1、摘 要線控制動系統（bbw）也被稱為電子控制制動系統，按能量的來源不同可分為機械式線控制動系統和液壓式線控制動系統兩種。bbw技術是當今汽車界研究的熱點。現如今，汽車零件在結構方面的創新空間有限。創新點主要在電子方面，用電子技術取代機械功能。線控制動技術就是使制動結構更簡單，制動效果更好。線控制動系統的核心是控制系統，控制系統接收信號，通過分析后發出適當的信號。本文研究的是使用gmm新型材料從而實現制動系統的功能。創新點是在h型機構上使用gmm材料，用單片機控制整個系統。整套系統不存在各種管路，因此非常環保，制動效率高。全文共分四章各章主要內容如下：第一章論述當今汽車線控制動的研究現狀與發展趨

2、勢以及課題研究的意義。第二章論述gmm國內外研究現狀，磁致伸縮原理，壓力和磁場對材料尺寸的影響；如何選取gmm棒的尺寸；磁感線圈長度、內外徑確定；導線直徑、匝數、厚度的確定；漆包線尺寸的選取。第三章簡要介紹控制系統，keil uvision3軟件。sepic電路設計和硬件電路設計以及控制程序的編寫。第四章主要是總結工作成果以及今后工作展望。關鍵詞：線控制動 gmm材料 控制系統 控制程序abstractbrake-by-wire (bbw) also known as electronic control brake system, according to the different ene

3、rgy 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

4、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 usin

5、g 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 t

6、he 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

7、 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 cont

8、rol program.the fourth chapter mainly summarizes the work and the prospect of future work.keywords:bbw; gmm materials; control system ; control procedure目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 汽車線控制動系統概述與發展趨勢11.1.1 汽車線控制動系統概述11.1.2 汽車線控制動系統發展趨勢21.2 課題研究的意義及研究內容21.2.1 課題研究意義21.2.2 課題研究內容31.3 線控制動系統的研究現狀3第二章 基于gm

9、m新型線控制動系統執行機構設計62.1 線控制動執行機構的組成部分62.2 gmm的概述62.3 gmm的研究現狀72.3.1 gmm國外研究現狀72.3.2 gmm國內研究現狀82.4 gmm棒的選取82.4.1 磁致伸縮的原理82.4.2 壓力和磁場對磁致伸縮的影響92.4.3 超磁致伸縮致動器靜態模型102.4.4 計算稀土超磁致伸縮棒的尺寸122.5 h型柔順機構的介紹132.6 磁感線圈的設計142.6.1 確定線圈的長度和內、外徑142.6.2 計算線圈導線直徑142.6.3 估算線圈厚度和總匝數142.6.4 選取漆包線尺寸152.7 線控制動執行機構的實物圖片16第三章 線控制

10、動控制系統研究183.1 控制系統概述183.2 keil uvision3軟件介紹183.3 控制系統的組成部分193.3.1 選取單片機193.3.2 選取角位移傳感器203.4 控制系統電路的設計233.4.1 設計sepic電路233.4.2 設計控制系統的硬件電路283.5 控制程序的編寫293.6 控制系統實物圖片40第四章 總結與展望414.1 總結414.2 展望41參考文獻42致 謝44iii南昌工程學院本科畢業設計第一章 緒論1.1 汽車線控制動系統概述與發展趨勢1.1.1 汽車線控制動系統概述早期的制動系統是一組簡單的機械裝置，駕駛員通過向制動器作用力從而使車停下來。20

11、世紀70年代后期 制動系統開始朝電子化方面發展。20世紀80年代，防抱死制動系統(abs)首次運用在汽車制動方面極大地提高了汽車的主動安全性從而使這種技術很快得到了廣泛的應用和推廣。到了90年代制動系統有循跡控制和側傾穩定性控制的功能，abs原理是控制汽車車輪的滑移率合理和充分利用路面附著系數從而可以獲得較短的制動距離,改善制動時的方向穩定性。隨后abs升級為asr（加速驅動防滑系統），asr的功能是當汽車驅動輪在加速時防止其打滑。abs的出現是因為它是在極端條件下參與制動，研究者為改善汽車制動性能，因此研究出tcs。tcs最大功能是能保持行駛的車子朝正確的方向行駛。esp（電子穩定系統）的出

12、現時汽車能有主動性從而不盲目服從司機，一旦司機出現錯誤的駕駛指令時，esp能對其進行糾正。傳統制動系統傳遞力是通過空氣或制動液來實現的。由于制動系統的介質是氣體或液體,所以制動壓力傳遞比較遲緩,系統響應速率較低,為克服上述缺點,很多制動系統制造商投入大量資金進行電子化制動控制系統的研究1。隨著電子技術的發展,出現了效率更加高，更加節能的線控技術(x-by-wire)。所謂線控就是在機械，液壓或氣動的系統連接部分用傳送電子信息方式取代。線控技術不僅僅是在連接方面發生變化,而且在操縱機構和操縱方式以及執行機構方面都發生變化,線控技術在汽車領域的廣泛應用將使汽車結構發生翻天覆地的變化。目前線控技術在

13、汽車上得到了廣泛的應用,如線控轉向線控油門等，結合線控技術和汽車制動技術而成的線控制動(brake-by-wire,bbw)是全新的研究領域,它是把傳統液壓或氣壓制動執行元件改為電驅動元件,由于電驅動系統擁有可控性好!響應速度快等優點,線控制動系統在今后研究中占據主導地位。線控制動系統(bbw) 和傳統的汽車機械式制動系統不同，它是集合abs，車輛穩定性控制，牽引力控制等制動系統優點。bbw的特點是:（1）部分機械器件被電子元件所代替，（2）制動踏板到制動器之間動力傳遞用電線取代,（3）在ecu中設計編寫相應的程序控制其功能。bbw對汽車制動技術進一步提升有及其重大的影響。傳統的制動系統通常由

14、4個部分組成：供能系統，傳動系統，控制系統，制動器。4個部分都己經不同程度地實現了電子化。人是整個控制系統的控制者,整個過程先是輸出控制信號，然后啟動制動系統，最后發出制動意圖。制動能源是由蓄電池或其他裝置來提供。bbw采用先進的電子制動器和ecu進行整體控制,在每個制動器上都有控制單元對其進行控制。目前,線控制動系統依據提供能源裝置的不同可分為兩種類型：一種是eleetro-hydraulic-brake（電液制動系統）；另一種是eleetro-meehanieal-brake（電子機械制動系統）。ehb是在電子系統與傳統液壓系統基礎上形成的制動系統。ehb的柔性控制來源于電子系統, 而制動

15、力的產生來源于液壓系統。emb系統內沒有液壓管路因為其制動能量來源于電能。傳統制動系統中的傳力介質（液壓油或空氣等）由電能取代。從目前線控制動的發展趨勢來看, 未來線控制動系統的主要發展方向是emb。 1.1.2 汽車線控制動系統發展趨勢線控制動系統特別是ehb在汽車領域得到較為廣泛應用。bbw技術在工業車輛領域上被采用解決了傳統制動的幾大缺點（1制動滯后時間長，2需另外附加氣動系統，3結構復雜，4易造成環境污染等）。線控制動系統在各種復雜情況下保證車輛安全行駛，并且系統附加柔性控制,從而形成更加完善的制動系統。線控制動要想有長遠發展，需克服一些關鍵技術。這將是今后研究方向，例如：1，盤式制動

16、一般需1km能量因此需解決能量需求；2，完全取消了液壓元件的系統，沒有后備系統，就必須提高容錯系統的安全性；3，系統使用h型執行器，就要求執行器質量輕，耐磨；4，系統的抗干擾能力需提高，因為車輛在行駛過程中會出現許多干擾信號。在車輛模塊化，集成化，車輛能源的高壓化的趨勢下，車輛制動系統也朝著電子化方面發展，許多汽車零件商進行了電子制動方面的研究，以便推出新產品迅速占領市場2。傳統制動系統將被電子制動系統所取代，而使用新型材料實現電子制動將是以后制動研究的創新點。1.2 課題研究的意義及研究內容1.2.1 課題研究意義自19世紀汽車誕生以來，汽車在人們生產生活中所處地位越來越重要，人們對汽車的要

17、求越來越高從最初汽車能驅動到如今外觀性，舒適性，安全性等各項指標的提高。人們在選購汽車時，會從多方面考量，但最重要的考量指標是汽車安全性。人們對汽車安全性的考量是不無道理的，據權威數據顯示2011年，中國發生交通事故210812起，死亡62387人，這些數據使人觸目驚心，之所以交通事故發生率居高不下，其中最主要因素出現在汽車制動性上，這其中有80%是因為車輛制動性能不好引起的。現代汽車在安全性研究方面資金投入是很巨大的，而其中制動性能研究占很大部分。現代汽車制動系統的構成部分主要有五個，它們分別是：1，供能裝置；2，控制裝置；3，傳動裝置；4，制動器；5，制動力調節裝置和報警裝置。汽車制動系統

18、是汽車上用以使外界在汽車某些部分施加一定的力，從而對其進行一定程度的強制制動的一系列專門裝置。制動系統的作用是按照駕駛員意圖使汽車減速甚至停車。使汽車減速的只能是外加力而這些外力是不可控制的，因此必須有一套專門裝置以實現人為控制。傳統的制動系統按照制動能量的傳遞方式分類可分為機械式，液壓式，氣壓式。傳統的制動系統部件多，機構復雜，閥類多，傳遞速度較慢，效率低且污染環境。隨著汽車行業的飛速發展，汽車制動系統工作的可靠性顯得十分重要，那些制動性能好，制動系統工作可靠的汽車才會受人們青睞，為了滿足實現以上要求，開發出基于gmm的新型線控制動系統，此套系統完全無液壓管路,也無閥類,電線傳遞信號,其工作

19、原理是:當踩下腳踏板時,角位移傳感器收集角度信號發出電信號傳遞給中央控制單元,中央控制單元分析信號從而發出適當電信號傳遞給磁場繞組,磁場繞組中有gmm材料棒，該材料受磁場影響形狀會發生變化從而實現制動。此套系統實現后能體現許多優點：省力，安全，便利，響應速度快，維護費用低，拓展功能強大。而要實現以上優點，最主要部分是其控制系統的實現，也就是ecu的編程，它相當于人的大腦，此功能的實現使制動更加人性化。1.2.2 課題研究內容此次研究內容主要涉及以下幾方面（1）gmm材料的尺寸與磁場，壓力關系。（2）h型執行機構尺寸的研究。（3）線控制動的研究以及控制程序的編寫，（4）整體布置的研究。1.3 線

20、控制動系統的研究現狀線控（by-wire）系統是用效率高的電子化系統來替代效率低的機械式系統或者液壓系統。線控技術在航空領域的運用已有數十年的歷史。線控駕駛技術在汽車工業領域的出現主要是借鑒了航空領域的線控飛行技術，主要包括線控油門（ throttle-by-wire ）技術、線控換擋（shift-by-wire）技術、線控轉向（steer-by-wire）技術和線控制動（brake-by-wire）技術等2。正因線控技術在飛機上的成功應用，線控技術在汽車運用方面將大大提高汽車的性能。在第 71 屆日內瓦國際車展上，意大利 bertone 公司展示了新型概念車 filo該車采用 drive-b

21、y-wire技術，駕駛員只需操作儀表盤上的屏幕，屏幕感測到后并以電子信號傳遞到各部件，該車就能完成一切的駕駛動作4。要實現線控油門的功能相對其他來說較容易，因此在20世紀90年代就已經可以批量生產。線控轉向和線控制動對安全性和可靠性的要求及其苛刻，系統也很復雜，因此這兩項技術還在研究當中。自上世紀90年代起，一些汽車零件廠商開始對emb技術著手研究，20世紀90年代bosach,siemens和continental teves等3家公司取得emb技術研究成果。而emb系統只是在實驗階段，并沒有投入市場，如2002 acura bn-x概念車。2002年福特汽車公司研發的focus fev制動

22、系統使用的是非直接機械方式連接的線控制。2004年5月21日，澳大利亞的pbr inrerational limited公司宣稱開發出首款屬于澳大利亞人自己的線控制動汽車。德國大陸公司與達姆施塔特科技大學（darmstadt university of technology）進行合作共同研究了emb技術，并進行了一系列試驗；美國 trw 公司則在電子駐車制動系統方面進行研究并取得一定成果，其系統已應用在奧迪 a6l上5。通用汽車公司與 pbr公司合作共同開發出裝有 emb 的概念汽車 sequel6。如圖 1-1 所示。圖 1-1通用汽車公司開發的裝有 emb 的概念汽車 sequel我國對線

23、控制動的研究尚處于起步階段，一些大企業和高校對此也進行了研究，一汽，清華大學和南京航空航天大學在此領域處于領先地位。相關論文的發表就比較多。廣州機械研究院的黃淵芳，南京航空航天大學的翁建生，金智林共同發表了電子機械制動系統（emb）結構與性能分析為題的論文，該論文闡述emb的結構和性能及以后發展方向。東北大學的張成利就以汽車線控制動系統及其控制算法與仿真作為碩士論文研究課題，湖南大學的黃源以線控制動系統制動力分配策略研究作為碩士論文研究題目。第二章 基于gmm新型線控制動系統執行機構設計2.1 線控制動執行機構的組成部分線控制動可分為兩種：ehb和emb。此次設計的類型屬于emb。它工作原理是

24、;當踩制動踏板時，制動踏板的角度發生變化，制動踏板上裝有角位移傳感器，角位移傳感器將角度變化的值轉化為電壓信號，此信號通過電線傳給模數轉換器，模數轉換器將電壓信號轉化為數字信號傳遞給單片機，單片機經過計算分析發出適當的脈寬頻率改變其占空比。電流通過電線傳給線圈，線圈產生磁場，gmm棒在磁場作用下尺寸發生變化從而產生力，力通過h型柔性機構傳給剎車盤從而使汽車減速。執行機構主要包括以下幾部分：線圈，gmm棒，h型柔性機構。2.2 gmm的概述鐵磁性晶體在外磁場中被磁化時,其長度會沿著磁化方向發生微量的伸長或縮短，這種現象稱為磁致伸縮。早在1842年,焦耳就發現了鎳(ni)的磁致伸縮效應，因此這種效

25、應也成為焦耳效應。由于鎳的應變量與熱膨脹系數差不多,因此它只能在超聲波換能器方面得到利用。20世紀60年代初, clark 、legvoid、rhyne等人發現重稀土元素tb和dy磁致伸縮系數達8x10，這次測量是在4.2k的低溫下測出的，因此這種現象被稱為超磁致伸縮現象7。但該現象僅在低溫下才存在,因而這種現象不會在常溫下出現。60年代末到70年代初, 二元稀土鐵合金這種合金具有立方萊夫斯(laves)相結構，其在室溫下也表現出很大的磁致伸縮值是美國水面武器研究中心的clark發現的。1972年,clark等為實現材料有較大的磁致伸縮位移值，撰寫論文提出用rfe和rfe兩種化合物組成補償性贗

26、二元化合物, 這樣做的結果是可以使超磁致伸縮材料的實用性大大提高。從70年代中期開始,各國研究者都在研究不同材料成分對磁致伸縮效應的影響，同時也在探索如何改變超磁致伸縮材料的制備工藝,其目的是實現其實用化、產品化。現如今,磁致伸縮材料根據成分的不同大體上可分為以下幾類: ( 1) 重稀土金屬合金，( 2) 過渡金屬及其合金， ( 3 ) 稀土與過渡金屬間化合物，( 4) 錒系金屬化合物8。 其中研制開發最為成功的磁致伸縮材料是以稀土與過渡金屬化合物做成的, 因為此種材料的伸縮系數是傳統材料的近百倍, 所以被稱為稀土超磁致伸縮材料。2.3 gmm的研究現狀2.3.1 gmm國外研究現狀 自從在常

27、溫下發現gmm 的特性，科技界，工業界十分關注如何良好應用的g mm特性。最近幾年，國內外研究者在使用gmm材料研制實用器件方面非常熱。gmm主要運用領域可分為以下兩方面：（1）在檢測領域中的研究，應用gmm在磁場的作用下會產生磁致伸縮效應，這是gmm的正效應，利用這種效應可以制作出檢測電流、磁場、應變等各種元器件9。美國依阿華大學的研究者r 、chung等利用gmm開發出一種檢測磁場強度裝置。日本東芝公司msahashi 等經過研究發明了接觸型扭矩傳感器，它是用磁致伸縮薄膜制作的。mts系統公司是在磁致伸縮位移測量領域技術的開拓者，其生產的磁致伸縮線性位移傳感器和液位計，在工業領域得到廣泛運

28、用。（2）在磁電一機械換能器領域中的應用gmm的磁電一機械換能器具有如下優點：大位移、響應快、可靠性高、驅動電壓低。因而此種換能器在微馬達、超精密加工、振動控制以及流體機械等各種工程領域顯示出良好的應用前景。1，在超精密加工領域中的應用gmm驅動器件輸出位移量是傳統壓電致動元件輸出位移量的數十倍 ，并且可以在低阻抗運行。日本茨城大學的研究者江田弘和東芝公司的 kobayashi合作設計的超磁致伸縮致動器，經實驗驗證其定位精度達到納米級，因此此種致動器在大型光學金剛石車床的微進給裝置中得到應用10。2，在微型馬達中的應用fclaeyssen利用terfeno1-d棒成功研制出一種尺蠖式馬達。當馬

29、達線圈中通人電流并且位置發生變化時，會出現的現象是超磁致伸縮棒會產生交替伸縮現象，從而像蟲子一樣蠕動前進。美國的研究者jm.vranish等利用gmm的蠕動原理，設計出轉動式步進電機。3，在振動控制領域中的研究 日本的研究者k、o h mate k設計了三連桿臂型半主動振動控制裝置，這種裝置可減緩由地震、強風等產生的振動。美國的研究者m、a njanappa 等第一次計算出超磁致伸縮致動器基本數學模型，其是在考慮熱效應的條件下得出,這一成果的出現是他們在原有基礎上進行改進。4，在流體機械領域中的應用 目前，各種閥門、燃油噴射系統和微型泵都用到超磁致伸縮磁電機械換能器。日本用terfenol-d

30、制成了微型隔膜泵，瑞典ab公司用terfenol-d為驅動元件設計了流體泵。英國san te chnology公司的研究員a、d、bushko，和j、h, goldie用terfenol-d棒制成了微型高壓隔膜泵。2.3.2 gmm國內研究現狀我國在gmm運用領域的研究起步時間較晚于西方國家。2 0世紀8 0代中期，北京鋼鐵研究總院對稀土超磁致伸縮材料進行研究是國內第一家。此后，國內其它單也在這一領域研究，主要包括中科院沈陽金屬研究所、中國科學院北京物理研究所 、冶金部包頭稀土研究院、蘭州天星公司。在一些高校中也進行相關的研究例如浙江大學、大連理工大學、北京科技大學等。七一五研究所在多邊形水聲

31、換能器方面進行了的研究。中國科學院聲學研究所和冶金部鋼鐵研究總院使用國產超磁致伸縮材料制做出了功率較大，頻率較低的聲納。甘肅天星稀土功能材料有限公司研制出磁致伸縮系數較大的材料，并利用此材料制作出智能振動實效裝置設備11。2002年，大連理工大學的楊興、賈振元研究超磁致伸縮微位移執行器，這種執行器具有感知位移功能12。2005年，浙江大學唐志峰在超磁致伸縮執行器的基礎理論方面進行論述與實驗研究13。清華大學的李翠紅等設計了一種蠕動機構，是利用超磁致伸縮微驅動器14。2008年，杭州電子科技大學的孟愛華等在脈沖噴射開關閥進行研究，其動力源是超磁致伸縮執行器15。2.4 gmm棒的選取2.4.1

32、磁致伸縮的原理磁致伸縮是鐵磁材料在外加磁場被磁化時產生晶格變形的宏觀表現,。鐵磁質在量子交換力的作用下發生自發磁化,內部形成一個個小的“自發磁化區”,稱為磁疇。每個磁疇內均存在磁矩, 磁矩的取向一般為所有“最易磁化方向”中的某一個；在未被極化時,鐵磁質中各磁疇內的自發磁化方向不同,其統計平均磁矩值為零,因而在宏觀上不呈現磁性16。它的形成原因如下圖所示：圖2-1 不同磁場下磁矩變化情況(h:平均磁化磁場強度;hs:外磁場強度)當存在外加磁場時,各個磁疇的磁化強度方向將發生改變。首先是磁疇間的邊界發生移動，當外磁場強度加大時,磁疇內的磁矩逐漸旋轉到與外磁場方向一致。如果外磁場強度繼續加大,鐵磁質

33、內的磁化強度也基本上不再增加。外磁場存在時,大量磁疇的磁化方向和外磁場方向趨同,同時晶格會發生變形,宏觀上即表現為磁致伸縮現象。2.4.2 壓力和磁場對磁致伸縮的影響gmm的主要參數有: 彈性模量e、磁致伸縮系數、磁導率、動態磁致伸縮系數d、逆動態磁致伸縮系數和機電耦合系數k等17。gmm內部磁能與機械能(彈性能)相互轉換的效率用系數k用來衡量,它們分別由下述各式給出： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4） （2-5） 式中, l:長度改變量;l:原始長度;:應力;h:磁場強度;b:磁感應強度。圖2-2是磁致伸縮系數隨驅動磁場強度h在不同壓應力下terfenol-d的軸向變化曲線。在

34、圖中可得出:當預壓應力大小處于7-14mpa范圍內, 曲線族都有較大的線性區。圖2-2 不同壓應力下h曲線2.4.3 超磁致伸縮致動器靜態模型超磁致伸縮致動器的靜態模型主要包括兩部分：靜態位移輸出特性和力輸出特性18。超磁致伸縮致動器的力輸出特性、靜態位移輸出特性與致動器結構尺寸、gmm特性參數、內應力狀態、勵磁電流等直接相關。超磁致伸縮致動器的位移輸出特性是指致動器輸入的電流與輸出的位移的關系，當邊界條件和自變量不同時,磁致伸縮本構方程將會存在不同的形式,由于此次設計的致動器利用的是gmm棒的軸向磁致伸縮效應,因此只需考慮其軸向磁致伸縮本構方程19。則gmm棒軸向的磁致伸縮本構方程為： （2

35、-6） （2-7）式中 ：磁場恒定時的縱向柔度系數； ：軸向應變；：軸向動態磁致伸縮系數；：軸向應力；：熱膨脹系數；：平均驅動磁場強度；：壓應力恒定時的磁導率；：磁感應強度；：溫升；據磁通連續性原理有下公式: （2-8）由安培環路定律可得出: = （2-9）在一段不分支的磁路中,如果處材料相同、橫截面積相等,則磁感應強度也處處相等20。于是由磁通和磁阻的定義得出: （2-10）結合上式：將主勵磁線圈的總安匝數ni代入式(2-10)即可算出其激勵場強: （2-11）總的平均驅動磁場強度是主激勵磁場強度和偏置場強度的疊加得出以下等式: （2-12）將求得的相應的超磁致伸縮材料特性參數和平均驅動磁場

36、強度代入式(2-1)可得驅動棒的軸向應變: （2-13）于是可得出超磁致伸縮致動器的靜態輸入電流與輸出位移關系式。 （2-14）由式(2-14)可得到驅動棒內的應力: （2-15）于是,超磁致伸縮致動器的輸出力f為: （2-16）由上式可以看出:輸出力f的大小與稀土超磁致伸縮棒的應變大小有關;當l為0時,其可能輸出最大力為: （2-17）上式得出的結果是超磁致伸縮致動器的輸出力與輸入電流間的靜態關系。2.4.4 計算稀土超磁致伸縮棒的尺寸對于中、低頻致動器,超磁致伸縮棒的伸長量等于其設計的最大輸出位移。則超磁致伸縮棒的計度: （2-18）將根據所選超磁致伸縮棒的尺寸規格進行取整整即得，設計長度

37、所選的應大于等于;超磁致伸縮棒的直徑d與最大輸出力f滿足以下關系: （2-19）式中,e為超磁致伸縮棒的彈性模量。因為目前國內尚沒有統一稀土超磁致伸縮材料的尺寸規格標準,所以各生產單位通常根據用戶要求進行各種尺寸的加工21。國內gmm產品主要性能指標(磁致伸縮系數、磁機耦合系數)均接近國外產品，而價格僅是國外公司的20-30%，所以選擇國內gmm產品更符合技術經濟性原則。下表是各公司生產的gmm材料參數。表2-1 各公司gmm參數參數甘肅天星臺州椒光有研稀土磁致伸縮率（10-6）1 000 (80koe,10mpa)8001 200 (0.5koe,10mpa)1 500(3koe,10mpa

38、)楊氏模量1010n/m22.5 6.52.5-4.06.5抗拉強度mpa2525抗壓強度mpa260 250熱膨脹系數10-6/8 12812居里溫度380380380磁機耦合系數0.65 0.750.70.90.60.75聲速m/s1 700 2 6001 7002 7001 6002 500能量密度kj/m314 251425電阻率10-8.m(60 130)6060140相對磁導率3 1540100315比熱kj/kg.k0.350.35作品選用甘肅天星稀土功能材料有限公司提供的gmm棒，幾何參數為2050mm。2.5 h型柔順機構的介紹設計使用的力傳遞裝置是h型柔順機構，機構的一端裝

39、有gmm棒，另一端裝有制動片，當gmm棒受磁場影響尺寸發生變化時，會由gmm棒軸向產生力。此力沿著h型機構傳遞到制動片，在裝有gmm棒的一端也裝有一個回復彈簧。它的作用是：gmm棒尺寸變小時，以產生一回復里使h型機構恢復原狀。因為此機構要具有柔順，因此制作此機構的材料是鋼。經過進一步查閱相關資料和計算，此機構尺寸比是1:3，也即gmm棒中點與鉸接點的距離和制動片中點與鉸接點距離比為1:3，這種設計可使位移放大3倍。2.6 磁感線圈的設計2.6.1 確定線圈的長度和內、外徑根據h型柔順機構與線圈骨架，線圈長度為39mm。線圈的內半徑r為: （2-20）gmm棒的半徑為10mm，考慮到線圈骨架的影

40、響，線圈內徑為16.05mm線圈的外半徑r為: （2-21）經計算線圈外徑為38mm上述兩式中,e:線圈骨架厚度;e:絕緣材料厚度2.6.2 計算線圈導線直徑實際工作中，線圈的電流密度有一定的要求，各種工作制下電流密度j取值如下22：長期工作制： j=2a/mm反復短時工作制： j=512a/mm短時工作制： j=1330a/mm本次設計的線圈按長期工作制取值。線圈導線裸線直徑可由下式得到: （2-22）式中，j:電流密度; i:工作電流若在線規表上找不到導線規格,則從表中選取裸線直徑略大于并和導線的計算結果最接近,然后可查得其相應的外徑d為0.89mm。2.6.3 估算線圈厚度和總匝數將線圈

41、導線的外徑d;線圈的排繞系數k帶入下式可得線圈單位長度上的匝數: （2-23）將線圈的疊繞系數k;線圈導線的外徑d帶入下式可得線圈單位高度上的層數: （2-24）不同的導線直徑線圈的排繞系數和疊繞系數如下表所示23。表2-2 不同導線直徑線圈排繞和疊繞系數線徑d（mm）排繞系數kl疊繞系數kr0.51.11.150.50.81.051.151.22.41.051.20線圈的厚度為: （2-25）式中,h:線圈中心的激勵磁場強度;i:所選取的主線圈激磁電流。經計算線圈厚度e為24.95mm。于是線圈的總匝數n為: （2-26）經計算n=857匝。2.6.4 選取漆包線尺寸查了常用的漆包線規格尺寸

42、，選取線徑為1.1mm ，它的主要參數如表所示：表2-3 漆包線系數導線直徑d（mm）漆包線最大外徑dm（mm）單位長度電阻rl（/m）1.11.120.0324可以計算出驅動線圈電阻為15。2.7 線控制動執行機構的實物圖片此次設計的執行機構主要有以下一些圖片圖2-3 機構外部圖2-4 gmm棒與線圈包裹形式圖2-5 執行機構外部第三章 線控制動控制系統研究3.1 控制系統概述控制系統具有管理自身目標和功能的系統是由控制主體，制客體和控制媒體組成的。控制系統意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構或其他設備內任何感 興趣或可變的量。控制系統同時是使被控制對象達到某種預定的理想狀態

43、而實施，控制系統控制某種需要的穩定狀態對象。按控制形式的不同，自動控制可分為開環控制和閉環控制。（1） 開環控制系統在開環控制系統中系統輸入控制輸出，抑制干擾的特性和控制精度都比較差。開環控制系統中的順序控制是按時序進行邏輯控制的，它由下元件組成：被控工業對象、順序控制裝置、檢測元件、執行機構。主要在機械、化工、物料裝卸運輸的領域中應用。（2） 閉環控制系統在反饋原理基礎上建立的閉環控制系統是利用輸出量同期望值的偏差來對系統進行控制，相對來說可獲得比較好的控制性能。閉環控制系統又稱為反饋系統。整套系統功能要想實現，關鍵的技術在于其控制系統，控制系統可被認為其心臟。此次設計系統的主要部件包括：角

44、位移傳感器，atmega81。對單片機進行編程控制可實現其控制要求。3.2 keil uvision3軟件介紹keil uvision3是keilsoftware公司推出的用于程序調試的軟件。其在多種51系列單片機的集成開發環境中運用。keil uvision3具有以下4個功能：源代碼編輯、功能導航器編輯、模板編輯以及配置向導功能，加速了啟動代碼和配置文件的生成24。目標mcu、指令集、片上外圍設備及外部信號可在其內置的仿真器進行模擬。uvision3提供的邏輯分析器作用是監控基于mcui/o引腳和外設狀態變化下的程序變量。keiluvision3 生成目標代碼速度快，生成的匯編語言代碼也很緊

45、湊，容易理解。3.3 控制系統的組成部分3.3.1 選取單片機單片機常用英文字母mcu表示，單片機又稱單片微控制器，它相當于一個計算機系統。單片機四部分組成：控制器，運算器，存儲器，輸入輸出設備，它相當于一個微型的計算機（最小系統）。單片機缺少了外圍設備，單片機的體積小、質量輕、價格便宜。概括的講一塊芯片就好比一臺計算機。atmega8 是atmel公司在2002年第一季度推出的一款新型avr高檔單片機。在avr家族中，atmega8是一種非常特殊的單片機，它的芯片內部集成了較大容量的存儲器和硬件接口電路，具備avr高檔單片機mege系列的全部性能和特點。下圖是atmega8引腳圖。這中單片機

46、價格也便宜，性能指標也高。 圖3-1 atmega8引腳圖atmega8的主要指數如下：表3-1 atmega8相關指數參數數值單時鐘周期指令130條8位通用寄存器32個flash程序存儲器8k字節e2prom512個字節內部sram1k字節異步實時時鐘（rtc）里面具有獨立振蕩器1個續表3-1pwm通道3個a/d轉換8通道i/o口23個工作電壓2.7v-5.5v運行速度o-8mhz功耗：正常模式是3.6ma空閑模式是1.0ma 掉電模式是0.5ua3.3.2 選取角位移傳感器角位移傳感器是把角度測量出的值轉換成其他物理量的測量值,它采用非接觸式設計，與傳統的角位移測量儀具有同步分析器和電位計

47、功能其它相比，有效地提高了長期使用的可靠性。角位移傳感器原理：有以下三種情況：(1) 變阻器式角位移傳感器是將角度的變化量變為電阻的變化量；(2) 電容式角位移傳感器是將角度變化量變為電容面積變化量；(3) 磁阻式角位移傳感器是將角度變化量量變為感應電動勢變化量。根據各項技術要求，最終選用世紀銘創公司型號為mcjsv05a的角位移傳感器。mcjsv05概述:mcjsv05 系列角度傳感器，通過感應安裝在傳感器轉軸一端的永久性磁鐵的平行磁場強度，測量出傳感器轉軸的絕對角度位置。 測量角度范圍根據用戶需求可在0360范圍內設定。輸出電壓信號 05v，輸出電壓信號具有瞬態電壓保護。供電電壓 8v28

48、v，具有反向保護。采用非接觸測量角度的方式使傳感器的耐用性取決于傳感器軸承。該型角度傳感器使用優質軸承，保證了傳感器長期可靠使用。該特點使其成為替代接觸式角度傳感器，如導電塑料的絕佳產品。 該系列角度傳感器具有較小的測量誤差(0.3)和很小的電壓信號溫漂(mcjsv05b,5mv)。特性 測量范圍： 0360 信號輸出： 05v 極低溫漂： mcjsv05a ：14mv(最大) mcjsv05b ：5mv(最大) 供電范圍： 8v28v 反向保護： 40v(max) 溫度范圍： -40+85(特殊) 防護等級：ip66技術規格表3-2 mcjsv05技術規格參數mcjsv05a單位測試條件/注

49、釋輸出信號 噪聲tvs 保護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溫度漂移(3)14mv-40+85響應時間600us測量范圍0 360deg電源要求 vcc icc 反向保護(5)8 28 11 40vmavta= 25vcc=24v使用溫度 存儲溫度-25 80 -40 85 -40 125標準 工業防護等級ip 66分辨率及精度 mcjsv05系列傳感器角度分辨率為0.022。為抑制傳感器敏感芯片采樣時的噪聲，傳感器使用滯回濾波器，滯回值為0.044，即角度變化量

50、超過 0.044時輸出才會更新。角度測量范圍越小，精度越高。響應時間 mcjsv05 系列角度傳感器采樣時間典型為 600s，即輸出更新間隔約 600s。快速模式下采樣時間可達 200s，但傳感器功耗相應增大。根據需求可做相應的參數設置。溫漂 不同的溫度環境下，傳感器輸出信號隨溫度的變化，影響傳感器測量精度。在 -25+80范圍內，mcjsv05a 電壓信號溫度漂移分別為14mv，mcjsv05b 具有更小的溫漂，為5mv。角度測量范圍 mcjsv05 系列角度傳感器測量角度滿量程為 360。根據客戶的需求，測量范圍可設定為 090、0180、0270或其他角度范圍。角度測量范圍與測量精度的關

51、系詳見“技術規格”部分。不同的角度測量范圍，對應的電壓輸出信號是一樣的，即05v。 角度測量范圍小于 360時，角度區域分割成如圖 7所示的 3 部分：、。為測量角度范圍，該區域信號輸出隨角度線性變化，而在和區時，信號輸出保持最大值或最小值，即信號輸出是非線性的。 =(360-)/2 假設：信號輸出為 05v =90 則：=135 在區，vout=05v，在區，vout=0v，在區，vout=5v，在和區交界處信號輸出會發生階躍變化，即從 0v 到 5v 或 5v 到 0v 跳變。 圖3-2 角度區域3.4 控制系統電路的設計3.4.1 設計sepic電路圖3-3 sepic變換器結構目前，車載電源（蓄電池組）一般為12v或者24v供電系統（少數新型汽車為42v電源），因此為得到合適的輸出電壓，選擇能夠升降壓的sepic電路，作為gmm線圈的電源。下面對sepic電路