汽车电子学-执行器-钟再敏

目录同济大学汽车学院CollegeofAutomotive,TongjiUniversity车用执行器AutomotiveExecutors1.车用执行器概述2.常见车用执行元件特点3.机电式执行器4.液压式执行器5.气动式执行器2目录汽车电子学车用执行器AutomotiveExecutors车用执行器1.车用执行器概述2.常见车用执行元件特点3.机电式执行器4.液压式执行器5.气动式执行器3执行器是将ECU输出的电信号转换成机械运动的机构或装置。对汽车部件或总成的电子控制都是通过特定执行器实现的，执行器直接影响车用总成中的功率和能量变化过程。由于执行器涉及到汽车的具体结构，工作环境恶劣，所以要求有较高的可靠性。车用执行器概述4车用传感器概述执行器的动作往往通过辅助功率实现，按其直接动力源形式可分为电动、液动和气动三大类。汽车常用执行器的种类执行器分类图，和举例汽车常见执行器液动式气动式电动式车门离合器，制动器，喷油嘴车窗，雨刮，座椅调节5车用传感器概述执行器的指令由控制系统或驾驶员给出，执行器驱动部件根据控制指令电信号，借助辅助功率源来驱动执行器执行元件，完成能量的转换。从信息和物理组成的角度来看，一个通用的执行器的构成如下图所示。辅助功率源控制系统传感器执行器驱动元件执行元件控制指令传感信号过程对象执行器系统包括驱动元件，执行元件和辅助功率源三部分。6车用传感器概述举例1：液压操纵机构。图中的液压操纵机构系统由驱动电路，电磁阀，液压泵，液压缸和过程对象组成。在这个系统中，驱动电路和电磁阀属于电域，可以控制液体压力、流量和方向；液压油泵、油箱和蓄能罐所组成的辅助功率源为执行器提供高压油，属于液压域；液压缸是操纵系统中的执行元件，它将辅助功率源所产生的液压能转换成机械能，推动缸内的活塞运动，最后实现对机械域的过程对象的操纵。执行器(液压域)过程对象(机械域)辅助功率源VUi7目录汽车电子学车用执行器AutomotiveExecutors车用执行器1.车用执行器概述2.常见车用执行元件特点3.机电式执行器4.液压式执行器5.气动式执行器8电动执行器特点电动执行器是指在控制系统中以电为直接能源的一类执行器。电动执行器的特点是获取能源方便，动作快，信号传递速度快，且可以远距离传输信号。与其他类型执行器相比主要有如下特点：体积小质量轻，电动机可以与执行机构一体化，安装方便；1.结构简单，不需要复杂的油路或者输气管路等辅助设备；2.可靠性好，受环境因素影响较小。缺点：电动机动作与液动和气动相比不够迅速，推动力小，行程受阻时电动机堵转容易受损。9液压执行器特点液压执行器是指以高压油液为直接动力源执行器，的主要特点如下：•以矿物油作为工作介质，压缩性小，调节精度高，动作快速平稳，换向时无冲击；•输出能力大，容易实现过载保护；•与气动执行器相比体积小，功率密度大，更适合乘用车使用。缺点：主要有液压油路布置较复杂，油温的变化、油液污染都会影响到执行机构的工作，另外系统工作管路的漏油也是难以彻底解决的问题，不适合远距离传输。10气动执行器特点气动执行器是指以压缩空气为动力源的执行器。气动执行器具有结构简单，动作可靠、输出推力大等优点，由于介质是空气，往往可以直接从大气中获得，而不需要专门的储藏装置。与其他类型的执行器相比有以下优点：1.以空气为工作介质，用后可直接排到大气中，处理方便，不存在介质变质问题；2.工作环境适应性好，在强磁强振和温度变化大的恶劣环境中工作时，安全可靠性优于液压和电气机构。缺点：主要有执行器体积大，调节精度低，动作响应慢等等。因此，气动执行机构在大型工程机械中应用较为广泛。11执行器分类特点比较在车用执行器领域，电动、液动和气动执行器的特点和比较比较项目电动执行器液动执行器气动执行器结构简单复杂复杂体积小中大推力小大中响应速度较快快慢环境影响较小较大较小成本较高高低维修简单复杂复杂12目录汽车电子学车用执行器AutomotiveExecutors车用执行器1.车用执行器概述2.常见车用执行元件特点3.机电式执行器4.液压式执行器5.气动式执行器13机电式执行器•执行元件包括能量转换元件和机械执行机构两部分。能量转换元件先将电能转换为机械能，再由机械执行机构转换运动形式，再带动过程对象运动。•电动机是被广泛使用的一种将电能转换为机械能的旋转动力装置，是执行指令运动的电气执行元件。•电动执行器中较为常见的电动机主要分为直流电机和交流电机两类，直流电机中包括步进电机、直流永磁电机、直线电机等，交流电机包括三相异步电机、直流无刷电机和永磁同步电机等。•为了加大输出转矩或力，电动机的输出轴都连有减速机构，一般有蜗轮蜗杆、丝杠螺母、行星齿轮和直齿轮等。并且，这些机械机构正越来越多的与电动机整合在一起，形成一种机电一体化执行器件。14机电式执行器•电动机是被广泛使用的一种将电能转换为机械能的旋转动力装置，是执行指令运动的电气执行元件。•电动执行器中较为常见的电动机主要分为直流电机和交流电机两类，直流电机中包括步进电机、直流永磁电机、直线电机等，交流电机包括三相异步电机、直流无刷电机和永磁同步电机等。•为了加大输出转矩或力，电动机的输出轴都连有减速机构，一般有蜗轮蜗杆、丝杠螺母、行星齿轮和直齿轮等。并且，这些机械机构正越来越多的与电动机整合在一起，形成一种机电一体化执行器件。机电式执行器的组成1515•电磁式执行器1：直流电磁阀电磁力的计算公式为,机电式执行器1616机电式执行器1717机电式执行器1818•电磁式执行器2：直流电动机机电式执行器电机的静态特性可以表达为1919•电磁式执行器2：直流电动机机电式执行器电机的静态特性可以表达为zcKIKMMMKUURIUViii12020机电式执行器定义如下特征量:理想怠速(I=0)怠速(M=0)启动转矩(ω=0)进而得到机械特性曲线:或者KUa10VaMRUKM1VaVaMMMM1aoMM110URKMKV机电式执行器输入电功率输出机械功率电机工作效率IUP11aMMMMP102)()()(12VaVaaMMMMMMMMPP2222•机械特性曲线机电式执行器2323•机械特性曲线机电式执行器2424在对永磁同步电机的控制中，由德国工程师Blaschke在1971年提出矢量控制理论是目前最成熟高性能的控制技术。永磁同步电机的矢量控制就是对定子电流矢量相位和幅值的控制。通过坐标变换，将ABC三相交流量变换到d-q旋转坐标系得到转矩电流和励磁电流分量，从而实现静态解耦控制。机电式执行器-PMSM的控制ABC三相静止坐标系的模型RARBRCiAiBiCuAuBuCpψApψBpψC12300sin()00sin(2/3)00sin(4/3)AsABsBnrCsCuRpLiuRpLiuRpLiOABCnsU2525电机数学模型α-β两相静止坐标系的模型将磁场进行等效处理，并通过坐标变换矩阵，把ABC三相静止坐标系变成α-β两相静止坐标系。0sin0cosnruRpLiuRpLi111222333022ABciiiii2626电机数学模型由于电流、磁动势以及磁链在不断旋转中。三者在静止坐标系的投影都不是恒定矢量。为了方便对电机分析与控制，需要将静止坐标系下的时变量变换到两相同步旋转坐标系，从而将各时变转化为静态量。以转子或者转轴为参考坐标系建立转子同步旋转的动态坐标系，假设坐标系d轴为磁极轴线，而q轴沿逆时针方向超前d轴90°，同时d-q坐标系以转子角速度旋转。d-q两相同步旋转坐标系模型dqABCZYXdqαβθnxd-q轴坐标系与α-β坐标系转换关系cossinsincosdqiiii2727电机数学模型d-q两相同步旋转坐标系模型，d-q轴坐标系与A-B-C坐标系转换关系22coscos()cos()233223sinsin()sin()33AdBqCiiiii01dsdqndnrqdnsqquRpLLiuLRpLi2828永磁同步电机矢量控制根据d-q轴坐标系电压方程得到d-q坐标系上永磁同步电机的数学模型，可以看出，只需要给出直轴和交轴（励磁分量和转矩分量）两个静止电压便可对电机的输出转矩转速进行控制。则转矩方程为：式中、分别为d-q轴上绕组的等效电感；、为d-q轴系下的定子磁链分量；为转子永磁磁链；为电机的极对数。()[()]enddqqnrqdqdqTpiipiLLiidLqLdqnpr2929永磁同步电机矢量控制位置传感器实时检测转子磁极位置，通过对位置信号的求导，得到电机的实际转速，经过速度环控制器的处理，得到电流环q轴目标电流；电流传感器实时检测定子相电流，经过Clarke变换和Park变换后，作为电流环的负反馈，经过电流环调节器的处理，得到d、q轴电压的目标值Ud、Uq；最后通过SVPWM技术的调制，将直流母线电压转换为理想的三相交流电压UA、UB、UC，施加在定子绕组上，通过对d、q轴电流的精确控制，实现对PMSM转矩的精确控制。空间矢量调制实现tag+PIqtagi+-qtagiPIPId-qα-β1Park1ClarkdUqUUUAUBUCUSVPWM三相逆变器dcU-PMSM位置传感器α-βA-B-Cα-βA-B-Cd-qα-βddtParkClarkAiBiiiqidi+-30机电元件图形标识三极管MOSFET二极管稳压二极管直流电源交流电源等电势接地直流电动机交流电动机继电器弹簧轴杆旋转连接直齿轮行星齿轮MMACDC机电式执行器31目录汽车电子学车用执行器AutomotiveExecutors车用执行器1.车用执行器概述2.常见车用执行元件特点3.机电式执行器4.液压式执行器5.气动式执行器32液压式执行器液压式执行器是以液体为工作介质，以压力和流量为特性参量实现能量的转换传递和分配传动方式。系统使用具有连续流动性的油液，通过液压泵把驱动液压泵的电动机的机械能转换成油液的压力能，经过各种电磁控制阀，送到作为执行元件的液压缸中，再转换成机械动力驱动过程对象。33液压式执行器液压执行器系统主要由液压泵、液压缸、液压阀等组成。液压执行器执行器的组成•在液压传动系统中，液压泵是将动力机械(如电动机、内燃机)传输的机械能转换成流动液体压力能的能量转换装置，其功用是给液压系统提供足够的压力油以驱动系统工作。•液压阀是主要的液压控制元件，它可以是液控式也可以是电磁式，用来控制液压回路中的压力、流量及流动方向。•液压缸是将油液的压力能重新转换为机械能的装置。34液压式执行器液压泵液压马达节流阀油箱调速阀单作用单活塞缸双作用单活塞缸双活塞缸电磁控制顺序阀二位四通换向阀二位三通换向阀二位二通换向阀回位弹簧减压阀蓄能器单向阀液压控制过滤器溢流阀液压元件图形标识35开式液压系统液压泵单向阀1至液压缸过滤器2单向阀2过滤器1节流阀至其他油路E发动机图示为一种开式液压驱动系统，此种系统较适合低压控制。过滤器与弹簧压入式单向阀组合使用成为一种压力过滤器，使液压波动趋于缓和。在这种结构下，可以控制输送至液压缸的油压在一个限定值附近。液压式执行器36闭式液压系统图示中为一种闭式液压驱动系统，此种系统比较适合运用在高压间歇性工作场合下。此种形式与开式结构的最大不同就是液压泵是间断性事先工作的，高压油由蓄