力之和。仿真準備是:ECU與力傳感器以及液壓補償系統各電磁閥相連，并通過串口數據線與電腦連接;另設一個液壓缸作為液壓補償油缸，并與液壓補償油路塊相連。力傳感器一端固定，另一端與液壓補償油缸活塞相連，以便測量液壓補償力的大小。

上位機計算機通過LabVIEW軟件與ECU進行串口通訊。LabVIEW可以將碟簧制動力模型數據通過串口發送給ECU，接收ECU反饋回來的邏輯判斷和計算數據比如碟簧是否損壞、輪邊制動器工作循環次數、碟簧制動力、總制動力以及液壓補償系統工作情況等并且實時以圖表和指示燈的形式直觀顯示出來，如圖5所示。圖6為碟簧制動力模型，模擬輪邊制動器夾鉗夾緊、張開循環下碟簧制動力隨時間的變化。碟簧未損壞時，夾鉗夾緊時碟簧制動力為42kN，夾鉗張開時碟簧制動力為0，從85s開始碟簧損壞嚴重，碟簧制動力降為28kN。在液壓補償系統保壓時會有少量液壓油緩慢泄漏，導致液壓補償力下降，進而總制動力下降，甚至會小于安全閾值，這時要控制液壓補償系統進油補壓。由于泄漏過程非常緩慢，為驗證控制邏輯并且減少硬件在環仿真時間，在碟簧制動力模型中引入由泄漏導致的制動力損失，圖6中，碟簧制動力在147s時從28kN逐漸降為23kN。ECU向LabVIEW反饋的有壓力補償的總制動力如圖7所示。通過比較圖6和圖7可以發現，在前85s碟簧未損壞，液壓補償系統沒有動作。在85s時ECU檢測到輪邊制動器工作在夾緊狀態下且制動力小于安全制動閾值35kN，經過5s確認后，90s液壓補償系統開始進油補償，使得總制動力達到保壓閾值39kN并進入保壓狀態。此后由于泄漏，總制動力緩慢下降，在146s開始總制動力快速下降且在180s時小于安全制動閾值，液壓補償系統再次啟動進油。由于實驗室該液壓補償油缸面積和液壓補償油壓有限，最大液壓補償力只有14kN，所以顯示只能將制動力從圖6中23kN補償到圖7中的37kN。在檢測到220s夾鉗開始張開的時候，液壓補償系統泄油，總制動力降為0。在后面的循環中，ECU都能在制動狀態下迅速進行壓力補償。以上所述的是單個輪邊制動器液壓補償仿真方法，對多個輪邊制動器液壓補償仿真方法基本相同。所不同的是，當多個故障輪邊制動器需要液壓補償時，要等這些輪邊制動器都補償完畢后才進入保壓模式。由圖3液壓補償原理圖可知，液壓補償對各個故障輪邊制動器的液壓補償力相同，因此控制液壓補償是以滿足補償需求最多的那個輪邊制動器為準。鑒于篇幅，這里不予詳述。通過驗證LabVIEW的監測結果顯示，碟簧的損壞情況、工作循環次數、總制動力以及液壓補償系統工作情況表明該液壓補償監控系統的控制邏輯是正確的。

3結論

為提高輪邊制動器的可靠性和安全性，本文提出了在原輪邊制動器上布置力傳感器與液壓補償系統構成智能輪邊制動器，并設計了一種可視化的液壓補償監控系統。監控系統能有效及時提醒輪邊制動器存在的安全隱患，并對制動力不足的情形給予補償。本文對智能輪邊制動器的壓力補償執行機構與ECU控制策略進行了闡述，并且利用硬件在環仿真技術驗證了控制策略的正確性。本智能型輪邊制動器及其壓力補償監控系統既增加了安全性，也減少了維護輪邊制動器的人工費用與時間成本，有較高的實際應用價值，且對壓力傳感器和壓力補償機構都作了小型化和工程化開發，保證了實際應用的便利性。

作者：耿健張建武鄭修成單位：上海交通大學機械與動力工程學院