（农业电气化与自动化专业论文）汽车电控液压复合驱动系统研究.pdf

刘宏新摘要2 0 0 2 年5 月 摘要 l 随着汽车工业的迅猛发展，油料紧缺、环境污染成为亟侍解决的突出问题。美国 p n g v ( 美国政府和汽车工业界的合作契约的简称) 计划十年内开发出三倍于目前燃料 效率的汽车，其研究主要从三个方面着手，一是提高燃料转换成机械能的效率，二是降 低车重减少汽车对能量的要求，三是实现再生制动，将减速及制动过程损耗的能量回收 利用。广d 一 本论文即属于再生制动能量的研究范围，研究以汽车减速及制动能量回收再利用为 目的的液压复合驱动系统，通过复合驱动系统中的液压、传动、自动控制三部分的有机 结合及与发动机协调工作实现车辆的低油耗、低排放、并有效地提高其动力性能，是现 有汽车节能、环保技术所未实践应用的领域。 液压系统采用功能可逆式泵，马达，气囊式蓄能器为能量转换及贮存部件，实现结构 紧凑，反应迅速的要求。 动力接口通过变速箱侧面检视窗由中间轴上一常啮合齿轮实现，技术成型、可靠。 自动控制系统硬件电路以a t 8 9 c 5 2 为核心，没有外扩r a m 、r o m ，i o 接口芯片 采用串行工作方式，接线简单，可靠性高；设置油门、离合器、刹车状态和位置，发动 机转速，动力流向等传感器获取运行参数。 自动控制系统软件采用了结构化编程语言c 5 l 设计，程序分为主程序模块和各 子程序模块。智能化的自动控制系统用来协调能量回收再利用装置与原车辆动力系统的 工作，是复合驱动系统能否实施的关健技术之一。陈统实现不增加驾驶人员的操作项目， 不改变原来的操作习惯以及原车辆的运动规律，并根据实际情况适时控制能量回收与释 放的转换，适度控制能量回收与释放的强度，控制过程以驾驶人员操作意图为前题，以 实际运行参数为依据，以提高动力性，降低油耗、排放，减少磨损为目标。 本研究设计节油率在1 5 以上，具有极高的经济效益和社会效益。户、一一” 一一一 、 关键词：汽车；e 复合驱动； 单片机：自动控制：r 液压j 硕士学位论文汽车电控液压复合驱动系统研究东北农业大学 s t u d yo fh y d r a u i icc o m p o u n dd riv e s y s t e m na u t e m o b ii ec o n t r o ii e d b ye i e c t r i c i t y a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to fa u t oi n d u s t r y ，t h eo i li si ns h o r ts u p p l y a n dt h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n tb e c o m e st h em o s ts e r i o u sp r o b l e mt h a ts h o u l d b es o l v e di m m e d i a t e l y a m e r i c a np n g v ( t h ec o o p e r a t i o nc o n t r a c to fa m e r i c a ng o v e r n m e n ta n da u t o i n d u s t r yc i r c l e ) p l a nt od e v e l o pt h r e et i m e sf u e le f f i c i e n c yo fa u t n m o b i l ea t p r e s e n t ，w i t h i ni 0y e a r s t h e r ea r et h r e em a j o ra s p e c t so fi t ss t u d y ：f i r s t ， r a i s i n gt h ee f f i c i e n c yo f r u e ic h a n g e d i n t om e c h a n i c a l e n e r g y ；s e c o n d ， d e c r e a s c i n gt h ev e h i c l ew e i g h ti no r d e rt or e d u c et h er e q u i r e m e n tf o rt h ef o r c e o fe n g i n e ；t h i r d ，d r a w i n gb a c ka n du t i l i z i n gt h el o s se n e r g yo fb r a k ea n ds l o w s d o w n t h i st h e s i sb e l o n g st ot h er e s e a r c ho ft h et h i r da s p e c t ，t h ec o m p o u n dd r i r e s y s t e mi su s e dt or e g e n e r a t et h el o s se n e r g y t h el o wo i lc o n s u m p t i o na n d1 0 w b l e e d e ro fv e h i c l ea r ea c h i e v e db yw a yo ft h eo r g a n i cc o m b i n a t i o no ft r a n s m i s s i o n 、 h v d r a u l i cp r e s s u r ea n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ec e m p o a n dd r i v es y s t e m w o r k sh a r m o n i o u s l yw i t he n g i n et or a i s et h em o t i v ec a p a b j l i t ye f f e c t i v e l y i t i st h en e wa v a i l a b l et e c h n o l o g yo fa u t n m o b i l es a v i n ge n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mu s e st h ep u m p m o t o ra n dt h ec o n t a i n e ro fa i r s a ct y p ea st h ee n e r g yt r a n s f o r m a t i o na n dt h es t o r a g ep a r t ，s oi th a sc o m p a c t s t r u c t u r ea n dt h er a p i dr e a c t i o n t h ef o r c ei n t e r f a c ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h ei n s p e c t e dw i n d o wi nt h ev e r g e o fg e a r b o x ，t h eg e a ri nt h em i d d l ea x l e ，w h o s et e e t ha l w a y se n g a g ew i t ht h ew h e e l i nf i r s ta x l ec a nb eu s e d t h i st e c h n o l o g ya v a i l a b l ea n dr e l i 曲l e t h ea t 8 9 c 5 2s e r v e sa st h ec e n t e ro ft h ea u t n m a t i cc o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r e i td o e s n te x t e 州r a ma n d 麟m i c r o p r o c e s s o f si 0i st h es e r i a li n t e r f a c ec h i p ， m a i 【i 1 1 9t h es y s t e ms i m p l i f i e da n dr e l i a b i l i t yi n c r e a s e d n l es t a t ea n ds e a to f t h r o t t l e 、c l u t c ha n db r a k e ，t h er o t a t e ss p e e do fe n g i n e ，t h ed i r e c t i o no fm o t i v e f o r c ee t ca r et h ep a r a m e t e r s t h es o f t w a r eo fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mu s e st h es t r u c t u r a lp r o g r a m i i 刘宏新摘要2 0 0 2 年5 月 1 a 1 1 9 u a g e “c 5 1 ”t od e s i g n ，a n dt h ep r o g r a mi sd i v i d e di n t om a i nr o u t i n e m o d u l ea n de a c hs u b r o u t i n e t h ed u t vo fi n t e l1i g e n ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi s t oc o o r d i n a t et h ee n e r g yr e g e n e r a t i n gs y s t e mw i t ht h ea u t osp r i m a r yp o w e rs y s t e m ， i ti so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yo fc o m p o u n dd r i v es y s t e m t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e ms h o u l dn o ti n c r e a s et h ed r i v e r so p e r a t i o n i t e r n s ，n o tc h a n g ed r i v e y so r i g i n a lo p e r a t i o nh a b i ta n dt h ev e h i c l e sp r e v i o u s m o v i n gl a w ，a tt h es b i i e t i m e c o o p e r a t ew i t ht h ee n g i n er e a s o n a b l y a c c o r d i n g t ot h er e a lc i r c u m s t a n c e st h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mc o m a n d st h ec h a n g ea n d i n t e n s i t yo fe n e r g yd r a w i n gb a c ka n dr e l e a s i n ga tt h er i g h tm o m e n t t h ep r o c e d u r e o fc o n t r o lt a k e st h ed r i v e ysi n t e n t i o na st o p i c ，t h er e a lp a r a m e t e r sa sb a s i s ， i no r d e rt or a i s em o t i v ef o r c e ，r e d u c eo i lc o n s a m p t i o n 、p o l l u t i o na n dw e a r t h i sr e s e a r c hi se x p e c t e dt or e d u c et h er a t eo ff u l ec o n s u m p t i o nm o r et h a n 1 5 ，t h a tw i l lb r i n ge x t r e m e l yh i g he c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t p o s t g r a d u a t e ：l i uh o n g - x i n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n t u t o r ：p r o f o u y a n gb i n - l i n k e y w o r d s ：a u t o m o b il e ；t h e a u t o m a tico o n t r o c o m p o u n dd riv e ；o n a b o a r do o l r o u t e r ：h y d r a u ii cp r e s s u r e i i i 刘宏新前言2 0 0 2 年5 月 1 前言 1 1 研究的主要内容 随着汽车工业的迅猛发展，油料的紧张、环境的污染成为亟侍解决的突出问题，为 此人们投放了大量的人力、物力，并取得了卓有成效的进展。但节能、环保与安全将是 现今乃至未来汽车工业领域的个永匾课题。本论文属于汽车在减速、制动过程中机械 能量的回收再利用研究范围，是现有汽车节能、环保技术所未实际应用的领域，具有极 大的开发潜力。 研究内容以电控液压复合驱动系统来实现汽车减速、制动能量回收再利用。通过自 动控制系统将复合驱动系统中的液压、传动部分有机结合并与发动机协调工作以实现车 辆的低油耗、低排放、低磨损，同时有效地提高其动力性能。 1 2 研究目的与意义 车辆行驶过程中，按着起步、加速、匀速、减速和制动等工况循环交替地工作。如 图1 1 所示。 重： ；： 2 0 1 ： 01 02 03 04 05 06 07 08 0 9 01 0 01 1 01 2 0 t ( s ) 图l 一1 汽车城市运行速度变化曲线图 f i 1 1s p e e ds c h e m eo fc i t yb u s 仅就客运汽车在通行较为顺畅的市郊路段而言，经实测其起步、加速、减速、制动 工况频率高达7 2 以上。并且随着道路、交通流量和环境的复杂化，这一频率会变得更 大。 车辆在减速、制动工况，实质上是将其在t 一工况行驶中具有的机械能借助空气阻 力、道路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使机械能量被浪费掉， 制动系统磨损，而且，发动机处于强推怠速工况，燃烧及排放恶化。 硕士学位论文汽车电控液压复合驱动系统研究东北农业大学 车辆在加速与上坡工况，发动机处于大负荷甚至超负荷状态，混合气浓度大，耗油 量加大且燃烧不完全现象自1 1 剧。导致油耗大目加剧环境噪声与废气污染。 起步工况，车辆状态由静到动，由于惯性载荷大( 尤其对大、中型车辆) ，导致耗油 多，冲击力大。 在汽车的减速及制动过程中若减速度大于车辆在该车速、环境、路万吓自由滑行的 减速度，则该过程中即有可回收利用的惯性能量( 通过发动机制动、制动器制动所消耗 的能量) 。 由上述简略分析可见，如果将车辆在减速制动工况损失的机械能加以回收，使发动 机处于正常的怠速工况：然后在车辆起步、加速、爬坡等工况予以释放，帮助发动机工 作使发动机更长时间地处于经济工况下运转。这样不仅可以节约油料，提高动力性， 减少装车功率，延长车辆使用寿命，而且还可以减 氐噪声和废气对环境的污染。 1 3 国内外研究概况 与本课题设计出发点及目标完全一致的国外研究未见报导，但一种以使发动机长时 间处于经济工况为目的复合驱动系统( 即在相对于同等车型的底盘上装用小功率发动机， 在不失动力性的同时获得较高经济性的技术) 研究已有很长时间，并取得相当的成功， 其中能量转换部分与本课题有极大相1 e l 之处和借鉴价值。 具体研究情况是：七十年代未期和八十年代初期，原联邦德国的大众和美国的福特 公司开始分别在p i n t o 和c h i c o 小轿车上、原联邦德国的m a n n e s m a n nr e x r o t h 和 h y d r o m a f i c 两家公司在公共汽车上进行了与本课题某些方面有关的研究工作，前苏联也 进行了类似的工作。概括起来有静液压传动的飞轮蓄能的电力复合驱动和特殊异步电机 控制蓄电池组蓄能的电力复合驱动两种型式。试验结果表明，静液压飞轮复合驱动可使 每循环( 力口、减速循环) 平均油耗喇氐约3 0 ；电力复合驱动平均循环节约油2 0 ，同时， 提高了汽车的加速性能，延长了其使用寿命。 到了九十年代，随着液压和电动技术的发展世界许多汽车公司加紧了对复合驱动汽 车的研制和开发。俄罗斯的阿兹勒克a 3 n ( 一2 1 4 l 型轿车和拉斯儿a 3 4 2 0 2 公共汽车 运用成熟的技术开发了小功率发动机加储能器的复合驱动装置，油耗分别下降了2 9 6 2 和1 8 4 2 ；9 4 9 6 年俄罗斯依热大斯克车辆厂采用铅酸电池作为电能储存器，发动 机油耗比原车型低2 1 以上，在车辆的燃油经济性得到了可信提高的同时，排放也得到 了大大的改善，c 0 2 的排放量下降5 0 ，c o ，h c 和n o x 只有传统发动机的1 1 0 ，且 有良好的加速性，反应更加灵敏。另外，美国的通用福特、克莱斯勒在九十年代中期与 美国能源部投资上亿美元开发复合驱动项目研究，最近俄罗斯专家提出用电容器储能装 置研究复合驱动汽车，其优点是质量功率大，并能在数秒内存储和释放能量。 综合分析几种复合驱动型式，其各自性能对比如表2 1 。 复合驱动技术理论上可行并且通过实验上得到了验证，但规模化应用上还存在以下 问题： 2 刘宏新前言2 0 0 2 年5 月 ( 1 ) 车型原装设计难度大、结构复杂、车辆成本增加较大： ( 2 ) 蓄能系统工作效率较低，如电力系统深度放电循环能力不强，寿命短 ( 3 ) 对驾驶和维修人员技术要求较高。 表2 一l 几种复合驱动形式性能对比 t 曲2 _ 1c o n t r a s to fs e v e r a lk i n d so fc o m p o u n dd r i v e 、蓄能方法 项s 飞轮液压蓄能器蓄电池 蓄积效率( 短时间) 0 蓄积效率( 长时间) 0 能量转换效率 寿命 超负荷容量 可靠性 维护性 噪音 成本 注：+ + ：优秀+ 好o 中等一差一一：非常差 尽管如此，随着世界性油料紧张，价格上涨，尾气排放限制越来越严格：复合驱动 仍是今后汽车传动的一种发展趋势。美国p n g v ( 美国政府和汽车工业界的合作契约的 简称) 计划十年内开发出三倍与目前燃料效率的汽车，其研究主要从三个方面着手，一 是提高燃料转换成机械能的效率，二是喇氐车重减少汽车对能量的要求，三是实现再生 制动，将减速及制动过程损耗的能量回收利用。其中“实现再生制动，将减速及制动过 程损耗的能量回收利用”与本课题的复合驱动设计思想完全一致。 在国内，汽车的节能技术研究开展了很长一段时间，取得了一定成就，但多局限于 内燃机的各别系统。以运行的车辆整体为研究对象，通过回收被损失的机械能予以再利 用的复合驱动途径改善车辆燃料经济性、动力性、环保性的研究尚属空白。 剃宏新2 系统设计方案 2 0 0 2 年5 月 2 系统设计方案 2 1 技术关键及实现途径 1 、不改变司机的驾驶习惯及车辆般运动规律 主要是指起动、起步、加速、换挡、减速、制动等内容的操纵习惯 及在这些过程中车辆所表现出的运动规律。 2 、合理的能量回收强度 能量的回收强度过小，会使被损失的机械能不能充分回收再利用；回收强度过大， 又会造成所设计的装置成本太高，导致其技术经济性不好。所以，要依据汽车在常处环 境下实际工况中减速、制动出现频率较高的减速度值来加以确定。 能量回收与释放控制信号的选择与驾驶员控制车辆工况变化动作随动，随动动作反 应应相当灵敏，以1o _ 1 秒计，并且以不分散驾驶员精力和防止意外操纵造成不良反应引 发事故为原则。所以，自动控制系统采用油门变化等与车辆运行工况及运行趋势有关参 数经逻辑计算实现智能控制。同时，设置强制操纵开关，以实现利用减速、制动停车贮 存能量辅助发动机使车辆由静止进入起动、起步工况。 4 、消除发动机强推怠速工况 发动机正常怠速时转速约为5 0 0 - , 6 0 0 f r a i n ，这转速在化油器节气门后形成的真空 度较小，而在减速制动工况，底盘带动发动机以约1 5 0 0 f r a i n 的速度运转，这种发动机 强怖0 动转速使得节气门后形成的真空度很大，使得燃油被大量从怠速油道中抽出，与 空气形成极浓混合气进 燃烧室烧掉( 若为燃油喷射发动机或柴油机，该种工况不很严 重但仍可加以控制，实现最优) 。 目前，在车辆实际运用过程中为解决这一问题，司机采取的做法是脱挡滑行，而这 种方法，特别是在下坡行驶时是极不安全的。可见，在汽车减速、制动工况消除发动机 被动高转速转动，对节约燃料、减少排放是极有意义的。解决这一问题的途径就是在由 液压系统回收能量，保持一定制动效能的同时，利用自动分离离合器，切断底盘和发动 机的传动。对采用分离轴承类型的离合器要严格控制分离时间，以免降低分离轴承的寿 命。 5 、避免发动机向能量回收装置输 能量 4 坝j 学伸i 史汽币也挡液jj 、盟舟驰动系统研究 若发动机向能甚同收装置输入能譬，那么这部分能j 诖经过该装置的循环效率损火 辨必造成能量的浪费，所以这种现象必须避免。 6 、使发动机更长时间地处在经济工况下工作 麟、 叉惨、专垮 心 ，一， 箩疑 土 一 e q 6 0 0 眭机 ，一 搭7 0 汽油 l _ 6 5 水戈 0 - - 8 t ，( t s 叫1 图2 1e o _ 6 i o o q 发动机及j e 万胄特性图 f i g 2 - 1m o u l da n di t su n i v e r s a lc h a r a c t e ro fe q 一6 1 0 0 qe n g i n e l j 6 11 0 所配e 0 6 1 0 0 发动机及其万有特性如蚓2 - l 所示。从图中可以看山，发动 机臣转速为2 2 3 4 r s ，声气fj 开度为3 5 - 5 5 ，有效功率为3 5 , - 6 0 k w 时其燃料经济性 最佳( 2 9 2 9 k w h ) 。当该车在爬坡及加速等人负荷】况时，使蓄能装置与发动机并联 ：作，协助发动机克服短时间的大负荷或超负荷，。况，尽可能使其更跃时间地i j 作在经 济t 况( 节气门开度3 5 5 5 ) 。 7 、辅助起动与起步 -卅也立 刘宏薪2 系统设计方案2 0 0 2 年5 月 车辆在起动与起步工况时，l n d n 内平均消耗燃料要超过l o o g ，并且i 吝种情况会随 环境气温的降低而增加。车辆在这种工况下，特别是重载时，发动机与传动系统负荷大， 离合器从动片易滑磨烧蚀。复合驱动系统可以利用减速、制动等工况贮存的能量，完成 发动机起动与辅助车辆起步。试验表明，当蓄能强度为6m p a 时，即可实现这过程。 当车辆处于减速工况时，存在驾驶员由高挡换人 氐挡情况，此时蓄能器处于蓄能状 态( 变速杆置于空档时，相当于对变速器主动部件实施制动作用) 。若驾驶员仍按常规“两 脚离合器法”进行操作可能因加大油门对主动齿轮加速不够，没有换挡时机或时间太短， 导致换不上挡。当车辆由低挡换入高挡时蓄能器处于能量释放状态( 变速杆置于空档时， 相当于对变速器从动机构实藤加速作用) ，使换挡时机较蓄能器不起作用时间缩大为缩 短。综合e 述分析，能量回收装置工作时，对驾驶员的换挡操作习惯有着很大的影响。 解决这一问题的途径是：在换挡过程中蓄能装置工作与否由与变速杆同步的开关控制， 换挡过程中复合驱动系统工作暂停。 2 2 系统方案 总体方案采用液压蓄能复合驱动系统，见图2 - 2 。方案2 - l a ，方案2 - b 分别为电液 阀缓冲和蓄能器缓冲。方案中蓄能装置与发动机j 蓖过变速箱3 中间轴上的3 6 齿齿轮实现 并联再与变速箱输出轴串联实现机械、液压复合驱动方式。 ( 图2 - 2 | 方案一) 1 主离合器分离机构2 分动嚣3 主变速器4e c u5 传感器 6 电液阀7 蓄能器8 压力衰9 溢流髑1 0 油箱1 1 单向阀 1 2 液压泵马达1 3 离合嚣1 4 联轴节1 5 滤漪器 6 硕士学位论文汽车电控液压复台驱动系统研究末北农业大学 i 5 l】i j u 厂t | t _厂“ j j _：lx 匹 f 、人 ld 乙jul t 1 ，h 1t q 。i ， l ：e 三p j 风i l u 、2 厂、! 一生刊 i l l| 乏寸一 ly 。山” ( 图2 - 2 1 ) 方案二) 1 主离合器分离机构2 分动器3 主变速器4e c u5 传感嚣 6 电液阀7 蓄自甥 8 压力表9 溢流阀1 0 油箱1 1 单向润 1 2 液压泵马达1 3 离合器1 4 联轴节1 5 滤清器1 6 缓冲目镩 图2 - 2 复合驱动系统总体设计方案 f i g 2 _ 2s c h e m eo fa l lt h ec o m p o u n dd r i r es y s t e m 能量的回收与释放通过可逆的油泵，马达1 2 实现，在蓄能时作为油泵，在能量释放 时作为马达。这种方案既简化了机构又使得成本降低3 0 0 0 3 5 0 0 元。油泵马达的蓄能与 能量释放功能转换由三位四通的主控电磁阀6 及其相应的辅助装置实现，并受e c u 4 控 制，e c u 接受节气门开度变化等与发动机工况、车辆运行状态及驾驶员操作意图等相关 传感信号5 ，综合处理后对复合驱动系统进行自动控制。 回收的能量以液压能形式存贮于蓄能器7 中，在能量释放过程中。贮存的液压能由 马达经分动器接口变速箱协同发动机驱动j 蘸虹作。为消除回收能量时发动机起制动作 用而使能量不能充分回收再利用，方案设置了车的传动系统与发动机间的动力流电控液 动( 气动) 离合装置。该装置工作信号与主控阀信号相致，在能量回收时将发动机与 传动系统间动力传递切断，从而消除了减速制动过程中的发动机起制动作用，而使蓄能 装置不能充分发挥作用的现象，同时也消除了发动机强推怠速工况。 2 3 工艺流程 工艺流程如图2 - 3 所示，由调研、检索开始，收集最广泛的资料、测定最基本的数 据。从而设计出总体方案并多方论证； 液压系统具体设计实验； 传动系统具体设计实验： 7 i 宏新 2 系统设计方案 2 0 0 2 年5 月 自动控制系统具体设计实验 调研、检蜜 组装测试1 技术总结 图2 - 3 工艺流程 f i g 2 - 3f l o wc h a r to fd e s i g n 2 4 研究对象测定与分析 2 4 1 测定环境选择 汽车的使用条件是各种各样的，有道路条件，交通密度，有效载荷，气象条件，驾 驶技术等等，它们都对行驶工况有着重要的影响。合理确定这些因素，使得针对研究对 象的工况测定具有代表性，以便定性和定量地分析的典型行驶循环，尽而合理确定 葭压 蓄能装置在汽车减速制动工况时回收能量的强度及自动控制系统的信号数值设定是至关 重要的。鉴于上述考虑，因本课题所设计对京为城市公交车辆。所以实测汽车使用条件 定为：大庆市萨尔图区至让胡路区路段，车辆总重7 一1 0 吨，往返运行，测试距离不小 于1 0 0 公里，由具有近2 0 年驾驶经验的司机驾驶。 坝i 学位论史汽乍l u 托液j | 、韭帅础系统究自、扎粑l p 人学 2 4 2 测定方法与结果 应用c t h 一3 汽车拖拉机综合测试仪实施跟踪测定，由数字显示仪监控，经记录 纸带打印输山，汽1 i 行驶速度变化典型曲线如图2 - 4 所示。 剧2 4 汽车行驶速度变化实测酎 f i g 2 _ 4s c h e m eo ft h ea u t o ss p e a dc h a n g e s 2 4 3 测定结果分析 i h1 汽下远行l 犹凡订随机性，i l l l l 采川统胍川! 进行分析，把j v 何时山速j 盟 变化绝对值小t 02 5 5 m s 的运行1 况( 即有效载荷足1 5 t 脱挡滑行减速度4 f t l 7 8 ) 定 为匀速l 况；减速度人丁0 2 5 5 m s 2 者定义为减速制动i ：况；加速度值人1 ：0 2 5 5 者定义 为加速f ：况。 旧口 匀速加速减速 图2 - 5 加、减、匀速频率图罔26 典型加速、减速与f 恸循环丁况 f i g 2 - _ 5f r e q u e n c ys c h e m eo fa 1 1k i n d sm o d ef i g 纳s c h e m eo ft y p i c a le i r c l e 经对记录曲线统计有：平均行驶速度为3 0 0 0 k | 硼1 ；依发生时间统计匀速1 。况，加 速+ 况，减速j r 况，频率分别为2 7 8 ，4 48 8 ，2 73 0 ，如图2 - 5 所示，典刑脱挡滑 9 。飞扣 。 拿。肌 ， 幡 髟 ， 屿 j 阿u 一 刘宏新2 幕统设计方案2 0 0 2 年5 月 行减速度均值为加2 5 5 m s 2 ，收油门减速度为- 0 2 5 5 - - 0 6 5 m s 2 ；制动减速度为- 0 6 5 , - , 9 o m $ 2 。 图2 - 6 是全程典型减速、制动与加速循环工况，其平均减速强度为- o 6 8 9 m s 2 ，典型 加速强度为0 7 2 9 m s z ，平均加速强度为0 4 1 9m s 2 。 刘宏新3 控制系统硬件设计2 0 0 2 年5 月 3 控制系统硬件设计 3 1 控制原理 3 1 1 控制参数 智能化的自动控制系统用来协调能量回收再利用装置与原车辆动力系统的工作，是 复合驱动系统能否实施的关健技术之一。复合驱动系统的采用不应增加驾驶人员的操作 项目，不应改变原来的操作习惯和原车辆的运动规律，同时要合理地配合发动机工作， 并应根据实际情况适时控制能量回收与释放的转换，适度控制能量回收与释放的强度， 控制过程以驾驶人员操作意图为前题，以实际运行参数为依据，以提高动力性，降低油 耗、排放，减少磨损为目标。 根据t 述要求选定如表3 - 1 的控制系统参数。 表3 - 1 ：系统控制参数 t a b3 - 1p a 瑚e t e r so ft h ec o n t r o l s y s t e m 序号参数说明用途 油门的开度：开大、关与转速综合确定发动机负荷；反应驾驶员 i 油门位置，状态 小的趋势加、减速的意图 刹车渭顺自由行程内 2 刹车踏板位置反映驾驶人员欲实施的越强度 的下踏程度 离合器的分离；接合；离合嚣非接合状态下，为不影响扶档及对车 3离台器状态 半瞄动速的一些特殊要求，液压系统暂时关闭 位置；低档增高档 高 4 变速杆位置辅助识别驾驶员操作意图 档刚e 档 5 发动机转速与油门位t 综合确定发动机负荷 发动机- 庵彘动力的正向、反向流动分别是启动系统自e 量 6动力流向 底盘一发动机回收和能量释放功日啪必要参数 车体总质量的变化影响觚速度、减速度的大 7 车辆总质量 k g 小即相应蓄能与释放的强度 8 蓄能压力液压系统允许能量释放门限 表中所列的油门位置、刹车踏板位置、离台器状态、变速忏使置等作为控制参数， 是因为驾驶人员对车辆速度的控制通过对油门、刹车、离合器、变速杆的操作来实现， 所以对这四个机构的位置及状态的信息采集及判断就可以准确地反映驾驶 员的行为意 硕士学位论文电控汽车藏压复合疆动系统研究东北农业大学 图：“欲加速”、“欲减速”：“加速强度”、“减速强度”；第五项参数：“发动f i 转速”， 该参数与油门位置综合确定发动机负荷，根据负荷与油耗翠的关系，使回收能量的释放 配合发动机的负荷程度使油耗最低；表中第六项参数“动力流向”是反映车辆动力传动 链上力的传递方向。是启动或关闭复合驱动系统的必要条件；只有在车体由于惯性推带 发动机运转( 发动机制动，动力反向传递) 时才有回收多余惯性能量的可能、车辆运行 过程中只有在拨动机向驱动轮输出功率( 动力正向传递) 时才宿将回收能释放的必要： 第七项参数的选择如表中所述。 以e 所选参数可根据复合驱动系统应用的具有不同特点不同对京灵活取舍，以简化 控制系统的设计。 3 1 2 控制逻辑 田3 _ 1 系统控橱逻辑框圉 f i g 3 - il o g i c a s c h e m eo fc o n t r o ls y s t e m 根据控制参数对车辆运行状态的反映和各参数间相互制约关系设定如下控制系统 1 2 刘宏新3 控制系统硬件设计2 0 0 2 年5 月 信号处理逻辑关系。如图3 1 。以此作为控制系统硬件设计和程序编制的依据。 其中：油门状态稳定与否由其变化率是否大于实验值确定，根据 体反映时间及一 般驾驶操作情况，当油门在1 0 0 毫秒内变化小于3 0 则认为其处一稳定状态。 发动机负荷以油门开启程度( 大于8 0 ) 及发霉! 市i 转速( 小于该油门开度下经济 转数的3 5 ) 确定，见图3 - 2 ： 重新分配制动器的总行程为自由行程、蓄能减速行程、刹车制动行程； 动力流向由实验制取的发动机空负荷时油门位置与发动机转速曲线划分为动力正 流向区和动力负流向区，见图3 3 j 一 n u 刊自b 量释放 ) r 关量采集 i离台器状态卜_ t i p 5 2 l - 4 列le i ) h “ 圈3 - 6 挡制荦元组成结构 f i g 。3 + 6s t r u c l u i eo fc o n l r 0 1 u n il 控制器主体采圳h t 8 9 c 5 2 单片机，其f ：作主频为1 2 m h z ，内部有8 k e 2 p r o m 和2 5 6 字节的r a m ，无须外扩r a m 、r o m 即可满足系统控制要求，使可靠性人人提高。油门开 启程度、刹车踏板位置等模拟量的a d 转换，档位、离合器状态等开关量的采集及 l f 2 ) 数码管的显示与驱动全部采用串行接口芯片， h 的i 0 口资源少，无须另行扩 充从而使控制单元的硬1 ，l = 结构紧凑，提高了 作可靠性。 3 3 2 模拟信号的采集与处理 本单元主要是对油门开启稃度、刹下踏板位置、( 液) - t i 压力) 等模拟量进 r 数据 采集与处理。由相麻传感器测得的模拟i h 信号经t l c 2 5 4 3 a d 转换成数字信号，i 亓，通过 书行口传送至 t 8 9 c 5 2 ，存入相应的内存t 甚元，交历划软什处理。 图37i _ l c 2 5 4 3 ，j 卿 * 删 f i g 3 - 7l e gs e a u e n c eo ft i , c 2 5 4 3 c o k 一叶 h i l 刚旧托乱畦畦m刖舶”螗垢坫“”n儿 i 2 3 s 6 t 廿，帅m雌肘m精舴盯薯d 6 硬士学位论文电控汽车液压复合驱动系统研究东北农业大学 串行转换芯片c 2 5 4 3 是美国德州仪器公司于近年推出的种性能价格比较优 的1 2 位逐次逼近摸致转换器。可采集1 1 路信号，与单睁机的连接仅占用4 根口线。它 有三个控甫! 腧 端：片选( 岱) 、输 ，输出时钟( i 0 c 嘲0 及地址榆入端( d i n ) 。可以 通过个串行的三态输出端与主处理器或其它外围串行口通信。 除了高速的转换器和通用的控制能力外，t l c 2 5 4 3 有个片内的1 4 通道多路器可 以选择1 1 个输 中的任何个或3 个内部自测试( s e l f - t e s t ) 电压中的个。采i 爷 保持是自动的。在转换结柬时，“转换结束”( b 0 c ) 输出端变高以指示转换的完成。本 器件具有简化模拟电路以及隔离电源噪声的特点。 1 t l c 2 5 4 3 引脚排列及功能说明 t l c 2 5 4 3 引脚排列如图3 7 所示，引脚及功能功能说明如表3 - 2 所示。 表3 - 2t t l 2 5 4 3 引脚及功能 t a b 3 - 吧l e gf u n c t i o no f1 1 晓5 4 3 注释： ( 1 ) 串行输出线d o u r ：是推挽串行数据输出引脚，读周期内数据从此引脚e 移出， 数据由串行时钟的下降沿同步输出数据从外部芯片到单片机 ( 2 ) 串行输 线d i n ：是串行数据输 引脚。通道咆蚰剀晕在此引脚e 输k 数据 由串行时钟的上升沿镄存数据从单片机至哇乡p 部芯片。 ( 3 ) 串行时钟c l r ：串行时钟是d u f f 和d i n 的同步脉冲，每个c u 【将确定d o u r 和d i n 线e 位i t ) 的传送般c l k 由单片机发出。快慢由c u ( 的脉宽决定。 ( 4 ) 片选航当岱为高电平时，d o u t 输出处于高阻状态c s 为低电平时选中该 芯片。岱不仅仅是选通，而且还充当起停信号，当c s 从高到低跳变( 干降沿) 时，表 示操作开始接下来的每个c u 【脉冲将代表个有帮r 位( b i t ) 当c s 从低到高跳变( 上 升沿) 时，表示操作结束 1 6 刘宏新3 控制系统爱件设计2 0 0 2 年5 月 2 工作过程说明 f i g ht i m i n gf o r1 2 - c l o c kt r a n s f e ru s i n gc sw i t h 峪bf i r s t 圈3 - 9a t 8 9 c 5 2 与t l c 2 5 4 3 接口电路 f i g 3 - 母i n t e r f a c eb e t w e e na t 8 9 c 5 2a n dt l c 2 5 4 3 1 7 确士学位论文电控汽车液压复合囊动摹统研究东北农业大学 开始片选鹤为高，c l k 和d i n 被禁止，d o u r 为高阻抗状态。c s 变低开始转化过 程，c u ( 和d i n 使能，并使d o u t 端脱离高阻抗状态。 输入数据是个包括个4 位模拟通道地址( d 7 d 4 ) 、个2 位数据长度斑瞬d 3 d 2 ) 、个输出峪b 或l s b 在前选择位( d 1 ) 以及个单极性或双极性输出选择位( d o ) 的8 位数据流。这个数据流是占 d i n 端加 ，在c u 【的上声沿存 输 寄存器。在传送 这个数据流的同时，输入输出时钟的下降沿也将前一次的转换结果从输出数据寄存器 移到d o u r 端。c l k 端接收的时钟长度取决于输入数据寄存器中的数据长度选择位。峪b 在前1 2 位时钟传送的时序图如图3 吨所示。 控制单元使用的a t 8 9 c 5 2 单片机没有s p i ( s i g n a lp r o c e s s i n gi n t e r f a c e ) 接口 能力，为了与t l c 2 5 4 3 接口，可以利用软件合成s p i 操作，完成a d 数据的采集。本控 制单元t l c 2 5 4 3 与a t 8 9 c 5 2 只用4 根口线，如图3 9 所示，转换结柬端印f 未接入，这 是由于两个工作周期之间的指令时间般者陕于l o 微秒。转换已完成，不必判断e o f ， 这样可节省一根口线。 图3 - 1 0 频率测量接口电路 粒孓1 0i n t e r f a c eo ff r e q u e n c ym e a s u r e d 1 8 刘右新：j 控制系统删什| 盐2 0 0 2 午5 月 发动机转速信号的采集主要是实现1 ：辆行驶过科中的起步，加速，匀速，减速和 制动等j r 匀速【况f 脉冲频率的测姑，采集后的数据通过c r u 计算折合成发动机的转 速。 单片机对频率最有两种测量方法：测频率法利测周期法。木系统采用测频率的方 法，即在单位时问内对被测信号脉冲进行计数，其接口电路如图3 1 0 所示。 其一r 作过程是将频率脉冲通过同步控制电路接到8 9 c 5 2 的1 1 端，将8 9 c 5 2 的t c 0 用作定时器，t c i 川作计数器。在1 c 0 定州时问里，剥频率脉冲上址行计数。t c l 的 计数值便是单何定时时间里的脉冲个数。 控制时，首先p i4 发一个清0 负脉冲，使u l 、u 2 两个i ) 触发器复位，其输山封 锁g 1 、g 2 两个与fj 。接着由p 15 发一个启动正脉冲，其有效上升沿使u i = i ，fjg 1 被开放。之后被测脉冲上升沿通过g 2 送t i 计数：同时，u 2 输山旧赢l h 平使【n m = i ， 定时器0 的门控g n 、e 有效，启动r c 0 开始定时。直到定时结束时，从p 1 4 发一负脉 冲，清零u 2 ，封锁g 2 ，停i r t c i