文档介绍：制动器试验台的控制方法分析

摘要

本文介绍了一种用电动机驱动电流进行能量补偿实现惯量模拟的方法,根据
机械动力学原理建立了扭矩平衡方程,并通过电动机驱动电流与其产生的扭矩之
间的关系建立了电流依赖于可观测量的数学模型,并设计出车辆路试的模拟实验
中驱动电流值的计算机控制方法和改进方法,并给出相应的评价。
对于问题 1,通过能量守恒定理计算等效惯量;
对于问题 2,由圆柱环刚体对柱体轴线的转动惯量公式计算飞轮的转动惯
量,进而计算出机械惯量;
对于问题 3,建立了电流依赖于瞬时转速的数学模型,由于制动器性能的复
杂性,电动机驱动电流与时间之间的精确关系是很难得到,我们把建立的数学模
型离散化,便于计算机实现;
对于问题 4,评价了题中某种试验方法得到的执行结果,以能量误差的大小
作为评价控制方法优劣的重要指标;
对于问题 5,通过理论推导和分析,给出了根据前一时间段观测到的瞬时转
速,设计出本时间段电流值的计算机控制方法。由于瞬时转速非常容易测量,并
且在工程实际中大大简化了操作过程和节省了实验成本,计算机容易实现。当每
个时刻的瞬时转速越逼近无电惯量时的瞬时转速( 可以通过缩短时间间隔实现),
则能量误差也会越来越小,从而很好地模拟了实际车辆的路试。
对于问题 6,重新设计了一个计算机控制方法,此模型建立了电流依赖于瞬
时转速和瞬时扭矩的函数关系,相对于单一变量控制提高了精确性,通过扭矩控
制,减小了能量误差,更准确地模拟的路试的情况。

关键词:等效转动惯量;机械惯量;基础惯量;制动扭矩;电机扭矩;瞬时扭
矩;瞬时转速;角速度;电流。

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一问题的重述
汽车设计阶段为检测制动器的综合性能,此时须在专门的制动器试验台上对
所设计的路试进行模拟试验。模拟试验的原则是试验台上制动器的制动过程与路
试车辆上制动器的制动过程尽可能一致。试验台工作时,电动机拖动主轴和飞轮
旋转,达到与设定的车速相当的转速后电动机断电同时施加制动,当满足设定的
结束条件时就称为完成一次制动。路试车辆的车轮在制动时承受载荷。将这个载
荷在车辆平动时具有的能量(忽略车轮自身转动具有的能量)等效地转化为试验
台上飞轮和主轴等机构转动的能量。在制动过程中,让电动机在一定规律的电流
控制下参与工作补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,从而满足试验的原则。一
般假设试验台采用的电动机驱动电流与其产生的扭矩成正比,且试验台工作时主
轴的瞬时转速与瞬时扭矩是可观测的离散量。由于制动器性能的复杂性,电动机
驱动电流与时间之间的精确关系时很难得到的。要求建立电动机的驱动电流依赖
于可观测量的数学模型,并根据建立的模型在给定的条件下计算驱动电流。以能
量误差的大小为指标根据题中给出的执行某种控制方法试验得到的数据对该方
法执行的结果进行评价。根据所建立的数学模型,给出根据时间段观测到的瞬时
转速与/或瞬时扭矩,设计本时间段电流值的计算机控制方法,并对该方法进行
评价。

二问题的分析
制动器设计的初衷就是为了对人的安全起到很好的保护作用。基于当前国际
法规的不断完善和在这方面一些技术的突破,于是就有了基于不同机理的制动
器。当前的制动器可以更好的适应更严格的布置尺寸参数并提高更高的效率,同
时使得汽车动能转换成热量后耗散的过程最佳化。而为了更好的检测和改进汽车
的制动系统,需要结合不同方面的知识,通过不同的模型,从不同的方面对其进
行优化。如要能正确模拟, 则需尽可能地确保在尽可能多的时间内,机械惯量
系统和电惯量系统的状态一样,即同时刻同转速同角加速度。
下图是台架试验机模拟原理图。

图 1 台架试验机模拟原理图

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二模型假设
(1)主轴的角速度与车轮的角速度始终一致;
(2)假设飞轮以其中心线为轴转动;
(3)电动机供电时所散发的热能忽略不计;
(4)不考虑连续问题离散化所产生的误差;
(5)试验台采用的电动机的驱动电流与其产生的扭矩成正比,且试验台工作时
的瞬时转速与瞬时扭矩是可精确观测的离散量;
(6)测控系统具有较高的可靠性和稳定性,可以长时间的无故障的工作,不考
虑由于其自身的不稳定性而造成的监测数据的不准确;
(7)测控系统应能很好的实现对系统转速和扭矩的精确测量,不考虑其自身存
在的数据测量的系统误差;
(8)测控系统应能根据实验要求能够及时快速地的对电动机的电流进行调整;
(9)测控系统应能对各种所需