一种集成传感‑执行‑能量回收装置和制动系统的制作方法

本实用新型属于智能结构技术领域，具体涉及一种集成了传感器、执行器以及能量回收器的传感-执行-能量回收装置和制动系统。

背景技术：

传统机电系统一般分为机械本体、传感模块、信息处理模块、执行器和输入/输出接口等五个部分。在微机电系统中则力求将满足一定功能的传感器、执行器和信息处理模块进行高度的集成，使其构成智能化的微型功能单元，即智能结构，进一步构成智能微系统。其中，传感器与执行器的集成技术路线主要分为两种：结构集成和功能集成。结构集成仅是将一个传感器和一个执行器在结构上紧密地方在一起，宏观上表象为一个器件，尽管体积、结构可能很小，但功能上仍是由两个器件分别承担。而功能集成无论在宏观还是从微观来看均是集成的，传感和执行本质上都是一个器件的两种功能，可以被称为自传感执行器，其基本思想是在器件的致动过程中提取出独立于任何执行器控制信号的待检测信息。自传感执行器在一些微机电智能机器中得到了较为广泛的应用。

随着技术的发展，无论是微机电系统设计，还是相对大型的数控机床、行走机械等机电系统的设计，都非常重视轻量化、节能环保的设计理念，因而也不断地引入了智能结构的应用。尤其是利用智能材料，如压电材料、记忆合金材料、磁致伸缩等，进行设计的集成功能器件。此外，随着机电系统对传感信号需求的不断增多，能够进行能量回收的无源传感系统也成为研究热点。

此外，现有技术中各种机电产品中有大量的旋转部件，如微机电产品中的光驱转轴、数控机床中的旋转主轴以及运载车辆的车轮等等，为了达到更精细的工作状态，均需要对其转速进行测量，并传递至整机控制器中进行相应处理；在需要对相应的转轴进行转速控制时，也常常用到制动器对其进行制动。在现有技术中，传感器和制动器两者一般是分立存在的。随着能源的不断紧缺以及其他性能需求，还需要对转轴旋转机械能进行回收，以增加整机的能源利用效率，例如新能源汽车领域的再生制动系统，即将车辆制动过程中车轮的旋转动能传递至发电机，回收成电能加以利用。然而，现有的制动能量回收系统中的能量回收装置也均是独立于制动器的，不仅增加了系统复杂度，使得整机不易布置、可靠性降低，还是得整机重量增加，不利于能量利用率的提高。

压电制动器利用压电陶瓷的逆压电效应来实现电能到机械能的转换，能够在体积、重量和输出力之间达到良好平衡，而且没有电磁兼容的问题。然而，尽管压电陶瓷能够输出大的推力，但其直接输出的位移很小，很难直接用于推动制动盘实现制动效果。中国专利(CN103994159B)公开了一种采用柔性放大结构的叠层式压电制动器，采用柔性放大结构对叠层压电陶瓷的伸长位移进行放大和控制。但其不能实现转轴转速的测量，也不能实现机械能的回收。美国专利(US20060108861A1)公开了电子控制制动系统，利用压电执行器对制动油液压力进行调节。由于压电执行器的调节精度较高，该系统能够实现ABS、TCS和ESP等需要对制动力进行精确控制的附加功能。美国专利(US20040040797A1)公开了一种利用压电执行器的商用飞机的电子机械制动系统，利用电机驱动制动钳与制动盘接触，利用压电执行器更加精细地调节制动钳与制动盘之间的接触压力，从而更准确滴控制制动力。但是，上述专利仍需要另外加装转速传感器，并且不能实现能量回收功能。

技术实现要素：

针对现有技术中的技术缺陷，本实用新型提供一种高度集成的基于压电效应的传感-执行-能量回收装置，能够在紧凑的体积内实现传感器、执行器和能量回收器的各项功能；在此基础上能够开发出多种应用于不同机电系统的集成功能装置；此外提供一种可以应用于各种轮式车辆的线控制动系统。

为解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种集成传感-执行-能量回收装置，包括转子1和定子2，转子1与定子2同轴安装，多于两个的压电组件21均匀安装在定子2的内侧，压电组件21的变形方向指向转子1的中轴线，转子1外表面均匀布置有多于两个凸起触点11，当压电组件21伸长时，转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生摩擦与碰撞，压电组件21与转子1外表面凸起触点11之间的最小距离小于压电组件21的变形总长度。

一种集成传感-执行-能量回收装置，包括转子1和定子2，其中定子2为夹钳式定子，安装于转子1外边缘，多于两个的压电组件21均匀安装在定子2的夹钳内侧，压电组件21的变形方向平行于转子1的中轴线，压电组件21的触点与转子1外表面之间的最小距离小于压电组件21的变形总长度；转子1外表面均匀布置有扇形分布的多于两个凸起触点11，当压电组件21伸长时，转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生摩擦与碰撞。

可选地，所述的压电组件21包括压电叠堆211、摩擦触点212、压电顶罩213和容腔214，其中压电叠堆211和压电顶罩213依次安装在容腔214内部，摩擦触点212底部凹槽与压电顶罩213外圆弧表面滑动连接，避免压电叠堆211受到侧向力冲击；压电叠堆211与后续电路通过电缆216进行信号和电能传输。

可选地，所述的压电组件21包括压电叠堆211、摩擦触点212和位移放大器215，位移放大器215对压电叠堆211的变形位移进行放大，摩擦触点212与位移放大器215上端相连，压电叠堆211与后续电路通过电缆216进行信号和电能传输；当然，还可以有其他方案实现类似功能。

可选地，压电组件21也可以安装在转子1上，根据作用力与反作用力原理，将达到与上述结构类似的功能效果。

本实用新型的集成传感-执行-能量回收装置具有三种工作模式，分别为：

(1)传感模式：当转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生碰撞，后续电路对压电组件21的输出信号进行统计，进而根据转子1外表面的触点数和信号脉冲数计算转子1的转速；

(2)执行模式：根据转子1的转速需求，后续电路控制压电组件21的能量供给，进而对压电组件21的伸长长度进行调节，进而调节转子1外表面的凸起触点11与压电组件21之间的摩擦力，最终控制转子1的转速；

优选地，定子2内部的多个压电组件21的电能供应可以根据控制需求进行调节，进而使多个压电组件21工作在不同状态，满足更精细的控制需求。

(3)能量回收模式：当转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生碰撞时，压电组件21中的压电叠堆受到压缩，根据压电效应，压电组件21向后续电路输出电能。

可选地，该集成传感-执行-能量回收装置可以同时工作在三种工作模式下，即形成一种集成的传感-执行-能量回收装置；

可选地，该集成传感-执行-能量回收装置也可以仅工作在其中任两种工作模式下：当同时工作在传感模式和执行模式时，形成自感知执行器；当同时工作在传感模式和能量回收模式时，形成自感知能量回收器；当同时工作在执行模式和能量回收模式时，形成具有能量回收功能的执行器；

可选地，该集成传感-执行-能量回收装置还可以仅仅工作在其中一种工作模式下，成为单一的传感器、执行器或能量回收器。

一种基于上述集成传感-执行-能量回收装置的制动系统，包括与车轮3固连的转子1，与车身固连的定子2，其中定子2内部的压电组件21由压电驱动电路22进行驱动控制，压电驱动电路22与能量转换器5通过电缆进行电能传输，能量转换器5通过电缆与能量存储单元10进行电能传输，压电驱动电路22与制动控制器6通过电缆进行信号传输，踏板行程传感器7采集制动踏板8的行程信号，并将该行程信号传输至制动控制器6；同时，制动控制器6通过总线9采集车辆行驶信号，进而根据制动逻辑输出制动信号，制动信号通过电缆传递至压电驱动电路22，压电驱动电路22根据制动信号对压电组件21实施制动力控制。

上述制动系统可以集成于整车控制系统，并由左前制动单元FL、右前制动单元FR、左后制动单元RL和右后制动单元RR等四个制动单元构成，总线9采集底盘控制系统CC的车辆行驶信号，制动控制器6结合整车控制需求分别对四个制动单元输出制动信号，制动信号通过电缆传递至四个制动单元的压电驱动电路22，压电驱动电路22根据制动信号对压电组件21实施制动力控制。

本实用新型的有益效果在于：

通过创新设计提供一种高度集成的传感-执行-能量回收装置，能够在紧凑的体积内实现传感器、执行器和能量回收器的各项功能；在此基础上能够开发出多种应用于不同机电系统的集成功能装置；该装置能够应用于各种机电产品中的旋转部件，如微机电产品中的光驱转轴、数控机床中的旋转主轴以及运载车辆的车轮等；

此外，本实用新型提供一种可以应用于各种轮式车辆的线控制动系统，相对于传统制动系统，提高了制动响应速度、增加了制动效能，同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度，易于实现ABS、ESP等控制；此外该线控制动系统同时能够实现传感与能量回收功能，在新能源车辆、智能驾驶车辆等领域具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的集成传感-执行-能量回收装置的一种实施例。

图2为压电组件的一种实施例。

图3为压电组件的另一种实施例。

图4(a)为本实用新型的集成传感-执行-能量回收装置的另一种实施例。

图4(b)为图4(a)的剖视图。

图5为基于上述集成传感-执行-能量回收装置的制动系统的一种实施例。

图6为上述制动系统的轮边布置示意图。

图7为上述制动系统集成于整车控制系统的示意图。

图中：

1、转子，2、定子；3、轮胎，4、地面，5、能量转换器，6、制动控制器，

7、踏板行程传感器，8、制动踏板，9、总线，10、能量存储单元，

11、凸起触点，21、压电组件，211、压电叠堆，212、摩擦触点，

213、压电顶罩，214、容腔，215、位移放大器，216、电缆，22、压电驱动电路，

CC、底盘控制系统，FL、左前制动单元，FR、右前制动单元，

RL、左后制动单元，RR、右后制动单元。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

图1为本实用新型的一种集成传感-执行-能量回收装置的一种实施例，包括转子1和定子2，转子1与定子2同轴安装，多于两个的压电组件21均匀安装在定子2的内侧，压电组件21的变形方向指向转子1的中轴线，转子1外表面均匀布置有多于两个凸起触点11，当压电组件21伸长时，转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生摩擦与碰撞，压电组件21与转子1外表面凸起触点11之间的最小距离小于压电组件21的变形总长度。

图2示出了压电组件21的一种优选实施方式，所述的压电组件21包括压电叠堆211、摩擦触点212、压电顶罩213和容腔214，其中压电叠堆211和压电顶罩213依次安装在容腔214内部，摩擦触点212底部凹槽与压电顶罩213外圆弧表面滑动连接，避免压电叠堆211受到侧向力冲击；压电叠堆211与后续电路通过电缆216进行信号和电能传输。

图3示出了压电组件21的另一种优选实施方式，所述的压电组件21包括压电叠堆211、摩擦触点212和位移放大器215，位移放大器215对压电叠堆211的变形位移进行放大，摩擦触点212与位移放大器215上端相连，压电叠堆211与后续电路通过电缆216进行信号和电能传输；图3中只示出了一种利用柔性铰链进行位移放大的方案，但还可以有其他方案实现类似功能。

可选地，压电组件21也可以安装在转子1上，根据作用力与反作用力原理，将达到与上述结构类似的功能效果。

本实用新型的集成传感-执行-能量回收装置具有三种工作模式，分别为：

(1)传感模式：当转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生碰撞，后续电路对压电组件21的输出信号进行统计，进而根据转子1外表面的触点数和信号脉冲数计算转子1的转速；

(2)执行模式：根据转子1的转速需求，后续电路控制压电组件21的能量供给，进而对压电组件21的伸长长度进行调节，进而调节转子1外表面的凸起触点11与压电组件21之间的摩擦力，最终控制转子1的转速；

优选地，定子2内部的多个压电组件21的电能供应可以根据控制需求进行调节，进而使多个压电组件21工作在不同状态，满足更精细的控制需求。

(3)能量回收模式：当转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生碰撞时，压电组件21中的压电叠堆受到压缩，根据压电效应，压电组件21向后续电路输出电能。

可选地，该集成传感-执行-能量回收装置可以同时工作在三种工作模式下，即形成一种集成的传感-执行-能量回收装置；

可选地，该集成传感-执行-能量回收装置也可以仅工作在其中任两种工作模式下：当同时工作在传感模式和执行模式时，形成自感知执行器；当同时工作在传感模式和能量回收模式时，形成自感知能量回收器；当同时工作在执行模式和能量回收模式时，形成具有能量回收功能的执行器；

可选地，该集成传感-执行-能量回收装置还可以仅仅工作在其中一种工作模式下，成为单一的传感器、执行器或能量回收器。

图4(a)和图4(b)示出了集成传感-执行-能量回收装置的另一种实施例，包括转子1和定子2，其中定子2为夹钳式定子，安装于转子1外边缘，多于两个的压电组件21均匀安装在定子2的夹钳内侧，压电组件21的变形方向平行于转子1的中轴线，压电组件21的触点与转子1外表面之间的最小距离小于压电组件21的变形总长度；转子1外表面均匀布置有扇形分布的多于两个凸起触点11，当压电组件21伸长时，转子1外表面的凸起触点11与压电组件21产生摩擦与碰撞。

图5和图6示出了基于上述集成传感-执行-能量回收装置的制动系统的一种实施例，该制动系统包括与车轮3固连的转子1，与车身固连的定子2，其中定子2内部的压电组件21由压电驱动电路22进行驱动控制，压电驱动电路22与能量转换器5通过电缆进行电能传输，能量转换器5通过电缆与能量存储单元10进行电能传输，压电驱动电路22与制动控制器6通过电缆进行信号传输，踏板行程传感器7采集制动踏板8的行程信号，并将该行程信号传输至制动控制器6；同时，制动控制器6通过总线9采集车辆行驶信号，进而根据制动逻辑输出制动信号，制动信号通过电缆传递至压电驱动电路22，压电驱动电路22根据制动信号对压电组件21实施制动力控制。

图7示出了上述制动系统集成于整车控制系统的示意图，其中示出了左前制动单元FL的框架图，右前制动单元FR、左后制动单元RL和右后制动单元RR的结构与左前制动单元FL相同，总线9采集底盘控制系统CC的车辆行驶信号，制动控制器6结合整车控制需求分别对四个制动单元输出制动信号，制动信号通过电缆传递至四个制动单元的压电驱动电路22，压电驱动电路22根据制动信号对压电组件21实施制动力控制。该制动系统为线控制动，相对于传统制动系统，提高了制动响应速度、增加了制动效能，同时也大大简化了结构、降低了装配和维护的难度，非常容易实现ABS、ESP等控制。

上述实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。