电动汽车控制原理方法及控制规律研究-论文VIP

电动汽车控制原理方法及控制规律研究-论文ABSTRACTVehicle anti-slip regulation (ASR) developed internationally from the middle of 80s, is a new type of active safety control technology in vehicle and it is a logical extension of ABS. With the increase of the speed of vehicle and increase of the density of vehicle, peoples requirement for vehicle safety is higher and higher. When the vehicle is running on the road especially when the road adhesion condition is not very good the driving wheels often slip. And it will result in sideslip, racing and out of controLIt is under this need that vehicle anti-slip regulation has produced and developed. Now the anti-slip regulation has already become a very important aspect of automobile electronic development.This paper analyzes the control of the vehicle driving principle and its structure,then compares the structure of the characteristics of various ASR, the different forms and application of the complete system design.After that according to the selected control mode we designed the implementation agency for the control of the wheel speed,by the implementing agencies and sensor design selection we designed the hardware and programming language,completing the whole ASR system package design.Key words：Acceleration Slip Breaking Control Assistant Throttle Control 电动汽车驱动控制系统是国际上90年代中期开始发展起来的一种新型实用的主动安全技术，它是汽车防抱死系统的一个功能延伸。随着汽车行驶速度的提高以及道路行车密度的增加，对于汽车的安全性能要求也越来越高，当汽车在道路上行驶特别是在附着条件差的路面土行驶时，驱动车轮将打滑并产生滑转，继续行驶将失去控制，这将十分危险，汽车驱动防滑系统就是在此要求下产生和发展的。目前，防滑控制系统已经成为汽车电子化发展的一个很重要的方面。本文分析了汽车驱动控制的工作原理与结构形式，比较了各种ASR的特点、组合形式及应用情况完成系统设计，并根据所选取的控制方式设计出对于控制车轮转速的执行机构，由执行机构与传感器的设计选型设计出硬件和程序语言。完成整套ASR系统的设计。关键词：驱动防滑（ASR），制动控制、节气门控制目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1研究电动汽车驱动控制系统的作用11.2电动汽车ASR的发展历程及国内外现状11.3本文研究的内容42 ASR的结构形式与工作原理52.1系统的控制方式52.1.1滑转率52.1.2各种控制方式62.1.3控制方式的性能对比与选取82.2 ASR系统的组成82.2.1系统的基本组成82.2.2 ASR传感器102.2.3 ASR的电子控制单元112.2.4制动压力调节器112.2.5节气门驱动装置122.3本章小节133 控制系统副节气门的设计143.1节气门的特性143.2副节气门结构143.3电机的选择163.4节气门开度传感器的选择183.5本章小节194 系统电子控制单元204.1单片机的分类与选择204.2系统电路的设计215 系统控制方法的选择与程序的编写245.1系统的控制方法与选取245.1.1系统的控制方法245.1.2控制方法的选择256 结论28致谢29参 考 文 献432电1 绪论1.1研究电动汽车驱动控制系统的作用电动汽车驱动控制系统（ASR）就是电动汽车的防滑转电子控制系统，也叫自动牵引力控制系统TCS（Traction Control System），是继ABS之后应用于车轮防滑的电子控制系统，对打滑的驱动轮进行控制，防止车辆在起步、急加速和滑溜路面行驶时驱动轮打滑的现象，维持车辆行驶的稳定性和良好的操控性1。当车轮转动而车身不动或是汽车的移动速度低于转动车轮的轮缘速度时，车轮胎面与地面之间就有相对的滑动，这种滑动我们称为“滑转”，而不同于汽车防抱死系统的“滑移”。当驱动车轮产生滑转时同样会使车轮与地面之间的附着力下降，纵向的附着力下降引起牵引力的下降，导致汽车的起步性能，加速性能和通过滑溜路面的性能都降低；而横向附着力的下降则会引汽车起步、加速等的行驶稳定性。汽车防滑转电子控制系统是在车轮产生滑转时，通过对驱动轮即滑转轮在制动力或控制发动机输出动力上实施控制，以达到减小车轮滑转的目的，进而避免牵引力的减小和行驶稳定性的下降。1.2电动汽车ASR的发展历程及国内外现状23电动汽车驱动防滑控制系统是伴随着汽车制动防抱死系统(ABS)产品化而发展起来的，实质上它是ABS基本思想在驱动领域的发展和推广。世界上最早的汽车电子驱动防滑装置是在1985年由瑞典Volvo汽车公司试制生产的，并安装在Volvo760Turbo汽车上，该系统被称为ETC(电子牵引力控制)是通过调节燃油供给量来调节发动机输出扭矩，从而控制驱动轮滑动率，产生最佳驱动力的。1986年在底特律汽车巡回展中，美国GM公司在其生产的贝尔维特英迪牌轿车上安装了牵引力控制系统，为驱动防滑控制系统的发展作了很好的宣传。同年 12月，Bosch公司第一次将制动防抱死(ABS)技术与驱动防滑(ASR)控制技术结合起来用到Mercedes S级轿车上，并开始批量生产，与此同时，Benz公司与WABCO公司也相继开发了驱动防滑系统，并首先开始应用在货车上。1987年，Bosch公司在原ABS/ASR的基础上开始大批量生产两种不同形式的汽车驱动防滑系统，一种是可保证方向稳定性的完全通过发动机输出扭矩的ABS/ASR系统，另一种是既可保证方向稳定性又可改善牵引性的驱动轮制动力调节与发动机输出扭矩综合控制的 ABS/ASR；同年9月，日本TOYOTA汽车公司生产的Grown牌轿车上安装了TCS。1989年，德国 Audi公司首次将驱动防滑调节装置安装在发动机前置、前轮驱动的Audi轿车上。进入 90年代，许多新的技术和控制方法应用到了ASR上。丰田公司开发出了一种新型的牵引力控制系统，它仅通过控制节气门开度和发动机输出转矩，而不涉及制动力调节。此系统有以下特征:节气门最初开度角自适应设定;节气门开度角自动调节;输出扭矩的有效控制。通过这些方式，系统实现了与制动压力调节几乎相同的功能，而其成本却大大降低。而且，由于这一系统既不影响转向，又不会增加噪音和振动，从而减轻了驾驶员负担，增强了它在各种不同路面上的操纵能力。1993年，Bosch公司又开发了第五代ASR，使其结构更紧凑，成本大大降低，可靠性显著增强。另外，新的牵引力控制系统采用了模糊控制逻辑，增强了汽车在各种路面上的行驶稳定性。车轮的最佳滑动率随车速和路面的不同而瞬时变化，模糊控制逻辑的应用较好的解决此问题，其应用前景看好。1995年Bosch公司开发出新的主动行驶安全系统FDR。在制动和驱动加速过程中，FDR不仅能保持、改进ABS和 ASR的基本作用，在横向动力学临界状态下，FDR系统会自动进行多次校正操作，起到了主动稳定支持功能避免发生致命伤害。Bosch公司开发的汽车动力控制系统VDC系统能不断地对方向盘指示的行驶方向或转弯路径与汽车的实际位移进行比较。它综合考虑了汽车的稳定性、操纵性和制动性，以改善汽车的侧向稳定性和操纵性。截止2002年底，世界上已38个厂牌、近100种车型安装了驱动防滑装置，并且有许多厂家开始削减四轮驱动汽车型号，而改为发展ASR系统。我国从事汽车驱动防滑控制的研究始于二十世纪九十年代中期。目前己成为国内汽车界的研究热点，各大汽车公司、研究所及大专院校已开始进行积极的研究工作。主要有:交通部重庆公路科学研究所、清华大学、西安公路交通大学、济南重型汽车技术研究中心、东风汽车公司、重庆宏按有限公司、陕西兴平514厂等。他们己做了大量的理论研究及试验，有的已开始试制产品。据专家预测，到2010年，将有50%的轿车及货车装备ASR系统。当前，在国内外保持驱动轮处于最佳滑转范围内的控制模式主要采用:发动机输出转矩调节、差速器锁止控制、驱动轮制动力矩调节、离合器和变速器的控制以及驱动轮的载荷控制等。发动机输出转矩调节可以控制传到驱动轮上的转矩，从而调节驱动轮的滑动率。调节量主要有发动机的供油量、进气量及点火时间。对于电控发动机。发动机的供油量的调节是通过驱动防滑电子控制装置与发动机电子控制装置进行通讯，再由发动机电子控制装置调节供油量，也可采用中断发动机部分气缸的供油。该方式优点是便于实现，缺点是燃烧过程延长，影响发动机的动力性和传动系的寿命，排放恶化。发动机进气量调节是通过控制副节气门或可变配气相位机构来实现。该方式的优点是燃烧完全，减少排气污染，易于和其他控制方式配合使用，缺点是响应较慢。发动机的点火时间调节一般是由驱动防滑转电子控制装置与发动机电子控制装置进行通讯，再由发动机电子控制装置调节点火时间，也可中断发动机部分气缸的点火。该方式的优点是反应快，但容易造成燃烧不完全，增加排气净化装置的负担。发动机转矩控制具体实施方案的选择，既要考虑其实现的可能性，又要考虑其效能成本，还需考虑其对发动机和汽车其它性能的影响。差速器锁止控制是通过对防滑差速器实施电子控制，其目的是使汽车低速行驶时差速器实现不等比例转矩分配，而在汽车高速行驶时差速器实现等比例转矩分配。这样就可以在较大范围内充分利用各驱动车轮的附着力使汽车获得最大牵引力，提高汽车的操纵稳定性。该方式的优点是高附着一侧驱动轮的驱动力得以充分发挥，缺点是成本高，不利于转向。驱动轮制动力矩调节一般不单独使用而经常与其它控制模式组合使用。驱动车轮发生滑转时，如果在承受驱动力矩的同时承受制动力矩，作用于驱动轮上的主动力矩会有所减少，即可以控制驱动车轮的滑动率。该控制方式响应时间最短，是防止滑转最迅速的一种控制方式。离合器和变速器控制的目的是改变驱动轮的驱动力矩，从而改变滑移率。当发现驱动轮发生过渡滑转时，减弱离合器的接合程度，使离合器主、从动盘出现部分相对滑动，从而减小传输到半轴的发动机输出转矩。变速器控制是指通过改变传动比来改变传递到驭动轮上的驱动转矩，以减小驱动轮滑转程度的一种防滑控制。但由于离合器和变速器控制反应较慢，变化突然，所以一般也不作为单独的控制方式，而且由于压力和摩擦等问题，使其应用较少。驱动轮载荷控制就是通过调整悬架使汽车载荷在各车轮之间得以调配。当驱动车轮的附着条件不一致时，可以通过悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着条件较好的驱动轮上，使各驱动轮附着力的总和有所增大，从而有利于增大汽车牵引力，提高汽车的起步加速性能:也可以通过悬架的主动调整使载荷较多地分配在附着条件较差的驱动轮上，使各驱动轮的附着力差异减小，从而有利于各驱动轮之间牵引力的平衡，提高汽车的行驶方向稳定性。这种控制较为复杂.成本较高，现在己很少采用。由于各自控制方式的局限性，一般不仅仅使用一种控制方式，而是组合应用。如节气门开度调节与制动力矩调节相结合，可以大大改善汽车的牵引性、操纵稳定性;点火参数与制动力矩调节相结合:节气门开度与差速器锁止控制相结合等，现在广泛使用的是发动机节气门开度调节与制动力矩调节相结合的方式。1.3本文研究的内容本文是以轿车为基础分析汽车驱动控制的原理与结构形式，比较各种系统的特点及其应用情况，选择好合理的控制和组合方式之后，完成ASR的系统设计。根据所完成的系统设计和控制方式设计对部件进行选型和设计；根据控制方式选择合理的控制电脑硬件部分，完成硬件组成的原理图；根据硬件组成情况和控制方式的选择完成软件框图，并编写源程序。电动汽车控制原理方法及控制规律研究ASR的结构形式与工作原理2.1系统的控制方式2.1.1滑转率防滑转电子控制系统的控制参数是滑转率，所以整个系统都是在围绕滑转率来运行的。滑转率的计算公式如下： （2.1）式中： 驱动轮滑转率（%）； 驱动轮轮缘速度（km/h）； 汽车车身速度（km/h）。在实际应用当中常以非驱动轮的轮缘速度代替。当车身不动即： =0时，而驱动车轮转动时即： 0时， =100%，车轮处于完全滑转状态；当驱动车轮处于 = 时， =0，驱动车轮处于纯滚动状态。电子控制单元根据各车轮转速传感器信号计算 ，当 超过某一限定值时，电子控制单元就输出控制信号给执行机构，抑制车轮的滑转。汽车驱动能力的大小反映在路面最大附着系数的利用率上。汽车驱动时的附着系数与滑动率的关系。图2.1 附着力与滑转率的关系图2-1中横向附着力与滑转率的关系可以看出，当纵向附着力系数为零时，横向附着力系数最大，随着滑转率的增加，横向附着力系数急剧减小，当滑转率为100%时，横向附着力系数接近于0，此时若汽车受到轻微的横向力就会发生横向滑移，从横向稳定性上考虑，车轮的纵向滑转率越小越好。由此可见，比较理想的驱动轮纵向滑转率应略小于峰值附着系数所对应的滑转率即约在5%-30%之间。这样不但可保证车辆具有良好的牵引性，同时又具有一定的侧向稳定潜能。汽车牵引力控制系统正是利用它们的这种关系，在驱动过程中将驱动轮的滑转率控制在5%-30%的范围内。2.1.2各种控制方式ASR的控制驱动轮滑转率方式主要有5大方式。分为驱动轮制动力矩控制、发动机输出转矩控制、差速器锁止控制、离合器控制、变速器控制。41驱动轮制动力矩控制驱动轮制动力矩控制就是在驱动时，一侧车轮速度超过滑转率门限控制值时给打滑的驱动轮施加制动力矩，使轮速降到最佳的滑转率范围内来。这种方式的防滑转控制迅速，在驱动轮加速，滑转率增大超过限制值时，便施加制动力使驱动轮速下降。于是接着减小制动压力，直到滑转率接近零，获得充分的驱动力。在低附着力系数路面制动时，轮速对压力十分敏感，制动力不能大，其控制压力比ABS要小。在高速时也不宜使用，以免制动器过热，一般它作为发动机转矩控制的联合，使达到制动力矩之间的平衡，保证稳定行驶。2发动机输出转矩控制汽油发动机控制输出转矩主要有三种，利用驱动防滑控制器输出指令，执行点火参数、燃油供给和节气门开度的调节。汽油发动机控制输出转矩的控制原理见表2.1表2.1控制方法控制原理点火参数调节点火提前角减小可适度减小转矩，若此时驱动轮打滑仍然持续加剧，则可暂时中断点火和供油。点火参数调节是比较迅速的驱动打滑控制方式，反应时间为30-100ms燃油供给量调节减少供给和暂停供油，减小转矩是现代驱动防滑转控制中比较容易的方式。可以和燃油电子控制结合在一起节气门开度调节节气门开度调节是指在原节气门管路上再串联一个副节气门，由传动机构控制其开度，调节输出转矩。其工作平稳，响应较慢，需要与其他控制方式配合使用3差速器锁制方式控制对差速器进行锁制控制使左右驱动轮的输入转矩不一定相同。电子控制的差速器根据路面情况和控制指令（锁止比）把滑转控制在某一范围内。当路面两侧附着系数不同时，低附着系数一侧的驱动轮滑转，这时有电子控制驱动锁止阀，一定程度地去锁止差速器，使高附着系数一侧驱动轮的驱动力获得充分发挥，以提高车速和行驶稳定性，同时差速器锁止程度的控制，还有利于弯道上形式稳定性和操控性。电子控制的差速器可以把左右驱动轮的滑转率之差控制在允许的范围内，当汽车起步时，调节差速器的锁止程度，能使驱动力充分发挥，提高车速与行车稳定性，当左右驱动轮在不同的分离附着系数路面上及弯道上行驶时，能提高汽车稳定行驶的能力。图2.2 制动控制时产生的差速锁作用4离合器控制离合器控制是在驱动轮发生过度打滑时，减弱离合器的结构程度，使离合器主、从动盘出现部分相对滑转，从而减小传递到轮轴的驱动力矩5变速器控制变速器控制则是改变传动比来改变驱动转矩的。2.1.3控制方式的性能对比与选取不同控制方式的ASR性能对比如下表 表2.2控制方式牵引性操纵性稳定性舒适性节气门开度差较差较差好点火参数及燃油供给无较好较好较差驱动轮制动力矩调节好较差较差差差速器锁止控制好较好较好较差离合器或变速器较好无较好差节气门开度+制动力矩好好好较好点火参数+制动力矩较好好好较好节气门开度+差速器锁止好较好较好较好点火参数+差速器锁止好较好较好较好“无”表示无影响由于离合器控制和变速器控制均反应较慢，变化突然，一般不作为单独ASR控制方式应用。由于各种控制方式的局限性，驱动防滑常采用组合控制。所以本问选用发动机节气门开度调节和驱动轮制动力调节的组合控制方式，这也是目前被广泛采用的ASR控制方式。2.2 ASR系统的组成2.2.1系统的基本组成ASR系统的基本组成图如下电动汽车控制原理方法及控制规律研究图2.3 ASR的基本组成ASR系统主要由轮速传感器及节气门传感器、电子控制单元、驱动轮制动器以及发动机控制阀和发动机控制缸组成。当车轮转速传感器将行驶汽车驱动轮转速及非驱动轮转速转变为电信号，输送给控制器。控制器根据车轮转速传感器的信号计算驱动车轮的滑转率，如果滑转率超出了目标范围，控制器再综合参考节气门开度等信号确定控制方式，输出控制信号，使相应的执行机构动作，将驱动车轮的滑转率控制在目标范围内。以下是一典型ASR系统的构成图2.4典型的ASR系统（轮速传感器在车轮上）2.2.2 ASR传感器ASR系统的传感器主要是车轮轮速传感器和节气门开度传感器。轮速传感器与ABS系统共用，而节气门开度传感器则与发动机控制系统共用。5节气门位置传感器连接到节气门轴上，分压器的电阻随之改变，传感器将电信号输送给电脑，让电脑通过执行机构实施控制。它有两种类型：一种是模拟节气门开度传感器，另一种是开关式节气门开度传感器。模拟式节气门位置传感器(TPS)是一个可变电阻(电位计)，它告诉电脑节气门的位置，大多数节气门位置传感器包含与节气门轴相联的滑动触点臂，该触点臂在绕可动触点的轴放置的电阻材料段上滑动。节气门位置传感器是一个三线传感器。其中一线从电脑的传感器电源引来的5V电压对传感器电阻材料供电，另一线连接电阻材料的另一端为传感器提供接地。第三根线连至传感器的可动触点，提供信号输出至电脑，电阻材料上每点的电压，由可动触点探测，并与节气门角度成正比。这是一个重要的传感器，因为电脑用它的信号来计算发动机负荷，点火时间，排气再循环控制，怠速控制和像变速器换挡点那样的其他参数。一个坏的节气门体位置传感器会引起加速滞后和怠速问题，以及驾驶性能问题和排放试验失败等。几乎所有轿车制造商生产的节气门位置传感器以相同方式运行，所以这个示波器初设定和试验步骤应适合于大多数厂家和型号的三线节气门位置传感器，通常节气门位置传感器在节气门关时产生约低于1伏的电压信号，在油门全开时产生约低于5伏的电压信号。开关式节气门位置传感器是由两个开关触点构成一个旋转开关，一个常闭触点构成怠速开关，节气门处在怠速位置是：它位于闭合状态，将发动机控制电脑的怠速输入信号端子接地搭铁，发动机控制电脑接到这个信号后，即可使发动机进入怠速闭环控制，或者控制发动机在“倒拖”状态时停止喷射燃油，另一个常开触点节气门开度达到全负荷状态时，将发动机控制电脑的全负荷输入信号端接地搭铁。发动机控制电脑接到这个信号后，即可使发动机进入全负荷加浓控制状态。开关式节气门位置传感器的旋转臂与节气门轴相联，并随节气门一起转动，它是一个三线传感器。车轮轮速传感器有磁感应式轮速传感器、差动霍尔效应式轮速传感器等，目前普遍采用的是磁感应式的车轮轮速传感器，轮速传感器一般安装在驱动轮上、非驱动轮上等。本文也将采用电磁感应式轮速传感器。如下图：采用江苏金互电器有限公司生产的电磁式轮速传感器，产品编号为12310333216。信号频率(Signal Frequency)：153000HZ信号电压(Signal voltage)：0.2V工作温度(Temperature)：-50150图2.5 电磁式传感器电磁感应式轮速传感器主要由传感头和齿圈组成。传感头主要由永磁体、磁极和线圈组成。传感器齿圈组成。传感器齿圈是由磁阻较小的铁磁性材料制成，磁圈外周是细轮齿。当齿圈的齿隙与传感器的磁极端部相对时，磁极端部与齿圈只的空气间隙最大，传感器永磁性磁极产生的磁力线不容易通过齿圈，感应线圈周围的磁场较弱。当齿圈随车轮转动时，齿圈的顶齿和齿隙交替地与传感器磁极顶部相对，传感器周围磁场随之发生强弱交替变化，在感应线圈内就会产生交变电压，起频率与齿圈的齿数成正比也与车轮转速成正比。霍尔效应式转速传感器输出信号不受转速影响、频率响应高、抗电磁波干扰能力强，其由传感头和齿圈组成，传感头由永磁体、霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿圈，当霍尔元件的磁力线集中时，磁场相对较强，齿圈转动过程中，使得通过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件输出正弦波电压。图2.6 霍尔轮速传感器示意图1.永磁体 2霍尔元件 3齿圈2.2.3 ASR的电子控制单元ASR电子控制单元主要是以微处理器为核心，以输入输出电路及电源等组成，ASR和ABS的一些信号输入和处理是相同的，使用ASR控制器常常以ABS控制器一起组合成一个系统。其主要通过一些硬件电路和程序语言来实现对执行机构的控制，对于硬件和程序语言将在下面的章节叙诉。2.2.4制动压力调节器制动压力调节器作用是根据控制器输出的控制信号，迅速，准确的动作，以控制制动压力的大小，使车轮处于理想的滑转率状态，根据制动系统制动压力传递介质的不同制动压力调节器有气压式和液压式两种，目前汽车上普遍采用液压式。同时也分为机械柱塞式制动压力调节器和电磁阀式制动压力调节器。电磁阀式制动压力调节器使用比较普遍，有不同的结构形式在本次研究中采用Teves公司的Mark型制动压力调节器。本型号制动压力调节器采用两个两位两通阀，其作用与三位三通阀相同，知识这个更加简单。当两电磁阀都不通电时，两阀均处于右位，上阀通，将制动总泵与分泵接通，下阀不通，制动分泵与回油管路短开，这时，制动总泵的压力随制动踏板的增加而上升。当只是上边的电磁阀通电时，上阀处于左位而不通，将制动总泵与分泵短开，这种状态下，制动分泵与制动总泵和回油路面均不通，其压力保持不变。其入图下所示。图2.7 制动压力调节器原理1.制动总泵 2.制动踏板 3、5.二位二通电磁阀4.制动分泵 6、8、9.单向阀 7.回油泵电动汽车控制原理方法及控制规律研究当两个电磁阀都通电时，两阀均处于左位，下阀通，将制动分泵和回油管路接通。这时，油泵7同时工作，制动分泵压力下降。汽车制动时，控制器就是通过控制两电磁阀均不通电、只有一个电磁阀和两个电磁阀均通电，实现自动调节制动压力的大小，来控制车轮的滑转率的。2.2.5节气门驱动装置ASR系统通过改变发动机副节气门的开度来控制发动机的输出功率，在ASR不起作用时，副节气门处于全开的位置；当需要减小发动机的驱动力来控制滑转时，ASR电子控制单元就输出控制信号，使副节气门驱动装置工作，改变副节气门的开度，以达到控制发动机输出功率，进而抑制驱动车轮的滑转的目的。节气门驱动装置一般由步进电动机和传动机构组成，本文将直接选用减速电机，根据ASR电子控制单元输出的控制脉冲信号转动规定的角度，通过减速电机带动副节气门旋转。2.3本章小节本章通过了解ASR系统的工作原理与结构形式，比较各种ASR的特点及应用情况，完成了对ASR系统各主要的部件的选型。控制滑转率应在10%-20%之间。在控制方式上采用节气门开度调节和驱动轮制动力调节的组合控制方式。车轮轮速传感器选择的是磁感应式轮速传感器，节气门开度传感器选择的是模拟式节气门位置传感器，型号见下面章节。而执行机构的制动压力调节器选择的二位二通电磁阀制动压力调节器。节气门驱动装置采用的是的减速电机。通过系统的基本组成的设计之后，对下面的机械部分的设计与控制电脑硬件与软件的开发都有了明确的目的和内容，为下面的工作奠定了基础。 3 控制系统副节气门的设计3.1节气门的特性早期节气门是为了调节汽油的充气量，在化油器腔体上设置节流装置，通过杠杆、钢丝拉线与油门踏板相连。因其常见为蝶形阀门，故称做节气门。从化油器到电喷系统，节气门的作用没有改变。6当节气门处于关闭状态时，进气腔道不同，发动机不进气，也不工作。随着节气门逐渐开大，进气通道面积增大，空气进入气缸的进气量逐渐增大。当节气门开启到垂直位置时，通道面积达到最大。可见，发动机的进气量，随着节气门的开度变化而得到调节，对汽油机而言，就调节了汽油机的输出功率（汽油机的进气量也与转速有关，转速越高进气量越大）。在节气门开启的过程中，通道面积和节气门开启的角度之间为非线性关系如下图。图3.1节气门气流特性3.2副节气门结构依据ASR电子控制系统的信号来控制副节气门的开度，以控制进入发动机的空气量，从而控制发动机的输出功率，副节气门执行器安装在节气门体上，由节气门、驱动电机、齿轮传动机构、复位弹簧和节气门开度传感器等部分组成。现代电子节气门取消了传统节气门的怠速旁通阀，其怠速空气流量通过节气门的小开度进行控制。节气门驱动电机通过两级齿轮传动机构带动节气门运动，驱动电机型式为步进电机或直流电机。早期由于控制精度以及便于控制的需要，大多采用步进电机作为驱动电机。现在，直流电机由于体积小、功率大、成本低、动态响应性能好等优点成为节气门驱动电机的首选。复位弹簧是为了保证系统安全性，副节气门包含两个弹簧回位弹簧和柱塞弹簧。回位弹簧拉动节气门向关闭方向运动；为了防止节气门完全关闭，在微小开度位置处安装了一个柱塞弹簧。当节气门控制系统失去动力时，两个弹簧相互平衡使节气门定位在一个微小开度（大约 7.5）作为初始平衡位置，这个微小的节气门开度可以使发动机工作在快怠速工况，提供足够的动力让车辆能开到安全的地方。节气门传感器是与节气门轴相连的滑片式线性电位器，用于实时检测节气门开度并转换为标准电压信号输出。由节气门的结构可知，要控制节气门开度，就需要控制直流电机的输出转矩，而直流电机输出转矩则与其输入的电流成正比。因此，电子节气门控制就是要控制直流电机的输入电流。在直流电机的控制与驱动中，通常要用到半导体功率元件，对于半导体功率元件的使用又可以分为两种方式：线形放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是使半导体功率元件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率元件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电机的驱动。开关驱动方式是使半导体功率元件工作在开关状态，通过脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM）电路以较高的频率不停地打开和关闭功率元件，使电机线圈中保持一个稳定的电流值。通过改变 PWM 信号的占空比就可以改变电流值，从而控制直流电机的输出转矩。当前后车速传感器检测到车轮打滑需进行防滑控制时，ASR电脑驱动减速电机控制副节气门的开度。由于副节气门开闭的节流作用，使进入发动机内的空气量减少，喷入发动机的燃油量则减少，使发动机输出功率及转速降低，从而控制驱动轮的滑转。本文所设计的副节气门是直接与减速电机和节气门开度传感器相连接。副节气门轴一端与节气门开度传感器相配合连接，轴的另一端采用开口设计与减速电机轴相配合。回位弹簧选择的是扭转弹簧图。另外在管路内还设有一挡片控制节气门回位过量。见附件的装配图。3.3电机的选择根据车载电器电流的的大小来选择，以及合适的节气门开度角来选择起转速，在这里本问选用正科电机有限公司的永磁直流齿轮减速电机ZGA60FM，其具体参数如下：图3.2 减速电机实物图图3.3技术参数电动汽车控制原理方法及控制规律研究图3.4 外形与安装尺寸 根据电压与转速的综合考虑选择52H101Vi型减速电机，其与副节气门的配合见附件里的装配图。3.4节气门开度传感器的选择节气门位置传感器连接到节气门轴上，分压器的电阻随之改变，传感器将电信号输送给电脑，让电脑通过执行机构实施控制。它有两种类型：一种是模拟节气门开度传感器，另一种是开关式节气门开度传感器。采用的模拟式节气门位置传感器是一个可变电阻，它告诉电脑节气门的位置，大多数节气门位置传感器包含与节气门轴相联的滑动触点臂，该触点臂在绕可动触点的轴放置的电阻材料段上滑动。我们在这里选用WDJ36-6B型传感器。其主要参数与尺寸规格如下：图3.5传感器的主要参数和外形3.5本章小节本章主要是对系统的执行机构中的副节气门体的设计与选型，在整个设计中非常重要，是实现整个防滑转控制系统的关键之一，减速电机接收到控制电脑的执行信号，启动电机旋转控制节气门的开度，以达到降低发动机输出转矩，进而降低车轮速度，使之满足合理的滑转率范围内。4 系统电子控制单元4.1单片机的分类与选择目前市场上单片机的种类很多，最常用的有Intel公司的MCS-51系列单片机，Motorola公司的单片机，Microchip公司的PIC系列单片机等。美国Microchip公司生产的PIC系列单片机具有价格低，速度快，功率低，体积小等特点，并率先采用RISC（Reduced Instruction Set Computer）技术。78Microchip公司生产的PICmicro单片机按照指令字长度可以分为4个系列：面向低端用的12bit指令字长的PIC12系列；面向中端应用的14bit指令字长的PIC14系列；面向高端应用的16bit指令字长的PIC16系列等。ASR控制系统的输入为驱动轮与非驱动轮的车轮轮速传感器的2个车速信号与1个副节气门开度的开度信号，输出为2个电磁阀的开关和减速电机控制信号，选用8位单片机PIC16F870。PIC16F870单片机的指令字节为14位，属于特色的中级产品，并且PIC16F87X是PIC中级单片机中很有特色的一个系列。它片内带有64字节的EEPROM数据存储器，另外其程序存储器不再是传统的OTP型，而是Flash型存储器。这种存储器可以实现在电路板上直接擦/写程序，自然是最适合制作经济型在线调试器（MPLAB-ICD）。PIC16F870具有28个引脚，其中RA0-RA5为输入信号，RB0-RB7，RC0-RC7为输出。如图图4.1引脚图4.2系统电路的设计传感器信号需要经过放大电路，再经过74LS14整型为方波信号后，通过引脚输入单片机中，此外汽车上的电源电压为12V，而单片机需要的电源为5V，而且汽车的电压不稳，需要加一个变压稳压电路。图4.2输入信号和放大电路图4.3整形电路输出为2个两位两通的电磁阀与减速电机，输出为PWM信号，其中减速电机为两通道输出。可以完成对直流电动机的驱动控制，而电磁阀是通过三极管输出到电磁阀上，高电平通电，低电平断电。如下图图4.4输出的信号端整个构成的原理图如下，其中上面部分为变压稳压电路图4.5硬件组成原理图 电动汽车控制原理方法及控制规律研究系统控制方法的选择与程序的编写5.1系统的控制方法与选取5.1.1系统的控制方法910控制车轮的滑转率是通过控制车轮上的驱动力矩实现的。汽车驰动轮的滑转是由于驱动力矩超过轮胎与路面的附着极限，所以合理减小汽车发动机扭矩或施加驱动轮制动力能够达到驱动防滑的目的。而在这个控制过程中，采用何种控制方法决定了控制效果的好坏。目前，主要的控制方法有逻辑门限值控制，滑模变结构控制，PID控制，最优控制，模糊控制等。逻辑门限值控制是一种传统的控制方法，目前，大多数防滑控制系统仍然采用逻辑门限控制方法。逻辑门限控制方法通常将车轮的减速度(或加速度)作为主要控制门限，而将车轮的滑动率作为辅助控制门限。如果在汽车行驶过程中，车轮的某一参数超过设定的正的门限值，则控制系统就产生动作，调节发动机的输出扭矩和对驱动轮施加制动力使其降低，直至达到负的门限值，控制系统又产生动作，增加驱动力，如此循环实现滑转率的控制。其门限值是要经过反复试验而获得的经验数据。逻辑门限值控制的优点是:首先，它不涉及到具体的数学模型，免去了大量的数学计算，在一定程度上可以提高系统的实时响应。其次，它需要的控制参量较少，使系统简化，成本降低。另外，它的执行机构相对来说比较容易实现。其缺点是:控制逻辑复杂，控制过程不平稳，控制过程中，车轮速度波动较大，控制系统的门限值是经过试验得到的数据，没有充分的理论依据，各类车型之间互换性差。采用PID控制方法对ASR系统进行控制，通常是将实际车轮滑转率与理想滑转率构成的误差，由PID控制器算法算出需要进行控制的牵引力值反馈给发动机或者制动器，从而调节发动机输出的扭矩或者制动器制动力，使车轮的滑转率接近或等于理想滑转率。PID控制器的控制参数要通过对车辆系统进行分析计算进行调节设定。滑模变结构控制是一类特殊的非线性控制方法，它根据系统当时的状态、偏差及其导数值，在不同的控制区域，以理想开关方式切换控制量的大小和符号，使系统在切换线邻近区域来回运动，直到系统状态的运动成了沿切换线的滑动。模糊控制方法是模仿人的思维方式和人的控制经验，把人的经验形式化引入控制工程，再运用较严密的数学处理，实现模糊推理，进行判断决策，以达到满意的效果。它首先将精确的数字量转换成模糊集合的隶属函数，然后根据控制器制定的模糊控制规则，进行模糊推理，得到一个模糊输出隶属函数。用不同的方法找出一个具有代表性的精确值作为控制量，加到执行器上实现控制。5.1.2控制方法的选择本文选用Toyota Crown轿车所采用的控制算法： 设汽车的行驶速度为 ，驱动轮期望的滑转率为 ，则驱动轮的理想速度应为 （5.1）为了把驱动轮转速控制在目标值 的小范围内，节气门闭环控制规律可由下式计算： （5.2）式中， 、 为反馈控制增益； 为驱动轮的实际速度； 为驱动轮的目标速度； 为节气门的开度角； 为节气门的初始角。其实这就是PID控制器。11当传感器输入车速 和驱动轮速 ，利用公式（2.1）计算滑转率，然后选择控制模式，其具体流程图如下：图5.1软件程序框图 根据程序框图所编写的控制源程序如下：#include#include#include#define PORTIB (adi.bit)(undesigned)(&adr)*8+(bit)static PB1 GO PORTIB(PORTB,1);static PB2 GO PORTIB(PORTB,2);int i,j,k,m,n1,n2;double s;int time=0;/节气门工作时间double rads=0;double Data10240;double Data110240; double Data210240;longFrequency = 10240*3;/采样频率doublePI=3.1415926;intStart = 0,End = 0; /计算起始和结束点shortChannel = 2;/通道数void main()/*OPTION_REG=0x20;INTEDG=0x00;TRISA4=1;INTION=0x00;TICON=0x06;TMRION=1;*/ Data1i = Data3*i+1+9000*sin(320*PI*i/1024); /车速波形 Data2i = Data3*i+2+7000*sin(640*PI*i/1024); /驱动轮速波形double door=0;/计算车速for (int m=10;mdoor) door=Data1m ; door/=2;for(int i = 0;idoor)break;for(;i1024;i+)if(Data1i door)break;Start = i;for(;i door)break;for(;i1024;i+)if(Data1i door)break;End = i;T = (1.0 / (Frequency / 3.0) * (End - Start)