基于Labview的汽车制动阀测试系统设计

王磊

(安康学院 电子与信息工程学院， 安康 725000)

0 引言

汽车制动系统是汽车行驶安全的重要保证，随着汽车产业的不断发展，车速和车流密度持续提高，汽车制动系统的工作可靠性变得越来越重要。汽车要安全行驶必须有性能可靠的制动系统作为保障。因此，制动系统作为汽车的重要组成部分，对汽车制动系统的结构分析与检测也就显得尤为重要了[1-3]。

汽车制动系统有液压制动系统和气压制动系统之分，其中气压制动系统的整个系统全部采用气压式操作，对系统的阀门和管路的气密性要求很高。汽车气压制动系统最初采用单回路设计，但是一旦有阀门漏气或者某一处管路漏气，都会导致整个制动系统故障，工作安全性无法保证。为了消除这一缺陷，目前的气压制动系统多使用双回路设计，制动系统有两条独立的制动回路构成，如意外导致其中一条制动回路不能正常工作，双回路设计可以保证另外一条回路不受影响继续完成制动功能[4-5]。

气制动阀是气压制动系统的主要设备，根据气制动阀的气阀腔室排列不同，双腔式气制动阀可以分为并联式和串联式两种，其中的串联式制动阀，其被广泛应用在大型客车和大型载重汽车等车型中[6]。

本文以双腔串联式气制动阀作为检测对象，按照参数要求设计了一套气制动阀直线伺服加载装置，能够模拟出驾驶员缓慢连续踩脚踏板的制动过程，并同时以Labview为开发平台，实现了运动控制、数据采集等功能，建立完成了汽车制动阀的性能测试系统。

1 系统分析

气制动阀作为气压制动系统的重要设备，主要用来在产生制动作用，同时让驾驶员感受到相应的踏板感。在输入压力不变的时候，制动阀的输出压力与驾驶员对制动施加踏板的压力和踏板运动的距离具有递增的函数关系。气制动阀的输出压力既可以直接输入到气制动室给制动系统提供动力，也可以作为控制信号去控制其他装置。双腔式气制动阀根据气阀腔室的排列分为并联式和串联式两种，其中广泛使用的串联式制动阀，其基本结构如图1所示。

双腔串联式气制动阀的内部结构由上阀体、上腔回位弹簧、橡胶平衡弹簧、上腔阀杆、上腔活塞、上腔阀杆回位弹簧、上腔活塞回位弹簧、下阀体、下腔阀杆、下腔活塞、下腔阀杆回位弹簧、橡胶底座、密封橡胶圈和C型卡簧等零件组成，M21和M22分别是上腔和下腔的出气口，M11和M12分别是上腔和下腔进气口，M3为排气口，这样设计优势是当其中一个腔体失效不能工作时，另一个腔体任然能够产生正常工作，产生制动力[7]。

根据测试要求，系统由静态加载系统和数据采集系统两大模块构成，系统总体硬件构成框图，如图2所示。

图1 串联双腔式气制动阀结构

图2 系统总体硬件框图

2 硬件设计

根据系统功能划分，硬件设计包括静态加载系统设计和数据采集系统设计两部分。

静态加载系统是硬件设计的核心，用来模拟驾驶员刹车过程中踩制动踏板的力的变化，这一部分设计主要以交流伺服电机为核心，运动控制卡为控制单元，电缸为加载机构模拟实现刹车过程中制动阀的受力变化。整个加载系统中伺服电机通过减速器带动滚珠丝杆做水平方向的往复运动，气制动阀自重约为1 kg，最大的推杆力约为4.5 kN，摩擦力可忽略不计。

本系统使用交流伺服电机来驱动整个加载装置。整套伺服控制系统形成闭环控制回路，驱动器对编码器的反馈信号进行采样与处理，通过内部的位置环和速度环来提高控制机精度。对交流伺服电机的选型，首先要确定减速机的减速比和滚珠丝杠的导程，然后考虑系统对伺服电机转矩、转速以及负载/电机惯量比的要求。

滚珠丝杆通过螺纹作用将伺服电机旋转运动转变为直线运动来驱动推杆前进，由滚珠循环装置、丝杠、螺母、滚珠四部分构成，因其高传动效率和动态性能、较小的摩擦力矩、传动可逆性以及运转平稳等特点，被广泛使用。制动阀的静特性测试要满足 (0.4±0.1)mm/s的移动速率，所以最小速度Vmin为0.3 mm/s，同时为了测试结束能够快速退回原位置，故最大速度Vmax为10 mm/s，且最大相对转速要达到2 r/s，根据计算以及滚珠丝杆的选用标准，选择公称导程为5 mm。因减速比要求为10，所以减速器选用VGM PG60-L1-10型双行星齿轮式减速器，其惯性矩为0.306 kg·cm2，连续出力转矩为19.6 Nm，入径轴孔径≤14 mm。通过计算确定系统选用日本富士公司的GSY40105-RC2型伺服电机及配套的RYH401F5-VV2型伺服放大器[8]。

本文选用的运动控制卡MPC08实现运动系统的控制。MPC08控制卡对运动的控制是通过PC机实现，运动控制卡插在PC机的PCI卡槽中，通过软件编程设置运动方式然后给电机的驱动器发送脉冲信号、方向信号以及位置信号等实现对电机的运动控制[9]。

数据采集系统是硬件设计的另一大模块，它是将静态加载机构模拟刹车过程中力的变化通过数据采集卡采集到PC机上，实现对刹车过程中制动阀压力变化的数据收集，从而实现对制动阀性能的检测。其中数据采集卡使用USB3100数据采集卡，该板卡提供8路单端模拟量输入，12位AIC，4路可编程I/O，1路计数器[10]。

搭建好的整体硬件平台如图3所示。

图3 硬件平台

3 软件设计

软件整体架构如图4所示。

图4 软件整体框架

测试过程为：首先进行运动控制卡初始化，初始化后控制电机前进模拟司机踩刹车的三个阶段，通过测试数据判定是否合格，然后数据输出。

本文在Labview下实现对MPC08运动控制卡库函数的调用。首先通过调用Int auto_set(void)和int init_board(void)函数对运动控制卡进行初始化。运动控制卡初始化完成后进行运动控制的设计，MPC08运动控制卡的控制功能主要取决于运动函数库，运动函数库为单轴或多轴的步进电机或伺服电机控制提供了许多运动函数：单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等，本文用的是单轴运动控制，根据运动控制要求使用以常速度移动指定距离运动类型。运动控制程序框图，如图5所示。

图5 运动程序框图

数据采集卡实现AI(Analog Input)实时连续采样的的程序流程如图6所示[11]。

图6 数据采集

数据采集的过程是：打开数据采集卡调用DEV_Create( )创建设备句柄，调用AI_InitParam()初始化AI，设置参数nSampleMode=1,参数hEvent=NULL，然后启动AI采集，调用AI_ContReadChannelsV( )读取AI数据段，采集结束后释放AI资源(AI_Release())并且释放设备句柄(DEV_Release)。数据采集程序框图，如图7所示。

本系统主要测试的是气制动阀的静特性，硬件设计部分的伺服加载机构模拟驾驶员踩刹车的过程，计算机通过运动控制卡根据设定的加载速度控制电机，通过传动机构缓慢推动推杆，使杆位移由零逐渐增至最大，记录力传感器的值的变化，通过数据采集卡将传感器采集到的模拟信号通过滤波、放大、AD转换等处理后转变为数字信号，得到输入力与位移曲线，如图8所示。

如曲线所示，汽车制动过程可明显分为三个阶段：空行程阶段、上腔制动阶段和下腔制动阶段[12]。

4 结论

本文将虚拟仪器技术引入到气制动阀性能在线检测系统的设计，以软件为核心，采用标准化的硬件模块搭建一套检测系统，不仅降低了开发难度和设计成本，提高了测试效率与精度，可进一步推广至其他制动阀类性能测试系统的研发，是一种行之有效的方案，通过扩展以后可以应用在自动检测设备上，具有很好的发展前景。

图7 数据采集程序框图

图8 气制动阀的静特性曲线

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