電渦流緩速器是一種高效汽車(chē)制動(dòng)輔助裝置，它既可以使汽車(chē)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(chē)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，稱(chēng)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(wú)法連續(xù)均勻調(diào)節(jié)。還有些產(chǎn)品采用大功率無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)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(chē)輛上時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)故障問(wèn)題。經(jīng)過(guò)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(méi)有考慮到國(guó)內(nèi)車(chē)輛的制造工藝，以及駕駛員的操作習(xí)慣等問(wèn)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(wèn)題而專(zhuān)門(mén)研制出的一種適合國(guó)內(nèi)汽車(chē)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(guò)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(guò)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(chē)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(kāi)來(lái)，電控部分安裝在駕駛室中，功率模塊安裝在汽車(chē)車(chē)底后橋上。由于汽車(chē)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(kāi)發(fā)的CMOS單片機(jī)PIC16C63A，系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。
來(lái)自擋位控制手柄的控制信號(hào)必須經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(chē)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(chē)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(kāi)關(guān)管含有過(guò)壓、過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)控制一組定子勵(lì)磁線圈；由開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)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(guò)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(chē)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(guò)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(mǎn)足汽車(chē)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(kāi)；二檔時(shí)兩組線圈全開(kāi)；三檔時(shí)兩組線圈全開(kāi)，兩組線圈四分之一開(kāi)；四擋時(shí)兩組線圈全開(kāi)，兩組線圈半開(kāi)；五擋時(shí)兩組線圈全開(kāi)，兩組線圈四分之三開(kāi)；六擋時(shí)四組線圈全開(kāi)。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(guò)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(chē)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(lái)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(guò)改變PWM的輸出頻率來(lái)改變勵(lì)磁電流大小，達(dá)到改變汽車(chē)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(guò)來(lái)的控制信號(hào)采用對(duì)角線對(duì)稱(chēng)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
