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基于GMM的汽车线控制动系统设计_初长宝

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0 引言
随着人们对现代生活水平的要求日益提高，以及汽 车工业的迅猛发展和城市道路设施的不断完善，汽车已 成为人们日常生活中不可缺少的重要交通工具，人们在 享受汽车带来便捷、舒适的同时也对汽车的安全及经济 运行性能提出了更高的要求。传统液压制动系统需要制 动主缸、比例分配阀、压力调节装置、管路等部件，不 仅传递效率低、响应时间长，还使整车重量增加，因此， 一种结构简捷、性能安全稳定的现代汽车制动系统的开发 设计显得更加重要。近年来，随着汽车电子技术不断取得 突破性进展，线控技术已成功应用于汽车领域[1]，汽车线 控技术用电子线路取代传统的机械、液压或气动部件， 大大降低系统部件的复杂性，使油耗和制造成本得到有 效降低，提高不同工况下汽车的操纵性和驾驶舒适性， 具有传统技术不可比拟的优势。
2.3.3 控制系统软件设计
控制系统整体设计方案为：将踏板传感器接收 到的踏板位移信号和轮速传感器采集到的轮速信号， 以及Sepic电路负载端的电压采样信号传输到单片机 ATmega8的AD端口进行模/数转换，经过单片机PID控 制方式的数字计算处理，由ATmega8产生的PWM信号 对开关管进行控制，从而使Sepic电路产生所需的可调 控电压值。其控制框图如图5所示。
由于驱动线圈属于感性负载，当其通电工作时，线
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圈内部产生的感应电动势将会使Sepic电路的输出电压 比纯电阻负载时有所降低。
由踏板传感器的位置行程变化测得负载端电流在 0～4A范围内变化，分别在制动系统空载和负载两种情 况下测试执行机构处两刹车片之间位移变化量，所测得 的试验结果如表2所示。
该线控制动系统性能良好，能达到很好的制动效果，充分表明了该制动系统的科学性、合理
性，为线控制动系统的未来发展提供了新思路。
关键词：线控制动；响应速度快；超磁致伸缩；制动效果
中图分类号：TP202
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2015)07(上)-0122-03
Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(上).34
目前，汽车车载电源一般采用12V或24V的供电系 统，经过综合分析对比选择了Sepic电路变换产生的电 能为GMM驱动源供电[3]，其电路图如图4所示。
图4 Sepic电路原理图
Sepic电路由可控开关S、储能电感L1和L2、二极管
D、储能电容C1、滤波电容C2、负载电阻R及控制电路 等组成。电路基本原理为：当开关管S受控制电路的脉
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图7 线控制动系统实物图
4 结束语
本文介绍了一种基于GMM为驱动源的新型线控制 动系统设计，对各部件的设计都进行了详细介绍，通过 理论分析计算对各参数合理设置，并通过试验测试对各 参数进行了有效修正，最终试验结果表明该线控制动系 统性能良好，能达到很好的制动效果，充分表明了该制 动系统的科学性、合理性，为线控制动系统的未来发展 指引了新的方向。该制动系统结构简单，驱动源采用新 型材料具有输出应力大、响应时间快、可靠性高等优 点，能够很好的满足现代汽车制动系统轻量化、高效 率、安全性能高的要求。
基金（QC201107） 作者简介：初长宝（1980 -），男，山东烟台人，副教授，博士，研究方向为车辆系统动力学及控制技术。
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向伸长变化，通过执行机构的杠杆放大原理使摩擦片侧 产生更大的位移变化，在摩擦片和制动盘的相互作用下 达到制动目的，其结构示意图与实物图如图2所示。
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图5 控制结构框图
控制系统采用闭环PID控制[5]，算法简单可靠，能 够保证控制系统的快速响应能力。控制系统的软件程序 采用Code Vision AVR软件编写，首先对Atmega8单片机 进行初始化，通过踏板传感器的分压电路检测踏板位移 和车轮转速信号，对信号进行调理。MEGA8通过计算 产生的脉宽调制信号（PWM）是否满足相应转速的制 动要求，若不满足，继续写入MEGA8得到新的PWM； 若满足要求，则使Sepic电路输出相应的电压驱动GMM 棒产生制动力，达到制动目的。
表2 试验测试结果
电流（A）
0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80 3.20 3.60 4.00
空载时刹车片 移动位移（um）
0 69 93 189 225 351 396 495 687 774 819
负载时刹车片移动 位移（um） 0 15 57 105 141 195 252 252 252 252 252
参考文献：
[1] 李静,张建,王梦春.电子机械制动执行器数学建模与精细控制 [J].吉林大学学报:工学版,2012,42(增1):1-6.
[2] 李永.超磁致伸缩制动器驱动系统关键技术研究[D].山东大 学,2013.
[3] 王兆安,等.电力电子技术[M],西安,西安交通大学出版社,2009. [4] Mokhtar Ali,Amgad Keshka .Microcontroller–Based
控制系统还包含其他相关硬件电路组成，如电流信 号检测电路、过流保护电路、PWM驱动保护电路等。 电流检测电路主要用于检测GMM线圈上的电流信号， 以实现电流的闭环控制调节；开关管驱动保护电路采用 高速光耦合器TLP250实现隔离驱动，以提高驱动电路 的安全性能，该电路采用12V供电；过流保护电路用来 实现直流电源的输出电流和电压的限制保护作用，当 GMM线圈中电流过载，或Sepic电路输出电压超过安全 限度时将会产生过流、过压信号，该信号传给控制单元 后会出现相关保护动作，从而提高了系统的安全性。
摘 要：与传统液压制动系统相比，线控制动系统用电子线路取代传统的机械、液压或气动部件，大
大降低部件的复杂性，降低了油耗和制造成本，提高了制动系统的响应速度和制动效能，具
有传统技术不可比拟的优势。介绍了一种以超磁致伸缩材料为驱动源的新型线控制动系统，
对各部件的设计都进行了详细介绍，并对该系统整体性能做了相关试验测试。试验结果表明
系统，要求输出电压达到0～40V可调，输出电流为 0～5A。通过对Sepic电路各参数进行详细计算[4]，电路
中各元件参数值确定为：二极管选取快速关断二极管
MUR1560，电感L1=L2=283uH，电容C1=10uF、电解电 容C2=400uF，开关管选取IGBT H30T90。同时计算出占 空比最大值为：αmax=0.6279。
3 制动系统性能实验测试
由理论分析确定制动系统各部件的合理参数，经过 加工、装配制作成实物在实验室环境下进行测试，通过 踏板传感器的位置变化来测试Sepic电路的输出电压和 执行机构处两刹车片之间位移变化量，试验分别在驱动 源空载和驱动源负载两种情况下进行。
Sepic电路在加载负载的情况下进行测试，其理论 分析与试验测试结果如表1所示。
图2 执行机构示意图及实物图
㲸㵓Βιβλιοθήκη 㼀㦇*00⟕㼀㦇⹨ソ
图3 GMM驱动源实物图
2.2 GMM驱动源设计 磁致伸缩是铁磁性晶体在外磁场中被磁化，其长度
尺寸及体积均发生变化的现象。本设计采用的是甘肃天 星稀土功能材料有限公司生产的Ф20×50mmGMM棒， 线圈为0.8mm铜质漆包线，为了减少磁路损耗，使磁动 势尽可能多的加载在GMM棒上，线圈骨架采用铝制材 料，套筒采用铁质材料。其制作实物如图3所示。 2.3 控制系统设计 2.3.1 Sepic电路设计
冲信号触发而导通时，Vin-L1-S回路和C1-S-L2回路同时 导通，电感L1和L2储能；S处于断态时，Vin-L1-C1-D-负 载（R和C2）回路及L2-D-负载回路同时导通，此阶段Vin 和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1储存的能量在 S处于通态时向L2转移。
本设计采用24V直流电源作为Sepic电路的供电
本文以超磁致伸缩材料（简称GMM）为驱动源设计 出了一种新型汽车线控制动系统。对系统的结构设计及控 制系统设计进行了理论分析，并通过试验验证了控制系统 与制动系统的匹配性能及该线控制动系统的整体性能。
1 基于GMM的线控制动系统工作原理分析
由于GMM具有变形量大、输出力大、能量密度 大、响应速度快、低电压驱动等特点[2]，目前已在多种 领域得到广泛应用。基于其多方面的优良性能设计出了 以GMM为驱动源的新型汽车线控制动系统。
Modified SEPIC Converter for Driving LED Lamp with Power Factor Correction. MEPCON 2010, December 1921,2010,p:714-719. [5] 高彬娜.数字PID控制在运动控制系统中的应用[J].中国电子科
基于GMM的线控制动系统主要由车轮轮速传感
器、踏板传感器、电子控制单元（ECU）、GMM执行 机构、电源等部件组成。其系统如图1所示。
2
1 4
3
5
1.转速传感器；2.GMM执行机构；3.电源；4.踏板传感器；5.电子控制单元
图1 基于GMM的线控制动系统
该系统在执行制动操作时，首先通过踏板传感器将 驾驶员的制动意图转化为电信号，并将此信号传输到电 子控制单元，电子控制单元综合轮速传感器、踏板传感 器及相关输入信号进行分析处理，然后将控制信号反馈 到执行机构，GMM执行机构模块根据电流大小输出所 需制动力，最终完成制动操作。
试验测试电流-位移对应关系曲线如图6所示。
图6 位移-电流关系
通过试验测得数据可知，驱动源GMM棒的位移随 电流增大而增加，空载时其伸长量呈持续增长趋势；在 加载负载时因存在预紧负载力，位移比空载测试时的对 应值略小，电流达到2.4A时，摩擦片加紧制动盘，驱动 源将位移输出转化为力输出，位移不再增加。在试验 平台下测试，电动机带动制动盘以1500rmp的转速运行 时，将踏板传感器置于最大行程位置，制动盘在1～2秒 内可实现完全制动，制动系统各部件均达到了预期设计 目标，线控制动效果良好。线控制动系统实物图如图7 所示。

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基于GMM的汽车线控制动系统设计

基于GMM的汽车线控制动系统设计

（ １ ． 江西省精密驱动 与控 制重点实验室 ，南 昌 ３ ３ ０ ０ ９ ９ ；２ ． 南昌工程学院 机械 与电气 工程学院 ，南 昌 ３ ３ ０ ０ ９ ９ ） 摘 要 ：与传统液 压制动 系统相 比 ，线控 制动系 统用 电子 线路取代 传统 的机械 、液 压或 气动部件 ，大 大降低 部件的复 杂性 ，降低 了油 耗和制造 成本 ，提高 了制 动系统 的响应 速度和制 动效 能 ，具 有 传统技 术不可 比拟的 优势 。介 绍了 一种以超磁 致伸缩材 料为 驱动源的新 型线 控制动系 统 ， 对各部 件的设计 都进行 了详细介 绍 ，并 对该系统 整体性 能做 了相 关试验测 试。 试验结果 表明 该线控 制动系统 性能 良好 ，能达 到很 好的制动效 果 ，充分 表明 了该制动 系统的 科学性 、合 理 性 ，为线控制动系统的未来发展提 供了新思路。 关键 词 ：线控制动 ；响应速度快 ；超磁 致１ 申 缩 ；制动效果 中囝分类号 ：Ｔ Ｐ ２ ０ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ — ０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ７ （ 上） 一 ０ １ ２ ２ — ０ ３
收稿 日期 ：２ ０ １ ５ － ０ １ － ２ ０ 基金 项目：江西 省科技厅项 目 （ ２ ０ ０ ９ ｚ Ｄ Ｇｏ ７ ８ ０ ｏ ）；江 西省教育厅项 目 （ Ｇ Ｊ Ｊ １ ４ ７ ４ ６ ）；江苏 省汽 车工程重点实验室开放
基金 （ Ｑ Ｃ ２ ０ １ １ ０ ７ ）
作者 简介：初长 宝 （ １ ９ ８ ０一 ），男 ，山东烟 台人 ，副教授，博士 ，研究方向为车辆 系统动力学及控制技术 。
基于Ｇ ＭＭ的汽 车线 控制动 系统 设计
Ｄｅｓ ｉ ｇｎ ｏｆ ｂｒ ａｋ ｅ－ ｂｙ － ｗｉ ｒ ｅ ｓ ｙｓ ｔ ｅｍ ｆ ｏｒ ｖ ｅｈｉ ｃｌ ｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＭ Ｍ
基于GMM新型线控制动控制系统设计

基于GMM新型线控制动控制系统设计

摘要线控制动系统（BBW）也被称为电子控制制动系统，按能量的来源不同可分为机械式线控制动系统和液压式线控制动系统两种。

BBW技术是当今汽车界研究的热点。

现如今，汽车零件在结构方面的创新空间有限。

创新点主要在电子方面，用电子技术取代机械功能。

线控制动技术就是使制动结构更简单，制动效果更好。

线控制动系统的核心是控制系统，控制系统接收信号，通过分析后发出适当的信号。

本文研究的是使用GMM新型材料从而实现制动系统的功能。

创新点是在H型机构上使用GMM材料，用单片机控制整个系统。

整套系统不存在各种管路，因此非常环保，制动效率高。

全文共分四章各章主要内容如下：第一章论述当今汽车线控制动的研究现状与发展趋势以及课题研究的意义。

第二章论述GMM国内外研究现状，磁致伸缩原理，压力和磁场对材料尺寸的影响；如何选取GMM棒的尺寸；磁感线圈长度、内外径确定；导线直径、匝数、厚度的确定；漆包线尺寸的选取。

第三章简要介绍控制系统，Keil uVision3软件。

sepic电路设计和硬件电路设计以及控制程序的编写。

第四章主要是总结工作成果以及今后工作展望。

关键词：线控制动GMM材料控制系统控制程序AbstractBrake-By-Wire (BBW) also known as electronic control brake system, according to the different energy sources ,BBW can be divided into mechanical BBW system and hydraulic BBW system .BBW technology is a hotspot of research on the car today. Nowadays,the innovation space of car parts is limited in the structure aspect. Major innovative in electronic, electronic technology will replace mechanical function.BBW is to make the brake structure more simple, better braking effect.Control system is the core of BBW system, receiveing the signal, emiting the the appropriate signal.This paper study content is to realize braking system function through using the new GMM material.The innovation is using GMM material on the H agencies. single-chip computer control the whole system. The system does not exist all kinds of pipe, therefore,it is better for environment, high brake efficiency.The full text is divided into four chapters . Main content is discussed as follows:The first chapter discusses the present situation of BBW dynamic,the development trend and research significance.The second chapter discusses GMM research status at home and abroad, magnetostrictive principle, pressure and magnetic field affect the size of materials; How to choose the size of the GMM rod; Determine the magnetic induction coil length, inner diameter; Wire diameter, number of turns, the determination of thickness; Selection of enameled wire size.The third chapter briefly introduces the control system, Keil uVision3 software.How to design Sepic circuit and the hardware circuit and the preparation of the control program.The fourth chapter mainly summarizes the work and the prospect of future work. Keywords:BBW; GMM materials; control system ; control procedure目录摘要..................................................... 错误！未定义书签。

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汽车转向与制动协调控制试验平台设计与验证张凤娇;汪;项楚勇;邢德鑫【摘要】为了解决现有汽车高速紧急避撞协调控制系统结构复杂,设计成本高,在高速紧急情况的实车避撞试验极其危险等问题,设计了一种基于LabVIEW上位机和飞思卡尔单片机为控制器的下位机的协调控制硬件在环仿真试验系统.该系统包括车辆状态检测和控制界面,制动和转向执行机构主控芯片为MC9S12DP512.控制界面和执行机构通讯采用基于ZigBee协议的无线通讯模块,模块主控芯片为CC2530.上位机界面设定高速公路路况信息通过无线模块将信息传给下位机执行转向或制动操纵,验证紧急避撞控制的有效性.实验结果表明,该系统大大降低了实车试验成本和危险性,能较好的检测控制策略的有效性.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】5页(P27-30,49)【关键词】制动与转向;协调控制试验;MC9S12DP512;CC2530;硬件在环仿真平台【作者】张凤娇;汪;项楚勇;邢德鑫【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;常州工学院,常州213002;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TU460 引言我国高速公路的安全性比美国、日本和欧盟各国要差，每100km高速公路死亡人数来看，我国比美国和欧盟各国多9人以上，比日本多13人[1]。

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