基于GMM新型线控制动控制系统设计.doc

摘 要线控制动系统（bbw）也被称为电子控制制动系统，按能量的来源不同可分为机械式线控制动系统和液压式线控制动系统两种。bbw技术是当今汽车界研究的热点。现如今，汽车零件在结构方面的创新空间有限。创新点主要在电子方面，用电子技术取代机械功能。线控制动技术就是使制动结构更简单，制动效果更好。线控制动系统的核心是控制系统，控制系统接收信号，通过分析后发出适当的信号。本文研究的是使用gmm新型材料从而实现制动系统的功能。创新点是在h型机构上使用gmm材料，用单片机控制整个系统。整套系统不存在各种管路，因此非常环保，制动效率高。全文共分四章各章主要内容如下：第一章论述当今汽车线控制动的研究现状与发展趋势以及课题研究的意义。第二章论述gmm国内外研究现状，磁致伸缩原理，压力和磁场对材料尺寸的影响；如何选取gmm棒的尺寸；磁感线圈长度、内外径确定；导线直径、匝数、厚度的确定；漆包线尺寸的选取。第三章简要介绍控制系统，keil uvision3软件。sepic电路设计和硬件电路设计以及控制程序的编写。第四章主要是总结工作成果以及今后工作展望。关键词：线控制动 gmm材料 控制系统 控制程序abstractbrake-by-wire (bbw) also known as electronic control brake system, according to the different energy sources ,bbw can be divided into mechanical bbw system and hydraulic bbw system .bbw technology is a hotspot of research on the car today. nowadays,the innovation space of car parts is limited in the structure aspect. major innovative in electronic, electronic technology will replace mechanical function.bbw is to make the brake structure more simple, better braking effect. control system is the core of bbw system, receiveing the signal, emiting the the appropriate signal.this paper study content is to realize braking system function through using the new gmm material.the innovation is using gmm material on the h agencies. single-chip computer control the whole system. the system does not exist all kinds of pipe, therefore,it is better for environment, high brake efficiency.the full text is divided into four chapters . main content is discussed as follows:the first chapter discusses the present situation of bbw dynamic,the development trend and research significance.the second chapter discusses gmm research status at home and abroad, magnetostrictive principle, pressure and magnetic field affect the size of materials; how to choose the size of the gmm rod; determine the magnetic induction coil length, inner diameter; wire diameter, number of turns, the determination of thickness; selection of enameled wire size.the third chapter briefly introduces the control system, keil uvision3 software.how to design sepic circuit and the hardware circuit and the preparation of the control program.the fourth chapter mainly summarizes the work and the prospect of future work.keywords:bbw; gmm materials; control system ; control procedure目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1 汽车线控制动系统概述与发展趋势11.1.1 汽车线控制动系统概述11.1.2 汽车线控制动系统发展趋势21.2 课题研究的意义及研究内容21.2.1 课题研究意义21.2.2 课题研究内容31.3 线控制动系统的研究现状3第二章 基于gmm新型线控制动系统执行机构设计62.1 线控制动执行机构的组成部分62.2 gmm的概述62.3 gmm的研究现状72.3.1 gmm国外研究现状72.3.2 gmm国内研究现状82.4 gmm棒的选取82.4.1 磁致伸缩的原理82.4.2 压力和磁场对磁致伸缩的影响92.4.3 超磁致伸缩致动器静态模型102.4.4 计算稀土超磁致伸缩棒的尺寸122.5 h型柔顺机构的介绍132.6 磁感线圈的设计142.6.1 确定线圈的长度和内、外径142.6.2 计算线圈导线直径142.6.3 估算线圈厚度和总匝数142.6.4 选取漆包线尺寸152.7 线控制动执行机构的实物图片16第三章 线控制动控制系统研究183.1 控制系统概述183.2 keil uvision3软件介绍183.3 控制系统的组成部分193.3.1 选取单片机193.3.2 选取角位移传感器203.4 控制系统电路的设计233.4.1 设计sepic电路233.4.2 设计控制系统的硬件电路283.5 控制程序的编写293.6 控制系统实物图片40第四章 总结与展望414.1 总结414.2 展望41参考文献42致 谢44iii南昌工程学院本科毕业设计第一章 绪论1.1 汽车线控制动系统概述与发展趋势1.1.1 汽车线控制动系统概述早期的制动系统是一组简单的机械装置，驾驶员通过向制动器作用力从而使车停下来。20世纪70年代后期 制动系统开始朝电子化方面发展。20世纪80年代，防抱死制动系统(abs)首次运用在汽车制动方面极大地提高了汽车的主动安全性从而使这种技术很快得到了广泛的应用和推广。到了90年代制动系统有循迹控制和侧倾稳定性控制的功能，abs原理是控制汽车车轮的滑移率合理和充分利用路面附着系数从而可以获得较短的制动距离,改善制动时的方向稳定性。随后abs升级为asr（加速驱动防滑系统），asr的功能是当汽车驱动轮在加速时防止其打滑。abs的出现是因为它是在极端条件下参与制动，研究者为改善汽车制动性能，因此研究出tcs。tcs最大功能是能保持行驶的车子朝正确的方向行驶。esp（电子稳定系统）的出现时汽车能有主动性从而不盲目服从司机，一旦司机出现错误的驾驶指令时，esp能对其进行纠正。传统制动系统传递力是通过空气或制动液来实现的。由于制动系统的介质是气体或液体,所以制动压力传递比较迟缓,系统响应速率较低,为克服上述缺点,很多制动系统制造商投入大量资金进行电子化制动控制系统的研究1。随着电子技术的发展,出现了效率更加高，更加节能的线控技术(x-by-wire)。所谓线控就是在机械，液压或气动的系统连接部分用传送电子信息方式取代。线控技术不仅仅是在连接方面发生变化,而且在操纵机构和操纵方式以及执行机构方面都发生变化,线控技术在汽车领域的广泛应用将使汽车结构发生翻天覆地的变化。目前线控技术在汽车上得到了广泛的应用,如线控转向线控油门等，结合线控技术和汽车制动技术而成的线控制动(brake-by-wire,bbw)是全新的研究领域,它是把传统液压或气压制动执行元件改为电驱动元件,由于电驱动系统拥有可控性好!响应速度快等优点,线控制动系统在今后研究中占据主导地位。线控制动系统(bbw) 和传统的汽车机械式制动系统不同，它是集合abs，车辆稳定性控制，牵引力控制等制动系统优点。bbw的特点是:（1）部分机械器件被电子元件所代替，（2）制动踏板到制动器之间动力传递用电线取代,（3）在ecu中设计编写相应的程序控制其功能。bbw对汽车制动技术进一步提升有及其重大的影响。传统的制动系统通常由4个部分组成：供能系统，传动系统，控制系统，制动器。4个部分都己经不同程度地实现了电子化。人是整个控制系统的控制者,整个过程先是输出控制信号，然后启动制动系统，最后发出制动意图。制动能源是由蓄电池或其他装置来提供。bbw采用先进的电子制动器和ecu进行整体控制,在每个制动器上都有控制单元对其进行控制。目前,线控制动系统依据提供能源装置的不同可分为两种类型：一种是eleetro-hydraulic-brake（电液制动系统）；另一种是eleetro-meehanieal-brake（电子机械制动系统）。ehb是在电子系统与传统液压系统基础上形成的制动系统。ehb的柔性控制来源于电子系统, 而制动力的产生来源于液压系统。emb系统内没有液压管路因为其制动能量来源于电能。传统制动系统中的传力介质（液压油或空气等）由电能取代。从目前线控制动的发展趋势来看, 未来线控制动系统的主要发展方向是emb。 1.1.2 汽车线控制动系统发展趋势线控制动系统特别是ehb在汽车领域得到较为广泛应用。bbw技术在工业车辆领域上被采用解决了传统制动的几大缺点（1制动滞后时间长，2需另外附加气动系统，3结构复杂，4易造成环境污染等）。线控制动系统在各种复杂情况下保证车辆安全行驶，并且系统附加柔性控制,从而形成更加完善的制动系统。线控制动要想有长远发展，需克服一些关键技术。这将是今后研究方向，例如：1，盘式制动一般需1km能量因此需解决能量需求；2，完全取消了液压元件的系统，没有后备系统，就必须提高容错系统的安全性；3，系统使用h型执行器，就要求执行器质量轻，耐磨；4，系统的抗干扰能力需提高，因为车辆在行驶过程中会出现许多干扰信号。在车辆模块化，集成化，车辆能源的高压化的趋势下，车辆制动系统也朝着电子化方面发展，许多汽车零件商进行了电子制动方面的研究，以便推出新产品迅速占领市场2。传统制动系统将被电子制动系统所取代，而使用新型材料实现电子制动将是以后制动研究的创新点。1.2 课题研究的意义及研究内容1.2.1 课题研究意义自19世纪汽车诞生以来，汽车在人们生产生活中所处地位越来越重要，人们对汽车的要求越来越高从最初汽车能驱动到如今外观性，舒适性，安全性等各项指标的提高。人们在选购汽车时，会从多方面考量，但最重要的考量指标是汽车安全性。人们对汽车安全性的考量是不无道理的，据权威数据显示2011年，中国发生交通事故210812起，死亡62387人，这些数据使人触目惊心，之所以交通事故发生率居高不下，其中最主要因素出现在汽车制动性上，这其中有80%是因为车辆制动性能不好引起的。现代汽车在安全性研究方面资金投入是很巨大的，而其中制动性能研究占很大部分。现代汽车制动系统的构成部分主要有五个，它们分别是：1，供能装置；2，控制装置；3，传动装置；4，制动器；5，制动力调节装置和报警装置。汽车制动系统是汽车上用以使外界在汽车某些部分施加一定的力，从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置。制动系统的作用是按照驾驶员意图使汽车减速甚至停车。使汽车减速的只能是外加力而这些外力是不可控制的，因此必须有一套专门装置以实现人为控制。传统的制动系统按照制动能量的传递方式分类可分为机械式，液压式，气压式。传统的制动系统部件多，机构复杂，阀类多，传递速度较慢，效率低且污染环境。随着汽车行业的飞速发展，汽车制动系统工作的可靠性显得十分重要，那些制动性能好，制动系统工作可靠的汽车才会受人们青睐，为了满足实现以上要求，开发出基于gmm的新型线控制动系统，此套系统完全无液压管路,也无阀类,电线传递信号,其工作原理是:当踩下脚踏板时,角位移传感器收集角度信号发出电信号传递给中央控制单元,中央控制单元分析信号从而发出适当电信号传递给磁场绕组,磁场绕组中有gmm材料棒，该材料受磁场影响形状会发生变化从而实现制动。此套系统实现后能体现许多优点：省力，安全，便利，响应速度快，维护费用低，拓展功能强大。而要实现以上优点，最主要部分是其控制系统的实现，也就是ecu的编程，它相当于人的大脑，此功能的实现使制动更加人性化。1.2.2 课题研究内容此次研究内容主要涉及以下几方面（1）gmm材料的尺寸与磁场，压力关系。（2）h型执行机构尺寸的研究。（3）线控制动的研究以及控制程序的编写，（4）整体布置的研究。1.3 线控制动系统的研究现状线控（by-wire）系统是用效率高的电子化系统来替代效率低的机械式系统或者液压系统。线控技术在航空领域的运用已有数十年的历史。线控驾驶技术在汽车工业领域的出现主要是借鉴了航空领域的线控飞行技术，主要包括线控油门（ throttle-by-wire ）技术、线控换挡（shift-by-wire）技术、线控转向（steer-by-wire）技术和线控制动（brake-by-wire）技术等2。正因线控技术在飞机上的成功应用，线控技术在汽车运用方面将大大提高汽车的性能。在第 71 届日内瓦国际车展上，意大利 bertone 公司展示了新型概念车 filo该车采用 drive-by-wire技术，驾驶员只需操作仪表盘上的屏幕，屏幕感测到后并以电子信号传递到各部件，该车就能完成一切的驾驶动作4。要实现线控油门的功能相对其他来说较容易，因此在20世纪90年代就已经可以批量生产。线控转向和线控制动对安全性和可靠性的要求及其苛刻，系统也很复杂，因此这两项技术还在研究当中。自上世纪90年代起，一些汽车零件厂商开始对emb技术着手研究，20世纪90年代bosach,siemens和continental teves等3家公司取得emb技术研究成果。而emb系统只是在实验阶段，并没有投入市场，如2002 acura bn-x概念车。2002年福特汽车公司研发的focus fev制动系统使用的是非直接机械方式连接的线控制。2004年5月21日，澳大利亚的pbr inrerational limited公司宣称开发出首款属于澳大利亚人自己的线控制动汽车。德国大陆公司与达姆施塔特科技大学（darmstadt university of technology）进行合作共同研究了emb技术，并进行了一系列试验；美国 trw 公司则在电子驻车制动系统方面进行研究并取得一定成果，其系统已应用在奥迪 a6l上5。通用汽车公司与 pbr公司合作共同开发出装有 emb 的概念汽车 sequel6。如图 1-1 所示。图 1-1通用汽车公司开发的装有 emb 的概念汽车 sequel我国对线控制动的研究尚处于起步阶段，一些大企业和高校对此也进行了研究，一汽，清华大学和南京航空航天大学在此领域处于领先地位。相关论文的发表就比较多。广州机械研究院的黄渊芳，南京航空航天大学的翁建生，金智林共同发表了电子机械制动系统（emb）结构与性能分析为题的论文，该论文阐述emb的结构和性能及以后发展方向。东北大学的张成利就以汽车线控制动系统及其控制算法与仿真作为硕士论文研究课题，湖南大学的黄源以线控制动系统制动力分配策略研究作为硕士论文研究题目。第二章 基于gmm新型线控制动系统执行机构设计2.1 线控制动执行机构的组成部分线控制动可分为两种：ehb和emb。此次设计的类型属于emb。它工作原理是;当踩制动踏板时，制动踏板的角度发生变化，制动踏板上装有角位移传感器，角位移传感器将角度变化的值转化为电压信号，此信号通过电线传给模数转换器，模数转换器将电压信号转化为数字信号传递给单片机，单片机经过计算分析发出适当的脉宽频率改变其占空比。电流通过电线传给线圈，线圈产生磁场，gmm棒在磁场作用下尺寸发生变化从而产生力，力通过h型柔性机构传给刹车盘从而使汽车减速。执行机构主要包括以下几部分：线圈，gmm棒，h型柔性机构。2.2 gmm的概述铁磁性晶体在外磁场中被磁化时,其长度会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩。早在1842年,焦耳就发现了镍(ni)的磁致伸缩效应，因此这种效应也成为焦耳效应。由于镍的应变量与热膨胀系数差不多,因此它只能在超声波换能器方面得到利用。20世纪60年代初, clark 、legvoid、rhyne等人发现重稀土元素tb和dy磁致伸缩系数达8x10，这次测量是在4.2k的低温下测出的，因此这种现象被称为超磁致伸缩现象7。但该现象仅在低温下才存在,因而这种现象不会在常温下出现。60年代末到70年代初, 二元稀土铁合金这种合金具有立方莱夫斯(laves)相结构，其在室温下也表现出很大的磁致伸缩值是美国水面武器研究中心的clark发现的。1972年,clark等为实现材料有较大的磁致伸缩位移值，撰写论文提出用rfe和rfe两种化合物组成补偿性赝二元化合物, 这样做的结果是可以使超磁致伸缩材料的实用性大大提高。从70年代中期开始,各国研究者都在研究不同材料成分对磁致伸缩效应的影响，同时也在探索如何改变超磁致伸缩材料的制备工艺,其目的是实现其实用化、产品化。现如今,磁致伸缩材料根据成分的不同大体上可分为以下几类: ( 1) 重稀土金属合金，( 2) 过渡金属及其合金， ( 3 ) 稀土与过渡金属间化合物，( 4) 锕系金属化合物8。 其中研制开发最为成功的磁致伸缩材料是以稀土与过渡金属化合物做成的, 因为此种材料的伸缩系数是传统材料的近百倍, 所以被称为稀土超磁致伸缩材料。2.3 gmm的研究现状2.3.1 gmm国外研究现状 自从在常温下发现gmm 的特性，科技界，工业界十分关注如何良好应用的g mm特性。最近几年，国内外研究者在使用gmm材料研制实用器件方面非常热。gmm主要运用领域可分为以下两方面：（1）在检测领域中的研究，应用gmm在磁场的作用下会产生磁致伸缩效应，这是gmm的正效应，利用这种效应可以制作出检测电流、磁场、应变等各种元器件9。美国依阿华大学的研究者r 、chung等利用gmm开发出一种检测磁场强度装置。日本东芝公司msahashi 等经过研究发明了接触型扭矩传感器，它是用磁致伸缩薄膜制作的。mts系统公司是在磁致伸缩位移测量领域技术的开拓者，其生产的磁致伸缩线性位移传感器和液位计，在工业领域得到广泛运用。（2）在磁电一机械换能器领域中的应用gmm的磁电一机械换能器具有如下优点：大位移、响应快、可靠性高、驱动电压低。因而此种换能器在微马达、超精密加工、振动控制以及流体机械等各种工程领域显示出良好的应用前景。1，在超精密加工领域中的应用gmm驱动器件输出位移量是传统压电致动元件输出位移量的数十倍 ，并且可以在低阻抗运行。日本茨城大学的研究者江田弘和东芝公司的 kobayashi合作设计的超磁致伸缩致动器，经实验验证其定位精度达到纳米级，因此此种致动器在大型光学金刚石车床的微进给装置中得到应用10。2，在微型马达中的应用fclaeyssen利用terfeno1-d棒成功研制出一种尺蠖式马达。当马达线圈中通人电流并且位置发生变化时，会出现的现象是超磁致伸缩棒会产生交替伸缩现象，从而像虫子一样蠕动前进。美国的研究者jm.vranish等利用gmm的蠕动原理，设计出转动式步进电机。3，在振动控制领域中的研究 日本的研究者k、o h mate k设计了三连杆臂型半主动振动控制装置，这种装置可减缓由地震、强风等产生的振动。美国的研究者m、a njanappa 等第一次计算出超磁致伸缩致动器基本数学模型，其是在考虑热效应的条件下得出,这一成果的出现是他们在原有基础上进行改进。4，在流体机械领域中的应用 目前，各种阀门、燃油喷射系统和微型泵都用到超磁致伸缩磁电机械换能器。日本用terfenol-d制成了微型隔膜泵，瑞典ab公司用terfenol-d为驱动元件设计了流体泵。英国san te chnology公司的研究员a、d、bushko，和j、h, goldie用terfenol-d棒制成了微型高压隔膜泵。2.3.2 gmm国内研究现状我国在gmm运用领域的研究起步时间较晚于西方国家。2 0世纪8 0代中期，北京钢铁研究总院对稀土超磁致伸缩材料进行研究是国内第一家。此后，国内其它单也在这一领域研究，主要包括中科院沈阳金属研究所、中国科学院北京物理研究所 、冶金部包头稀土研究院、兰州天星公司。在一些高校中也进行相关的研究例如浙江大学、大连理工大学、北京科技大学等。七一五研究所在多边形水声换能器方面进行了的研究。中国科学院声学研究所和冶金部钢铁研究总院使用国产超磁致伸缩材料制做出了功率较大，频率较低的声纳。甘肃天星稀土功能材料有限公司研制出磁致伸缩系数较大的材料，并利用此材料制作出智能振动实效装置设备11。2002年，大连理工大学的杨兴、贾振元研究超磁致伸缩微位移执行器，这种执行器具有感知位移功能12。2005年，浙江大学唐志峰在超磁致伸缩执行器的基础理论方面进行论述与实验研究13。清华大学的李翠红等设计了一种蠕动机构，是利用超磁致伸缩微驱动器14。2008年，杭州电子科技大学的孟爱华等在脉冲喷射开关阀进行研究，其动力源是超磁致伸缩执行器15。2.4 gmm棒的选取2.4.1 磁致伸缩的原理磁致伸缩是铁磁材料在外加磁场被磁化时产生晶格变形的宏观表现,。铁磁质在量子交换力的作用下发生自发磁化,内部形成一个个小的“自发磁化区”,称为磁畴。每个磁畴内均存在磁矩, 磁矩的取向一般为所有“最易磁化方向”中的某一个；在未被极化时,铁磁质中各磁畴内的自发磁化方向不同,其统计平均磁矩值为零,因而在宏观上不呈现磁性16。它的形成原因如下图所示：图2-1 不同磁场下磁矩变化情况(h:平均磁化磁场强度;hs:外磁场强度)当存在外加磁场时,各个磁畴的磁化强度方向将发生改变。首先是磁畴间的边界发生移动，当外磁场强度加大时,磁畴内的磁矩逐渐旋转到与外磁场方向一致。如果外磁场强度继续加大,铁磁质内的磁化强度也基本上不再增加。外磁场存在时,大量磁畴的磁化方向和外磁场方向趋同,同时晶格会发生变形,宏观上即表现为磁致伸缩现象。2.4.2 压力和磁场对磁致伸缩的影响gmm的主要参数有: 弹性模量e、磁致伸缩系数、磁导率、动态磁致伸缩系数d、逆动态磁致伸缩系数和机电耦合系数k等17。gmm内部磁能与机械能(弹性能)相互转换的效率用系数k用来衡量,它们分别由下述各式给出： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） 式中, l:长度改变量;l:原始长度;:应力;h:磁场强度;b:磁感应强度。图2-2是磁致伸缩系数随驱动磁场强度h在不同压应力下terfenol-d的轴向变化曲线。在图中可得出:当预压应力大小处于7-14mpa范围内, 曲线族都有较大的线性区。图2-2 不同压应力下h曲线2.4.3 超磁致伸缩致动器静态模型超磁致伸缩致动器的静态模型主要包括两部分：静态位移输出特性和力输出特性18。超磁致伸缩致动器的力输出特性、静态位移输出特性与致动器结构尺寸、gmm特性参数、内应力状态、励磁电流等直接相关。超磁致伸缩致动器的位移输出特性是指致动器输入的电流与输出的位移的关系，当边界条件和自变量不同时,磁致伸缩本构方程将会存在不同的形式,由于此次设计的致动器利用的是gmm棒的轴向磁致伸缩效应,因此只需考虑其轴向磁致伸缩本构方程19。则gmm棒轴向的磁致伸缩本构方程为： （2-6） （2-7）式中 ：磁场恒定时的纵向柔度系数； ：轴向应变；：轴向动态磁致伸缩系数；：轴向应力；：热膨胀系数；：平均驱动磁场强度；：压应力恒定时的磁导率；：磁感应强度；：温升；据磁通连续性原理有下公式: （2-8）由安培环路定律可得出: = （2-9）在一段不分支的磁路中,如果处材料相同、横截面积相等,则磁感应强度也处处相等20。于是由磁通和磁阻的定义得出: （2-10）结合上式：将主励磁线圈的总安匝数ni代入式(2-10)即可算出其激励场强: （2-11）总的平均驱动磁场强度是主激励磁场强度和偏置场强度的叠加得出以下等式: （2-12）将求得的相应的超磁致伸缩材料特性参数和平均驱动磁场强度代入式(2-1)可得驱动棒的轴向应变: （2-13）于是可得出超磁致伸缩致动器的静态输入电流与输出位移关系式。 （2-14）由式(2-14)可得到驱动棒内的应力: （2-15）于是,超磁致伸缩致动器的输出力f为: （2-16）由上式可以看出:输出力f的大小与稀土超磁致伸缩棒的应变大小有关;当l为0时,其可能输出最大力为: （2-17）上式得出的结果是超磁致伸缩致动器的输出力与输入电流间的静态关系。2.4.4 计算稀土超磁致伸缩棒的尺寸对于中、低频致动器,超磁致伸缩棒的伸长量等于其设计的最大输出位移。则超磁致伸缩棒的计度: （2-18）将根据所选超磁致伸缩棒的尺寸规格进行取整整即得，设计长度所选的应大于等于;超磁致伸缩棒的直径d与最大输出力f满足以下关系: （2-19）式中,e为超磁致伸缩棒的弹性模量。因为目前国内尚没有统一稀土超磁致伸缩材料的尺寸规格标准,所以各生产单位通常根据用户要求进行各种尺寸的加工21。国内gmm产品主要性能指标(磁致伸缩系数、磁机耦合系数)均接近国外产品，而价格仅是国外公司的20-30%，所以选择国内gmm产品更符合技术经济性原则。下表是各公司生产的gmm材料参数。表2-1 各公司gmm参数参数甘肃天星台州椒光有研稀土磁致伸缩率（10-6）1 000 (80koe,10mpa)8001 200 (0.5koe,10mpa)1 500(3koe,10mpa)杨氏模量1010n/m22.5 6.52.5-4.06.5抗拉强度mpa2525抗压强度mpa260 250热膨胀系数10-6/8 12812居里温度380380380磁机耦合系数0.65 0.750.70.90.60.75声速m/s1 700 2 6001 7002 7001 6002 500能量密度kj/m314 251425电阻率10-8.m(60 130)6060140相对磁导率3 1540100315比热kj/kg.k0.350.35作品选用甘肃天星稀土功能材料有限公司提供的gmm棒，几何参数为2050mm。2.5 h型柔顺机构的介绍设计使用的力传递装置是h型柔顺机构，机构的一端装有gmm棒，另一端装有制动片，当gmm棒受磁场影响尺寸发生变化时，会由gmm棒轴向产生力。此力沿着h型机构传递到制动片，在装有gmm棒的一端也装有一个回复弹簧。它的作用是：gmm棒尺寸变小时，以产生一回复里使h型机构恢复原状。因为此机构要具有柔顺，因此制作此机构的材料是钢。经过进一步查阅相关资料和计算，此机构尺寸比是1:3，也即gmm棒中点与铰接点的距离和制动片中点与铰接点距离比为1:3，这种设计可使位移放大3倍。2.6 磁感线圈的设计2.6.1 确定线圈的长度和内、外径根据h型柔顺机构与线圈骨架，线圈长度为39mm。线圈的内半径r为: （2-20）gmm棒的半径为10mm，考虑到线圈骨架的影响，线圈内径为16.05mm线圈的外半径r为: （2-21）经计算线圈外径为38mm上述两式中,e:线圈骨架厚度;e:绝缘材料厚度2.6.2 计算线圈导线直径实际工作中，线圈的电流密度有一定的要求，各种工作制下电流密度j取值如下22：长期工作制： j=2a/mm反复短时工作制： j=512a/mm短时工作制： j=1330a/mm本次设计的线圈按长期工作制取值。线圈导线裸线直径可由下式得到: （2-22）式中，j:电流密度; i:工作电流若在线规表上找不到导线规格,则从表中选取裸线直径略大于并和导线的计算结果最接近,然后可查得其相应的外径d为0.89mm。2.6.3 估算线圈厚度和总匝数将线圈导线的外径d;线圈的排绕系数k带入下式可得线圈单位长度上的匝数: （2-23）将线圈的叠绕系数k;线圈导线的外径d带入下式可得线圈单位高度上的层数: （2-24）不同的导线直径线圈的排绕系数和叠绕系数如下表所示23。表2-2 不同导线直径线圈排绕和叠绕系数线径d（mm）排绕系数kl叠绕系数kr0.51.11.150.50.81.051.151.22.41.051.20线圈的厚度为: （2-25）式中,h:线圈中心的激励磁场强度;i:所选取的主线圈激磁电流。经计算线圈厚度e为24.95mm。于是线圈的总匝数n为: （2-26）经计算n=857匝。2.6.4 选取漆包线尺寸查了常用的漆包线规格尺寸，选取线径为1.1mm ，它的主要参数如表所示：表2-3 漆包线系数导线直径d（mm）漆包线最大外径dm（mm）单位长度电阻rl（/m）1.11.120.0324可以计算出驱动线圈电阻为15。2.7 线控制动执行机构的实物图片此次设计的执行机构主要有以下一些图片图2-3 机构外部图2-4 gmm棒与线圈包裹形式图2-5 执行机构外部第三章 线控制动控制系统研究3.1 控制系统概述控制系统具有管理自身目标和功能的系统是由控制主体，制客体和控制媒体组成的。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感 兴趣或可变的量。控制系统同时是使被控制对象达到某种预定的理想状态而实施，控制系统控制某种需要的稳定状态对象。按控制形式的不同，自动控制可分为开环控制和闭环控制。（1） 开环控制系统在开环控制系统中系统输入控制输出，抑制干扰的特性和控制精度都比较差。开环控制系统中的顺序控制是按时序进行逻辑控制的，它由下元件组成：被控工业对象、顺序控制装置、检测元件、执行机构。主要在机械、化工、物料装卸运输的领域中应用。（2） 闭环控制系统在反馈原理基础上建立的闭环控制系统是利用输出量同期望值的偏差来对系统进行控制，相对来说可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称为反馈系统。整套系统功能要想实现，关键的技术在于其控制系统，控制系统可被认为其心脏。此次设计系统的主要部件包括：角位移传感器，atmega81。对单片机进行编程控制可实现其控制要求。3.2 keil uvision3软件介绍keil uvision3是keilsoftware公司推出的用于程序调试的软件。其在多种51系列单片机的集成开发环境中运用。keil uvision3具有以下4个功能：源代码编辑、功能导航器编辑、模板编辑以及配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成24。目标mcu、指令集、片上外围设备及外部信号可在其内置的仿真器进行模拟。uvision3提供的逻辑分析器作用是监控基于mcui/o引脚和外设状态变化下的程序变量。keiluvision3 生成目标代码速度快，生成的汇编语言代码也很紧凑，容易理解。3.3 控制系统的组成部分3.3.1 选取单片机单片机常用英文字母mcu表示，单片机又称单片微控制器，它相当于一个计算机系统。单片机四部分组成：控制器，运算器，存储器，输入输出设备，它相当于一个微型的计算机（最小系统）。单片机缺少了外围设备，单片机的体积小、质量轻、价格便宜。概括的讲一块芯片就好比一台计算机。atmega8 是atmel公司在2002年第一季度推出的一款新型avr高档单片机。在avr家族中，atmega8是一种非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了较大容量的存储器和硬件接口电路，具备avr高档单片机mege系列的全部性能和特点。下图是atmega8引脚图。这中单片机价格也便宜，性能指标也高。 图3-1 atmega8引脚图atmega8的主要指数如下：表3-1 atmega8相关指数参数数值单时钟周期指令130条8位通用寄存器32个flash程序存储器8k字节e2prom512个字节内部sram1k字节异步实时时钟（rtc）里面具有独立振荡器1个续表3-1pwm通道3个a/d转换8通道i/o口23个工作电压2.7v-5.5v运行速度o-8mhz功耗：正常模式是3.6ma空闲模式是1.0ma 掉电模式是0.5ua3.3.2 选取角位移传感器角位移传感器是把角度测量出的值转换成其他物理量的测量值,它采用非接触式设计，与传统的角位移测量仪具有同步分析器和电位计功能其它相比，有效地提高了长期使用的可靠性。角位移传感器原理：有以下三种情况：(1) 变阻器式角位移传感器是将角度的变化量变为电阻的变化量；(2) 电容式角位移传感器是将角度变化量变为电容面积变化量；(3) 磁阻式角位移传感器是将角度变化量量变为感应电动势变化量。根据各项技术要求，最终选用世纪铭创公司型号为mcjsv05a的角位移传感器。mcjsv05概述:mcjsv05 系列角度传感器，通过感应安装在传感器转轴一端的永久性磁铁的平行磁场强度，测量出传感器转轴的绝对角度位置。 测量角度范围根据用户需求可在0360范围内设定。输出电压信号 05v，输出电压信号具有瞬态电压保护。供电电压 8v28v，具有反向保护。采用非接触测量角度的方式使传感器的耐用性取决于传感器轴承。该型角度传感器使用优质轴承，保证了传感器长期可靠使用。该特点使其成为替代接触式角度传感器，如导电塑料的绝佳产品。 该系列角度传感器具有较小的测量误差(0.3)和很小的电压信号温漂(mcjsv05b,5mv)。特性 测量范围： 0360 信号输出： 05v 极低温漂： mcjsv05a ：14mv(最大) mcjsv05b ：5mv(最大) 供电范围： 8v28v 反向保护： 40v(max) 温度范围： -40+85(特殊) 防护等级：ip66技术规格表3-2 mcjsv05技术规格参数mcjsv05a单位测试条件/注释输出信号 噪声tvs 保护最小值典型值最大值vmvvvp-p 0 5 5 12分辨率(2)精度0.0220.3 0.7 1.0 1.5degta= 25 090 0180 0270 0360温度漂移(3)14mv-40+85响应时间600us测量范围0 360deg电源要求 vcc icc 反向保护(5)8 28 11 40vmavta= 25vcc=24v使用温度 存储温度-25 80 -40 85 -40 125标准 工业防护等级ip 66分辨率及精度 mcjsv05系列传感器角度分辨率为0.022。为抑制传感器敏感芯片采样时的噪声，传感器使用滞回滤波器，滞回值为0.044，即角度变化量超过 0.044时输出才会更新。角度测量范围越小，精度越高。响应时间 mcjsv05 系列角度传感器采样时间典型为 600s，即输出更新间隔约 600s。快速模式下采样时间可达 200s，但传感器功耗相应增大。根据需求可做相应的参数设置。温漂 不同的温度环境下，传感器输出信号随温度的变化，影响传感器测量精度。在 -25+80范围内，mcjsv05a 电压信号温度漂移分别为14mv，mcjsv05b 具有更小的温漂，为5mv。角度测量范围 mcjsv05 系列角度传感器测量角度满量程为 360。根据客户的需求，测量范围可设定为 090、0180、0270或其他角度范围。角度测量范围与测量精度的关系详见“技术规格”部分。不同的角度测量范围，对应的电压输出信号是一样的，即05v。 角度测量范围小于 360时，角度区域分割成如图 7所示的 3 部分：、。为测量角度范围，该区域信号输出随角度线性变化，而在和区时，信号输出保持最大值或最小值，即信号输出是非线性的。 =(360-)/2 假设：信号输出为 05v =90 则：=135 在区，vout=05v，在区，vout=0v，在区，vout=5v，在和区交界处信号输出会发生阶跃变化，即从 0v 到 5v 或 5v 到 0v 跳变。 图3-2 角度区域3.4 控制系统电路的设计3.4.1 设计sepic电路图3-3 sepic变换器结构目前，车载电源（蓄电池组）一般为12v或者24v供电系统（少数新型汽车为42v电源），因此为得到合适的输出电压，选择能够升降压的sepic电路，作为gmm线圈的电源。下面对sepic电路