硕士学位论文--汽车安全性能检测线中制动性能测控系统.pdf

吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 分 类 号 分 类 号 TM930 单 位 代 码 单 位 代 码 10183 分 类 号 分 类 号 TM930 单 位 代 码 单 位 代 码 10183 硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 吉 林 大 学 吉 林 大 学 作作 者者 刘洪业刘洪业 作作 者者 刘洪业刘洪业 密级 密级 内内 部部 研究生学号研究生学号 990401 密级 密级 内内 部部 研究生学号研究生学号 990401 吉林大学 吉林大学 吉林大学 吉林大学 硕士学位论文 硕士学位论文 硕士学位论文 硕士学位论文 题题 目目 汽车安全性能检测线中汽车安全性能检测线中 题题 目目 汽车安全性能检测线中汽车安全性能检测线中 制动性能测控系统的研制制动性能测控系统的研制 制动性能测控系统的研制制动性能测控系统的研制 作者姓名作者姓名 作者姓名作者姓名刘洪业刘洪业 专专 业业通信与信息系统通信与信息系统 导师姓名导师姓名 及 职 称 及 职 称 李彦明李彦明 副教授副教授 2000年年 10 月至月至 2002 年年 2 月月 II 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 提提 要要 汽车安全行驶问题是社会生活中一个日渐突出的问题对汽车安全性能进行定期检测成为保证交通安全的必要手段 而制动性能又是汽车安全性能中一个重要因素 所以研制高精度高自动化程度的汽车制动性能测控系统具有重要意义 本文在掌握汽车安全性能检测线组成和原理的基础上 按照国家有关标准设计了汽车制动性测控系统首先确立了检测及控制的总体方案然后分别设计了各部分硬件电路并根据所要实现的功能设计了软件由于检测现场存在各种干扰噪声为了保证系统运行的稳定性和可靠性以及测量精度的要求分别从硬件和软件的角度出发 介绍了常用的硬件抗干扰措施以及基于时间序列分析的软件数字滤波的原理和方法 经过现场调试和试验证明本文的汽车制动性能测控系统已实现了设计要求检测性能符合国家有关规定和实际使用要求 关键词 汽车检测线 制动性能 在线检测 抗干扰 数字滤波 时间序列分析 III 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 目目 录录 提提 要要 . 错误未定义书签 第一章第一章 绪论绪论. VI 1.1 引 言.VI 1.2 当前汽车检测技术发展概况.VI 1.3 汽车制动性能检测相关标准. VII 1.4 信息处理技术在检测系统中的应用 .IX 1.5 本文的主要研究内容.X 第二章第二章 制动工位检测系统的设计制动工位检测系统的设计. XI 2.1 汽车制动性能检测系统的结构和原理 .XI 2.1.1 制动工位简介.XI 2.1.2 制动工位检测系统的原理与技术指标 . XII 2.1.3 制动工位检测系统的总体方案 .XV 2.2 单片机最小系统设计. XVII 2.3 传感器信号处理电路设计.XVIII 2.3.1 力传感器信号处理电路设计 .XVIII 2.3.2 速度传感器信号处理电路设计 .XIX 2.4 电机控制电路设计.XXIV 2.4.1 固态继电器的结构和工作原理 .XXIV 2.4.2 固态继电器与单片机接口设计 .XXVI 2.5 A/D 转换接口设计.XXVII 2.6 上位机与单片机通信接口设计. XXVIII 2.7 汽车制动性测控系统软件设计.XXIX 2.8 本章小结.XXXII 第三章第三章 硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计.XXXII 3.1 电磁干扰及抗干扰措施. XXXIII 3.2 电源干扰及抗干扰措施.XXXIV 3.3 过程通道干扰及抗干扰措施. XXXV IV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.4 印刷电路板的抗干扰措施. XXXVIII 3.5 本章小结.XXXIX 第四章第四章 数字滤波方法的设计数字滤波方法的设计.XXXIX 4.1 引言.XL 4.2 时间序列分析的基本概念.XLI 4.2.1 时间序列信号三种线性模型 .XLII 4.2.2 三种信号模型之间的关系.XLIII 4.3 时间序列信号模型的建模问题. XLIV 4.3.1 线性模型的最小二乘法. XLIV 4.3.2 AR 模型参数的最小二乘估计.XLVIII 4.3.3 AR 模型阶数的确定 . XLIX 4.4 中值滤波的快速算法.LI 4.4.1 中值滤波的原理.LII 4.4.2 中值滤波的快速算法.LII 4.5 本章小结.LV 第五章第五章 系统调试和试验系统调试和试验.LV 5.1 微机测控系统的系统调试.LV 5.1.1 硬件调试.LV 5.1.2 软件调试.LVII 5.2 系统标定.LVII 5.3 本章小结.LX 第六章第六章 全文总结全文总结. LX 参考文献参考文献 .LXII 致致 谢谢 . LXV 摘要摘要 Abstract. V 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引引 言 言 自从 20 世纪 80 年代以来随着国民经济的发展带动了汽车制造业和公路交通运输的发展我国机动车保有量迅速增加车辆保有量增多必然带来诸多交通和环境保护等社会问题为保障车辆安全运行减少对社会公众的危害对机动车的性能指标实行强制性定期检查成为必要2 汽车检测是指在汽车不解体或仅卸下个别小件的条件下确定汽车技术状况和工作能力的检查 检验汽车技术状况的传统方法是人工凭经验诊断法此方法是由汽车检验人员凭经验及一定的理论知识借助简单的工具用一些直观的手段对汽车技术状况进行定性分析判断的一种方法这种方法诊断速度慢准确性差已不能满足现代社会的需要随着电子技术的发展 在传统检测方法的基础上 逐步发展成现代汽车诊断与检测技术 现代汽车检测技术主要是利用先进的汽车检测仪器和设备结合计算机自动控制等高新技术来检测汽车技术状况它是以工程数学故障物理可靠性理论电子学与电子技术信息控制论等为基础的一门综合性应用科学 采用现代汽车检测诊断技术一方面可减少拆卸次数延长汽车使用寿命另一方面可以大大提高诊断的准确率减少误换件和修理费用把维修不当所引起的故障降至最低限度同时可大大缩短维修停车时间提高车辆的利用率充分发挥使用效能131417 1.2 当前汽车检测技术发展概况当前汽车检测技术发展概况 国外一些经济技术比较发达的国家早在 4050 年代就发展成以故障诊断和性能VI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 调试为主的单项检测技术进入 60 年代后获得较大发展逐渐将单项检测技术连线建站在向着即能进行维修检验又能进行安全与环保检测的综合检测的方向发展6 50 年代我国汽车检测行业还主要采取传统的检测方法80 年代国内汽车检测技术得到迅速发展但国外引进的技术和设备占相当比例现在全国已建立 300 多个检测站上千条检测线基本实现普及应用国产检测设备业也得到迅速发展产品的品种规格已在两千多种以上基本满足国内需求 为了提高检测效率保证检测数据的公正性准确性检测线的自动化是检测线发展的必然趋势一九九三年清华紫光电器科技公司依托清华大学开发率先研制成功的全自动机动车安全性能检测系统此后ACMLKZQJ-1 等型号的全自动检测线相继研制成功这些系统的部分功能已达到国际先进水平 汽车检测技术的发展和提高离不开微电子技术和计算机技术在各个生产和科学技术领域不断的广泛而深入的应用测控技术及仪器仪表在此影响下也取得了巨大的发展随着电子计算机的发展70 年代初出现的检测控制自动化技术数据处理自动化技术等综合检测技术提高了检测的自动化程度和效率主要表现在精度高可靠性高小型化低功耗抗干扰能力强和多功能等方面同时随着信息处理技术和微计算机技术在检测技术领域中的应用不断加深创造出许多新型的测量方法和仪器使检测技术发展为以微计算机为核心的在线测控技术具有典型意义的测控系统在包括汽车性能检测等各个领域不断被研制和开发出来目前一些国家的现代汽车检测技术已基本达到广泛应用的阶段对交通安全环境保护节约能源降低运输成本和提高运输能力等方面带来了明显社会效益和经济效益8 1.3 汽车制动性能检测相关标准 汽车制动性能检测相关标准218 218 汽车行驶安全问题是汽车技术发展中的一个永恒的主题也是一个国家社会关注VII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 的重大社会经济问题之一我国的汽车保有量正在急剧上升今后若干年中汽车行驶安全问题将会更加尖锐据统计在因汽车故障引起的行车事故中制动系统故障占 60%以上随着汽车行驶速度的提高汽车制动性对保障交通安全尤为重要为减少道路交通事故我国有关法规明确规定对在用汽车必须经过定期检验合格后才允许上路行驶在汽车定期检验中制动性能被作为判定车辆安全技术状况的主要因素因此制动性能的检测受到广大车辆使用者和车管检验人员的普遍关注 汽车制动性直接关系到交通安全重大交通事故往往与制动距离太长或紧急制动时发生侧滑等情况有关为此交通部9013 号令汽车运输业车辆技术管理规定国标 GB7258-1997机动车运行安全技术条件交通部9129 号令汽车运输业车辆综合性能检测站管理办法等法规中都要求对汽车制动性能进行定期检测并符合相应的技术条件 GB72581997机动车运行安全技术条件中对汽车制动系提出了主要技术条件,规定了台式检验制动性能的检测项目及相关标准 一一 制动性能台式检验项目 制动性能台式检验项目 制动性能台式检验的主要检测项目 1 制动力 2 制动力平衡要求 3 车轮阻滞力 4 制动协调时间 二二 制动性能台式检验的技术要求 制动性能台式检验的技术要求 1制动性能台式检验车轴制动力的要求见表 1-1 2制动力平衡要求 在制动力增长的过程中左右轮制动力差与该轴左右轮中制动力大者之比对前轴不得大于 20%对后轴不得大于 24% VIII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 3车轮阻滞力 汽车和无轨电车车轮阻滞力均不得大于该轴轴荷的 5% 4制动协调时间 制动协调时间是指从驾驶员踩下制动踏板的瞬间作为起始点直至制动力与轴荷之比达到标准规定值的 75%时为止对单车不得大于 0.6s对汽车列车不得大于0.8s 表 1-1 台式检验制动力要求 制动力总和与整车质量的百分比% 车辆类型 空载 满载 前轴制动力与轴荷的百分比% 汽车 汽车列车 60 50 60 汽车制动性主要由制动效能制动抗热衰退性和制动时汽车的方向稳定性三个方面来评价而制动效能是最基本的评价指标它是由制动力制动减速度制动距离和制动时间来评定汽车方向稳定性是由汽车左右车轮制动力增长过程中制动力差来评定的 根据汽车制动性检测项目和技术要求可知汽车制动性能测试系统的测试参量主要包括 1 左右车轮制动力的测量 2 左右车轮速度的测量 3 踏板力的测量 1.4 信息处理技术在检测系统中的应用信息处理技术在检测系统中的应用 集成电路技术和半导体技术的发展使得我们可以获得比以往更高性价比的电子元IX 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 器件并由此提高系统的各方面性能但是由于工作现场存在着干扰和噪声以及人们对仪器的检测精度实时性和准确性的要求越来越高单纯从硬件角度出发考虑构成高信噪比的检测系统是不够的还必须考虑采用动态数据在线处理的软件滤波来提高系统的信噪比从而保证检测的高精度和控制的准确性 信息系统是为达到预定的测控目的对信息进行传递处理存储再生等各个环节的有机组合作为在线检测系统和装置它总是必须不断地与被控对象打交道从被测现场获得需要的信息对信息进行处理或运算形成新的信息送给驱动部件去驱动执行机构 然后再把新的信息取回如此不断重复上述过程 完成整个在线检测功能 从信息流角度分析它包括信息的采集信息的传递信息的处理信息的放大变换计算和滤波等及信息实施等环节 从在线测控技术的发展情况来看提高测量精度动态误差在线补偿实时控制等是在线测控技术的发展趋势这就对信息处理算法在实时性准确性收敛性收敛速度以及算法的可实现性等方面提出了更高的要求随着计算机技术的不断发展发展中的第三代在线自动检测系统将充分开发和利用计算机资源采用特定的软件算法和技术进行信号的分析测量和激励信号的形成从而能在硬件显著减少的条件下极大的提高测试功能使在线自动检测系统的控制器不仅仅是控制系统的协调工作而且能直接参与信号的产生完成被测系统性能参数的测量等任务充分发挥计算机的巨大潜力1 1.5 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本文的研究工作分为两部分 第一部分是汽车制动性测控系统的设计 在确立了对汽车制动性能参量检测及控制的总体方案后根据各个参量的特点设计了硬件检测电路并介绍了各个部分的工作原理最后根据检测项目和功能要求设计了软件 第二部分讨论了对于系统中的干扰信号的排除与抑制以及数据处理的问题 介绍了在线检测系统中干扰信号和噪声的排除和抑制的若干途径 提出了基于时间序列分析的数字滤波算法最后根据分析结论对测量数据进行处理 主要的工作包括 1完成汽车制动性能整个检测系统的设计包括单片机系统电路设计力传感器信号处理电路的设计放大电路的设计高速 A/D 数据采集接口电路的设计及打印接口和显示电路的设计 X 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 2设计了 F/V 变换电路来测量车轮速度以根据滑移率来断开制动试验台电机 3用单片机 C51 语言设计了单片机检测系统软件该软件开发效率高支持浮点运算很适合为单片机设计复杂的数据处理程序 4提出了系统抗干扰的解决方法和对测量数据的处理方法根据数据处理方法编制了数字滤波程序并根据测量数据的标定验证了其有效性 5现场对系统软硬件进行安装调试以及标定实验使之符合相关标准和实际应用环境 第二章第二章 制动工位检测系统的设计制动工位检测系统的设计 我们已经在绪论当中对汽车制动性重要意义和相关检测标准做了介绍在本章中将进行汽车制动性能测控系统的软硬件设计从而使测控系统完成对各个参量的控制和测量 本章的主要工作包括 1 传感器模拟信号处理电路的设计 2 单片机数据采集电路的设计 3 电机控制等输入输出外围硬件电路的设计 4 相关部分程序的设计 2.1 汽车制动性能检测系统的结构和原理汽车制动性能检测系统的结构和原理 2.1.1 制动工位简介制动工位简介 整条汽车检测线由速度工位制动工位和侧滑工位三个工位组成分别完成各自的检测功能在每个工位由一台工控机来完成工位机的功能它与主控机进行通信负责该工位的控制与检测 XI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 制动工位需要解决的问题主要有三个一是完成本工位检测过程的自动控制二是完成数据采集及处理三是解决工位机与主控机之间通信问题 由于本论文主要目的在于讨论关于制动力的检测所以在本文中不对检测线系统整体的功能进行介绍只讨论如何在本工位通过工位机和底层单片机电路来实现制动力的检测 2.1.2 制动工位检测系统的原理与技术指标制动工位检测系统的原理与技术指标 了解检测系统的组成结构和原理是下一步进行系统硬件设计和软件设计的基础在本节中首先给出了汽车在制动试验台上测试制动性的原理以及制动性参量检测的技术指标并根据测试原理和参量技术指标提出了各个参量检测的技术方案以及系统控制的总体方案 汽车制动性能检测系统是集机械电子和计算机控制于一体的制动力检测设备由机械试验台和一套信号检测控制装置组成 1.电动机 2.减速箱 3.压力传感器 4.滚筒 5.第三滚筒 6.光电传感器 7.链传动 8.测量指示仪表 81234567汽车制动试验台原理图如图 2-1 所示整个实验台由结构完全相同的左右两套车轮XII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 制动力测试单元组成主滚筒由电机带动从滚筒起支撑车轮的作用制动试验台在主滚筒和从滚筒之间设置一直径较小既可自转又可上下摆动的第三滚筒平时由弹簧使其保持最高位置第三滚筒上装有接近开关和速度传感器用来检测车轮是否到位以及车轮的速度从图中可见被检汽车驶上制动试验台车轮置于主从滚筒之间压下第三滚筒通过装在第三滚筒支架下的接近开关接通电机控制电路起动电机经机械传动装置带动车轮低速旋转当引车员得到提示信号后迅速用力踩下制动踏板这时车轮产生的制动力作用在滚筒上与滚筒的转动方向相反因而产生一反作用力矩这一反作用力矩通过力传感器送入计算机数据采集系统在设定的滑移率时当计算机采集到最大制动力时计算机控制使电机停转最后显示和打印测量结果18 图 2-2 为测试时车轮在制动台上的受力情况以及滚筒车轮和第三滚筒的速度变化情况第三滚筒上装有转速传感器在检测时被检车辆的车轮置于主从动滚筒上的同时压下第三滚筒并与其保持可靠接触控制装置通过转速传感器即可获知被测车轮的转动情况当被检车轮制动转速下降至接近抱死时控制装置通过转速传感器送出的信号使驱动电机停止转动以防止滚筒剥伤轮胎和保护驱动电机 XIII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2-2 车轮在制动试验台上的受力图 G1O1nLHa2a1N1n3N2Fb2Fb1F0n02 1 M 由第一章介绍可知汽车制动性测量参量包括汽车车轮的制动力汽车制动脚踏板的踏板力和汽车制动的协调时间因此汽车制动性参量测量的技术指标主要是力学参量测量的技术指标其内容如下9 1制动力最大测试范围 030000N 2踏板力最大测试范围 01000N 3零值误差不超过0.1%FS 4制动力不大于 4%FS的不超过0.4% 5制动力大于 4%FS的不超过5% 6 左右制动力示值间差当制动力不大于4% FS 时不超过5% 当制动力大于4%(FS)时不超过 3% 7 自动关机时 其第三滚筒在自动关机时的线速度值应为主滚筒线速度值的 70%90%10 根据所规定的技术指标本系统制动力测量采用的力传感器为 0.05 级万分之五XIV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 BHR 系列悬臂梁式高精度测力传感器量程为 050000N,供电电压 DC9VDC15V,输出信号 1.52.0mv/v由此可见传感器的选择足以满足所需的测量精度 2.1.3 制动工位检测系统的总体方案制动工位检测系统的总体方案 由前面介绍的汽车在制动试验台上测试制动性的原理以及制动性参量检测的技术指标可知实时性测量数据的准确性控制的可靠性和强抗干扰能力是系统设计的关键为了既要准确测出汽车的制动性能又要保护驱动电机不使轮胎剥伤这就要求测量制动力的同时还要测车轮的转速 由此为保证这些性能指标根据汽车制动力测量精度的要求和整个系统的控制逻辑提出了汽车制动性能测控系统的测控方案本测试系统采用由该工位工控机结合MCS-51 单片机的形式来完成数据采集和控制等功能由单片机系统来完成传感器信号的处理和输入输出等底层控制工控机除了完成整条检测线系统功能之外还要对 AD 采集来的包含了噪声的原始信号进行数字滤波处理充分地利用了系统资源总体结构方案如图 2-3 所示 XV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 交换数据 电机控制电路数码管指示灯滑移率电位器工控机 8031 最小系统 打印机接口 74LS244 驱动电路 PB PA PC 电 机 固态SSR光隔 驱动指示驱动显示8255 LM331 /变整形 电路速度传感信号放大 力传感制 动 试 验 台 A/D1674 模拟开关 4051 图 2-3制动性能测控系统方案 XVI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 2.2 单片机最小系统设计 单片机最小系统设计 Intel 公司的 MCS-51 系列的 8031 单片机系统具有较强的实时处理功能用于检测和控制十分方便灵活而且价格低廉因此本系统选用 MCS-51 系列的 8031 单片机作为测控系统检测处理和控制的核心由于 8031 本身所能提供的使用资源有限我们还要对它进行扩展以组成最小系统使之符合系统功能要求单片机最小系统提供了设计的基本资源 由于 8031 把外部 I/O 芯片和数据存储器统一编址因此我们可以使用和对数据存储器一样的操作指令来操作扩展 I/O 芯片但是必须注意不能让扩展 I/O 芯片与数据存储器的地址重叠 根据系统功能的要要单片机最小系统中采用一片 27128 扩展了 16kbEPROM 作为8031 的外部程序存储器采用一片 6264 扩展了 8kbRAM 作为外部数据存储器采用一片8255 扩展了 3 个外部并行 I/O 接口 采用一片 74LS138 译码其对地址进行译码程序存储器地址线的低 8 位通过地址锁存器 74LS373 与 8031 的 P0 口相连高 6 位地址线直接与 P2口的低 6 位相连 数据存储器的低 8 位地址线也是通过地址锁存器 74LS373 与 8031的 P0 口相连 高 5 位地址线直接与 P2口的低 5 位相连 程序存储器 数据存储器及 8255的片选信号由 74LS138 译码而得程序存储器得输出允许端与 8031 程序存储器选通端相连以保证正确得读出时序通过这样的连接方式得到的各芯片地址如表 2-1 表 2-1 扩展芯片地址分配表 扩展芯片名称 地址空间 AD1674 启动地址 ff73H AD1674 读低 8 位地址 ff7fH AD1674 读高 4 位地址 ff7bH 27128 0000H3fffH XVII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 6264 4000H5fffH 8255 8000H8003H 2.3 传感器信号处理电路设计 传感器信号处理电路设计 2.3.1 力传感器信号处理电路设计力传感器信号处理电路设计 由上面的分析可以得到力传感器信号测量的技术方案如图 2-4 所示 A/D转换 模拟通道 隔离放大 力传感器 图 2-4 力传感器信号处理框图 由第一节可知传感器的输出信号比较微弱本系统中传感器电源 DC12V 输出信号020mv而且还有很多干扰信号如电源静电和电磁等因此必须经过放大处理才能供给后续电路为保证传感器的线性度要求放大器电路具有很高的共模抑制比高增益低噪声和高输入阻抗所以要选用集成的仪表放大器来实现对传感器信号的放大本文选用 AD 公司生产的 AD620 芯片其基本接线图如图 2-5 所示 图 2-5 AD620 接线图 AD620 是一种低价格高精度高增益低功耗的精密仪表放大器是 应用于高分辨率数据采集系统的理想器件主要特点有 XVIII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 1高增益它仅需要一只外接电阻便可设置增益 1 至 1000 2高精度线性误差最大为 40ppm失调电压很低最大值为 50V失调漂移最大值为 0.6V/能够提供高的共模抑制比 3低噪声低输入偏置电流和低功耗用于高阻抗电压输出的压力传感器其小尺寸低功耗的特性尤为突出 本系统中采用的力传感器输出信号为 020mV 而数据采集电路的 AD1674 芯片需要的输入信号为 010V放大倍数约为 500 倍外接一个可调电阻即可达到要求的增益 2.3.2 速度传感器信号处理电路设计速度传感器信号处理电路设计 一速度测量原理 由前面章节可知在国标 GB7258-1997机动车运行安全技术条件所规定的汽车制动性检测项目中并不包含对汽车车轮的速度的检测我们之所以要测试车轮速度是为了及时控制制动试验台电机的停机因为滚筒式制动力试验台为了增加滚筒和车轮之间的附着力往往要在滚筒的表面喷涂一层约几毫米厚的石英砂但同时也给轮胎造成了损害尤其在车轮已经抱死而电机不能停机的时候当汽车车轮抱死时所要测量的最大制动力已经出现这时就要马上控制试验台电机停转 制动力测试时主从滚筒车轮第三滚筒的速度变化如图 2-6 所示 XIX 车轮 V2 辅助滚筒 主滚筒 V1 V3 第三滚筒 图 2-6 滚筒车轮的速度关系 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 上图中V1为主滚筒的速度,V2为车轮的速度,V3为第三滚筒速度,V4为从滚筒的速度且V1,V2,V3,V4均指线速度 测量时车轮和滚筒速度关系汽车驶上制动试验台车轮置于主从滚筒之间同时压下第三滚筒第三滚筒的轴由弹性机械装置向上顶压使第三滚筒和车轮可靠接触主滚筒由电机带动从滚筒和第三滚筒本身没有动力装置制动台电机启动后主滚筒带动车轮转动 车轮的转动方向与主滚筒的转动方向相反 第三滚筒由于和车轮可靠接触所以车轮也会带动第三滚筒转动第三滚筒的转动方向与车轮的转动方向相反电机启动至主滚筒转速稳定后汽车制动踏板未踩下时由图 2-6 可知主从滚筒车轮和第三滚筒的线速度应相等即 V1=V2=V3=V4 (2.3.1) 当踩下制动踏板时主滚筒的速度V1由于是由驱动电机带动的所以它的线速度不变而车轮的线速度由于汽车制动系的作用而降低变为V2同时第三滚筒的线速度变为V3因为第三滚筒是由车轮带动的所以应该有V2= V3从汽车理论知识可知制动时汽车的地面制动力制动器制动力以及附着力之间存在着这样的关系车轮还处于滚动状态时地面制动力等于制动器制动力且随踏板力的增长而成正比增加但随着踏板力的增大当地面制动力等于附着力时车轮抱死拖滑这时踏板力虽增加但地面制动力不再增长而恒等于附着力汽车在制动试验台滚筒上制动时当踏板力增大使车轮与滚筒表面制动力增加到等于附着力时车轮抱死制动力的采集值即为此时的值这时驱动制动试验台滚筒的电机应马上停止才不会使轮胎剥伤汽车制动时车轮既有滚动又有滑动为了表明滑动的程度即说明滑移成分的多少通常用滑移率S来表示19即 S=(V-rk)V100% (2.3.2) 式中: S滑移率 XX 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 V车轮平移线速度 rk车轮滚动半径 车轮滚动角速度 在制动试验台上汽车制动滑移率可表示为 S= V3V1100% (2.3.3) 有关汽车理论可以证明最大制动力出现在滑移率在 70%90%之间 所以要测量第三滚筒的速度来控制电机停转18 第三滚筒的一端装有一金属齿轮试验台上安装了光电式速度传感器当第三滚筒被车轮压下时传感器正对这一齿轮距离约 2 毫米传感器供电电源为 DC12 V滚筒转动时当齿轮突出端对准传感器时传感器输出为 DC12 V当齿轮突出端对准传感器时传感器输出为 0V 所以在转动过程中输出幅值为 DC12V 的方波我们就是通过对采集由它输出的方波信号来确定第三滚筒速度的齿轮上有 20 个齿突第三滚筒每转一周传感器输出 20 个脉冲试验台驱动电机的转速为 1440 r/min减速箱的转速比为 22则主滚筒的转速为1n 1n =22144065.45r/min (2.3.4) 在计算上通常用转速r/min来表示滚筒的速度则计算停电机时的线速度比值滑移率可表示为 10013=Dndn% (2.3.5) 式中线速度比值 主滚筒转速1nr/min 第三滚筒转速3nr/min 主滚筒直径Dmm d 第三滚筒直径mm XXI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 本系统中主滚筒的直径为 190mm第三滚筒的直径为 60mm则第三滚筒最大的转速为 3n =dDn 1=207 r/min=3.45 r/s (2.3.6) 由此可得第三滚筒最大转速时传感器输出方波的频率为 Hzf692045. 3= (2.3.7) 由滑移率范围 70%90%可得传感器输出方波得频率范围为 HzfHz694 .48 (2.3.8) 二速度测量电路 从上面对测量时车轮和滚筒速度关系的介绍我们知道所测第三滚筒的速度是很低的而制动力检测的全过程也不过只有 2 秒钟左右在这么短的时间内既要测量左右车轮的制动力又要测量左右第三滚筒的速度这使得在本系统中不能使用一般常用的用定时器或计数器测量速度的方法因为不管是定时还是计数的方法都需要测速的时间要达到几百毫秒才能将这么低的第三滚筒转速值测准而且在要同时测量左右两个滚筒的情况下就势必要造成制动力数据的大量丢失测量结果就不可能准确 要解决在必须保证测准制动力的前提下同时测量速度值这一问题我们采用了将滚筒的频率信号变换为电压信号即 F/V 变换再经过 A/D 转换成数字量进行判断实践证明这种方法是可行的 由上面分析已经得出速度传感器输出的方波信号必须经 F/V 变换才能准确测出而且不失实时性但传感器输出的方波信号幅值为 DC12V因此必须把它先转换为 TTL 电平以便输入 F/V 电路限幅整形电路如图 2-7 所示 XXII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 图中幅值为 DC12V 的方波信号经 5V 稳压管稳压 再经 74LS32 整形后直接输入至 F/V变换电路 图 2-7 限幅整形电路 将频率信号转换为与频率量成正比的模拟电压可采用 F/V 变换器通常没有专门用于 F/V 的转换集成器件而是使用 V/F 转换器在特定的外接电路下构成 F/V 转换电路一般的集成的 V/F 转换器都具有 F/V 转换功能本系统中采用 LM331V/F 转换器构成 F/V 转换电路 LM331 是 National semiconductor 公司生产的一种常用 V/F 转换芯片即可以用作V/F 转换器也可用作 F/V 转换器使用是一种性能价格比叫高的芯片很适用于用作模/数转换器精密频率电压转换器长时间积分器等电路其主要特点是 1大线性度为 0.01% 2电源或单电源工作单电源可在单 5V 电源下工作 3冲输出与所有逻辑形式兼容 4最佳温度稳定性最大值为50ppm/ 5小功耗5V 下典型值为 15mW 6满量程范围1Hz100kHz 以 LM331V/F 转换器为核心构成的实际速度测量电路如图 2-8 所示 XXIII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 放大 图 2-8 速度信号测量电路 传感器输出频率信号经过整形环节后由 C-R 网络接入 LM331 比较器阈值端 6 脚上脉冲的下降沿引起比较器触发定时电路与 V/F 转换器相同第 1 脚流出的平均电流inttavefCRiI)1 . 1 (=将此电流经过 RC 网络滤波即可获得与信号频率成正比的直流电压inf图中网络=100kLR及=1F 对电流进行滤波LC纹波峰值小于 10mV对于低于 200Hz 的输入频率这种电路精度更高 图中电路输出端电压的计算公式如下20 VOUT=fin2.09V)(ttSCRRRL (2.3.9) 2.4 电机控制电路设计 电机控制电路设计 试验台滚筒的驱动是靠电机带动执行机构完成的 用单片机系统实现对交流电机的控制是一个弱电控制强电的问题因此决定采用内部带有光电隔离的固态继电器来实现与单片机控制输出接口控制电机的启停 2.4.1 固态继电器的结构和工作原理固态继电器的结构和工作原理 固态继电器 SSRSolid State Relay是一种四端脚以弱电控制强电的无触点功率控XXIV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 制开关器件它的开关速度快工作频率高体积小重量轻寿命长无机械噪声耐冲击工作可靠其输入控制端与输出端用光电耦合器隔离抗干扰能力强所需的控制电压低电流小用单片机输出的开关量就可以直接驱动固态继电器我们通过控制固态继电器输出端的通断就可以实现交流电机的启停 由于固态继电器有如下的优点所以在许多应用环境下已取代了传统的电磁继电器 1输入控制电压低314V驱动电流小315mA输入控制电压与 TTL 电平兼容 2输出与输入之间一般采用光电隔离可实现在以弱控强的同时做到强电与弱电完全隔离两部分之间的安全绝缘电压大于 2KV 3无触点无噪音无火花开头速度快对外的干扰非常小 4采用环氧树脂全灌封装具有防尘耐湿耐振寿命长等优点 5其输出部分内部含有 RC 过压吸收电路以防止瞬间过压损坏 XXV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 固态继电器为一个四端组件两个输入控制端两个输出受控端当有输入控制信号时光敏检测器将由隔离部分传来的光信号转变成高电平电信号送给与门输入端将与门打开当过零检测器检测到电源电压零信号时输给与门另一输入端一个高电平使与门输出高电平通过驱动器触发双向可控硅使之导通固态继电器由三部分组成输入控制部分隔离部分和输出受控部分其内部结构方框图如图 2-9 所示 图 2-9 固态继电器的结构方框图 b 输入端 输出端 可控硅光敏检测器a 与门过零检测器驱动器 恒流电路 隔离 输出 输入 2.4.2 固态继电器与单片机接口设计固态继电器与单片机接口设计 固态 继电器驱动 电路电机 控制电路光电耦合器8255 的 PC 口图 2-10 固态继电器接口电路 实际电路框图如图 2-10 所示我们通过 I/O 扩展芯片 8255PC 口的 PC7 来控制左右电机正转时的启停通过 PC6 来控制左右电机反转时的启停 PC 口和固态继电器中间设计了光隔环节和驱动环节以增强系统抗干扰能力和带载能力关于光隔作用的介绍我们将在第三章中介绍 具体电机控制电路为一具有使电机正反转以及启动时的星型接法和运转时三角型XXVI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 接法转换功能的常规电磁继电器电路 由于 8255 的 PC 口具有位控制功能 可以通过控制字对其任一位置 1 或者清 0而且单片机程序的设计采用了 C51 语言这样我们就可以使用 C 语言中简单的对控制字赋值的语句来控制电机的正反转和启停比如 电机正转启动COM8255=0 x0F 即 PC7 置1 电机正转停止COM8255=0 x0E 即 PC7 清0 电机反转启动COM8255=0 x0D 即 PC6 置1 电机反转停止COM8255=0 x0C 即 PC6 清0 其中 COM8255 是为 8255 芯片的控制口地址在 C 程序中定义的变量名 2.5 A/D 转换接口设计 A/D 转换接口设计 一般来说检测系统要根据检测精度的要求和信号变化速率选择具有合适分辨率和转换时间的 AD 元件 检测标准中关于制动力检测精度规定检测允许误差为 25N 本系统中制动台单边最大量程为 32500N而 1/21125/32500a? 启动 AD 采集 启动电机正转 读滑移率设定值 a 开始 系统自检初始化 AA 根据汽车制动性测控系统的测试项目和测试过程的逻辑关系设计了主控软件其流XXXI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 程图如图 2-12 所示主控程序里主要包括系统初始化自检判断是否有车在试验台上计算滑移率数据采集与处理显示以及打印结果等组成部分这些部分组成了整个的测控系统系统初始化主要是变量的定义外部存储器地址的定义以及单片机中断和串行通讯的初始设置另外还有 8255 的初始化系统自检主要包括显示数码管的检测光电开关的检测等 单片机系统程序采用了 C51 编程语言开发效率高不但给编程和调试带来了极大的便利条件而且使得一些相对复杂的数据处理算法可以在单片机中实现 2.8 本章小结 本章小结 在本章中首先介绍了检测线制动工位和制动试验台的基本结构和原理在此基础上按照国标检测标准提出了制动工位测控系统的整体设计方案并进行了系统软硬件的设计主要包括按照系统功能要求设计了单片机最小系统通过对传感器信号的研究设计了力传感器和速度传感器信号的处理电路设计了以固态继电器为核心的电机控制电路按照系统对数据采样的要求设计了 AD1674 模数转换电路设计了单片机系统与上位机通信接口电路在硬件电路设计的基础上设计了系统软件 在后续章节中将进一步介绍完善系统功能的方法 第三章第三章 硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计 可靠性设计是在线检测系统设计必须要考虑的重要环节系统可靠与否是进行其他设计的前提条件除了选择可靠性好的高性能元器件外提高系统的抗干扰性能力是增强系统可靠性的重要手段如果系统不能有效的抵御工作现场的种种干扰将会导致系统出现异常状态比如程序运行出错通讯出错死机损坏元器件等因此必需采取各种可行的抗干扰措施降低系统故障率 XXXII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 工业生产现场的干扰一般都是以脉冲的形式进入微机窜入系统的干扰的主要渠道有三种即空间电磁干扰电源干扰和过程通道干扰25-30 3.1 电磁干扰及抗干扰措施 电磁干扰及抗干扰措施 空间电磁干扰指控制系统附近的电磁波辐射源如天体电台等发出的电磁波造成的干扰和周围电气设备发出的电干扰和磁干扰电流变化大或大电流工作的场合是产生电感性耦合噪声的主要干扰源电压变化大或大电压工作的场合是产生电容性耦合噪声的主要干扰源对于开关电器系统其本身就是一个很强的干扰源当开关电器开闭过程中其通断主回路电流将产生很强的电磁辐射以及电磁系统操作过电压都将形成干扰信号另外动力线路电机和变压器在工作过程中尤其是在启动和停止的时候也会产生较强的电磁干扰 空间电磁干扰可用良好的屏蔽与正确的接地高频滤波加以解决所谓屏蔽就是对两个空间区域加以金属隔离是抑制电磁场耦合最有效的方法屏蔽分静电屏蔽和电磁屏蔽对电容性耦合可将金属壳接大地进行静电屏蔽对电感性耦合则采用低电阻金属壳进行电磁屏蔽远距离通信所采用的双绞线也是电磁屏蔽的一种形式它的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高双绞线若再外加金属编织网就可以克服静电感应使其屏蔽效果更好实践表明屏蔽效果好坏与接地系统有着密切的联系故应重视接地系统的每一个环节对于控制系统附近通过的动力线路一般采取让动力线路在金属软管中通过的方法来抑制其影响因为金属软管可以防止大电流的动力线路产生的电磁辐射 电磁干扰会使计算机不能正常工作但一般在实际工作情况下这些干扰在强度上远小于供电系统干扰与过程通道的干扰故微机系统中应重点防止其他两个渠道窜入的干扰 XXXIII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.2 电源干扰及抗干扰措施 电源干扰及抗干扰措施 微机系统中最重要危害最严重的干扰来源于电源的污染电源的噪声干扰是由电源及输电线路的内阻引起的 根据现场供电系统的实际情况本系统采用如下抗干扰措施 一为了克服交流供电系统电压不稳定的问题采用稳压电源对 220V 交流电源进行净化稳压并配备了 UPS 不间断电源解决短时间停电问题同时三相交流供电电源的中性点既工作地接地对于测控系统的直流供电采用开关型直流稳压电源能进一步抑制干扰 二在电源的输入部分安装合适的电源滤波器能有效地解决谐波干扰由谐波频谱分析可知 电源系统的干扰源大部分是高次谐波 电源滤波器是一个理想的低通滤波器它只让电网中 50Hz 的基波通过而对高次谐波有急剧的衰减对串模干扰和共模干扰信号具有很强的双向抑制作用 三电源去耦 图 3-1 电源末端去耦 电源线 地线 0.1F 瓷片电容 电解电容电解电容 电源去耦除电源系统末端去耦外还包括集成电路电源去耦图 3-1 是电源去耦的示意图电源系统末端去耦是在电源系统的输出端采用钽电解电容与高频磁片电容并联XXXIV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 去耦集成电路电源去耦是给 CPU 和每个数字集成电路元件加上一个去耦电容去耦电容直接接在器件的电源和地上以去除高频干扰成分数字电路中去耦电容的典型值为 0.1F对 10MHz 以下的噪声有良好的去除作用 3.3 过程通道干扰及抗干扰措施 过程通道干扰及抗干扰措施 过程通道是前向接口后向接口与主机相互之间进行信息传输的路径传输线上的信息多为脉冲波在干扰的影响下传输过程中会出现延时畸变和衰减等变形本系统中采用如下抗干扰措施 一 现场布线的抗干扰措施 1信号线与动力线分开敷设均在金属管内走线金属管良好接地 2信号线采用金属网状屏蔽线屏蔽层在传感器一端良好接地 3信号线固定防止振动摩擦产生静电和切割磁力线产生感应电势 二光电隔离 对于传感器信号通过布线和数字滤波双重抗干扰措施可基本解决干扰问题但对于开关量必需采用光电隔离的方法把微机系统的地和设备地电机光电开关隔离起来切断其在电气上的直接耦合回路光电隔离是测控系统中最有效且最简单的抗干扰措施之一主要优点是能有效抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰在本系统中由于涉及用弱电信号进行电机控制环节的设计这必然会在系统的电子线路中引入强电信号这就有可能带来强电信号会对以弱电信号为主的控制系统造成干扰的问题为了解决这一问电机 控制电路固态 继电器图 3-2 光电耦合原理 光电耦合器 8255 的 PC 口XXXV 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 题这部分电路的设计采取由光隔通过固态继电器来控制电机的方法我们采用了TLP521 进行光电隔离确保开关量传输的准确性具体电路如图 3-2这样电网中的干扰信号就不会通过电机控制环节传入系统中 三隔离放大 隔离是指用变压器光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号避免直接的电流或物理连接因为数据采集系统所监测的设备可能会有高压瞬变现象可能会损坏计算机和数据采集电路同时传输线路上也可能有高压干扰信号串入计算机系统这也会损坏计算机将传感器信号与计算机系统隔离开来切断了前后两部分电路电气上的直接联系既可防止形成地回路电流的干扰还可以避免强电击穿造成的大面积损坏使系统的抗干扰能力安全性和可靠性得到保证隔离还可以保证数据采集读数不致受到地电位或共态电压差异的影响因为数据采集每次输入采集信号时都需要以地为基准如果两个地之间存在电位差就可能导致地环路Ground Loop的产生从而造成所采集的信号不准确如果这一电位差太大则可能危及计算机系统的安全利用隔离的信号调理模块就可以清除地环路并保证准确的采集信号 要实现模拟信号的隔离比较复杂专门制造的光隔离器也可以隔离模拟信号但因其成本很高因为在一定的精度范围内光隔离器的输入电流与输出电流之间的线性关系很难保证因此低成本的隔离方法都是将输入信号调制成易于隔离的高频信号或转化成数字信号经过隔离再以适当的方式恢复后输送出去 实现模拟信号隔离且成本低的方法有以下几种21 1用隔离放大器这种方法比较适用于隔离输入信号与系统 2用脉宽调制方法经过光隔和阻容滤波实现信号的隔离 3用 V/FF/VA/DD/A光隔等器件 经过研究本文采用隔离放大器来进行信号隔离并采用 AD 公司生产的 AD202芯片AD202 芯片是通过集成在内部的调制解调电路来实现输入输出信号的隔离XXXVI 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 它具有体积小精度高共摸抑制比高只需单电源供电等特点对于 2KHz 以下的输入信号都可以实现不失真的隔离线性度可达0.05其内部原理框图如图 3-3 所示 431265MOD=5VF.S.=5VF.S.DEMOD38373132+7.5V-7.5VRECT&FILT.SIGNALPOWEROSCULATOR25KHZ25KHZH1-+IN COMLOIN +IN - FB 图 3-3 AD202 内部原理框图 由原理框图可以看出AD202 利用调幅技术通过变压器对信号进行耦合电源也是通过变压器耦合的电源变压器由内部振荡器产生的 25KHz 方波进行驱动输出电压最大值为5V由于 AD202 的信号输入端就是内部运算放大器的输入端所以通过适当的连接方式使 AD202 的增益可变既可隔离电压信号又可隔离电流信号既可隔离单个信号又可隔离多个信号的和信号此外由于 AD202 的输出电阻较大达 7K所以其后需加一电压跟随器再接负载否则其线性度和增益都将受到影响 图 3-4 信号隔离传输接线图 综合以上各个环节传感器放大和隔离电路如图 3-4 所示 XXXVII 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 3.4 印刷电路板的抗干扰措施 印刷电路板的抗干扰措施 设计印刷电路板绝不仅仅是为了实现系统功能而对器件线路进行简单的布局安排 还必需使其符合抗干扰的设计原则 印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大合格设计的印刷电路板对各种干扰信号都可以有良好的抑制效果以提高系统的稳定性 测控系统中包含小信号模拟电路高速数字电路高压大电流电路等不同类型的电路 为了避免各部分电路中信号的相互耦合 必须对不同类型的电路部分进行分离布局 电源系统布线包括电源线 VDD 和地线 VSS 的布置电源系统为整个系统