基于PIC單片機的六擋調(diào)控電渦流緩速器的設(shè)計

　　針對國內(nèi)重卡的制造工藝，設(shè)計了一種基于PIC單片機的新型電渦流緩速器。該緩速器分六擋位調(diào)控，可很好地實現(xiàn)恒速、現(xiàn)場編程以及聲光提示擋位等功能。 電渦流緩速器是一種高效汽車制動輔助裝置，它既可以使汽車在坡道行駛時，方便地實行緩速和恒速行駛，也可以在高速公路或者路況較差的情況下，及時輕松地進行緩速，因此可極大提高汽車行駛時的安全性與舒適性。 目前國外使用的緩速器有兩種形式，一種是利用液體的壓力來實現(xiàn)的，稱為“液力緩速器”，液力緩速器存在著結(jié)構(gòu)復雜，維護困難等諸多缺點。另一種是“電渦流緩速器”，相比液力緩速器，它結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。但國外的電渦流緩速器大多采用繼電器作為控制元件(如法國的TELMA等)，由于繼電器頻繁吸合，觸點壽命較低，而且制動力無法連續(xù)均勻調(diào)節(jié)。還有些產(chǎn)品采用大功率無觸點開關(guān)作為控制元件(如德國的KLOFT等)，元件的壽命雖然大大提高，但使用在國內(nèi)的車輛上時，經(jīng)常出現(xiàn)故障問題。經(jīng)過長時間的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)故障原因是國外的制造商并沒有考慮到國內(nèi)車輛的制造工藝，以及駕駛員的操作習慣等問題，使得產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上和控制方式上不適用于國內(nèi)的情況。本文介紹的這種電渦流緩速器是針對以上問題而專門研制出的一種適合國內(nèi)汽車的輔助制動裝置。 電渦流緩速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 電渦流緩速系統(tǒng)主要由電控部分、功率模塊、勵磁線圈以及轉(zhuǎn)子組成。電控部分根據(jù)駕駛員的制動擋位信號以及速度反饋信號計算出合適的制動力的大小，并控制功率模塊的導通，通過功率模塊提供給勵磁線圈合適的電流，以產(chǎn)生磁場，并在轉(zhuǎn)子當中形成渦流，這種渦流的大小與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度成正比。渦流形成的磁場產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的轉(zhuǎn)矩，由于作用與反作用的關(guān)系，轉(zhuǎn)子則產(chǎn)生一個與自己轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子磁場電流的函數(shù)。磁通量的大小與勵磁線圈的匝數(shù)以及所通過的勵磁電流大小有關(guān)。轉(zhuǎn)子安裝在傳動軸的兩端，相當于給傳動軸的轉(zhuǎn)動施加了一個制動阻力矩，達到減速的效果。緩速器所需電流直接由汽車蓄電池供給。原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 該電渦流緩速器采用離散式的結(jié)構(gòu)，將電控單元和功率模塊各自獨立開來，電控部分安裝在駕駛室中，功率模塊安裝在汽車車底后橋上。由于汽車上的工作環(huán)境比較惡劣，這種結(jié)構(gòu)可以大大減少電磁干擾以及環(huán)境對控制單元的影響，設(shè)計中只選用兩根信號線傳輸控制信號。系統(tǒng)的控制核心選用了美國Microchip公司開發(fā)的CMOS單片機PIC16C63A，系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

來自擋位控制手柄的控制信號必須經(jīng)過輸入整形和去干擾電路才能輸送給單片機，然后由單片機經(jīng)過實時計算得出合適的制動力大小，輸出相應(yīng)的PWM控制信號，實現(xiàn)緩速。 電壓檢測電路將LM393的兩個比較器輸出端構(gòu)成“線與”邏輯關(guān)系，形成了一個過欠電壓保護，當電壓范圍超出18～30V，輸出信號給單片機實現(xiàn)電壓保護功能。 為了方便駕駛員操作，電控部分安裝了6個紅色發(fā)光二極管和一個綠色發(fā)光二極管以及蜂鳴器提供聲光顯示擋位。 此外，考慮到不同車輛和路況所需制動力不一致，設(shè)計中編了8套不同的制動力參數(shù)，由于PIC16C63A的程序存儲器是4K%26;#215;14的，因此外擴了Atmel公司的1K的E2PROM AT24C01A用于存放這些參數(shù)。通信接口電路用三極管增強驅(qū)動能力，同時提高傳輸距離以及抗干擾性。 功率模塊硬件設(shè)計 傳統(tǒng)的電渦流緩速器多使用繼電器直接驅(qū)動勵磁線圈。本系統(tǒng)為了避免繼電器頻繁吸合，觸點壽命低以及關(guān)斷拉弧等弊端，采用了INFINEON公司的大功率 MOS管取代繼電器作為執(zhí)行元件?？紤]到汽車緩速器的大電流工作要求(正常運行工作電流約為40A)，選用了BTS550PE3146，該功率開關(guān)管含有過壓、過溫以及短路保護，平均工作電流為97A，短路電流可達180A。該智能功率開關(guān)加設(shè)了續(xù)流二極管，可有效地保證系統(tǒng)的可靠運行。一共有4個大功率管，每個開關(guān)管對應(yīng)控制一組定子勵磁線圈;由開關(guān)管的導通時間來決定勵磁電流大小，實現(xiàn)制動力的調(diào)節(jié)。 需要注意的是，由于電渦流緩速器是以發(fā)散耗能方式實現(xiàn)緩速，工作過程中溫度會很高，因而功率模塊安裝了散熱片以便于降溫;考慮到汽車復雜的工作環(huán)境，還設(shè)計了一個電容網(wǎng)絡(luò)和壓敏電阻吸收過電壓。 系統(tǒng)的控制設(shè)計 ● 設(shè)計實現(xiàn)方法 為了滿足汽車在不同情況下對制動力大小不同的需求，在這個電渦流緩速器的操作系統(tǒng)中，設(shè)計了6個擋位和1個恒速檔：一擋時兩組線圈半開;二檔時兩組線圈全開;三檔時兩組線圈全開，兩組線圈四分之一開;四擋時兩組線圈全開，兩組線圈半開;五擋時兩組線圈全開，兩組線圈四分之三開;六擋時四組線圈全開。當按下恒速按鈕時，單片機及時記錄當前運行速度，通過內(nèi)部程序可實現(xiàn)自動跟蹤調(diào)節(jié)制動力達到勻速運行的要求。 現(xiàn)有電渦流緩速器的制動力矩變化曲線一般較硬，長期使用會對汽車后橋造成損害。本設(shè)計中，利用PIC單片機輸出脈寬可調(diào)的控制信號來控制勵磁電流，從而實現(xiàn)制動力的軟特性，使得制動力漸進上升。同時通過改變PWM的輸出頻率來改變勵磁電流大小，達到改變汽車制動力大小的目的。

對定子線圈的控制則采用驅(qū)動輪共控方式，即將4組勵磁線圈(共8個)平均分成兩組，由電控單元傳過來的控制信號采用對角線對稱的控制方式給線圈通電，每一個信號控制一對定子線圈。這種控制方式克服了傳統(tǒng)制動器左右制動力不一致的問題，避免了汽車跑偏現(xiàn)象。 當車速過低的時候，緩速器無須工作，因而系統(tǒng)程序中設(shè)置了門限值，當車速低于5km/h時，控制器沒有電流輸出。控制器上的綠燈是預備/恒速指示燈，設(shè)置該燈長亮以表示緩速器正在工作;若緩速器工作于恒速狀態(tài)，該燈及蜂鳴器均設(shè)成以0.5Hz頻率閃亮及鳴叫。 ● 編程開關(guān) 系統(tǒng)通過撥動編程開關(guān)來調(diào)用存放在E2PROM中的各種制動力參數(shù)，以適應(yīng)不同車輛和路況需求。編程開關(guān)共有8個，6、7、8用于設(shè)置各個檔位制動力的大小，6、7、8分別為ON/ON/ON時，制動力為100%;ON/ON/OFF：95%;ON/OFF/ON：90%;ON/OFF /OFF：85%;OFF/ON/ON;：80%;OFF/ON/OFF：75%;OFF/OFF/ON：70%;OFF/OFF/OFF：65%;編程開關(guān)5用于設(shè)置各個擋位之間制動力的變化情況，為ON時，各個擋位制動力均勻增加，為OFF時，1、2擋增加的快，3、4、5、6擋增加的慢，如圖3所示。編程開關(guān)4用于設(shè)置控制器的軟特性，為ON時，控制器的制動力逐漸增加，六擋時的延遲時間約為0.4s，為OFF時，控制器取消軟特性。開關(guān)1、2、 3作為保留功能使用。 試驗結(jié)果 該電渦流緩速器已經(jīng)完成了電控部分樣機的設(shè)計，已經(jīng)進入了現(xiàn)場實驗階段。兩臺電渦流緩速器樣機安裝在浙江瑞安市瑞立集團公司的兩輛載重9噸的解放卡車上，并且無故障運行1000小時以上。上表是試驗過程中測得的電流數(shù)據(jù)。