本實用新型屬于智能結(jié)構技術領域，具體涉及一種集成了傳感器、執(zhí)行器以及能量回收器的傳感-執(zhí)行-能量回收裝置和制動系統(tǒng)。

背景技術：

傳統(tǒng)機電系統(tǒng)一般分為機械本體、傳感模塊、信息處理模塊、執(zhí)行器和輸入/輸出接口等五個部分。在微機電系統(tǒng)中則力求將滿足一定功能的傳感器、執(zhí)行器和信息處理模塊進行高度的集成，使其構成智能化的微型功能單元，即智能結(jié)構，進一步構成智能微系統(tǒng)。其中，傳感器與執(zhí)行器的集成技術路線主要分為兩種：結(jié)構集成和功能集成。結(jié)構集成僅是將一個傳感器和一個執(zhí)行器在結(jié)構上緊密地方在一起，宏觀上表象為一個器件，盡管體積、結(jié)構可能很小，但功能上仍是由兩個器件分別承擔。而功能集成無論在宏觀還是從微觀來看均是集成的，傳感和執(zhí)行本質(zhì)上都是一個器件的兩種功能，可以被稱為自傳感執(zhí)行器，其基本思想是在器件的致動過程中提取出獨立于任何執(zhí)行器控制信號的待檢測信息。自傳感執(zhí)行器在一些微機電智能機器中得到了較為廣泛的應用。

隨著技術的發(fā)展，無論是微機電系統(tǒng)設計，還是相對大型的數(shù)控機床、行走機械等機電系統(tǒng)的設計，都非常重視輕量化、節(jié)能環(huán)保的設計理念，因而也不斷地引入了智能結(jié)構的應用。尤其是利用智能材料，如壓電材料、記憶合金材料、磁致伸縮等，進行設計的集成功能器件。此外，隨著機電系統(tǒng)對傳感信號需求的不斷增多，能夠進行能量回收的無源傳感系統(tǒng)也成為研究熱點。

此外，現(xiàn)有技術中各種機電產(chǎn)品中有大量的旋轉(zhuǎn)部件，如微機電產(chǎn)品中的光驅(qū)轉(zhuǎn)軸、數(shù)控機床中的旋轉(zhuǎn)主軸以及運載車輛的車輪等等，為了達到更精細的工作狀態(tài)，均需要對其轉(zhuǎn)速進行測量，并傳遞至整機控制器中進行相應處理；在需要對相應的轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)速控制時，也常常用到制動器對其進行制動。在現(xiàn)有技術中，傳感器和制動器兩者一般是分立存在的。隨著能源的不斷緊缺以及其他性能需求，還需要對轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)機械能進行回收，以增加整機的能源利用效率，例如新能源汽車領域的再生制動系統(tǒng)，即將車輛制動過程中車輪的旋轉(zhuǎn)動能傳遞至發(fā)電機，回收成電能加以利用。然而，現(xiàn)有的制動能量回收系統(tǒng)中的能量回收裝置也均是獨立于制動器的，不僅增加了系統(tǒng)復雜度，使得整機不易布置、可靠性降低，還是得整機重量增加，不利于能量利用率的提高。

壓電制動器利用壓電陶瓷的逆壓電效應來實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換，能夠在體積、重量和輸出力之間達到良好平衡，而且沒有電磁兼容的問題。然而，盡管壓電陶瓷能夠輸出大的推力，但其直接輸出的位移很小，很難直接用于推動制動盤實現(xiàn)制動效果。中國專利(CN103994159B)公開了一種采用柔性放大結(jié)構的疊層式壓電制動器，采用柔性放大結(jié)構對疊層壓電陶瓷的伸長位移進行放大和控制。但其不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測量，也不能實現(xiàn)機械能的回收。美國專利(US20060108861A1)公開了電子控制制動系統(tǒng)，利用壓電執(zhí)行器對制動油液壓力進行調(diào)節(jié)。由于壓電執(zhí)行器的調(diào)節(jié)精度較高，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)ABS、TCS和ESP等需要對制動力進行精確控制的附加功能。美國專利(US20040040797A1)公開了一種利用壓電執(zhí)行器的商用飛機的電子機械制動系統(tǒng)，利用電機驅(qū)動制動鉗與制動盤接觸，利用壓電執(zhí)行器更加精細地調(diào)節(jié)制動鉗與制動盤之間的接觸壓力，從而更準確滴控制制動力。但是，上述專利仍需要另外加裝轉(zhuǎn)速傳感器，并且不能實現(xiàn)能量回收功能。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的技術缺陷，本實用新型提供一種高度集成的基于壓電效應的傳感-執(zhí)行-能量回收裝置，能夠在緊湊的體積內(nèi)實現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器和能量回收器的各項功能；在此基礎上能夠開發(fā)出多種應用于不同機電系統(tǒng)的集成功能裝置；此外提供一種可以應用于各種輪式車輛的線控制動系統(tǒng)。

為解決上述技術問題，本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置，包括轉(zhuǎn)子1和定子2，轉(zhuǎn)子1與定子2同軸安裝，多于兩個的壓電組件21均勻安裝在定子2的內(nèi)側(cè)，壓電組件21的變形方向指向轉(zhuǎn)子1的中軸線，轉(zhuǎn)子1外表面均勻布置有多于兩個凸起觸點11，當壓電組件21伸長時，轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生摩擦與碰撞，壓電組件21與轉(zhuǎn)子1外表面凸起觸點11之間的最小距離小于壓電組件21的變形總長度。

一種集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置，包括轉(zhuǎn)子1和定子2，其中定子2為夾鉗式定子，安裝于轉(zhuǎn)子1外邊緣，多于兩個的壓電組件21均勻安裝在定子2的夾鉗內(nèi)側(cè)，壓電組件21的變形方向平行于轉(zhuǎn)子1的中軸線，壓電組件21的觸點與轉(zhuǎn)子1外表面之間的最小距離小于壓電組件21的變形總長度；轉(zhuǎn)子1外表面均勻布置有扇形分布的多于兩個凸起觸點11，當壓電組件21伸長時，轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生摩擦與碰撞。

可選地，所述的壓電組件21包括壓電疊堆211、摩擦觸點212、壓電頂罩213和容腔214，其中壓電疊堆211和壓電頂罩213依次安裝在容腔214內(nèi)部，摩擦觸點212底部凹槽與壓電頂罩213外圓弧表面滑動連接，避免壓電疊堆211受到側(cè)向力沖擊；壓電疊堆211與后續(xù)電路通過電纜216進行信號和電能傳輸。

可選地，所述的壓電組件21包括壓電疊堆211、摩擦觸點212和位移放大器215，位移放大器215對壓電疊堆211的變形位移進行放大，摩擦觸點212與位移放大器215上端相連，壓電疊堆211與后續(xù)電路通過電纜216進行信號和電能傳輸；當然，還可以有其他方案實現(xiàn)類似功能。

可選地，壓電組件21也可以安裝在轉(zhuǎn)子1上，根據(jù)作用力與反作用力原理，將達到與上述結(jié)構類似的功能效果。

本實用新型的集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置具有三種工作模式，分別為：

(1)傳感模式：當轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生碰撞，后續(xù)電路對壓電組件21的輸出信號進行統(tǒng)計，進而根據(jù)轉(zhuǎn)子1外表面的觸點數(shù)和信號脈沖數(shù)計算轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速；

(2)執(zhí)行模式：根據(jù)轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速需求，后續(xù)電路控制壓電組件21的能量供給，進而對壓電組件21的伸長長度進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21之間的摩擦力，最終控制轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速；

優(yōu)選地，定子2內(nèi)部的多個壓電組件21的電能供應可以根據(jù)控制需求進行調(diào)節(jié)，進而使多個壓電組件21工作在不同狀態(tài)，滿足更精細的控制需求。

(3)能量回收模式：當轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生碰撞時，壓電組件21中的壓電疊堆受到壓縮，根據(jù)壓電效應，壓電組件21向后續(xù)電路輸出電能。

可選地，該集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置可以同時工作在三種工作模式下，即形成一種集成的傳感-執(zhí)行-能量回收裝置；

可選地，該集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置也可以僅工作在其中任兩種工作模式下：當同時工作在傳感模式和執(zhí)行模式時，形成自感知執(zhí)行器；當同時工作在傳感模式和能量回收模式時，形成自感知能量回收器；當同時工作在執(zhí)行模式和能量回收模式時，形成具有能量回收功能的執(zhí)行器；

可選地，該集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置還可以僅僅工作在其中一種工作模式下，成為單一的傳感器、執(zhí)行器或能量回收器。

一種基于上述集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的制動系統(tǒng)，包括與車輪3固連的轉(zhuǎn)子1，與車身固連的定子2，其中定子2內(nèi)部的壓電組件21由壓電驅(qū)動電路22進行驅(qū)動控制，壓電驅(qū)動電路22與能量轉(zhuǎn)換器5通過電纜進行電能傳輸，能量轉(zhuǎn)換器5通過電纜與能量存儲單元10進行電能傳輸，壓電驅(qū)動電路22與制動控制器6通過電纜進行信號傳輸，踏板行程傳感器7采集制動踏板8的行程信號，并將該行程信號傳輸至制動控制器6；同時，制動控制器6通過總線9采集車輛行駛信號，進而根據(jù)制動邏輯輸出制動信號，制動信號通過電纜傳遞至壓電驅(qū)動電路22，壓電驅(qū)動電路22根據(jù)制動信號對壓電組件21實施制動力控制。

上述制動系統(tǒng)可以集成于整車控制系統(tǒng)，并由左前制動單元FL、右前制動單元FR、左后制動單元RL和右后制動單元RR等四個制動單元構成，總線9采集底盤控制系統(tǒng)CC的車輛行駛信號，制動控制器6結(jié)合整車控制需求分別對四個制動單元輸出制動信號，制動信號通過電纜傳遞至四個制動單元的壓電驅(qū)動電路22，壓電驅(qū)動電路22根據(jù)制動信號對壓電組件21實施制動力控制。

本實用新型的有益效果在于：

通過創(chuàng)新設計提供一種高度集成的傳感-執(zhí)行-能量回收裝置，能夠在緊湊的體積內(nèi)實現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器和能量回收器的各項功能；在此基礎上能夠開發(fā)出多種應用于不同機電系統(tǒng)的集成功能裝置；該裝置能夠應用于各種機電產(chǎn)品中的旋轉(zhuǎn)部件，如微機電產(chǎn)品中的光驅(qū)轉(zhuǎn)軸、數(shù)控機床中的旋轉(zhuǎn)主軸以及運載車輛的車輪等；

此外，本實用新型提供一種可以應用于各種輪式車輛的線控制動系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)，提高了制動響應速度、增加了制動效能，同時也大大簡化了結(jié)構、降低了裝配和維護的難度，易于實現(xiàn)ABS、ESP等控制；此外該線控制動系統(tǒng)同時能夠?qū)崿F(xiàn)傳感與能量回收功能，在新能源車輛、智能駕駛車輛等領域具有較好的應用前景。

附圖說明

圖1為本實用新型的集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的一種實施例。

圖2為壓電組件的一種實施例。

圖3為壓電組件的另一種實施例。

圖4(a)為本實用新型的集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的另一種實施例。

圖4(b)為圖4(a)的剖視圖。

圖5為基于上述集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的制動系統(tǒng)的一種實施例。

圖6為上述制動系統(tǒng)的輪邊布置示意圖。

圖7為上述制動系統(tǒng)集成于整車控制系統(tǒng)的示意圖。

圖中：

1、轉(zhuǎn)子，2、定子；3、輪胎，4、地面，5、能量轉(zhuǎn)換器，6、制動控制器，

7、踏板行程傳感器，8、制動踏板，9、總線，10、能量存儲單元，

11、凸起觸點，21、壓電組件，211、壓電疊堆，212、摩擦觸點，

213、壓電頂罩，214、容腔，215、位移放大器，216、電纜，22、壓電驅(qū)動電路，

CC、底盤控制系統(tǒng)，F(xiàn)L、左前制動單元，F(xiàn)R、右前制動單元，

RL、左后制動單元，RR、右后制動單元。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明。

圖1為本實用新型的一種集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的一種實施例，包括轉(zhuǎn)子1和定子2，轉(zhuǎn)子1與定子2同軸安裝，多于兩個的壓電組件21均勻安裝在定子2的內(nèi)側(cè)，壓電組件21的變形方向指向轉(zhuǎn)子1的中軸線，轉(zhuǎn)子1外表面均勻布置有多于兩個凸起觸點11，當壓電組件21伸長時，轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生摩擦與碰撞，壓電組件21與轉(zhuǎn)子1外表面凸起觸點11之間的最小距離小于壓電組件21的變形總長度。

圖2示出了壓電組件21的一種優(yōu)選實施方式，所述的壓電組件21包括壓電疊堆211、摩擦觸點212、壓電頂罩213和容腔214，其中壓電疊堆211和壓電頂罩213依次安裝在容腔214內(nèi)部，摩擦觸點212底部凹槽與壓電頂罩213外圓弧表面滑動連接，避免壓電疊堆211受到側(cè)向力沖擊；壓電疊堆211與后續(xù)電路通過電纜216進行信號和電能傳輸。

圖3示出了壓電組件21的另一種優(yōu)選實施方式，所述的壓電組件21包括壓電疊堆211、摩擦觸點212和位移放大器215，位移放大器215對壓電疊堆211的變形位移進行放大，摩擦觸點212與位移放大器215上端相連，壓電疊堆211與后續(xù)電路通過電纜216進行信號和電能傳輸；圖3中只示出了一種利用柔性鉸鏈進行位移放大的方案，但還可以有其他方案實現(xiàn)類似功能。

可選地，壓電組件21也可以安裝在轉(zhuǎn)子1上，根據(jù)作用力與反作用力原理，將達到與上述結(jié)構類似的功能效果。

本實用新型的集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置具有三種工作模式，分別為：

(1)傳感模式：當轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生碰撞，后續(xù)電路對壓電組件21的輸出信號進行統(tǒng)計，進而根據(jù)轉(zhuǎn)子1外表面的觸點數(shù)和信號脈沖數(shù)計算轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速；

(2)執(zhí)行模式：根據(jù)轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速需求，后續(xù)電路控制壓電組件21的能量供給，進而對壓電組件21的伸長長度進行調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21之間的摩擦力，最終控制轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速；

優(yōu)選地，定子2內(nèi)部的多個壓電組件21的電能供應可以根據(jù)控制需求進行調(diào)節(jié)，進而使多個壓電組件21工作在不同狀態(tài)，滿足更精細的控制需求。

(3)能量回收模式：當轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生碰撞時，壓電組件21中的壓電疊堆受到壓縮，根據(jù)壓電效應，壓電組件21向后續(xù)電路輸出電能。

可選地，該集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置可以同時工作在三種工作模式下，即形成一種集成的傳感-執(zhí)行-能量回收裝置；

可選地，該集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置也可以僅工作在其中任兩種工作模式下：當同時工作在傳感模式和執(zhí)行模式時，形成自感知執(zhí)行器；當同時工作在傳感模式和能量回收模式時，形成自感知能量回收器；當同時工作在執(zhí)行模式和能量回收模式時，形成具有能量回收功能的執(zhí)行器；

可選地，該集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置還可以僅僅工作在其中一種工作模式下，成為單一的傳感器、執(zhí)行器或能量回收器。

圖4(a)和圖4(b)示出了集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的另一種實施例，包括轉(zhuǎn)子1和定子2，其中定子2為夾鉗式定子，安裝于轉(zhuǎn)子1外邊緣，多于兩個的壓電組件21均勻安裝在定子2的夾鉗內(nèi)側(cè)，壓電組件21的變形方向平行于轉(zhuǎn)子1的中軸線，壓電組件21的觸點與轉(zhuǎn)子1外表面之間的最小距離小于壓電組件21的變形總長度；轉(zhuǎn)子1外表面均勻布置有扇形分布的多于兩個凸起觸點11，當壓電組件21伸長時，轉(zhuǎn)子1外表面的凸起觸點11與壓電組件21產(chǎn)生摩擦與碰撞。

圖5和圖6示出了基于上述集成傳感-執(zhí)行-能量回收裝置的制動系統(tǒng)的一種實施例，該制動系統(tǒng)包括與車輪3固連的轉(zhuǎn)子1，與車身固連的定子2，其中定子2內(nèi)部的壓電組件21由壓電驅(qū)動電路22進行驅(qū)動控制，壓電驅(qū)動電路22與能量轉(zhuǎn)換器5通過電纜進行電能傳輸，能量轉(zhuǎn)換器5通過電纜與能量存儲單元10進行電能傳輸，壓電驅(qū)動電路22與制動控制器6通過電纜進行信號傳輸，踏板行程傳感器7采集制動踏板8的行程信號，并將該行程信號傳輸至制動控制器6；同時，制動控制器6通過總線9采集車輛行駛信號，進而根據(jù)制動邏輯輸出制動信號，制動信號通過電纜傳遞至壓電驅(qū)動電路22，壓電驅(qū)動電路22根據(jù)制動信號對壓電組件21實施制動力控制。

圖7示出了上述制動系統(tǒng)集成于整車控制系統(tǒng)的示意圖，其中示出了左前制動單元FL的框架圖，右前制動單元FR、左后制動單元RL和右后制動單元RR的結(jié)構與左前制動單元FL相同，總線9采集底盤控制系統(tǒng)CC的車輛行駛信號，制動控制器6結(jié)合整車控制需求分別對四個制動單元輸出制動信號，制動信號通過電纜傳遞至四個制動單元的壓電驅(qū)動電路22，壓電驅(qū)動電路22根據(jù)制動信號對壓電組件21實施制動力控制。該制動系統(tǒng)為線控制動，相對于傳統(tǒng)制動系統(tǒng)，提高了制動響應速度、增加了制動效能，同時也大大簡化了結(jié)構、降低了裝配和維護的難度，非常容易實現(xiàn)ABS、ESP等控制。

上述實施例僅用于說明本實用新型，其中各部件的結(jié)構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本實用新型的保護范圍之外。