（动力机械及工程专业论文）混合动力电控自动调速系统试验台开发.pdf

摘要 环境污染和能源危机问题日益尖锐，节能、环保型的新型汽车成为了我们 研发的最终目标。动力系统作为汽车的关键零部件，也成为了研究的重点。当 前国际上适用于混合动力汽车的动力系统主要有丰田的t h s 和本田的i m a 等系 统，但是由于技术等原因无法进行国产化。电控自动调速系统是自主开发的一 款专用于混合动力汽车的动力系统。 文中对该动力系统测试台架的构成、软硬件的选型进行了介绍。在试验台 系统控制方面，采用的是可靠性高，抗干扰能力强p l c ；在数据采集方面，采用 的是北京中泰研创u s b 7 3 3 5 a 的采集卡，该采集卡抗干扰能力较强、采样频率 较高，用l a b v i e w 进行底层程序的编写，实现数据的采集和记录：还采用了组 态软件f a m e v i e w 进行显示界面的制作，直观生动地将整个试验过程表现出来。 通过实验可以看出，该试验台很好地完成了预期设计的目标。通过最后得 到的试验数据分析，可以得出，该变速器在相对较小的速比差的情况下，可以 平顺并且实现快速换档，但是速比差过大时整个换档过程就会慢一些。通过对 整个换档动作的分析，可以得出现阶段电机控制技术成为了制约变速器换挡性 能的最大的因素。虽然存在一些问题，在解决了速比差过大和电机控制技术问 题之后，该动力系统性能将得到进一步优化。 关键词：自动调速系统，试验台，控制和数据采集 a b s t r a c t w i t ht h ec n v i r o n m m ta n d 朗e 啊c r i s i sb e c o m i n gn l o l ea n dm o r es e v e r e ，g t l c l g y c o m c r v i n ga n d m v i r o n m m t a lf r i e n d l ya u t o m o b i l eb e c o m eo u ru l t i m a t eg o a l p o w e rs y s t e m 勰t h ek e ys p a r ep a r t sb e c o m e st h eh o t 眦n o wt h el a r g e l yu s e dp o w e rs y s t e m sa m o n g h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s 羽t h so f t o y o t aa n di m a o f h o n d ab u td u et os e v e r a lr e a s o n st h e y 锄n o ta d o p t e di nc h i n a e l e c t r i cc o n t r o l l e ds p e e d - a d j u s t i n gs y s t e mi sa l le s p e c i a l l y d e s i g n e ds y s t e m f o rh e v a l s ot h et h e s i si n t r o d u c e st h ec o n s t n 碰o n , t h es e l e c t i o na n dm a t c h i n go f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t st h es t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c e , e a s yt ol e a r na n d u s e r - f r i e n d l yp l cs y s t e m a st ot h ed a q , i ta d o p t sas p e c i a ld a t a - a c q u i s i t i o nc a r da n d t h e b o t t o m p r o g r a m s 孤c o m p i l e db yl a b v i e w t od 0t h ed a q t h ed i s p l a yi n t e r f a c ei sm a d e b yf a m e v i e w , w h i c hd i s p h y st h e t e s tp r o c e d u r e v i v i d l y n 呻t h et e s t , t h et e s tb o a r d r c , o m p l i s h e st h ee x p e c t e dg o a l s a l t e rt h ea n a l y s i so f t h ea c q u i r e dd a t a , i ts h o w st h a tt h ec l u t c hi nal o wr a t i oc a l lc o m p l e t et h es h i i is w i r l ym a d s m o o t h l yb u tw h e nt h er a t i oi sh i g h , t h es h i r i n gi sn o tt h a tp e r f e c tb a s e do i lt h ea n a l y s i so f t h es h i f t i n gp r o c e s s , i tc mc o n c l u d et h a tt h em o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yb e c o m et h em o s t s e r i o u si s s u ec o n s t r a i n i n gt h ew d n s m i s s i o n t h o u g ht h e r ea 坞s 6 s o m ep r o b l e ；m s , a i t e r s o l v i n gt h er a t i oa n dm o t o rc o n t r o lp r o b l e m , t h es y s t e mw i l lg e taf u r t h e ro p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：e l c c a i c c o n t r o l l e d s p e e d - a d j u s t i n gs y s t e m , t h ec o n s t r u c t i o n o ft h et e s t i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：壹，i 、帆 导师( 签名) ：日期印j 哆厢习日 盖毒 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 混合动力汽车的发展现状 汽车产业成为了世界经济发展的支柱产业，成为了人类生活的重要交通工 具。但是随着全球汽车拥有量的快速提高，传统内燃机汽车所带来的能源和 环境污染问题日益严峻。环境污染和能源危机成为全球最为关注的问题，节能、 环保、使用替代能源的新型汽车成为了是我们研究的最终日标。电动汽车、混 合动力汽车和燃料电池汽车，成为2 l 世纪各国政府大力发展的主要目标。l o 几 年来，美国、欧洲、日本等国政府和跨国公司已投入超过1 8 0 亿美元的资金 而且每年还在大幅度增加。其中燃料电池汽车存在燃料电池技术不成熟、电池 成本过高和可靠性不高等问题，纯电动汽车则存在电池组价格昂贵、有限的续 驶里程和汽车动力性等多方面问题，这都使的燃料电池和纯电动汽车在发展上 受到了很大的限制，离市场化还有相当长的一段距离。因此，混合动力汽车成 为了一种相对“折中”的方案，成为现阶段最有前景、最实用的车型。其中最 具代表性的就是丰田公司的p r i u s ( 见图1 1 ) 和本田公司的i n s i 曲t ( 见图i - 2 ) 等经典车型。有研究表明混合动力汽车最高可节约燃油5 0 0 ，降低排放7 0 ， 在环保和节能上指明了方向。 图i - i 丰田p r i u s 图i - 2 本阳i n s i g h t iii 混合动力汽车的分类 混合动力汽车是在传统内燃机汽车的基础上对其动力结构进行了调整， 改变其动力输出源的新型汽车。根据其结构弗置形式可以分为三种，分别是串 武汉理工大学硕士学位论文 联式、并联式和混联式。 串联式( s h e v ) 驱动系统如图1 3 所示，主要由发动机、发电机、电动机 组成。发动机驱动发电机发电，电能输送到电池或电动机，由电动机驱动汽车。 当车辆处于加速、爬坡工况时，发动机、发电机和电池组共同向发动机提供电 能；当汽车处于低速、滑行时，电池组驱动电动机，电池组电量不足时由发动 机发电机组向电池组供科2 1 。串联式驱动系统结构简单，发动机易运行在高效 区，但是能量转换效率低下，无法有效提高效率，动力性较差。 图1 3 串联式混合系统能量传递图 并联式( p h e v ) 驱动系统如图1 4 所示，利用电动机和发动机两种动力源 来驱动车轮，其基本结构是由电动机、发动机、i - i v 蓄电池、变压器和变速器组 成。因电动机兼用为发电机，所以不能一边发电一边用来行驶。动力的流向为 并联，所以称为“并联式混合动力力系统 【3 l 。并联式混合动力系统与串联相 比其燃油经济性较高，适合中、高速稳定工况，但是其排放较串联差，结构也 相对复杂。 图1 4 并联式混合系统能量传递图 2 武汉理工大学硕士学位论文 混联式( p s h e v ) 驱动系统如图1 5 所示，包括串联式和并联式的就是混 联式。根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机 和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以一边行驶，一边给h v 蓄电 池充电。基本结构由电动机、发动机、h v 蓄电池、发电机、动力分离装置、电 子控制单元( 变压器、转换器) 组成。利用动力分离装置将发动机的动力分成两份， 一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电，给电动机供应电力和h v 蓄电池 充电。混联包含了串联和并联的优点，通过对发动机、发电机、电动机等部件 的优化匹配，使系统工作在最优状态，更容易实现油耗和排放的控制【4 】。虽然其 结构是最复杂的一个，但混联系统被认为是目前最具有前景的一种模式。 驱动功率_ 一回馈功率 图1 5 混联式混合系统能量传递图 混合动力汽车的核心是其动力系统，它的性能直接关系到整车动力性能。 整个混合动力汽车的动力系统又由电机、发动机、变速器、发电机( 并联式混 合动力没有) 等组成。变速器作为汽车传动系统中最主要的部件之一，它不仅 仅实现基本的动力传递、换档、变速变矩，对变速器的优化可以提高整车的动 力性，同时通过正确的配比在一定程度上可以降低整车的油耗和排放，提高经 济性【5 】，因此有效的解决混合动力汽车动力系统的集成控制，使整车实现高度集 成和简化配置，成为了发展研究的一个方向。经过多年的发展，混合动力系统 从原有的离散结构向一体化结构发展，即集成化动力总成系统。集成化动力系 统是混合动力系统的最有方案，但也是最复杂、难度最大的结构，也是现在和 将来研究的重剧引。 采用适合混合动力系统的新型自动调速传动系统，可以优化车辆的动力性 3 武汉理工大学硕士学位论文 能、经济型和排放。在车辆起步时，通过对整车动力性参数的监控，实现发动 机与电机的协调控制，使起步更加平顺、更加节油。在行驶过程中，根据低速 时经济性和排放最优、高速和加速时动力性最优的原则，以及发动机、传动系 统、电机及电池的性能，实现自动调速换挡控制，一方面充分发挥混合动力汽 车的优势，另外一方面减少换档时传动系统动力中断时间，降低换档过程中的 冲击，提高换档平顺性及驾驶舒适性。在制动和减速的过程中，根据控制策略 和电池s o c 的值，来判定是否需要进行能量回收，而自动调速动力系统则通过 整车参数的判定来合理调整档位，提高制动能量回收效率。进一步降低油耗。 1 1 2 混合动力驱动电机的分类 驱动电机作为混合动力汽车关键部分之一，应该具有较大的调速范围、较 高的转速、较大的起动转矩、较强的能量反馈和动态制动性能。车用的电机主 要有直流电机、感应电动机、永磁电机和开关磁阻电机。在早期的混合动力、 纯电动汽车上，直流电机控制简单、调速特性优良、技术成熟，但由于其效率 低、质量大、可靠性较差，不适合高速运转等缺点，逐渐被感应电机、永磁电 机和开关磁阻电机所取代【7 】。 感应电机有两种类型：绕线式和鼠笼式，其中鼠笼式感应电机在混合动力、 纯电动汽车上应用最为广泛。感应电机具有结构简单、成本低、可靠性高、噪 声小、免维护等特点，在汽车驱动电机领域里应用很广泛。近年来，由感应电 机驱动的混合动力、纯电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。由于直 接转矩控制性能优良、结构简单和动态响应快，因此非常适合于混合动力、电 动汽车。美国以及欧洲研制的混合动力汽车多采用这种电动机【8 j 。因为感应电机 的矢量控制调速技术也比较成熟，使得感应电机驱动系统具有明显的优势，目 前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品( 尤其在美国) 。但感应电机的最大缺点是 驱动电路复杂，相对永磁电机而言，其效率和功率密度偏低，因此有被其它新 型永磁电机逐步取代的趋势。 永磁电机根据电流方式可分为永磁直流电机和永磁交流电机。永磁交流电 机又称为永磁无刷电机，包括永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合电 机三种。永磁电机的控制方式与感应电机基本相同，是当前电动汽车应用的研 发热点【9 1 。 用永磁体代替励磁线圈和磁极，传统的绕线式直流电机就变成了永磁直流 4 武汉理工大学硕士学位论文 电机。其功率密度和效率较高，电枢反应减少，但因其换向器会产生转矩波动， 电刷会带来摩擦和射频干扰，同时需要定期维护，都限制了永磁直流电机的发 展空间。 用永磁体代替励磁绕组，传统的同步电机就变成了永磁同步电机。永磁同 步电机的定子与传统的同步电机相同，转子采用径向永久磁铁作成磁极。其转 子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的转速取决于电源频率。由于其功率密度和 效率高、体积小、惯性低、响应快以及调速范围宽等优点，使其成为电动车驱 动电机中强有力的竞争者，发展前景最为广阔【1 0 ) 。 永磁无刷直流电机转子上无电刷和换向器，不再用励磁绕组、集电环和电 刷等来为转子输入励磁电流。其定子绕组多做成三相对称星形接法，同感应电 机十分相似。具有较高综合效率和功率密度、体积小、重量轻、结构简单牢固 等优点，但若能很好地解决其控制问题，将会有十分广阔的应用前景。 在永磁直流电机中加入附加励磁绕组，使其既有永磁体又有励磁绕组，就 成了一种新型的电机，即永磁混合电机。励磁绕组固定在定子上，永磁体通常 嵌入转子中。由于在转子中嵌入了附加励磁绕组，使转速范围加宽，因此控制 这种电机的关键就是控锘i j 励磁电流。在高速恒功率区运行时，对永磁体产生的 气隙磁场进行的是弱控制。其的优点有：漏磁最小、结构紧凑、气隙磁通密度 和功率密度高，恒功率运行的速度范围显著提高，适当调节电源电压和励磁电 流，可以提高汽车的驱动性能，但此类电机的主要缺点是结构相对复杂【l l l 。 开关磁阻电机是一种新型的调速电机，其定子和转子由硅钢片叠片组成， 采用“凸极”结构，其转子上没有绕组、滑环和永久磁体，只在定子上安装有 简单的集中励磁绕组。转子的运转依靠磁引力来运行，转速高达1 5 0 0 0 r r a i n 。 开关磁阻电机的结构比任何一种电机都要简单，效率可达8 5 - - 9 3 、其转 矩转速特性好，在较宽的转速范围内，转矩、转速可灵活控制，起动转矩高， 而起动功率低。但其转矩脉动大，工作噪声大，控制系统复杂，控制精度差、 体积比同功率的感应电机要大一些【l 列。 i i 3 混合动力电池的介绍 混合动力汽车研究中所用的蓄电池大致分为三种类型：铅酸蓄电池、镍基类 蓄电池、锂离子蓄电池。铅酸蓄电池已有1 0 0 多年历史，技术已经有了很大的 发展，因其价格便宜、材料来源丰富、技术和制造工艺较成熟，成为了车用电 s 武汉理工大学硕士学位论文 池的主流，但其容量不足、比能量较低、寿命较短等缺点依然存在，终将被其 它高能量密度、高容量、长寿命电池所替代。镍基类蓄电池的比能量高，寿命 长，材料来源丰富，无污染，但镍基类蓄电池的价格贵、电池的均匀一致性也 比较差，限制了蓄电池组实际可使用的寿命。还有，锂离子蓄电池的迅速发展 和价格降低也对镍基类蓄电池在汽车上的发展造成了强力威胁。由于锂离子蓄 电池的比能量更高，有较高的比功率，寿命长，无污染，被认为是有希望在汽 车上广泛应用的蓄电池l l 。 1 2 变速器的发展现状 1 2 月7 日上午1 0 时4 0 分，联合国气候变化框架公约缔约方第1 5 次会议， 在首都哥本哈根正式开幕。环境保护和节能减排作为全球最为关注的问题， 再一次摆上议题，各国政府纷纷表态将采取有效的机制来支持大力减排。作 为碳排放大户的汽车产业，更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，零 排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标。同时舒适、廉价也是广大汽车消费 者对汽车的要求，作为汽车动力关键组成部分的变速器，自然也无法摆脱这 一趋势。根据美国阿贡国家实验室1 9 9 9 年发布的报告，一辆轻型车的变速器 大约只占其成本的7 , 4 ，见表1 1 所示，我们可以了解到变速器的配置可以影 响到汽车消费者的购买决定。更高的传动效率、更舒适的操纵性能、更小的 体积和简单可靠的控制模式成为变速器的新的追求目标【l 。另外，变速器和 发动机的匹配技术在很大程度上决定了整车的排放、燃油经济性和整车的操 控性能。 表1 - 1 轻型汽车制造成本结构 车身底盘动力总成总装 发动机变速器 比重 2 6 2 1 2 5 7 2 l 发动机电喷技术的采用，现代电子技术的高速发展加速了自动变速器技 术的发展与应用的普及。汽车上运用的自动变速器主要有4 种：a t ( a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n ) 液力自动变速器、c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 机械 无级变速器、a m t ( a u t o m a t e dm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 电子控制机械式自动变 速器、d c t ( d u a lc l u t c ht r a n s m i s s i o n ) 双离合变速器。 6 武汉理工大学硕士学位论文 液力自动变速器a t ，是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成， 通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩，如图1 - 6 所示。其中液力变 扭器是a t 最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，直接输入发 动机动力传递扭矩和离合作用。由于液力变矩器自动变速力矩变化范围不够 大且效率偏低因此在涡轮后面再串联几捧行星齿轮提高效率，液压操纵系 统会随发动机工作变化自行操纵行星齿轮，从而实现自动换档【l 目。a t 的优点： 换档比较平顺，无冲击；自动换档控制比较容易实现。a t 的不足：传动效率 低，燃油消耗量较大；力矩变化范围有限换档冲击依然可以感受到；对速度 变化的反应较慢。 前置后驱动液力自动变遵器 酗1 - 6 液力自动变速器不意图 机械式无级变速器c v t ，变速器内部没有了传统的齿轮传动机构，采用 v 形传动带和工作直径可变的主、从动轮相互配合来传递动力，如匿l 一7 所示。 发动机动力先传递到主动轮，然后通过v 形带传递到从动轮，再经减速器、 差速器传到车轮。c v t 的优点：实现了真正的无级变速，乘坐舒适性好：加 速性能好，燃油经济性高；结构简单【l ”。c v t 的不足：传递扭矩有限，应用 范围受限，传动带容易磨损，使用寿命受限 武汉理工大学硕七学位论文 图1 8 电子控制机械式自动变速器示意图 双离合变速器d c t ，有别于一般的变速器系统，它是一种更为先进、控 制更加复杂的新型电控机械式自动变速器。d c t 内含两台自动控制盼离合器， 有电子控制及液压推动，可同时控制两台离合器的运作。当变速器运作时， 一组齿轮被啮合，而接近换档时，下一组需要换档的齿轮己被预选，但离台 器仍处于分离状态；当换档时，一台离合器将使用中的齿轮分离，同时另一 武汉理工大学硕士学位论文 台离合器啮合已被预选，在整个换档期间能确保最少有一组齿轮在输出动力， 从而不会出现动力中断的状况。为配合以上运作d c t 的传动轴运动时被分 为两部分，一为实心的传动轴，另一为空心的传动轴，其结构图如1 9 所示。 d c t 的优点：更短的换档时间，更高的换档舒适性，完美的解决了变速器升 档过程中的动力中断问题；更好的加速性能，更低的燃油消耗：不受传递功 率的限制，适用面广。d c t 的不足：电子控制系统较为复杂，技术难度大， 生产成本相对较高。 图1 - 9 双离合变速器示意图 ( 皓台) 从舒适性、操纵便利性、传动效率、动力总成集成难度和变速器输入扭 矩范围来对几类变速器进行比较，可以得出：d c t 和c v t 在提高燃油经济系 方面有很大的优势，但是在成本和技术方面受到一定的限制，将成为研究的 重点，也是以后发展的主流。 1 3 当前混合动力动力系统介绍 现在市场上有多款混合动力汽车销售，纵观各混合动力汽车的动力系统， 不得不说的应该是丰田公司的t h s 系统。t h s 系统，也就是丰田混合动力系 武汉理工大学硕士学位论文 统，最早出现是丰田的p r i u s 上开始应用。p f i u s 采用了行星齿轮结构，动力 装置放于变速器内部，同时因为其内部特殊结构，可以实现无级变速的功能 形成一个集成的动力系统开控制电机、发动机、发电机等之间的能量流动， 控制复杂。 丰田t h s 动力系统主要包括：电池组、电机( m o t o r g e n e r a t o r , m g ) 、逆 变器、发动机和行星齿轮结 每结构如图1 1 0 和图i 1 1 ，其中电机既可以作 为电动机输出功率又可以作为发电机进行能量回收和发电。在该行星齿轮结 构中，m g l 和太阳轮连接，m g 2 和外齿圈连接、发动机和行星架连接 m g i 。，0 仰 匐 翻， j 白 1t 王_ jr _ j 酗l 一1 0 t h s 系统示意图 图1 1 1t h s 系统结构图 丰田公司根据各个部件的不同工作状况，将之分成了1 1 种工作模式，分 别对应了高、低速纯电动，高、低患速，制动，加速，静止启动等不同状态。 根据这1 1 种模式和对应的工况，丰田公司实现了对发动机、电机的高效动力 武汉理工人学硕士学位论文 耦合 2 0 1 。 2 0 0 0 年丰田推出了第二代普锐斯( p r i u s ) ，t h s i i 系统与t h s i 系统结 构上没有大的变化，依然采用行星齿轮结构，只是电机性能有所提高。近几 年丰田公司在s u v 车上配备了一款t h s 1 1 系统，该系统与p r i u s 的t h s 1 1 系统结构相同，但比之多了降低电机转速的装置。同时对齿轮、行星架等结 构进行了改进，在原来4 个行星齿轮的基础上增加了一个，降低了原有行星 齿轮符合：对齿轮螺旋角进行了优化，提高了耐久性，降低了齿轮噪声。 另外一个是本田公司i n s i g h t 上使用的的集成电动机辅助系统i m a ( i n t e g r a t e d m o t o r a s s i s t ) 系统，如图1 1 2 。在该系统中，发动机为主要动力 源，电动机为辅助动力，动力配比为9 ：1 ，最大转矩配比为1 ：1 4 。电机与发动 机动力输出直接相连在启动和加速时，电机工作，达到一定速度以后，电 机就停止工作剐。 图1 1 2 本田i m a 实物结构图 还有伊顿公司的集成电机发电机行星齿轮无级变速器总成。该系统是在 武汉理工大学硕士学位论文 离合器和变速器之间加入了一个电机，实现对制动能量回收，同时亦可和发 动机一同驱动汽车提高汽车性能，在一个系统出现故障的时候，另一套系统 依然可以单独工作。而美国通用公司研发的双电机和行星齿轮结构的双模式 变速系统，该系统电机较小，运转平稳，可广泛运用于各种车型【2 2 1 。 纵观诸多不同动力系统，t h s i i 在性能上是最优秀的，可以实现高效耦 合，但是因此其采用的是永磁同步电机，对电机要求高，其结构和控制也较 为复杂，产品成本较高。其他几种不适合国内的量产和研制条件。 1 4 本文主要研究内容及研究方法 本文的研究工作依托于襄樊宇清电动汽车有限公司与武汉理工大学联合 开发的“基于混合动力汽车的电动调速动力系统试验台开发一。该电机变速器 一体化的动力系统是专为混合动力汽车而开发的，通过产品试制、样品试验和 认证，实现产业化生产，形成我国自主产权的混合动力系统产品，弥补国内混 合动力汽车动力系统的空白。 本文的主要研究内容为电动调速动力系统试验台架的开发，包括：动力 系统试验台架的搭建、试验控制程序的编写、整个试验台数据监控与采集以 及后期的数据处理分析。该试验台架是为了检测所设计的电机变速器一体化 动力系统的性能，记录在试验过程中该动力系统的各种参数，方便以后对整 个动力系统的优化。在整个试验台架的开发过程中，采用了西门子p l c 2 2 4 x p 作为硬件控制主模块，相关扩展有2 3 5 和2 3 2 模块，控制软件采用的是与p l c 对应的编程控制软件s t e p 7 m i c r o w i n ，数据采集系统硬件采用的是北京中 泰研创科技公司的一款u s b 7 3 3 5 a 的数据采集卡，数据采集软件采用的是 l a b v i e w ，整个试验台的显示是采用组态软件f a m e v i e w 制作而成。 本文的研究对我国自主研发混合动力系统，提高混合动力汽车动力性能， 构建自主知识产权的汽车动力系统监测平台具有重要意义。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验台的方案设计 2 1 电控自动调速系统 电控调速动力系统是自主研发的专用于纯电动汽车或者混合动力汽车的动 力系统。该动力系统采用的电机和变速器一体化设计，其结构如图2 1 所示。电 机动力输出端和变速器的动力输入端采用了同轴化处理，当该动力系统用于混 联式的混合动力汽车时，可在电机的另外一端接离合器跟发动机，形成发动机+ 离合器+ 电机的驱动模式；当该动力系统用于纯电动汽车时，直接可将该系统连 接到驱动桥上，作为动力源输出。同时由于变速器内部特有的设计结构和电机 高效快速精确的速度控制调节，使得该变速器取消了同步环的设计，结构相对 简单、成本也有所下降。同时该动力系统的集成化设计缩减了电机和变速箱的 整体尺寸，使之趋于微型化，更利于安装和布置。该变速器保留了原有的手动 变速器齿轮传动，该动力系统是在原有机械变速器上改造而来，保留大部分原 件，生产集成性好，改造投资费用少，是符合我国国情的电机变速器一体化设 计的产品。该动力系统不仅具备了效率高、成本低、结构简单、制造简单等优 点，而且在行驶过程中不用频繁换挡、运行平顺。该变速器由三部分组成：电 子控制部分、气动控制部分和机械部分。电子控制部分主要是变速器换挡控制 器，负责监控变速器当前的档位、变速器输入输出端得转速和气泵的压力，以 及符合换档条件时变速器的换档控制。气动控制部分主要是气泵，提供变速器 换档时所需要的动力。 图2 1 电机变速器系统集成图 武汉理丁大学硕1 ：学位论文 2 2 试验台功能 现代电控变速器结构和性能的不断完善，变速器的功能和复杂程度也在不 断提高，这使得变速器的开发更费时费力，其检测也变得更为麻烦。其试验台 架的开发，不仅需要控制系统、数据采集系统软件升级，更重要的是采用更为 完善的试验体系，在糅合了车辆状况、环境因素和控制策略等多方面因素的同 时，检测变速器自身状态的变化，直观的显示出整个车辆模拟工况中自动变速 器的状态，同时将实验数据记录下来，便于以后优化和改进。因此本试验台功 能主要分为以下几个部分：测试功能：变速箱机械、电子控制系统的测试； 控制功能：测试过程中对变速箱的控制和整车工况的模拟； 数据处理和数 据显示：电机速度、模拟车速、变速嚣档位及换挡过程中气阀的工作状态、电 流电压等参数的动态显示。 2 3 试验台构成 试验台的构建思路是：设计一个通用性较强的试验平台，针对不同的测试 对象均可实现试验台架的资源共享t 。整个试验台架的结构组成包括：机械部 分、测量部分、能源部分、数据采集处理部分和控制部分，见图2 - 2 和图2 - 3 。 其中机械部分包括：试验台底座、主动电机、变速箱、被动电机、空气压缩机 等机械部件：测量部分则包括：电流电压传感器、速度传感器、仪表、噪声测 量仪等；数据采集和处理部分包括：采集模块、信号调理板、上位机p c 处理系 统；控制系统则包括：电机控制器、变速器控制器和试验台架控制器；能源部 分则采用的是32 v 磷酸铁锂电池组。 图2 - 2 试验台实物图图2 - 3 试验台示意图 武汉理工大学硕士学位论文 本试验台所检测的电机变速器一体化动力系统选用的是技术相对最为成熟 的三相交流异步感应电机。该电机是襄樊特种电机厂生产，额定电压是4 0 0 v 。 额定功率是1 0 0 k w ，额定转速是1 3 5 0 z p m ，额定转矩是6 3 7 n m ，峰值转矩是1 5 5 6 n m 。变速器也是由襄樊地区生产，该变速器有3 个档位，1 档数比是41 1 、i i 档数比是i7 2 、1 n 档数比是1 ，也就是直接档。 该1 0 0k w 电机作为驱动部分，用来澳4 试在不同转速和转矩输出的情况下变 速箱的各种性能。试验台的负载则是台1 1 0 k w 的三相交流异步电机，通过对 电机加载扭矩的控制模拟各种工况下的车辆负载，另一方面主动电机输出的功 率则以充电的模式重新回到蓄电池，实现能量的闭环回收。 因此在本试验台架上选用磷酸铁锂电池，选取的是洛阳天空能源有限公司 的1 8 0 a 1 1 的磷酸铁锂电池( 见图2 4 ) ，充电截止电压为3 6 v ，放电截止电压为 20 v ，最大充电电流3 c a 。 图2 4 磷酸铁锂蓄电池实物图 2 4 试验台传惑器选型 传感器是一个把被测的非电量变换成电量的装置是一种获得信息的手 段，在电测系统中占有很重要的位置。它获得的信息的真确与否，关系到整 个测量系统的精度如果传感器误差报大后面的测量电路、调理电路、放 大器等的精度再高也难以提高系统精度。 武汉理工大学硕士学位论文 当前传感器的原理与结构多种多样，根据检测的目的、检测对象和监测 环境，选用合适的传感器。对传感器作出是否合适的判定的依据，主要有以 下几点：1 ) 灵敏度；2 ) 频率响应特性：3 ) 稳定性；4 ) 精度。中和几点，我们 可以得出，最合适的传感器是在满足精度、稳定性的情况下，在成本允许的 范围类，频率响应特性相对较好、灵敏度相对较高的传感别z 4 】。 在本试验台架中主要检测的量包括电流、电压、转速等参量。针对电流， 选用的是应用霍尔电流效应的开环电流传感器。霍尔电流传感器用霍尔器件 作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品。从总体来说霍尔电流 传感器可分为两类：一类为开环( 或称直测式、直检式) 霍尔电流传感器；另一 类为闭环( 或称零磁通式、磁平衡式) 霍尔电流传感器。开环霍尔电流传感器的 原理是，直接将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接放大，得到所需要的 信号电压，由此电压值来标定原边被测电流的大小，其原理结构见图2 5 。该 世黜 图2 5 开环霍尔电流传感器原理图 类传感器是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它 具有电路形式简单、耗电省、最佳性价比、成本相对较低和便于安装等优点， 逐渐取代了比较笨重的电流互感器。电流传感器采用的是北京莱姆电子有限 公司( b j l e m ) 的b l y k 3 0 0 s 7 系列的霍尔式电流传感器，如图2 6 ，该传 感器原边额定有效值电流为3 0 0 a ，原边电流测量范围为6 0 0 v ，副边额定有 效值电压为4 v ，电源电压为1 2 - 1 5 v ，电流消耗为2 0 m a 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 电流传感器 电压传感器则选用的是北京莱姆公司的霍尔式电压传感器a v l 0 0 7 5 0 ， 如图2 7 所示，该传感器原边与副边之间是绝缘的，主要用于测量直流、交流 和脉冲电压。该传感器的优势在于：功耗低，良好的精度，出色的线性度， 最佳的反应时间和较强的抗干扰能力。原边额定有效值电压为7 5 0 v ，原边电 压的测量范围为1 1 2 5 v ，外加供电电压的范围为d c 1 2 - - 2 4 v ，其电流消 耗为5 0 m a ，测量电阻为4 7 q ，副边额定有效值电流为5 0 m a ，工作环境温度 为一4 0 8 5 。 2 7 电压传感器及原理图 图 转速传感器的作用是将被测轴的转速信号变换为电脉冲或电压信号的传 感器。常用的有磁电式测速传感器、光电式测速传感器和霍尔元件测速传感 器等。因为光电传感器具有简单、可靠、测量精度高等优点，所以在本试验 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 台架中使光电式转速传感器。光电传感器是用了一种将被测量通过光量的变 化再转换成电量的传感器，一般由光源、光学元件和光电元件组成。光电式 转速传感器是把转转轴的转速变换成相应频率的脉冲，然后用测量电路测出 脉冲频率，计算所测转速的电子器件。它包括由光源、光敏元件等组成的光 学系统、放大器和输出装置等，其工作原理如图2 8 。本试验台架使用的是 h o u d e 公司的旋转式光电编码器，其型号是h t t 3 0 a c l 0 - 3 0 f 6 0 0 a ，该编码 器电源电压为d c l o 3 0 v ，消耗电流为6 0 m a ，响应频率为1 0 0 k h z ，最大转 速输出为6 0 0 0 r m i n ，每转脉冲数出为6 0 0 p r ，工作温度为1 0 - + 7 0 1 2 ，重 量为0 5 k g ，其安装简图见图2 - 9 。 图2 - 8 光电传感器原理图 图2 - 9 编码器安装图 1 8 射器 橇瀚物体 收器 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章试验台架的控制 3 1 可编程控制器的由来 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到 了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可分为几类，如可编程序 控制器、基于p c 总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用于模拟量 闭环控制的可编程调节器、集散控制系统和现场总线控制系统等。可编程序控 制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当 代工业自动化的主要支柱之一阱l 。 1 9 6 8 年，美国最大的汽车制造商通用( g m ) 为了满足市场需求，适应 汽车产业生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式进行了改型，为此需要 解决汽车不断改型带来的汽车装配线上的继电气控制线路问题。1 9 6 9 年，美国 数字设备公司( d e c ) 根据g m 提出新兴工业控制器的要求研究开发了世界上 第一台可编程控制器，当时的人们将之称为可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c 。 1 9 8 0 年，美国电器制造协会( n a t i o n a le l e c t r o n i cm a n u f a c t u r ea s s o c i a t i o n ) 将可编程控制器正式命名为p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，简称p l c 或p c 。 1 9 8 0 年，美国电器制造协会将可编程控制器定义为：“可编程控制器是带有 指令存储器、数字和模拟的输输出接口，以位运算为主，用于控制机器或生 产过程的自动控制装置。 国际电工委员会( i e c ) 在1 9 8 5 年的可编程序控制器标准草案第二稿中，又对 p l c 作了如新的定义：“可编程序控制器是一种以数字运算为主的电子系统，专 为工业应用而设计。它拥有可编程序的存储器，用来在其内部存储执行位运算 操作的指令，并通过数字和模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过 程。一从上述定义可以了解到，可编程序控制器是一种通过控制程序来改变控制 功能的工业控制计算机，除了能实现各种各样的控制功能外，还有与其他设备 通信联网的功能【2 6 1 。 可编程序控制器的产生与发展与继电器控制系统的发展有很大的关系。继 电器控制应用已有上百年的历史，它是一种用弱电控制强电的电力控制系统。 在大型、复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是很困难的，可能会花 1 9 武汉理l ：大学硕士学位论文 费大量的时间严重地影响生产。如果工艺要求发生变化，控制柜内的电路板 和相关电器元件需要作相应的变动，这种改造的工期长、费用高。 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、 多规格、低成本和高质量的产品。为了满足要求生产设备和生产线的控制系 统必须具有相当高的可靠性和灵活性，这就需要一种新的控制装置来取代老式 的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更加可靠、更容易维修、更能适应 经常变动的工艺条件。 3 2 可编程控制器p l c 构成 可编程控制器主要由c p u 模块、数字输入，输出模块、模拟输入，输出模 块、程序存储器、通讯接口、扩展接口和外扩设备组成。实体图和控制系统 示意图分别见图3 - 1 和3 - 2 所示【2 6 】。 m m tr t1 ，m f * r 接曩 盏舞开美 位开关 电嚣 国3 - 1 $ 7 - 2 0 0 p l c 实物图 图3 - 2p l c 控制系统示意图 接曩 电矗一 据彖灯 电矗 武汉理工大学硕士学位论文 1 c p u 模块 在可编程序控制器控制系统中，c p u 模块是p l c 的核心，它负责接受和 存储用户由编程器键入的程序和数据，检测编译过程中的语法错误，诊断p l c 内部工作故障，用扫描的方式记录输入信号并将之储存到寄存器中，逐条执 行用户编写的程序，完成用户程序中的逻辑运算、算术运算和出具处理等操 作，同时根据计算结果，对相应参数进行更新，刷新输出寄存器的内容，从 而实现输出控制。 2 输入输出模块 输, k ( i n p u t ) 模块和输出( o u t p u t 麒块简称为l o 模块，是联系外部现场和 c p u 模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号。数字量( 或称开关量) 输入模块用来接 收按钮、选择开关、限位开关、接近开关、光电开关等传递来的数字量输入 信号；模拟量输入模块用来接收电位器、各种转速传感器器提供的连续变化 的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、 指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调 节阀、变频器等执行装置。 3 编程器 编程器主要用于用户程序的输入、编辑、调试和监视用。使用编程软件 可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序， 并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到可编程序控制器， 保存到寄存器中，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可 以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。通过编程软件，我 们可以设置可编程序控制器的各种参数。通过p c 机和p l c 的通信，可以显 示可编程控制器程序中各个触点和线圈的通断情况。 4 电源 p l c 的外部工作电源有单相8 5 2 6 0 v 的a c 电源，也有2 和2 6 v 的d c 电源。p l c 对外部工作电源的稳定度要求不高，一般可以允许1 5 左右供 电方式有直流供电和交流供电两种供电方式。c p u 的电源都在右上方，而右 下方是传感器电源。p l c 的内部电源系统一般有三类：一类是供p l c 中的t t l 芯片和集成运算放大器使用的基本电源；一类是供输出接口使用的高压大电 流的功率电源；还有一类是锂电池及其充电电源。一 5 存储器 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 可编程控制器存储器中配有两种存储系统，用于存放系统程序的系统程 序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。 系统程序存储器主要是用来存储p l c 的内部信息，分为寄存器存储器、 内部存储器和高速缓存存储器。一般系统程序是生产厂家编写的系统监控程 序，用户无法直接存取。系统监控程序由系统管理、解释指令、标准程序和 系统调用等组成。 用户程序存储器一般分为两个区，程序存储区和数据存储区。程序存储 区用来存储用户编写的程序，而数据存储区则存储通过输入端读取到的输入 信号的状态、即将通过输出端输出的信号状态、p l c 内部各器件的状态。 可编程序控制器内有许多可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂 的控制功能，可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。用户能灵活方 便地进行硬件搭配，形成具备不同功能系统。硬件配置确定后，用户可以通 过修改用户程序来在一定程度上改变整个控制