基于PIC單片機(jī)的六擋調(diào)控電渦流緩速器的設(shè)計(jì)

針對(duì)國(guó)內(nèi)重卡的制造工藝，設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)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(shí)現(xiàn)恒速、現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)輔助裝置，它既可以使汽車在坡道行駛時(shí)，方便地實(shí)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(shí)輕松地進(jìn)行緩速，因此可極大提高汽車行駛時(shí)的安全性與舒適性。

目前國(guó)外使用的緩速器有兩種形式，一種是利用液體的壓力來實(shí)現(xiàn)的，稱為“液力緩速器”，液力緩速器存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難等諸多缺點(diǎn)。另一種是“電渦流緩速器”，相比液力緩速器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。但國(guó)外的電渦流緩速器大多采用繼電器作為控制元件(如法國(guó)的TELMA等)，由于繼電器頻繁吸合，觸點(diǎn)壽命較低，而且制動(dòng)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(diǎn)開關(guān)作為控制元件(如德國(guó)的KLOFT等)，元件的壽命雖然大大提高，但使用在國(guó)內(nèi)的車輛上時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)故障問題。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)故障原因是國(guó)外的制造商并沒有考慮到國(guó)內(nèi)車輛的制造工藝，以及駕駛員的操作習(xí)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(guó)內(nèi)的情況。本文介紹的這種電渦流緩速器是針對(duì)以上問題而專門研制出的一種適合國(guó)內(nèi)汽車的輔助制動(dòng)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(lì)磁線圈以及轉(zhuǎn)子組成。電控部分根據(jù)駕駛員的制動(dòng)擋位信號(hào)以及速度反饋信號(hào)計(jì)算出合適的制動(dòng)力的大小，并控制功率模塊的導(dǎo)通，通過功率模塊提供給勵(lì)磁線圈合適的電流，以產(chǎn)生磁場(chǎng)，并在轉(zhuǎn)子當(dāng)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(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)與自己轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子磁場(chǎng)電流的函數(shù)。磁通量的大小與勵(lì)磁線圈的匝數(shù)以及所通過的勵(lì)磁電流大小有關(guān)。轉(zhuǎn)子安裝在傳動(dòng)軸的兩端，相當(dāng)于給傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)施加了一個(gè)制動(dòng)阻力矩，達(dá)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(shí)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(dú)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(duì)控制單元的影響，設(shè)計(jì)中只選用兩根信號(hào)線傳輸控制信號(hào)。系統(tǒng)的控制核心選用了美國(guó)Microchip公司開發(fā)的CMOS單片機(jī)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(hào)必須經(jīng)過輸入整形和去干擾電路才能輸送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算得出合適的制動(dòng)力大小，輸出相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)緩速。

電壓檢測(cè)電路將LM393的兩個(gè)比較器輸出端構(gòu)成“線與”邏輯關(guān)系，形成了一個(gè)過欠電壓保護(hù)，當(dāng)電壓范圍超出18～30V，輸出信號(hào)給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓保護(hù)功能。

為了方便駕駛員操作，電控部分安裝了6個(gè)紅色發(fā)光二極管和一個(gè)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(dòng)力不一致，設(shè)計(jì)中編了8套不同的制動(dòng)力參數(shù)，由于PIC16C63A的程序存儲(chǔ)器是4K×14的，因此外擴(kuò)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(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)提高傳輸距離以及抗干擾性。

功率模塊硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的電渦流緩速器多使用繼電器直接驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁線圈。本系統(tǒng)為了避免繼電器頻繁吸合，觸點(diǎn)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(yùn)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(hù)，平均工作電流為97A，短路電流可達(dá)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(yùn)行。一共有4個(gè)大功率管，每個(gè)開關(guān)管對(duì)應(yīng)控制一組定子勵(lì)磁線圈；由開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來決定勵(lì)磁電流大小，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)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(shí)現(xiàn)緩速，工作過程中溫度會(huì)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(fù)雜的工作環(huán)境，還設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jì)

● 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

為了滿足汽車在不同情況下對(duì)制動(dòng)力大小不同的需求，在這個(gè)電渦流緩速器的操作系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了6個(gè)擋位和1個(gè)恒速檔：一擋時(shí)兩組線圈半開；二檔時(shí)兩組線圈全開；三檔時(shí)兩組線圈全開，兩組線圈四分之一開；四擋時(shí)兩組線圈全開，兩組線圈半開；五擋時(shí)兩組線圈全開，兩組線圈四分之三開；六擋時(shí)四組線圈全開。當(dāng)按下恒速按鈕時(shí)，單片機(jī)及時(shí)記錄當(dāng)前運(yùn)行速度，通過內(nèi)部程序可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)制動(dòng)力達(dá)到勻速運(yùn)行的要求。

現(xiàn)有電渦流緩速器的制動(dòng)力矩變化曲線一般較硬，長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)汽車后橋造成損害。本設(shè)計(jì)中，利用PIC單片機(jī)輸出脈寬可調(diào)的控制信號(hào)來控制勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的軟特性，使得制動(dòng)力漸進(jìn)上升。同時(shí)通過改變PWM的輸出頻率來改變勵(lì)磁電流大小，達(dá)到改變汽車制動(dòng)力大小的目的。

對(duì)定子線圈的控制則采用驅(qū)動(dòng)輪共控方式，即將4組勵(lì)磁線圈(共8個(gè))平均分成兩組，由電控單元傳過來的控制信號(hào)采用對(duì)角線對(duì)稱的控制方式給線圈通電，每一個(gè)信號(hào)控制一對(duì)定子線圈。這種控制方式克服了傳統(tǒng)制動(dòng)器左右制動(dòng)力不一致的問題，避免了汽車跑偏現(xiàn)象。

當(dāng)車速過低的時(shí)候，緩速器無須工作，因而系統(tǒng)程序中設(shè)置了門限值，當(dāng)車速低于5km/h時(shí)，控制器沒有電流輸出?？刂破魃系木G燈是預(yù)備/恒速指示燈，設(shè)置該燈長(zhǎng)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(dòng)編程開關(guān)來調(diào)用存放在E2PROM中的各種制動(dòng)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(gè)，6、7、8用于設(shè)置各個(gè)檔位制動(dòng)力的大小，6、7、8分別為ON/ON/ON時(shí)，制動(dòng)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(gè)擋位之間制動(dòng)力的變化情況，為ON時(shí)，各個(gè)擋位制動(dòng)力均勻增加，為OFF時(shí)，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(shí)，控制器的制動(dòng)力逐漸增加，六擋時(shí)的延遲時(shí)間約為0.4s，為OFF時(shí)，控制器取消軟特性。開關(guān)1、2、3作為保留功能使用。

試驗(yàn)結(jié)果

該電渦流緩速器已經(jīng)完成了電控部分樣機(jī)的設(shè)計(jì)，已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)階段。兩臺(tái)電渦流緩速器樣機(jī)安裝在浙江瑞安市瑞立集團(tuán)公司的兩輛載重9噸的解放卡車上，并且無故障運(yùn)行1000小時(shí)以上。上表是試驗(yàn)過程中測(cè)得的電流數(shù)據(jù)。