CN111942344A - 一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统及控制方法，用于提高制动系统可靠性，当车辆处于制动工况下，电子控制单元根据踏板位移传感器、踏板速度传感器、车速传感器、轮速传感器信号，计算制动力大小，并利用反馈电机控制器控制反馈电机生成路感，利用制动执行器控制器控制电机输出制动力。当电子控制单元根据力矩传感器、速度传感器诊断处电机处于堵转工况时，电子控制单元通过控制励磁线圈电流大小达到达到控制磁流变液粘性和剪切屈服强度的目的，从而实现电机的堵转保护。

Description

一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统及控制方法
技术领域
本发明属于线控液压制动系统技术领域，尤其是涉及一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统及控制方法。
背景技术
汽车制动系统是保障汽车行驶安全性的极为重要的系统，线控液压制动系统作为目前最热门的研究方向之一，其优越性在于制动响应速度快、制动效能好，易于实现制动防抱死等功能。目前广泛研究的线控液压制动系统主要分为两种，一种是采用高压蓄能器和双向导通电磁阀作为执行机构的泵式液压制动系统，但是这种制动系统中有许多液压管路，制动液泄露风险较大；另一种是以电机和减速机构为执行机构的集成式电子液压制动系统，它可以有效降低制动液泄露的风险，并且具有更高的制动响应速度。然而，集成式电子液压制动系统多采用单电机作为动力源，这种制动执行方式下，单电机同时控制位移和转矩两个参数，难免会出现输出转矩或输出位移不稳定、不可靠的现象。
此外，制动工况下，制动器温度较高、并且会产生较大的冲击，因此电机工作环境较为苛刻，此外制动强度较大时电机常常需要在堵转工况下工作，长时间处于堵转工况势必会增加电机高温烧毁的风险，进而引起制动系统失效，驾驶安全受到极大地威胁。
磁流变液是一种具有流体特性的智能材料，在磁场作用下，磁流变液的材料属性能够在牛顿流体和半固体状态之间快速、连续并可逆地调节。弱磁场下，磁流变液表现为牛顿流体的特性，具有低粘度、低剪切屈服强度；强磁场下，磁流变液由原先的粘性流态转化为固态，并且具有高剪切屈服强度，并且转化过程只经历了毫秒量级的时间。磁流变液还具有能耗低、制备方便、温度适用范围宽、不易污染等特点，近年来磁流变液也被广泛应用于汽车、机械、建筑等领域，并且将该技术应用于制动系统也是具有创新性和可行性的。
发明内容
针对于现有线控液压制动系统的不足，本发明的目的在于提出一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统及控制方法，以解决现有线控液压制动系统电机堵转工况易烧毁的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统，包括：电子踏板模块(14)、电子控制单元(8)、电机模块(15)、电机堵转保护装置(11)、制动减速装置(12)、制动液压缸(13)、车速传感器(6)、轮速传感器(7)、转速传感器(121)；
其中，电子踏板模块(14)包括：制动踏板(1)、输入杆(2)、踏板位移传感器(51)、踏板速度传感器(52)、反馈电机(32)、反馈电机控制器(31)、反馈减速装置(4)；其中，制动踏板(1)与输入杆(2)连接，踏板位移传感器(51) 和踏板速度传感器(52)均置于输入杆(2)上，并与电子控制单元(8)电气连接，驾驶员输入的踏板位移信号与踏板速度信号经制动踏板(1)传入输入杆(2)，踏板位移传感器(51)与踏板速度传感器(52)采集踏板位移信号与踏板速度信号，并将信号传递到电子控制单元(8)，电子控制单元(8)发送控制信号到反馈电机控制器(31)，控制反馈电机(32)输出转速和转矩，经过反馈减速装置 (4)和输入杆(2)到达制动踏板(1)，形成踏板感；
电子控制单元(8)与踏板位移传感器(51)、踏板速度传感器(52)、力矩传感器(91)、转速传感器(121)电气连接；电子控制单元(8)根据接收到的踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号、轮速信号，计算反馈电机(32)目标输出转速与目标输出转矩以及电机模块(15)中电机(9)的目标输出转矩和目标输出转速，并生成对反馈电机控制器(31)和制动执行器控制器(16)的控制信号；
电机模块(15)包括：制动执行器控制器(16)、电机(9)、力矩传感器(91)；其中，电子控制单元(8)向制动执行器控制器(16)发送控制信号，制动执行器控制器(16)控制电机(9)输出目标转矩和目标转速，力矩传感器(91)采集电机(9)的输出转矩，电机(9)输出轴均装有小齿轮；
电机堵转保护装置(11)包括：输入轴齿轮(110)、输入轴(111)、壳体(112)、励磁线圈(113)、主动盘(114)、从动盘(115)、输出轴(116)、磁流变液(117)、密封垫圈(118)；其中，壳体(112)、主动盘(114)、从动盘(115)之间形成的空腔内填满磁流变液(117)；输入轴齿轮(110)与电机模块(15)的电机(9) 输出轴小齿轮啮合，输入轴齿轮(110)与输入轴(111)固连；输入轴(111) 与主动盘(114)固连，输出轴(116)与从动盘固连；输出轴(116)将电机堵转保护装置(11)的输出力矩和转速传递到制动减速装置(12)；主动盘(114) 内端面有多个梯形凹槽，从动盘(115)外端面有多个梯形凹槽，梯形凹槽防止磁流变液壁面滑移效应；电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中电流大小，进而控制励磁线圈(113)产生的磁场强弱，以控制磁流变液(117)的粘性和剪切屈服强度；
制动减速装置(12)选用行星齿轮减速机构，该行星齿轮减速机构的输出端采用长螺栓与长螺母的配合，将旋转运动转化为直线运动；制动减速装置(12) 与制动液压缸(13)的活塞杆机械连接，并推动活塞杆压缩液压缸中制动液，实现制动液建压。
一种含电机堵转保护装置的线控液压制动控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，电子控制单元(8)根据转速传感器(121)和力矩传感器(91)的测量值，判断电机是否处于堵转工况；
当转速传感器(121)测量得到制动减速装置(12)的输出转速为0，并且力矩传感器测得的电机(9)输出力矩不为0时，表明从动盘(115)转速为0，，此外电机持续输出力矩，此时电机处于堵转工况；
步骤2，当电机处于堵转工况时，电子控制单元(8)控制励磁线圈(113) 中电流，以实现磁流变液(117)的粘性和剪切屈服强度的控制，从而保证从动盘达到位移限位点时，电机转速仍然不为0；
步骤2.1，求解电机堵转保护装置(11)的主动盘(114)的输出转速：
Figure BDA0002582527030000031
其中，P电机表示电机输出功率，i表示电机到电机堵转保护装置(11)主动盘(114)的传动比，T表示力矩传感器(91)测得的电机输出转矩；
步骤2.2，求解磁流变液的电流：
Figure BDA0002582527030000032
其中，fc(I)表示库伦阻尼力(N)，c0(I)表示粘滞阻尼系数(N·s/m)，f0(I)表示因加工装配误差等原因产生的偏置力(N)，r表示主动盘(114)半径,x满足 x＝rω主动盘；
步骤2.3，通过电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中的电流I大小，从而保证从动盘达到运动极限时，电机转速为：
ω电机＝iω主动盘 (3)
即电机转速不为0，从而实现电机的堵转保护。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的含电机堵转保护装置的电机线控液压制动系统,可以在现有制动系统基础上直接加电机堵转保护装置，开发成本低，电机堵转保护装置可以保护电机避免堵转工况过热烧毁，提高系统工作可靠性。
附图说明
图1绘示本发明含电机堵转保护的双电机线控液压制动系统的结构图；
图2绘示本发明电机堵转保护装置的结构图；
图3绘示本发明电机堵转保护装置中主动盘、从动盘、磁流变液的截面图；
图中：1-制动踏板，2-输入杆，31-反馈电机控制器，32-反馈电机，4-反馈减速装置，51-踏板位移传感器,52-踏板速度传感器，6-车速传感器，7-轮速传感器，8-电子控制单元，9-电机，91-力矩传感器，11-电机堵转保护装置，110-输入轴齿轮，111-输入轴，112-壳体，113-励磁线圈，114-主动盘，115-从动盘，116- 输出轴，117-磁流变液，118-密封垫圈，119-磁力线，12-制动减速状态，121- 速度传感器，13-制动液压缸，14-电子踏板模块，15-电机模块，16-制动执行器控制器。
具体实施方式
如图1所示：一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统，包括：电子踏板模块(14)、电子控制单元(8)、电机模块(15)、电机堵转保护装置(11)、制动减速装置(12)、制动液压缸(13)、车速传感器(6)、轮速传感器(7)、转速传感器(121)；
其中，电子踏板模块(14)包括：制动踏板(1)、输入杆(2)、踏板位移传感器(51)、踏板速度传感器(52)、反馈电机(32)、反馈电机控制器(31)、反馈减速装置(4)；其中，制动踏板(1)与输入杆(2)连接，踏板位移传感器(51) 和踏板速度传感器(52)均置于输入杆(2)上，并与电子控制单元(8)电气连接，驾驶员输入的踏板位移信号与踏板速度信号经制动踏板(1)传入输入杆(2)，踏板位移传感器(51)与踏板速度传感器(52)采集踏板位移信号与踏板速度信号，并将信号传递到电子控制单元(8)，电子控制单元(8)发送控制信号到反馈电机控制器(31)，控制反馈电机(32)输出转速和转矩，经过反馈减速装置 (4)和输入杆(2)到达制动踏板(1)，形成踏板感；
电子控制单元(8)与踏板位移传感器(51)、踏板速度传感器(52)、力矩传感器(91)、转速传感器(121)电气连接；电子控制单元(8)根据接收到的踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号、轮速信号，计算反馈电机(32)目标输出转速与目标输出转矩以及电机模块(15)中电机(9)的目标输出转矩和目标输出转速，并生成对反馈电机控制器(31)和制动执行器控制器(16)的控制信号；
电机模块(15)包括：制动执行器控制器(16)、电机(9)、力矩传感器(91)；其中，电子控制单元(8)向制动执行器控制器(16)发送控制信号，制动执行器控制器(16)控制电机(9)输出目标转矩和目标转速，力矩传感器(91)采集电机(9)的输出转矩，电机(9)输出轴均装有小齿轮；
如图2所示：电机堵转保护装置(11)包括：输入轴齿轮(110)、输入轴(111)、壳体(112)、励磁线圈(113)、主动盘(114)、从动盘(115)、输出轴(116)、磁流变液(117)、密封垫圈(118)；其中，如图3所示，壳体(112)、主动盘(114)、从动盘(115)之间形成的空腔内填满磁流变液(117)；输入轴齿轮(110)与电机模块(15)的电机(9)输出轴小齿轮啮合，输入轴齿轮(110)与输入轴(111) 固连；输入轴(111)与主动盘(114)固连，输出轴(116)与从动盘固连；输出轴(116)将电机堵转保护装置(11)的输出力矩和转速传递到制动减速装置 (12)；主动盘(114)内端面有多个梯形凹槽，从动盘(115)外端面有多个梯形凹槽，梯形凹槽防止磁流变液壁面滑移效应；电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中电流大小，进而控制励磁线圈(113)产生的磁场强弱，以控制磁流变液(117)的粘性和剪切屈服强度；
制动减速装置(12)选用行星齿轮减速机构，该行星齿轮减速机构的输出端采用长螺栓与长螺母的配合，将旋转运动转化为直线运动；制动减速装置(12) 与制动液压缸(13)的活塞杆机械连接，并推动活塞杆压缩液压缸中制动液，实现制动液建压。
一种含电机堵转保护装置的线控液压制动控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1，电子控制单元(8)根据转速传感器(121)和力矩传感器(91)的测量值，判断电机是否处于堵转工况；
当转速传感器(121)测量得到制动减速装置(12)的输出转速为0，并且力矩传感器测得的电机(9)输出力矩不为0时，表明从动盘(115)转速为0，，此外电机持续输出力矩，此时电机处于堵转工况；
步骤2，当电机处于堵转工况时，电子控制单元(8)控制励磁线圈(113) 中电流，以实现磁流变液(117)的粘性和剪切屈服强度的控制，从而保证从动盘达到位移限位点时，电机转速仍然不为0；
步骤2.1，求解电机堵转保护装置(11)的主动盘(114)的输出转速：
Figure BDA0002582527030000061
其中，P电机表示电机输出功率，i表示电机到电机堵转保护装置(11)主动盘(114)的传动比，T表示力矩传感器(91)测得的电机输出转矩；
步骤2.2，求解磁流变液的电流：
Figure BDA0002582527030000062
其中，fc(I)表示库伦阻尼力(N)，c0(I)表示粘滞阻尼系数(N·s/m)，f0(I)表示因加工装配误差等原因产生的偏置力(N)，r表示主动盘(114)半径,x满足x＝rω主动盘；
步骤2.3，通过电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中的电流I大小，从而保证从动盘达到运动极限时，电机转速为：
ω电机＝iω主动盘 (3)
即电机转速不为0，从而实现电机的堵转保护。

Claims (2)

1.一种含电机堵转保护装置的线控液压制动系统，其特征在于，包括：电子踏板模块(14)、电子控制单元(8)、电机模块(15)、电机堵转保护装置(11)、制动减速装置(12)、制动液压缸(13)、车速传感器(6)、轮速传感器(7)、转速传感器(121)；
其中，电子踏板模块(14)包括：制动踏板(1)、输入杆(2)、踏板位移传感器(51)、踏板速度传感器(52)、反馈电机(32)、反馈电机控制器(31)、反馈减速装置(4)；其中，制动踏板(1)与输入杆(2)连接，踏板位移传感器(51)和踏板速度传感器(52)均置于输入杆(2)上，并与电子控制单元(8)电气连接，驾驶员输入的踏板位移信号与踏板速度信号经制动踏板(1)传入输入杆(2)，踏板位移传感器(51)与踏板速度传感器(52)采集踏板位移信号与踏板速度信号，并将信号传递到电子控制单元(8)，电子控制单元(8)发送控制信号到反馈电机控制器(31)，控制反馈电机(32)输出转速和转矩，经过反馈减速装置(4)和输入杆(2)到达制动踏板(1)，形成踏板感；
电子控制单元(8)与踏板位移传感器(51)、踏板速度传感器(52)、力矩传感器(91)、转速传感器(121)电气连接；电子控制单元(8)根据接收到的踏板位移信号、踏板速度信号、车速信号、轮速信号，计算反馈电机(32)目标输出转速与目标输出转矩以及电机模块(15)中电机(9)的目标输出转矩和目标输出转速，并生成对反馈电机控制器(31)和制动执行器控制器(16)的控制信号；
电机模块(15)包括：制动执行器控制器(16)、电机(9)、力矩传感器(91)；其中，电子控制单元(8)向制动执行器控制器(16)发送控制信号，制动执行器控制器(16)控制电机(9)输出目标转矩和目标转速，力矩传感器(91)采集电机(9)的输出转矩，电机(9)输出轴均装有小齿轮；
电机堵转保护装置(11)包括：输入轴齿轮(110)、输入轴(111)、壳体(112)、励磁线圈(113)、主动盘(114)、从动盘(115)、输出轴(116)、磁流变液(117)、密封垫圈(118)；其中，壳体(112)、主动盘(114)、从动盘(115)之间形成的空腔内填满磁流变液(117)；输入轴齿轮(110)与电机模块(15)的电机(9)输出轴小齿轮啮合，输入轴齿轮(110)与输入轴(111)固连；输入轴(111)与主动盘(114)固连，输出轴(116)与从动盘固连；输出轴(116)将电机堵转保护装置(11)的输出力矩和转速传递到制动减速装置(12)；主动盘(114)内端面有多个梯形凹槽，从动盘(115)外端面有多个梯形凹槽，梯形凹槽防止磁流变液壁面滑移效应；电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中电流大小，进而控制励磁线圈(113)产生的磁场强弱，以控制磁流变液(117)的粘性和剪切屈服强度；
制动减速装置(12)选用行星齿轮减速机构，该行星齿轮减速机构的输出端采用长螺栓与长螺母的配合，将旋转运动转化为直线运动；制动减速装置(12)与制动液压缸(13)的活塞杆机械连接，并推动活塞杆压缩液压缸中制动液，实现制动液建压。
2.一种含电机堵转保护装置的线控液压制动控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，电子控制单元(8)根据转速传感器(121)和力矩传感器(91)的测量值，判断电机是否处于堵转工况；
当转速传感器(121)测量得到制动减速装置(12)的输出转速为0，并且力矩传感器测得的电机(9)输出力矩不为0时，表明从动盘(115)转速为0，，此外电机持续输出力矩，此时电机处于堵转工况；
步骤2，当电机处于堵转工况时，电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中电流，以实现磁流变液(117)的粘性和剪切屈服强度的控制，从而保证从动盘达到位移限位点时，电机转速仍然不为0；
步骤2.1，求解电机堵转保护装置(11)的主动盘(114)的输出转速：
Figure FDA0002582527020000021
其中，P电机表示电机输出功率，i表示电机到电机堵转保护装置(11)主动盘(114)的传动比，T表示力矩传感器(91)测得的电机输出转矩；
步骤2.2，求解磁流变液的电流：
Figure FDA0002582527020000022
其中，fc(I)表示库伦阻尼力(N)，c0(I)表示粘滞阻尼系数(N·s/m)，f0(I)表示因加工装配误差等原因产生的偏置力(N)，r表示主动盘(114)半径,x满足x＝rω主动盘；
步骤2.3，通过电子控制单元(8)控制励磁线圈(113)中的电流I大小，从而保证从动盘达到运动极限时，电机转速为：
ω电机＝iω主动盘 (3)
即电机转速不为0，从而实现电机的堵转保护。
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