基于PIC單片機(jī)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(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(jìn)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(fù)雜，維護(hù)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(hù)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(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(dǎo)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(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(dāng)于給傳動軸的轉(zhuǎn)動施加了一個制動阻力矩，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(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(hù)，當(dāng)電壓范圍超出18～30V，輸出信號給單片機(jī)實現(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×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(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(dǎo)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(fù)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。

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