CN103344371B - 电惯量轮胎制动试验台及其电惯量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟，特别是电惯量轮胎制动试验台及其电惯量控制方法。通过同步采集鼓轮转速、电机输出扭矩，按数学模型计算出电动机的扭矩输出值，使得试验台在逼近理想鼓轮且没有系统固有阻力的状态下运行。实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求；节省投资和运行成本。

Description

电惯量轮胎制动试验台及其电惯量控制方法

技术领域

本发明属于机电一体化系统，涉及机械回转惯性系统的电气传动模拟，特别是电惯量轮胎制动试验台及其电惯量控制方法。

背景技术

在轮胎制动的台架试验中，需要测试不同条件下制动器的制动性能，其本质是制动器消耗在特定工况下设定的能量。因此，制动试验台应具备提供在不同工况下特定能量的功能。

载荷的机械模拟是通过鼓轮实现的，由于鼓轮的转动惯量是固定的，因而无法始终准确的模拟载荷，通过电惯量模拟可以很好地解决该问题。

轮胎制动的制动力矩是由制动器机械摩擦力矩和轮胎固有行驶阻力矩组合而成。由于仅有制动器机械摩擦力矩可直接测量；同时轮胎制动的回转中心线与鼓轮的回转中心线不同；制动过程中不仅要消耗鼓轮的动能，还要消耗轮胎的动能。载荷的电惯量模拟要考虑上述问题。

试验台机械鼓轮系统在运行时由于机械摩擦和风阻的影响，会产生系统固有阻力矩，影响试验精度。因此在控制过程中应排除试验台系统固有阻力矩的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种电惯量轮胎制动试验台及其电惯量控制方法，以实现转动惯量的精确匹配，提高试验精度。同时可对试验台的主要机电参数进行优化配置。消除试验台系统固有阻力矩的干扰。

本发明的目的是这样实现的，电惯量轮胎制动试验台，其特征是：至少包括测速传感器、拖动电机、扭矩传感器、鼓轮装置、轮胎测速传感器、受试轮胎及制动器、机械摩擦制动扭矩测量装置、测力传感器、活动机架、固定机架、电气传动控制单元和电惯量模拟控制单元；拖动电机和鼓轮装置之间安装有扭矩传感器用于测量电机输出扭矩，轴端安装有测速传感器用于测量电机和鼓轮的转速，受试轮胎及制动器和机头之间安装有机械摩擦制动扭矩测量装置用于测量制动器的机械摩擦力矩，机头活动机架之间安装有测力传感器用于测量作用在轮胎上的加载力，活动机架安装在固定机架上，测速传感器、扭矩传感器与电惯量模拟控制单元电连接，由电气传动控制单元驱动拖动电机拖动鼓轮装置运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元获取扭矩传感器和测速传感器同步采集的鼓轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元依据数学模型计算出拖动电机的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想鼓轮且没有系统固有阻力的状态下运行；同时配置机械摩擦制动扭矩测量装置，可测量轮胎制动的机械摩擦制动力矩，实现对制动器制动效能的分析。

所述的依据数学模型计算出电机扭矩输出值T_mn是依据数学模型公式：

在制动过程的任一时刻t_n

t_n=n.△tn=0，1,2,…

当n=1,2,…时：

$T_{\mathrm{mn}}=\frac{(I-I_f)\·({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_n)}{\mathrm{\Δt}}-\underset{i=0}{\overset{i=n-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{mi}}+\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{fRi}}$

式中，Δt是控制周期，I是理想鼓轮的转动惯量，I_f是鼓轮的实际转动惯量，ω₀是鼓轮的初始角速度，ω_n是鼓轮在t_n时刻检测的角速度，T_mi、T_fRi分别是在t_i(=i·Δt)时刻检测的电机实际输出扭矩、标定的试验台系统固有阻力矩。

电惯量轮胎制动试验台的电惯量控制方法：

1)对试验台鼓轮系统固有阻力T_fR进行标定，规定其为角速度的函数，

即

T_fR=T_fR(ω)

2)令：控制周期Δt=t_n-t_n-1=const,t_n=n·Δt,n=0,1,2,…;

式中：t_n和t_n-1均表示时刻。

制动初始角速度为ω₀；

制动末角速度为[ω]；

n=0

3)电机拖动鼓轮运行到给定的初始角速度ω₀。速度稳定后受试制动器开始制动过程，电机拖动切换到力矩控制状态，此时为t₀时刻。在t₀时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；根据采集的信号计算出t₀时刻电机的角速度ω₀、电机的实际输出扭矩T_m0。

4)计算t₀时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fR0；

5)令：n=n+1

6)在t_n时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；

7)根据步骤6）采集的信号计算出t_n时刻电机的角速度ω_n、电机的实际输出扭矩T_mn；

8)根据步骤7）得到的当前电机的角速度ω_n和步骤2）规定的制动末速度[ω]，判定ω_n＞[ω]是否成立，若成立则进行步骤9），否则进行步骤13）；

9)计算t_n时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fRn

10)按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻电机扭矩计算输出值；

11)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；

12)令n=n+1，进行步骤6）；

13)退出电惯量模拟。

所述的步骤4）计算t₀时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fR0是根据下式：

T_fR0=T_fR(ω₀)

所述的步骤9）计算t_n时刻系统固有阻力矩T_fRn是根据下式：

T_fRn=T_fR(ω_n)

所述的步骤10）按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻电机扭矩计算输出值T_mn是根据下式：

在制动过程的任一时刻t_n

t_n=n·Δtn=1,2,…

$T_{\mathrm{mn}}=\frac{(I-I_f)\·({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_n)}{\mathrm{\Δt}}-\underset{i=0}{\overset{i=n-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{mi}}+\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{fRi}}$

优点是：通过同步采集鼓轮转速、电动机输出扭矩，按数学模型计算出电机扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想鼓轮且没有鼓轮系统固有阻力的状态下运行。它具备误差的自动补偿功能，从而将总误差控制在很小的范围内；实现转动惯量的精确匹配，控制精度可满足高精度试验要求；节省投资和运行成本。

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明实施例原理图。

图中:1、测速传感器；2、拖动电机；3、扭矩传感器；4、鼓轮装置；5、轮胎测速传感器；6、受试轮胎及制动器；7、机械摩擦制动扭矩测量装置；8、测力传感器；9、活动机架；10、固定机架；11、电气传动控制单元；12、电惯量模拟控制单元；13、机头。

具体实施方式

如图1所示，电惯量轮胎制动试验台，其特征是：至少包括测速传感器1、拖动电机2、扭矩传感器3、鼓轮装置4、轮胎测速传感器5、受试轮胎及制动器6、机械摩擦制动扭矩测量装置7、测力传感器8、活动机架9、固定机架10、电气传动控制单元11和电惯量模拟控制单元12；拖动电机2和鼓轮装置4之间安装有扭矩传感器3用于测量电机输出扭矩，轴端安装有测速传感器1用于测量电机和鼓轮的转速，受试轮胎及制动器6和机头13之间安装有机械摩擦制动扭矩测量装置7用于测量制动器的机械摩擦力矩，机头13活动机架9之间安装有测力传感器8用于测量作用在轮胎上的加载力，活动机架9安装在固定机架10上，测速传感器1、扭矩传感器3与电惯量模拟控制单元12电连接，由电气传动控制单元11驱动拖动电机2拖动鼓轮装置4运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元12获取扭矩传感器3和测速传感器1同步采集的鼓轮转速、电动机输出扭矩，电惯量模拟控制单元12依据数学模型计算出拖动电机2的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想鼓轮且没有系统固有阻力的状态下运行；同时配置机械摩擦制动扭矩测量装置，可测量轮胎制动的机械摩擦制动力矩，实现对制动器制动效能的分析。

所述的鼓轮装置主要指的是鼓轮及轴承和轴承座；电惯量模拟控制单元采用专用计算机，电气传动控制单元采用本领域公知的技术，这里就不做详细描述。机械摩擦制动扭矩测量装置7就是摆式力臂杆与测力传感器组合，或者是扭矩传感器，它们之间的连接方式属于公知技术这里不一一描述。

所述的依据数学模型计算出电机扭矩输出值T_mn是依据数学模型公式：

在制动过程的任一时刻t_n

t_n=n·Δtn=0,1,2,…

当n=1,2,…时：

$T_{\mathrm{mn}}=\frac{(I-I_f)\·({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_n)}{\mathrm{\Δt}}-\underset{i=0}{\overset{i=n-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{mi}}+\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{fRi}}$

式中，Δt是控制周期，I是理想鼓轮的转动惯量，I_f是鼓轮的实际转动惯量，ω₀是鼓轮的初始角速度，ω_n是鼓轮在t_n时刻检测的角速度，T_mi、T_fRi分别是在t_i(=i·Δt)时刻检测的电机实际输出扭矩、标定的试验台系统固有阻力矩。

电惯量轮胎制动试验台的电惯量控制方法：

1)对试验台鼓轮系统固有阻力T_fR进行标定，规定其为角速度的函数，

即

T_fR=T_fR(ω)

2)令：控制周期Δt=t_n-t_n-1=const,t_n=n·Δt,n=0,1,2,…;

式中：t_n和t_n-1均表示时刻。

制动初始角速度为ω₀；

制动末角速度为[ω]；

n=0

3)电机拖动鼓轮运行到给定的初始角速度ω₀。速度稳定后受试制动器开始制动过程，电机拖动切换到力矩控制状态，此时为t₀时刻。在t₀时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；根据采集的信号计算出t₀时刻电机的角速度ω₀、电机的实际输出扭矩T_m0。

4)计算t₀时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fR0；

5)令：n=n+1

6)在t_n时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；

7)根据步骤6）采集的信号计算出t_n时刻电机的角速度ω_n、电机的实际输出扭矩T_mn；

8)根据步骤7）得到的当前电机的角速度ω_n和步骤2）规定的制动末速度[ω]，判定ω_n＞[ω]是否成立，若成立则进行步骤9），否则进行步骤13）；

9)计算t_n时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fRn

10)按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻电机扭矩计算输出值；

11)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；

12)令n=n+1，进行步骤6）；

13)退出电惯量模拟。

所述的步骤4）计算t₀时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fR0是根据下式：

T_fR0=T_fR(ω₀)

所述的步骤9）计算t_n时刻系统固有阻力矩T_fRn是根据下式：

T_fRn=T_fR(ω_n)

所述的步骤10）按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻电机扭矩计算输出值T_mn是根据下式：

在制动过程的任一时刻t_n

t_n=n·Δtn=1,2,…

$T_{\mathrm{mn}}=\frac{(I-I_f)\·({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_n)}{\mathrm{\Δt}}-\underset{i=0}{\overset{i=n-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{mi}}+\underset{i=0}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{fRi}}$

基本思想是：在某一采样点同步采集转速、电机输出力矩（通过安装在电机侧的扭矩传感器采集），按电惯量模拟的数学模型计算出电机的力矩输出值并给定。

按上述数学模型及其控制方法编制计算机控制程序，在每一个控制周期读取扭矩传感器和测速传感器测得的电机输出扭矩和鼓轮轴转速，计算出电机输出扭矩值并给定，使电气传动系统控制电动机按要求输出扭矩，直至制动过程结束。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.电惯量轮胎制动试验台的电惯量控制方法，至少包括：

1)对试验台鼓轮系统固有阻力矩T_fR进行标定，规定其为角速度的函数，即

T_fR＝T_fR(ω)

2)令：控制周期Δt＝t_n-t_n-1＝const，t_n＝n·Δt，n＝0，1，2，…；

式中：t_n和t_n-1均表示时刻；

制动初始角速度为ω₀；

制动末角速度为[ω]；

n＝0；

3)电机拖动鼓轮运行到给定的初始角速度ω₀；速度稳定后受试制动器开始制动过程，电机拖动切换到力矩控制状态，此时为t₀时刻；在t₀时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；根据采集的信号计算出t₀时刻电机的角速度ω₀、电机的实际输出扭矩T_m0；

4)计算t₀时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fR0；

5)令：n＝n+1；

6)在t_n时刻通过传感器同步采集电机转速信号、电机输出扭矩信号；

7)根据步骤6)采集的信号计算出t_n时刻电机的角速度ω_n、电机的实际输出扭矩T_mn；

8)根据步骤7)得到的当前电机的角速度ω_n和步骤2)规定的制动末速度[ω]，判定ω_n＞[ω]是否成立，若成立则进行步骤9)，否则进行步骤13)；

9)计算t_n时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fRn；

10)按电惯量模拟的数学模型计算出t_n时刻电机扭矩计算输出值；

11)控制电机输出扭矩逼近电机扭矩计算输出值；

12)令n＝n+1，进行步骤6)；

13)退出电惯量模拟；

所述的步骤4)计算t₀时刻鼓轮系统固有阻力矩T_fR0是根据下式：

T_fR0＝T_fR(ω₀)；

所述的步骤9)计算t_n时刻系统固有阻力矩T_fRn是根据下式：

T_fRn＝T_fR(ω_n)；

该方法采用的电惯量轮胎制动试验台至少包括测速传感器(1)、拖动电机(2)、扭矩传感器(3)、鼓轮装置(4)、轮胎测速传感器(5)、受试轮胎及制动器(6)、机械摩擦制动扭矩测量装置(7)、测力传感器(8)、活动机架(9)、固定机架(10)、电气传动控制单元(11)和电惯量模拟控制单元(12)；拖动电机(2)和鼓轮装置(4)之间安装有扭矩传感器(3)用于测量电机输出扭矩，轴端安装有测速传感器(1)用于测量电机和鼓轮的转速，受试轮胎及制动器(6)和机头(13)之间安装有机械摩擦制动扭矩测量装置(7)用于测量制动器的机械摩擦制动力矩，机头(13)和活动机架(9)之间安装有测力传感器(8)用于测量作用在轮胎上的加载力，活动机架(9)安装在固定机架(10)上，测速传感器(1)、扭矩传感器(3)与电惯量模拟控制单元(12)电连接，由电气传动控制单元(11)驱动拖动电机(2)拖动鼓轮装置(4)运行到设定转速，开始制动过程；由电惯量模拟控制单元(12)获取扭矩传感器(3)和测速传感器(1)同步采集的鼓轮转速、电机实际输出扭矩，电惯量模拟控制单元(12)依据数学模型计算出拖动电机(2)的扭矩输出值并给定，使得试验台在逼近理想鼓轮且没有系统固有阻力的状态下运行；同时配置机械摩擦制动扭矩测量装置，可测量轮胎制动的机械摩擦制动力矩，实现对制动器制动效能的分析；

所述的依据数学模型计算出电机扭矩输出值T_m是依据数学模型公式：

在制动过程的任一时刻t_n

t_n＝n·Δt，n＝0，1，2，…

当n＝1，2，…时：

式中，Δt是控制周期，I是理想鼓轮的转动惯量，I_f是鼓轮的实际转动惯量，ω₀是鼓轮的初始角速度，ω_n是鼓轮在t_n时刻检测的角速度，T_mi、T_fRi分别是在t_i＝i·Δt时刻检测的电机实际输出扭矩、标定的试验台系统固有阻力矩。