Что такое цифровой тормоз

Мотор в качестве электромагнитного тормоза

Я занимаюсь разработкой бесколлекторных моторов в компании Impulsor. В последнее время к нам часто обращаются для разработки мотора/генератора, который будет выступать в качестве тормоза. В данной статье я расскажу об особенностях такого применения моторов, какие при этом преимущества и недостатки, и как реализовать такой режим работы.

Преимущества и варианты использования

Использование мотора в качестве тормоза даёт ряд преимуществ и параметров, которых не достичь, используя другие, доступные на данный момент, виды тормозов. Однако у данного подхода есть и недостатки.

• Быстрый режим включения/выключения и выставления тормозного момента.
• Широкий диапазон рабочих оборотов. Возможно сделать и сверх оборотистый тормоз ( до 100 000 rpm), так наоборот и очень медленный.
• Плавная установка нагрузки, отсутствие возможности случайной блокировки вала.
• Отсутствие пыли и отработанных материалов от тормоза. Можно использовать в помещении или замкнутом объёме.
• Можно использовать в качестве генератора.

Недостатки:

• Ограничения по рабочей температуре до 150, 200 градусов. Немного поднять температуру возможно, но при этом цена изделия возрастает очень сильно.
• Обычный тормоз из диска и колодок в тех же габаритах будет эффективнее.
• Сильные ограничения по моменту на низких оборотах и невозможность полностью заблокировать вал. Данное ограничение можно обойти с применением контроллера с внешним питанием.
• Постоянное наличие небольшого тормозного момента.

Благодаря своей скорости, точности и чистоте, такой тормоз незаменим в лабораториях и закрытых приборах. Близким аналогом мотора-тормоза, является порошковый тормоз. Он такой же быстрый, не создаёт пыль, но он не может работать на высоких оборотах и большинство существующих моделей и вовсе ограниченны 1500-3000rpm. Обычный дисковый тормоз не способен обеспечить такую же точность и стабильность работы.

Режимы работы

Для электромагнитного тормоза доступны 3 режима торможения, они различаются тем, куда идёт энергия от торможения:

1. Режим замыкания и выделения тепла непосредственно в моторе.
2. Выделение тепла на внешней нагрузке, сопротивлении или биполярном транзисторе.
3. Рекуперация и зарядка аккумулятора.

Далее я подробнее расскажу об этих режимах для моторов синхронного типа с постоянными магнитами BLDC, также это применимо и к обычным DC.

1. Режим замыкания

Это самый простой режим. В нём контакты мотора просто замыкаются, и тормозная мощность выделяется на сопротивлении обмотки мотора. Моторы изначально спроектированы с уклоном на охлаждение и к тому же они обладают достаточно большой массой и теплоёмкостью. Это позволяет достаточно интенсивно использовать такой режим без доработок мотора/генератора.

Для реализации данного режимы достаточно диодного моста и механического (кнопки, рубильника или реле) или электронного ключа (MOSFET, IGBT). Для корректировки тормозного усилия применяется ШИМ, который задаёт скважность открытия ключа. Схема подключения выглядит следующим образом:

Данный режим имеет интересную особенность. С ростом оборотов максимальный тормозной момент будет падать. Это связанно с тем, что обмотка мотора имеет значительную индуктивность и с ростом оборотов, растёт и частота токов. В результате реактивное сопротивление обмотки превысит активное и мощность потерь будет ниже максимально возможной для этого мотора. Характерная зависимость максимального тормозного момента от оборотов показана на графике ниже:

Несмотря на то, что любой готовый мотор можно сразу использовать в таком режиме, такой режим не позволит раскрыть весь потенциал изделия. Однако характеристики работы тормоза в таком режиме можно значительно повысить, есть его изначально проектировать как тормоз.

У этого режима есть ещё один важный недостаток. Из-за быстрого и резкого замыкания и размыкания обмоток будут возникать сильные электромагнитные помехи. Также диодный мост должен быть рассчитан на большие импульсные токи.

2. С внешней нагрузкой

В данном режиме основным источником выделения тепла от торможения служит внешнее сопротивление. Этот режим гораздо более эффективный, так как тормозная мощность более не ограниченна теплоотводом тепла мотора, а радиатор на сопротивлении можно сделать сколь угодно большим. Кроме того, если правильно подстраивать величину сопротивления, то максимальный тормозной момент будет выше, чем просто при замыкании и чем выше обороты, тем существеннее это будет проявляться.

Для реализации данного режима также необходим диодный мост, но после него включается либо механический реостат, либо биполярный транзистор со схемой контроля тока, либо сопротивления (схема электронной нагрузки). Схема подключения выглядит следующим образом:

При малой величине внешнего сопротивления относительно сопротивления мотора, характер тормозного момента будет близок к первому режиму. При увеличении сопротивления точка пикового момента будет смещаться к большим оборотам, и максимальная тормозная мощность будет расти. Динамика изменения тормозного момента с ростом сопротивления нагрузки показана на графике ниже:

Данный режим позволяет получить на нужном диапазоне рабочих оборотов участок, на котором тормозной момент возрастает с ростом оборотов. Этот режим работы крайне удачный, так как он позволяет стабилизировать обороты или ограничить их. Образуется стабильная система с обратной связью.

3. Рекуперация

Данный режим самый сложный в реализации. Он требует контроллера (ESC) наподобие тех, что применяется для управления бесколлекторными моторами BLDC. Но при этом данный режим и самый эффективный. Он способен устранить большинство недостатков тормоза такого типа. Так, например, контроллер позволит полностью блокировать вал мотора, он позволит использовать тормоз одновременно в режиме генерации и контролируемого торможения и в данном режиме можно достигнуть тормозных моментов значительно выше, чем в предыдущих 2х.

В данной статье я не буду подробно описывать устройство контроллера и алгоритмы его работы, т.к. эта тема для отдельной статьи, а возможно и не одной. Для желающих разобраться в данном вопросе можно изучить принцип работы контроллера в электротранспорте (велосипедах, самокатах) и то как в них реализованы алгоритмы торможения и рекуперации.

Источник

Электрические тормоза – вымысел или реальность

Конструкторские работы, призванные заменить технологии, использующие механические и гидравлические тормоза, пока довольно далеки от практической реализации. Тем не менее, исследования по использованию электрической тормозной системы ведутся довольно интенсивно. Как оказалось такая тормозная система имеет много преимуществ по сравнению с традиционными схемами.

Концепция электрического тормоза

Идея очень проста – она заключается в устранении обычных тормозных шлангов и замены их более удобными в использовании, более легкими и гибкими проводами. Фактически, в схеме привычной сейчас гидравлической тормозной системы убирается тормозная жидкость. Сам принцип торможения, вероятно, не изменится – тормозной диск и колодки останутся практически без изменений, как и другие детали. Часть же деталей оказывается не нужна, как, например, регулятор давления задних тормозов, впрочем, как и передних. В целом конструкция тормозной системы значительно упрощается.

Естественным следствием того факта, что тормозной жидкости нет, необходимо чтобы каким-то образом работа, которую она прежде выполняла, была сделана. Для этого используются ряд механизмов, которые работают на электричестве. Самое дешевое, и наиболее пригодное для серийного производства решения, представляет собой механизм, состоящий из двух пластин, параллельный друг другу и имеющих специальную структуру (показано на рисунке). Тормозная сила возникает от использования физических принципов рычага, перемещая (с помощью электродвигателя) ролики, которые толкают ранее упомянутые пластины, развивая значительную силу.

Самым большим преимуществом этого типа механизма более быстрая реакция по сравнению с традиционными системами. Импульс для включения тормоза передается с помощью электрического тока, а не жидкости. Еще более очевидно это преимущество во время выключения тормоза – и эта особенность может существенно повысить эффективность различных систем с целью повышения безопасности автомобиля, а также использования тормоза для этой цели (например, ABS и контроль тяги различных систем).

Такие тормоза также способны развивать большую силу, действующую на тормозные диски, что означает более короткий тормозной путь. Имеет значение и такие факты, как снижение общей массы тормозной системы и ее способность работать с нормальной 12-вольтной электрической системой.

Еще одно преимущество электрической тормозной системы является то, что она не содержит тормозной жидкости. Тормозная жидкость подвержена различным негативным явлениям ухудшения его свойств (сжимаемости), что требует ее периодической замены.

Несмотря на значительный прогресс в разработке электрических тормозов, до их использования в серийной автомобильной технике нам придется подождать несколько лет. Дополнительные работы над ними проводятся в компании Siemens. Впрочем, не только отработка технологии создает проблемы во внедрении этого типа тормозов. Закон требует, чтобы рулевая и тормозная системы имели механическое соединение с рулевыми колесами. Эта проблема впрочем, уже почти решена. Широкого появления легковых автомобилей с электрическими тормозами, можно ожидать, скорее всего, уже через несколько лет. Тем не менее, процесс перехода на новый тип тормозов должен произойти не скоро, внедряясь постепенно и достаточно неторопливо.

Источник

Электронная тормозная система

Наверное, каждый водитель знает, что такое АBS. Антиблокировочная система тормозов была изобретена и впервые запущена в производство компанией Bosch в 1978 году. АBS предотвращает блокировку колес при торможении. В результате даже при экстренном торможении сохраняется устойчивость автомобиля. Кроме того, во время торможения автомобиль сохраняет управляемость. Однако с ростом скоростей
современных автомобилей одной АBS для обеспечения безопасности стало уже недостаточно. Поэтому ее дополнили еще рядом систем.

Brake Assist

Следующим шагом повышения эффективности торможения после АBS стало создание систем, уменьшающих время срабатывания тормозов, так называемых систем помощи при торможении Brake Assist. АBS делает торможение при полностью нажатой педали максимально эффективным, но не может сработать при легком нажатии на педаль. Усилитель же тормозов обеспечивает аварийное торможение в том случае, когда водитель нажимает на педаль тормоза резко, но недостаточно сильно. Для этого система измеряет, насколько быстро и с каким усилием водитель жмет педаль, после чего при необходимости мгновенно повышает давление в тормозной системе до максимального.

Технически эта идея реализована так. В пневматический усилитель тормозов встроены датчик скорости перемещения штока и электромагнитный привод. Как только в управляющий центр с датчика скорости поступает сигнал о том, что шток движется очень быстро (это значит, что водитель резко ударяет по педали), срабатывает электромагнит, который увеличивает силу воздействия на шток. Давление в системе тормозного привода в течение миллисекунд автоматически значительно увеличивается, т.е. уменьшается время на срабатывание тормоза машины в ситуациях, когда все решают мгновенья. Таким образом, автоматика помогает водителю добиться наиболее эффективного торможения. Кроме того, Brake Assist «запоминает», как тормозит данный водитель в штатных режимах, поэтому ей легче «распознать» критическую ситуацию. В то же время даже на влажном покрытии срыва колес в юз не происходит — в действие успевает вступить АBS. То есть Brake Assist помогает водителю в самый первый момент торможения, а уж если в следующие мгновенья усилия слишком много, то АBS предохранит колеса от блокировки и сохранит автомобиль управляемым. Brake Assist берет управление экстренным торможением на себя и останавливает автомобиль в максимально короткий срок значительно сокращая тормозной путь, особенно на высоких скоростях движения. Система Brake Assist устанавливается только на автомобилях с АBS.

Профессионалу система Brake Assist вряд ли нужна. Ведь опытный водитель даже в критической ситуации дозирует усилие на педали тормоза весьма точно (делает это резко, но не панически). А вот для подавляющего большинства «обычных» водителей система Brake Assist — это то, что надо. В отличие от других электронных тормозных систем (см.ниже), Brake Assist не может перераспределять усилия между колесами, а только «додавливает» педаль, гарантируя включение АBS в работу.

Эффект от системы Brake Assist

Компания Bosch разработала новую систему Predictive Brake Assist, которая способна подготовить тормозную систему к экстренному торможению.
Работает она в паре с адаптивным круиз-контролем, чей радар используется для обнаружения объектов впереди автомобиля. Система, определив препятствие впереди, самостоятельно начинает немного прижимать тормозные колодки к дискам. Таким образом, если водитель нажмет на тормозную педаль, он сразу получит максимально быструю реакцию. По словам создателей, новая система эффективнее обычной Brake Assist.
В дальнейшем Bosch планирует представить на рынке Predictive Safety System, которая способна сигнализировать вибрациями на педали тормоза о
критической ситуации впереди. Дальнейшее развитие этой технологии заключается в том, чтобы электроника самостоятельно
активировала экстренное торможение, если решит, что столкновение неизбежно, а водитель бездействует.

Dynamic Brake Control

Еще одна электронная система — DBC, Dynamic Brake Control разработана инженерами BMW. Она похожа на системы Brake Assist, которые применяются, например, на автомобилях Mercedes-Benz и Toyota. Система DBC ускоряет и усиливает процесс нарастания давления в приводе тормозов в случае экстренного торможения и обеспечивает – даже при недостаточной силе нажатия педали – минимальный тормозной путь. На основе данных о скорости нарастания давления и усилии, прикладываемом к педали, компьютер определяет возникновение опасной ситуации и немедленно устанавливает максимальное давление в тормозной системе, тем самым значительно сокращая тормозной путь вашего автомобиля. Управляющий блок дополнительно учитывает скорость автомобиля и уровень износа тормозов. Система DBC использует принцип гидравлического усиления, а не вакуумный принцип. Подобная гидравлическая система обеспечивает лучшее и значительно более точное дозирование тормозного усилия в случае экстренного торможения. Кроме того. компьютер DBC связан с системами АBS и DSC (Dynamic Stability Control).

Cornering Brake Control- система контроля торможения в поворотах.

Разработана ВMW в 1997 году.

При торможении задние колеса разгружаются. В поворотах это может привести к заносу задней оси автомобиля вследствие возрастающей нагрузки на переднюю ось. CBC работает совместно с ABS для противодействия сносу задней оси при торможении в повороте. CBC обеспечивает оптимальное распределение тормозного усилия в поворотах, предотвращая занос, даже если тормоза были резко нажаты.

Используя сигналы датчиков ABS и определяя скорость вращения колес, СВС регулирует нарастание тормозного усилия для каждого тормозного цилиндра таким образом, что оно нарастает быстрее на внешнем по отношению к повороту переднем колесе, чем на других колесах. Благодаря этому становится возможным воздействие на задние колеса с большим тормозным усилием. Таким образом, компенсируются моменты сил, стремящихся повернуть автомобиль вокруг вертикальной оси при торможении в повороте. Система включается в работу постоянно и незаметно для водителя.

Система EBD (Electronic Brake force Distribution)

Система EBD предназначена для перераспределения тормозных усилий между передними и задними колесами, а также колесами правой и левой стороны автомобиля, в зависимости от условий движения. EBD действует в составе традиционной 4-канальной ABS с электронным управлением.
При торможении прямолинейно движущегося автомобиля происходит перераспределение нагрузки – передние колеса нагружаются, а задние, в свою очередь, разгружаются. Поэтому, если задние тормозные механизмы будут развивать такое же усилие, как передние, увеличится вероятность блокировки задних колес. При помощи колесных датчиков скорости блок управления ABS определяет этот момент и регулирует подводимое усилие. Следует отметить, что распределение усилий между осями при торможении существенно зависит от массы груза и его размещения.
Вторая ситуация, когда вмешательство электроники становится полезным, возникает при торможении в повороте. При этом нагружаются внешние колеса и разгружаются внутренние, соответственно, возникает риск их блокировки.
Основываясь на сигналах колесных датчиков и датчика замедления (или датчика ускорения) EBD определяет условия торможения колес и при помощи комбинации клапанов регулирует давление жидкости, подводимое к каждому из колесных механизмов.

Источник