CN111267803A - 一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统及其控制方法 Download PDF

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王春燕
王一松
何鹏
吴子涵
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Abstract

本发明公开一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统及其控制方法；包括制动踏板模块、制动器、车轮模块、电源模块和驻车制动模块、控制模块。该系统利用磁致伸缩材料的特性设计了驱动结构，并通过控制励磁线圈中电流来控制制动驱动器中超磁致伸缩杆的长度，依靠位移放大机构使制动蹄压靠到制动鼓内侧，完成制动。由于传统液压驱动被磁致伸缩驱动所取代，消除了电控液压制动系统所存在的弊端。本发明与盘式线控制动系统相比，能够大大节省制动系统的成本。另外，由于本发明结构简单、体积小质量轻有利于汽车的轻量化，满足市场所需。

Description

一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统及其控制方法
技术领域
本发明属于车辆线控制动系统技术领域，具体指代一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统及其控制方法。
背景技术
磁致伸缩材料是一类具有电磁能/机械能相互转换功能的材料。70年代开始出现的室温下具有巨磁致伸缩性能的稀土-铁合金材料，由于它们能量密度高、耦合系数大，具有传感和驱动功能，因此作为智能材料或相应器件在智能材料领域得到了越来越广泛的应用和发展。例如中国发明专利申请号为201811307405.4，专利名称为“热装式超磁致伸缩超声刀柄”中提供了一种热装式超磁致伸缩超声刀柄，解决了之前超声刀柄设计不当而影响加工精度的问题；中国发明专利申请号为201210424245.8，专利名称为“一种磁致伸缩随动转向机构”中提供了一种磁致伸缩随动转向机构，其利用磁致伸缩原理使得车灯的照射方向与车辆的当前行驶方向保持一致，确保了夜间的行车安全。改善了以前灯具上的随动转向系统调节方式机构复杂、零件多、可靠性差、成本高等弊端。
线控制动系统分为液压式线控制动系统和机械式线控制动系统，对于液压式线控制动系统而言，质量大，而且实现电控化比较困难；对于机械式线控制动系统而言系统中没有连接制动管路，结构简单，体积小，信号通过电传播，反应灵敏，减小制动距离，工作稳定，维护简单，没有液压油管路，不存在液压油泄露问题，通过电子控制单元直接控制，易于实现传统制动系统的各种功能，但由于其增设了四个制动驱动电机导致电子机械制动系统成本增加。
鼓式制动器是最早产生的制动器，相较于盘式制动器成本更低。但是由于其制动效能不佳、反应时间长实时性不高，在时间的推移中被盘式制动器慢慢取代，现在往往用于重型车辆。
综合来看，现在市面上常用的制动系统存在着以下弊端：液压系统电控化困难、不易与其他电控系统整合、不利于轻量化；液压或气压驱动导致鼓式制动存在滞后性；油路和气路的布置使制动器更复杂；传统低成本的鼓式制动系统难以线控化。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于将磁致伸缩材料与制动系统相结合，提供一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统及其控制方法。本发明利用磁致伸缩智能材料的响应快、频率特性好、能量密度高等特点，设计一种新型驱动结构，作为鼓式制动系统的驱动源，通过控制外界磁场强度进而实现驱动控制。磁致伸缩材料取代传统液压驱动后，简化了系统结构，提高了系统响应特性，能够实现鼓式制动系统的线控化。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，包括：制动踏板模块、制动器、车轮模块、电源模块、驻车制动模块和控制模块；
所述制动踏板模块包括：制动踏板、踏板支架、踏板转轴、连杆和踏板感觉模拟器；
踏板转轴的输入端与所述制动踏板的输出端固定连接，输出端与所述连杆的输入端固定连接；
踏板感觉模拟器的下端固定在踏板支架上；
踏板感觉模拟器包括：推杆、模拟器壳体、外圈弹簧、内圈弹簧、上端盖、下端盖、调整垫片和底座；
上、下端盖分别旋装在所述踏板感觉模拟器的上下两端；
推杆的输入端与所述连杆的输出端铰接；
外圈弹簧和内圈弹簧位于所述模拟器壳体内部，分别套装在所述底座上，用于产生模拟的踏板力；
调整垫片位于踏板感觉模拟器与踏板支架之间，用于调整踏板感觉模拟器的预紧力；
所述制动器包括：第一制动蹄、第二制动蹄、制动鼓、制动底板、制动蹄回位弹簧、摩擦衬片、制动驱动器、位移放大机构、第一支撑销A和第二支撑销A、第一支撑销B和第二支撑销B、第一支撑销C和第二支撑销C、第一限位销D、第二限位销D；
第一支撑销A和第二支撑销A、第一支撑销B和第二支撑销B和第一限位销D、第二限位销D固定在制动底板上；
第一支撑销C和第二支撑销C分别固定在所述第一制动蹄、第二制动蹄上；
第一制动蹄、第二制动蹄在不制动时，各自的上端通过制动蹄回位弹簧拉靠在所述第一限位销D、第二限位销D上，各自的下端铰接在所述第一支撑销A、第二支撑销A上；
制动鼓固定在车辆各车轮的轮毂上，随车轮一同转动；
制动蹄回位弹簧前后端分别勾连在所述第一支撑销C、第二支撑销C上；
摩擦衬片分别安装在所述第一制动蹄、第二制动蹄正对于制动鼓内侧的曲面上；
位移放大机构包括：超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ和从动杆Ⅰ、Ⅱ；
从动杆Ⅰ、Ⅱ的下端铰接在所述第一支撑销B、第二支撑销B上，中部与所述超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ的输出端铰接，上端与所述第一支撑销C、第二支撑销C铰接；
制动驱动器包括：驱动器壳体、驱动器托架、超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ、励磁线圈、消磁线圈、隔磁衬垫和固定挡板；
驱动器壳体底端与固定挡板相连，中部放置于所述驱动器托架上；
驱动器托架固定在制动底板上；
超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ的输入端分别固定在所述驱动器壳体内部的底端，输出端与所述从动杆Ⅰ、Ⅱ中部铰接；
励磁线圈和消磁线圈均缠绕在所述超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ上，通过控制励磁线圈中的电流控制超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ的位移，通过控制消磁线圈中的电流来消除磁滞现象；
隔磁衬垫紧贴在所述驱动器壳体内侧隔绝磁场对外部的影响以及外界磁场对内部的影响；
固定挡板固定在制动底板上；
所述车轮模块包括：左前车轮、左后车轮、右前车轮、右后车轮；
所述控制模块包括：电子控制单元、踏板位移传感器、车速传感器、轮速传感器和制动力传感器Ⅰ、Ⅱ；
踏板位移传感器安装在所述推杆上，与所述电子控制单元电气连接，用于获得所述踏板位移信号，并将信号传递给所述电子控制单元；
车速传感器安装在车辆的驱动桥的桥壳内或变速箱壳体内，用于获得所述车速信号，并传递给所述电子控制单元；
制动力传感器Ⅰ、Ⅱ分别安装在所述超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ上，与所述电子控制单元电气连接；
轮速传感器安装在各车轮的轮毂上，用于获得所述轮速信号，并将信号传递给所述电子控制单元；
所述电源模块包括：电源和电流调节模块；
电源与电流调节模块电气相连，用于给系统供电；
电流调节模块用于接收所述电子控制单元输出的控制电流信号，并对电流进行调控后输入到制动驱动器，并将所述励磁线圈中的电流值反馈给所述电子控制单元；
所述驻车制动模块包括：手拉杆、拉杆底座、驻车制动拉索、手拉杆回位弹簧、驻车制动杆、驻车制动摩擦块、驻车制动摩擦块回位弹簧；
驻车制动拉索的输入端与所述手拉杆相连，输出端与所述驻车制动杆相连；
拉杆底座固定在车辆的换挡杆后方的车体上；
手拉杆回位弹簧位于所述手拉杆和所述拉杆底座连接处，用于手拉杆的回位；
驻车制动杆输入端与所述驻车制动拉索的输出端铰接，其输出端铰接在所述驻车制动摩擦块上；
驻车制动摩擦块限位于所述第一支撑销D、第二支撑销D中间；
驻车制动摩擦块回位弹簧下端固定在所述驱动器托架上，上端与所述驻车制动摩擦块连接，用于驻车制动摩擦块的回位。
优选地，所述制动驱动器在所述第一制动蹄、第二制动蹄内侧各安装一个，两个制动驱动器等长且上下平行放置由所述电源进行供电。
优选地，所述制动器的数量为四个，分别为左前制动器、右前制动器、左后制动器、右后制动器。
优选地，所述每个制动器里的两个制动驱动器完全一致。
优选地，所述每个车轮均安装有制动器，且左后制动器、右后制动器带有驻车制动模块。
优选地，所述第一支撑销C、第二支撑销C上设有凹槽用于限制制动蹄回位弹簧的位置。
优选地，所述制动器托架放置于所述驱动器壳体的1/2位置处。
优选地，未加调整垫片时外圈弹簧处于自然状态。
优选地，所述超磁致伸缩杆截面为圆形，且长度应大于8cm，直径应大于10mm。
优选地，所述超磁致伸缩杆所用材料应为磁致伸缩系数不小于2000ppm的稀土超磁致伸缩材料。
优选地，所述超磁致伸缩杆输出端铰接在所述从动杆下端1/2到1/3处。
优选地，所述两个位移放大机构放大比例相等。
优选地，所述制动器中两个制动驱动器中的励磁线圈为同一根导线缠绕而成，消磁线圈也由同一根导线缠绕而成。
本发明还提供了一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统的控制方法，基于上述系统，包含以下步骤：
(1)在正常制动时，踩下制动踏板，踏板位移传感器、车速传感器、轮速传感器和制动力传感器分别采集踏板位移信号、车速信号、各车轮轮速信号和制动力信号并将信号传递给电子控制单元；
(2)踏板感觉模拟器通过外圈弹簧和内圈弹簧的变形产生反馈力，经过推杆、连杆和制动踏板将模拟踏板力反馈给驾驶员；
(3)电子控制单元接收上述步骤(1)中采集的踏板位移信号、车速信号、各车轮轮速信号和制动力信号，根据各信号计算出当前所需的目标制动力，再根据当前所需制动力对各轮制动力进行分配，计算出各车轮制动驱动器中超磁致伸缩杆所需位移量，进而计算出所需目标电流信号，并将信号传递给电流调节模块；
(4)电流调节模块接收上述步骤(3)得到的电流控制信号后，对电流进行调控后，输入到各个制动器的制动驱动器，控制附加在超磁致伸缩杆上的磁场强度，并将各励磁线圈中的电流值反馈给电子控制单元；
(5)电流输入到制动驱动器，励磁线圈中磁场强度发生变化，超磁致伸缩杆变形，通过从动杆使第一制动蹄、第二制动蹄分别绕第一支撑销A和第二支撑销A转动，两个制动蹄上端向两边分开使摩擦衬片压紧在制动鼓的内圆面，完成制动；
(6)松开制动踏板，电子控制单元根据实时的踏板位移调整励磁线圈中的电流大小的同时，控制电流调节模块向消磁线圈中通入与励磁线圈中方向相反的电流，消除磁滞现象提高系统响应，直至制动踏板完全松开，解除制动；
(7)在车辆停驶后，拉动手拉杆，通过驻车制动拉索、驻车制动杆将驻车制动摩擦块拉向制动鼓，使驻车制动摩擦块压紧在制动鼓的内圆面，完成驻车制动；
(8)手拉杆回至原位时，驻车制动摩擦块回位弹簧将驻车制动摩擦块拉回原位，手拉杆回位弹簧将手拉杆拉回原位。
优选地，所述步骤(3)中计算制动器中每个制动驱动器所需输出制动力的公式为：
Figure BDA0002388754510000051
计算制动器中每个超磁致伸缩杆位移的公式为：
Figure BDA0002388754510000052
计算制动器中励磁线圈电流的公式为：
Figure BDA0002388754510000053
式中，Fci为制动器中每个制动驱动器所需输出制动力，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；Fzi为车轮所需制动力，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后车轮；εi为所需制动器中每个超磁致伸缩杆的变形量，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；E为超磁致伸缩杆弹性模量；r为超磁致伸缩杆半径；π为圆周率常数；Ii为所需制动器中励磁线圈中电流大小，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；L为超磁致伸缩杆绕有线圈部分的长度；a为特性常数(取决于材料特性)；μ0为真空磁导率；N为线圈匝数。
优选地，所述步骤(5)具体包括：制动驱动器输出的制动力Fci的控制采用PID闭环控制电流的方法进行控制，具体步骤如下：
(51)电子控制单元根据公式(1)计算出当前制动驱动器的目标制动力Fci_need；
(52)电子控制单元接收制动力传感器传来的实际制动力信号，并将实际制动力Fci_real与目标制动力Fci_need进行对比，再根据公式(4)计算出实际制动力Fci_real与目标制动力Fci_need的差值
Figure BDA0002388754510000061
Figure BDA0002388754510000062
(53)将公式(4)所得到的误差值作为电流闭环控制的输入到控制器，控制器的输出模型为：
Figure BDA0002388754510000063
式中，ui(t)为电子控制单元输出的控制量；Kpi为比例系数，Ti为积分常数，Tdi为微分常数，u0为控制常量Ii，可用式(2-3)计算。
本发明的有益效果：
1、本发明利用磁致伸缩智能材料的特性，响应快、频率特性好、能量密度高。
2、本发明使用磁致伸缩材料取代传统液压驱动后，简化了系统结构，提高了系统响应特性，能够实现鼓式制动系统的线控化。
3、本发明与盘式线控制动系统相比，能够大大节省制动系统的成本。
4、本发明结构简单、体积小质量轻有利于车辆的轻量化。
附图说明
图1为本发明系统的结构图；
图2为本发明左后、右后制动器结构示意图；
图3为本发明制动驱动器结构示意图；
图4为本发明左前、右前制动器和驻车制动模块示意图；
图5为本发明踏板感觉模拟器示意图；
图6为本发明控制方法流程图；
图7为本发明PID控制原理示意图；
图中，1-左前车轮，2-左前制动器，3-轮速传感器A，4-踏板转轴，5-连杆，6-推杆，7-踏板位移传感器，8-踏板感觉模拟器，9-踏板支架，10-电子控制单元，11-电源，12-轮速传感器B，13-左后制动器，14-左后车轮，15-车速传感器，16-右后制动器，17-右后车轮，18-轮速传感器C，19-电流调节模块，20-制动踏板，21-驻车制动拉索，22-拉杆底座，23-手拉杆回位弹簧，24-手拉杆，25-轮速传感器D，26-右前制动器，27-右前车轮，28-第一支撑销C，29-从动杆Ⅰ，30-第一支撑销B，31-第一制动蹄，32-摩擦衬片，33-第一支撑销A，34-第二支撑销A，35-第二制动蹄，36-制动驱动器，37-超磁致伸缩杆Ⅰ，38-第二支撑销B，39-超磁致伸缩杆Ⅱ，40-从动杆Ⅱ，41-制动鼓，42-制动蹄回位弹簧，43-第二支撑销C，44-第二限位销D，45-制动底板，46-第一限位销D，47-隔磁衬垫，48-消磁线圈，49-螺母，50-固定挡板，51-固定螺钉，52-励磁线圈，53-驱动器托架，54-驱动器壳体，55-驻车制动摩擦块，56-驻车制动摩擦块回位弹簧，57-制动力传感器Ⅰ，58-制动力传感器Ⅱ，59-驻车制动杆，60-外圈弹簧，61-内圈弹簧，62-调整垫片，63-下端盖，64-底座，65-紧固螺钉，66-模拟器壳体，67-上端盖，68-制动力信号69-踏板位移信号70-车速信号71-轮速信号。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1到图5本发明是一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，包括：制动踏板模块、左前制动器2、右前制动器26、左后制动器13、右后制动器16、车轮模块、电源模块、驻车制动模块和控制模块；
所述制动踏板模块包括：制动踏板20、踏板支架9、踏板转轴4、连杆5、紧固螺钉65和踏板感觉模拟器8；
所述踏板转轴4的输入端与所述制动踏板20的输出端固定连接，输出端与所述连杆5的输入端固定连接；
所述踏板感觉模拟器8的下端通过紧固螺钉65固定在踏板支架9上；
参照图5所示，所述踏板感觉模拟器8包括：推杆6、模拟器壳体66、外圈弹簧60、内圈弹簧61、上端盖67、下端盖63、调整垫片62和底座64；
所述上端盖67和下端盖63分别旋装在所述踏板感觉模拟器8的上下两端；
所述推杆6的输入端与所述连杆5的输出端铰接；
所述外圈弹簧60和内圈弹簧61位于所述模拟器壳体66内部，分别套装在所述底座64上，用于产生模拟的踏板力；
所述调整垫片62位于踏板感觉模拟器8与踏板支架9之间，用于调整踏板感觉模拟器8的预紧力；
参照图2所示，所述四个制动器均包括：第一制动蹄31、第二制动蹄35、制动鼓41、制动底板45、制动蹄回位弹簧42、摩擦衬片32、制动驱动器36、位移放大机构、第一支撑销A33和第二支撑销A34、第一支撑销B30和第二支撑销B38、第一支撑销C28和第二支撑销C43、第一限位销D46、第二限位销D44；
所述第一支撑销A33、第二支撑销A34、第一支撑销B30、第二支撑销B38和第一限位销D46、第二限位销D44固定在制动底板上；
所述第一支撑销C28、第二支撑销C43分别固定在所述第一制动蹄31、第二制动蹄35上；
所述第一制动蹄31、第二制动蹄35在不制动时，各自的上端通过制动蹄回位弹簧42拉靠在所述第一限位销D46、第二限位销D44上，各自的下端铰接在所述第一支撑销A33、第二支撑销A34上；
所述制动鼓41固定在车辆车轮的轮毂上，随车轮一同转动；
所述制动蹄回位弹簧42前后端分别勾连在所述第一支撑销C28、第二支撑销C43上；
所述摩擦衬片32分别安装在所述第一制动蹄31、第二制动蹄35正对于制动鼓41内侧的曲面上；
所述位移放大机构包括：超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39，从动杆Ⅰ29、Ⅱ40；
所述从动杆Ⅰ29、Ⅱ40的下端铰接在所述第一支撑销B30、第二支撑销B38上，中部与所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39的输出端铰接，上端与所述第一支撑销C28、第二支撑销C43铰接；
所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39随着磁场的变化发生长度变化，通过位移放大机构放大位移，从动杆Ⅰ29推动第一制动蹄31，从动杆Ⅱ40推动第二制动蹄35，使所述摩擦衬片32压靠到所述制动鼓41上，完成制动；
参照图3所示，所述制动驱动器36包括：驱动器壳体54、驱动器托架53、超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39、励磁线圈52、消磁线圈48、隔磁衬垫47、固定螺钉51、螺母49和固定挡板50；
所述驱动器壳体54底端通过固定螺钉51和螺母49与固定挡板50相连，中部放置于所述驱动器托架53上；
所述驱动器托架53固定在制动底板45上；
所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39的输入端分别固定在驱动器壳体54内部的底端，输出端与从动杆Ⅰ29、Ⅱ40中部铰接；
所述励磁线圈52和消磁线圈48均缠绕在所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39上，通过控制励磁线圈52中的电流控制超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39的位移，通过控制消磁线圈48中的电流来消除磁滞现象；
所述隔磁衬垫47紧贴在所述驱动器壳体54内侧隔绝磁场对外部的影响以及外界磁场对内部的影响；
所述固定挡板50固定在制动底板45上；
所述车轮模块包括：左前车轮1、左后车轮14、右前车轮27、右后车轮17；
所述控制模块包括：电子控制单元10、踏板位移传感器7、车速传感器15、轮速传感器A3、轮速传感器B12、轮速传感器C18、轮速传感器D25和制动力传感器Ⅰ57、Ⅱ58；
所述踏板位移传感器7安装在所述推杆6上，与所述电子控制单元10电气连接，用于获得所述踏板位移信号69，并将信号传递给所述电子控制单元10；
所述车速传感器15安装在车辆的驱动桥的桥壳内或者变速箱壳体内，用于获得所述车速信号70，并传递给所述电子控制单元10；
所述制动力传感器Ⅰ57、Ⅱ58分别安装在所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39上，与所述电子控制单元电气连接；
所述轮速传感器A3、B12、C18、D25分别安装在所述左前车轮1、左后车轮14、右后车轮17、右前车轮27的轮毂上，用于获得所述车速信号71，并将信号传递给所述电子控制单元10；
所述电源模块包括：电源(Power)11和电流调节模块(CRM)19；
所述电源11与所述电流调节模块19电气相连，用于给系统供电；
所述电流调节模块19用于接收所述电子控制单元10输出的控制电流信号，并对电流进行调控后输入到所述制动驱动器36，并将所述励磁线圈52中的电流值反馈给所述电子控制单元10；
参照图4所示，所述驻车制动模块包括：手拉杆24、拉杆底座22、驻车制动拉索21、手拉杆回位弹簧23、驻车制动杆59、驻车制动摩擦块55、驻车制动摩擦块回位弹簧56；
所述驻车制动拉索21的输入端与所述手拉杆24相连，输出端与所述驻车制动杆59相连；
所述手拉杆回位弹簧23位于所述手拉杆24和所述拉杆底座22连接处，用于手拉杆的回位；
所述驻车制动杆59输入端与所述驻车制动拉索21的输出端铰接，其输出端铰接在所述驻车制动摩擦块55上；
所述驻车制动摩擦块55限位于所述第一限位销D46、第二限位销D44中间；
所述驻车制动摩擦块回位弹簧56下端固定在所述驱动器托架53上，上端与所述驻车制动摩擦块55连接，用于驻车制动摩擦块的回位。
其中，所述制动驱动器36在所述第一制动蹄31、第二制动蹄35内侧各安装一个，两个制动驱动器36等长且上下平行放置由所述电源进行供电。
其中，所述每个制动器里的两个制动驱动器36完全一致。
其中，每个车轮均安装有制动器，且所述左后制动器13、右后制动器16带有驻车制动模块。
其中，所述第一支撑销C28、第二支撑销C43上有凹槽用于限制制动蹄回位弹簧42的位置。
其中，所述制动器托架53放置于所述驱动器壳体54的1/2位置处。
其中，未加调整垫片62时外圈弹簧60处于自然状态。
其中，所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39截面为圆形，且长度应大于8cm，直径应大于10mm。
其中，所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39所用材料应为磁致伸缩系数不小于2000ppm的稀土超磁致伸缩材料。
其中，所述超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39输出端应铰接在所述从动杆Ⅰ29、Ⅱ40下端1/2到1/3处。
其中，所述两个位移放大机构放大比例相等。
其中，所述驱动器壳体54截面应为方形或圆形。
其中，所述制动器中两个制动驱动器36中的励磁线圈52为同一根导线缠绕而成，消磁线圈48也由同一根导线缠绕而成。
参照图6所示，本实施例还提供了一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统的控制方法，包含以下步骤：
(1)在正常制动时，踩下制动踏板20，踏板位移传感器7、车速传感器15、轮速传感器A3、B12、C18、D25和制动力传感器Ⅰ57、Ⅱ58分别采集踏板位移信号69、车速信号70、各车轮轮速信号71和制动力信号68并将信号传递给电子控制单元10；
(2)踏板感觉模拟器8通过外圈弹簧60和内圈弹簧61的变形产生反馈力，经过推杆6、连杆5和制动踏板20将模拟踏板力反馈给驾驶员；
(3)电子控制单元10接收上述步骤(1)中采集的踏板位移信号69、车速信号70、各车轮轮速信号71和制动力信号68，根据各信号计算出当前所需的目标制动力，再根据当前所需制动力对各轮制动力进行分配，计算出各车轮制动驱动器36中超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39所需位移量，进而计算出所需目标电流信号，并将信号传递给电流调节模块19；
(4)电流调节模块19接收上述步骤(3)得到的电流控制信号后，对电流进行调控，输入到各个制动器的制动驱动器36，控制附加在超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39上的磁场强度，并将各励磁线圈52中的电流值反馈给电子控制单元10；
(5)电流输入到制动驱动器36，励磁线圈52中磁场强度发生变化，超磁致伸缩杆Ⅰ37、Ⅱ39变形，通过从动杆Ⅰ29、Ⅱ40使第一制动蹄31、第二制动蹄35分别绕第一支撑销A33和第二支撑销A34转动，两个制动蹄上端向两边分开使摩擦衬片32压紧在制动鼓39的内圆面，完成制动；
(6)松开制动踏板20，电子控制单元10根据实时的踏板位移调整励磁线圈52中的电流大小的同时，控制电流调节模块19向消磁线圈48中通入与励磁线圈52中方向相反的电流，消除磁滞现象提高系统响应，直至制动踏板20完全松开，解除制动；
(7)在车辆停驶后，拉动手拉杆24，通过驻车制动拉索21、驻车制动杆59将驻车制动摩擦块55拉向制动鼓41，使驻车制动摩擦块55压紧在制动鼓41的内圆面，完成驻车制动；
(8)手拉杆24回至原位时，驻车制动摩擦块回位弹簧42将驻车制动摩擦块55拉回原位，手拉杆回位弹簧23将手拉杆24拉回原位。
所述步骤(3)中计算制动器中每个制动驱动器所需输出制动力的公式为：
Figure BDA0002388754510000111
计算制动器中每个超磁致伸缩杆位移的公式为：
Figure BDA0002388754510000112
计算制动器中励磁线圈电流的公式为：
Figure BDA0002388754510000113
式中，Fci为制动器中每个制动驱动器所需输出制动力，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；Fzi为车轮所需制动力，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后车轮；εi为所需制动器中每个超磁致伸缩杆的变形量，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；E为超磁致伸缩杆弹性模量；r为超磁致伸缩杆半径；π为圆周率常数；Ii为所需制动器中励磁线圈中电流大小，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；L为超磁致伸缩杆绕有线圈部分的长度；a为特性常数(取决于材料特性)；μ0为真空磁导率；N为线圈匝数。
所述步骤(5)具体包括：制动驱动器输出的制动力Fci的控制采用PID闭环控制电流的方法进行控制，具体步骤如下：
(51)电子控制单元根据公式(1)计算出当前制动驱动器的目标制动力Fci_need；
(52)电子控制单元接收制动力传感器发送的实际制动力信号，并将实际制动力Fci_real与目标制动力Fci_need进行对比，再根据公式(4)计算出实际制动力Fci_real与目标制动力Fci_need的差值
Figure BDA0002388754510000121
Figure BDA0002388754510000122
(53)将公式(4)所得到的误差值作为电流闭环控制的输入到控制器，控制器的输出模型为：
Figure BDA0002388754510000123
式中，ui(t)为电子控制单元输出的控制量；Kpi为比例系数，Ti为积分常数，Tdi为微分常数，u0为控制常量Ii，可用式(2-3)计算。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，包括：制动踏板模块、制动器、车轮模块、电源模块、驻车制动模块和控制模块；
所述制动踏板模块包括：制动踏板、踏板支架、踏板转轴、连杆和踏板感觉模拟器；
踏板转轴的输入端与所述制动踏板的输出端固定连接，输出端与所述连杆的输入端固定连接；
踏板感觉模拟器的下端固定在踏板支架上；
踏板感觉模拟器包括：推杆、模拟器壳体、外圈弹簧、内圈弹簧、上端盖、下端盖、调整垫片和底座；
上、下端盖分别旋装在所述踏板感觉模拟器的上下两端；
推杆的输入端与所述连杆的输出端铰接；
外圈弹簧和内圈弹簧位于所述模拟器壳体内部，分别套装在所述底座上，用于产生模拟的踏板力；
调整垫片位于踏板感觉模拟器与踏板支架之间，用于调整踏板感觉模拟器的预紧力；
所述制动器包括：第一制动蹄、第二制动蹄、制动鼓、制动底板、制动蹄回位弹簧、摩擦衬片、制动驱动器、位移放大机构、第一支撑销A和第二支撑销A、第一支撑销B和第二支撑销B、第一支撑销C和第二支撑销C、第一限位销D、第二限位销D；
第一支撑销A和第二支撑销A、第一支撑销B和第二支撑销B和第一限位销D、第二限位销D固定在制动底板上；
第一支撑销C和第二支撑销C分别固定在所述第一制动蹄、第二制动蹄上；
第一制动蹄、第二制动蹄在不制动时，各自的上端通过制动蹄回位弹簧拉靠在所述第一限位销D、第二限位销D上，各自的下端铰接在所述第一支撑销A、第二支撑销A上；
制动鼓固定在车辆各车轮的轮毂上，随车轮一同转动；
制动蹄回位弹簧前后端分别勾连在所述第一支撑销C、第二支撑销C上；
摩擦衬片分别安装在所述第一制动蹄、第二制动蹄正对于制动鼓内侧的曲面上；
位移放大机构包括：超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ和从动杆Ⅰ、Ⅱ；
从动杆Ⅰ、Ⅱ的下端铰接在所述第一支撑销B、第二支撑销B上，中部与所述超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ的输出端铰接，上端与所述第一支撑销C、第二支撑销C铰接；
制动驱动器包括：驱动器壳体、驱动器托架、超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ、励磁线圈、消磁线圈、隔磁衬垫和固定挡板；
驱动器壳体底端与固定挡板相连，中部放置于所述驱动器托架上；
驱动器托架固定在制动底板上；
超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ的输入端分别固定在所述驱动器壳体内部的底端，输出端与所述从动杆Ⅰ、Ⅱ中部铰接；
励磁线圈和消磁线圈均缠绕在所述超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ上，通过控制励磁线圈中的电流控制超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ的位移，通过控制消磁线圈中的电流来消除磁滞现象；
隔磁衬垫紧贴在所述驱动器壳体内侧隔绝磁场对外部的影响以及外界磁场对内部的影响；
固定挡板固定在制动底板上；
所述车轮模块包括：左前车轮、左后车轮、右前车轮、右后车轮；
所述控制模块包括：电子控制单元、踏板位移传感器、车速传感器、轮速传感器和制动力传感器Ⅰ、Ⅱ；
踏板位移传感器安装在所述推杆上，与所述电子控制单元电气连接，用于获得所述踏板位移信号，并将信号传递给所述电子控制单元；
车速传感器安装在车辆的驱动桥的桥壳内或变速箱壳体内，用于获得所述车速信号，并传递给所述电子控制单元；
制动力传感器Ⅰ、Ⅱ分别安装在所述超磁致伸缩杆Ⅰ、Ⅱ上，与所述电子控制单元电气连接；
轮速传感器安装在各车轮的轮毂上，用于获得所述轮速信号，并将信号传递给所述电子控制单元；
所述电源模块包括：电源和电流调节模块；
电源与电流调节模块电气相连，用于给系统供电；
电流调节模块用于接收所述电子控制单元输出的控制电流信号，并对电流进行调控后输入到制动驱动器，并将所述励磁线圈中的电流值反馈给所述电子控制单元；
所述驻车制动模块包括：手拉杆、拉杆底座、驻车制动拉索、手拉杆回位弹簧、驻车制动杆、驻车制动摩擦块、驻车制动摩擦块回位弹簧；
驻车制动拉索的输入端与所述手拉杆相连，输出端与所述驻车制动杆相连；
拉杆底座固定在车辆的换挡杆后方的车体上；
手拉杆回位弹簧位于所述手拉杆和所述拉杆底座连接处，用于手拉杆的回位；
驻车制动杆输入端与所述驻车制动拉索的输出端铰接，其输出端铰接在所述驻车制动摩擦块上；
驻车制动摩擦块限位于所述第一支撑销D、第二支撑销D中间；
驻车制动摩擦块回位弹簧下端固定在所述驱动器托架上，上端与所述驻车制动摩擦块连接，用于驻车制动摩擦块的回位。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，所述制动驱动器在所述第一制动蹄、第二制动蹄内侧各安装一个，两个制动驱动器等长且上下平行放置由所述电源进行供电。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，所述制动器的数量为四个，分别为左前制动器、右前制动器、左后制动器、右后制动器。
4.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，所述每个制动器里的两个制动驱动器完全一致。
5.根据权利要求4所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，所述各车轮均安装有制动器，且左后制动器、右后制动器带有驻车制动模块。
6.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，所述制动器托架放置于所述驱动器壳体的1/2位置处。
7.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统，其特征在于，所述制动器中两个制动驱动器中的励磁线圈为同一根导线缠绕而成，消磁线圈也由同一根导线缠绕而成。
8.一种基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)在正常制动时，踩下制动踏板，踏板位移传感器、车速传感器、轮速传感器和制动力传感器分别采集踏板位移信号、车速信号、各车轮轮速信号和制动力信号并将信号传递给电子控制单元；
(2)踏板感觉模拟器通过外圈弹簧和内圈弹簧的变形产生反馈力，经过推杆、连杆和制动踏板将模拟踏板力反馈给驾驶员；
(3)电子控制单元接收上述步骤(1)中采集的踏板位移信号、车速信号、各车轮轮速信号和制动力信号，根据各信号计算出当前所需的目标制动力，再根据当前所需制动力对各轮制动力进行分配，计算出各车轮制动驱动器中超磁致伸缩杆所需位移量，进而计算出所需目标电流信号，并将信号传递给电流调节模块；
(4)电流调节模块接收上述步骤(3)得到的电流控制信号后，对电流进行调控后，输入到各个制动器的制动驱动器，控制附加在超磁致伸缩杆上的磁场强度，并将各励磁线圈中的电流值反馈给电子控制单元；
(5)电流输入到制动驱动器，励磁线圈中磁场强度发生变化，超磁致伸缩杆变形，通过从动杆使第一制动蹄、第二制动蹄分别绕第一支撑销A和第二支撑销A转动，两个制动蹄上端向两边分开使摩擦衬片压紧在制动鼓的内圆面，完成制动；
(6)松开制动踏板，电子控制单元根据实时的踏板位移调整励磁线圈中的电流大小的同时，控制电流调节模块向消磁线圈中通入与励磁线圈中方向相反的电流，消除磁滞现象提高系统响应，直至制动踏板完全松开，解除制动；
(7)在车辆停驶后，拉动手拉杆，通过驻车制动拉索、驻车制动杆将驻车制动摩擦块拉向制动鼓，使驻车制动摩擦块压紧在制动鼓的内圆面，完成驻车制动；
(8)手拉杆回至原位时，驻车制动摩擦块回位弹簧将驻车制动摩擦块拉回原位，手拉杆回位弹簧将手拉杆拉回原位。
9.根据权利要求8所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算制动器中每个制动驱动器所需输出制动力的公式为：
Figure FDA0002388754500000041
计算制动器中每个超磁致伸缩杆位移的公式为：
Figure FDA0002388754500000042
计算制动器中励磁线圈电流的公式为：
Figure FDA0002388754500000043
式中，Fci为制动器中每个制动驱动器所需输出制动力，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；Fzi为车轮所需制动力，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后车轮；εi为所需制动器中每个超磁致伸缩杆的变形量，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；E为超磁致伸缩杆弹性模量；r为超磁致伸缩杆半径；π为圆周率常数；Ii为所需制动器中励磁线圈中电流大小，其中i＝1,2,3,4分别代表左前、右前、左后、和右后制动器；L为超磁致伸缩杆绕有线圈部分的长度；a为特性常数；μ0为真空磁导率；N为线圈匝数。
10.根据权利要求9所述的基于磁致伸缩材料的鼓式线控制动系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：制动驱动器输出的制动力Fci的控制采用PID闭环控制电流的方法进行控制，具体步骤如下：
(51)电子控制单元根据公式(1)计算出当前制动驱动器的目标制动力Fci_need；
(52)电子控制单元接收制动力传感器传来的实际制动力信号，并将实际制动力Fci_real与目标制动力Fci_need进行对比，再根据公式(4)计算出实际制动力Fci_real与目标制动力Fci_need的差值
Figure FDA0002388754500000051
Figure FDA0002388754500000052
(53)将公式(4)所得到的误差值作为电流闭环控制的输入到控制器，控制器的输出模型为：
Figure FDA0002388754500000053
式中，ui(t)为电子控制单元输出的控制量；Kpi为比例系数，Ti为积分常数，Tdi为微分常数，u0为控制常量Ii，可用式(2-3)计算。
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