《吴光登答辩论》PPT课件

金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究,硕士生：吴光登,指导教师：杨阳副教授,专业：机械电子工程,二00四年六月二日,重庆大学硕士学位论文,重庆大学机械传动国家重点实验室,1绪论,2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则,3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析,4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计,5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析,6结论,金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究,课题的来源、背景和意义,本课题是FORD-NSFC中国研究与发展基金资目汽车自动变速系统动态建模及动力性和经济型的匹配研究(批准号：50122151)研究内容的组成部分。,目前就已装备金属带式无级变速器(CVT)的车辆而言，燃油经济性并没有达到预期目标，主要原因在于CVT本身的效率还不够高，其中液压系统和金属带摩擦传动的损耗大是其主要原因。目前，国内外针对减少金属带摩擦传动损耗的研究比较多，并取得了一定的成效，然而关于CVT液压系统功率特性及其节能控制这方面的研究，国内外尚未具体的公开文献报道。,本课题以CVT液压系统为研究对象，对车辆典型行驶工况和循环行驶工况下的液压系统的功率特性进行了建模、仿真和匹配分析，在此基础上，进行液压系统功率匹配控制及仿真研究，这对提高CVT液压系统效率和CVT传动效率具有重要的意义。,1绪论,2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则,3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析,4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计,5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析,6结论,金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究,从动轮油缸压力由发动机输入转矩、主动带轮半径及摩擦系数确定的。,在从动轮油缸压力所产生的轴向夹紧力作用下，通过金属带在主动轮油缸产生使系统平衡的压力：,CVT液压系统压力特性,主、从动轮油缸压力与传递转矩、CVT传动速比有关。,主、动轮油缸压力与传递转矩、速比关系图,CVT液压系统结构简图,主动轮,CVT液压系统流量特性,在液压系统的建模过程中，可将其看作是一个分布参数系统。系统中的夹紧力控制阀是溢流阀，而速比控制阀是方向控制阀(流量控制阀)。,Qrs,Qc,Qp,Qa,Qs,液压泵,从动轮,金属带,手动操纵阀,压力控制阀,润滑冷却系统,前进倒车空档,夹紧力控制阀,速比控制阀,主动轮,液压系统供油流量等于负载流量、夹紧力控制阀的溢流量、系统的泄漏量三者之和：,目前CVT液压系统的供油泵大多采用由发动机直接驱动的定量泵，液压泵输出流量即液压系统的供油流量为：,负载流量等于润滑冷却系统流量、离合器液压系统流量、带轮油缸的流量之和。,当CVT速比增大时，负载流量为：,当CVT速比减小时，负载流量为：,CVT液压系统功率特性,液压系统输出功率即负载功率为：,液压泵的输出功率即液压系统输入功率为：,液压系统的效率为：,CVT液压系统能量损失分析,液压系统的损失功率为：,0,液压系统过剩流量示意图,0,液压系统损失功率示意图,提高CVT液压系统效率与功率匹配原则,根据车辆参数、行驶工况等要求来正确设计液压系统的供油流量，采取相应的措施对稳态和瞬态提供不同的供油流量，以及对液压系统的工作压力进行优化控制等措施是提高液压系统效率和功率匹配的原则。,1绪论,2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则,3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析,4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计,5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析,6结论,金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究,CVT液压系统功率特性动态模型的建立,无级变速传动系统简化模型,驱动系统简化为一个集中质量弹性系统，在模型中考虑了输出轴上的相对扭转刚度及粘性阻尼，模拟的车辆惯性力由连接系统输出轴的惯性飞轮提供。,主要仿真参数,仿真模型中以长安SC7101羚羊轿车的动力传动系统为原型，发动机型号为JL474Q1，CVT型号P821型，液压泵为定量式外啮合齿轮泵，起步离合器为电磁离合器，发动机工作模式为最佳经济性工作模式。,车辆典型行驶工况下CVT液压系统功率特性仿真与分析,全油门起车行驶工况仿真,紧急加速行驶工况仿真,紧急刹车行驶工况仿真,0,20,30,0,(%),100,20,40,60,80,10,20,30,t(s),20,40,80,60,100,120,140,160,0,0,V(km/h),0,10,20,30,0,1,2,3,-1,-0.5,0,0.5,t(s),1.5,2.5,0.5,iCVT,diCVT/dt,0,10,20,30,0,t(s),0.5,1,2,2.5,3,3.5,4,4.5,1.5,ps(Mpa),iCVT,diCVT/dt,0,10,20,30,0,0.6,Qc,QL,t(s),0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,QL、Qc(L/s),0,10,20,30,2,Pc,PL,1.8,1.6,1.4,1.2,0.8,0.6,0.4,0,1,0.2,t(s),PL、Pc(kw),t(s),全油门起车行驶工况仿真,液压系统的供油流量为负载流量的56倍，工作压力很大，使得输入功率远大于负载功率，产生了很大的功率损失。,10,0,10,15,20,0,t(s),100,80,60,40,20,5,(%),0,10,15,20,t(s),100,80,110,40,5,120,60,50,70,90,V(km/h),0,5,10,15,20,2.5,t(s),diCVT/dt,2,1.5,1,0.5,0,2.5,2,1,0.5,0,1.5,-0.5,3,iCVT,iCVT,diCVT/dt,5,10,15,20,3.5,t(s),0,3,2.5,2,1.5,1,0.5,0,ps(MPa),5,10,15,20,0,t(s),QL,Qc,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,QL、Qc(L/s),0,5,10,15,20,0,Pc,t(s),PL,0.2,0.4,0.6,0.8,1.2,1.4,1,1.6,1.8,2,PL、Pc(kw),紧急加速行驶工况仿真,在紧急加速工况下，虽然负载功率很大，但是输入功率仍然远大于负载功率。,0,4,7,8,0,100,80,60,40,20,2,(%),t(s),1,3,5,6,0,4,7,8,80,160,140,120,100,2,t(s),1,3,5,6,60,40,20,0,V(km/h),iCVT,diCVT/dt,1,2,3,4,5,6,7,8,0,1,3,0,-2,0,3,-1,1,2,2.5,2,1.5,0.5,diCVT/dt,iCVT,t(s),1,2,3,4,5,6,7,8,0,0.8,0,2,1.6,1.2,0.4,t(s),ps(MPa),0,1,2,3,4,5,6,7,8,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0,Qc,QL,QL、Qc(L/s),t(s),0,1,2,3,4,5,6,7,8,0.8,1,0.6,0.4,0.2,0,PL,Pc,PL、Pc(kw),t(s),在紧急刹车工况下，负载流量非常大，但由于工作压力很小，故负载功率以及输入功率都很小。,紧急刹车行驶工况仿真,180,ECE和EUDC行驶循环工况下CVT液压系统功率特性仿真与分析,ECE循环工况仿真,EUDC循环工况仿真,仿真结果的分析与比较,0,20,40,60,100,120,160,180,0,5,10,15,20,25,30,80,195,t(s),(%),140,0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,10,20,30,40,50,60,195,t(s),V(km/h),Actualspeed,Targetspeed,0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,2.5,3,2,1.5,1,0.5,0,195,t(s),iCVT,0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,1,0.5,0,-0.5,-1,-1.5,195,t(s),diCVT/dt,0,20,40,60,100,120,140,160,180,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,195,t(s),ps(MPa),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,195,t(s),QL,Qc,QL、Qc(L/s),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,t(s),Pc,PL,PL、Pc(kw),ECE循环工况仿真,80,0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,10,20,30,40,50,60,t(s),(%),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,20,40,60,80,100,120,140,t(s),V(km/h),Actualspeed,Targetspeed,0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,iCVT,t(s),0,50,100,150,200,250,300,350,400,-0.6,-0.4,-0.2,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,t(s),diCVT/dt,0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.5,1,1.5,2,2.5,ps(MPa),t(s),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,1.2,1.4,t(s),PL、Pc(kw),Pc,PL,EUDC循环工况仿真,0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.45,0.5,0.55,0.6,t(s),QL、Qc(L/s),Qc,QL,仿真结果的主要数据,仿真结果的分析与比较,液压系统无论是在车辆等速行驶和变速行驶，供油流量相对于负载流量均有较大的过剩，使得液压系统输入功率和负载功率匹配程度很差，产生较大的功率损失（溢流损失）。,1绪论,2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则,3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析,4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计,5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析,6结论,金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究,CVT液压系统功率匹配控制的方案设计,（1）双联泵功率匹配控制系统,（2）电动泵功率匹配控制系统,（1）双联泵功率匹配控制系统,车载ECU,单片机,PWM,CVT液压系统,双联泵组合供油的原理图,双联泵,高速开关阀,驱动电路,油箱,双联泵供油系统,摆线内啮合双联泵,摆线内啮合双联泵结构,吸油口,系统采用摆线内啮合双联泵，为减小泵的轴向尺寸进行了结构设计。,排油口1,排油口2,PWM高速开关阀的特性研究,高速开关阀的模型方块图,Rs+RL,Es,控制高速开关阀的占空比就可以控制CVT液压系统的供油流量，一定程度上实现功率的匹配。,在不考虑高速开关阀的滞后时间给控制系统带来的非线性因素下，在理想情况下，一个周期内，CVT液压系统的供油流量为:,电机驱动调速系统,车载ECU,HSO.0,HSO.1,ACH.7,HSI.1,=1,PG,电源,+,C,泵升电压限制,VD1,VD2,VT1,VT2,霍尔电流传感器,+,74LS125,单片机,驱动保护单元,（2）电动泵功率匹配控制系统,驱动保护单元,电机,直流电机全数字双闭环脉宽调制（PWM）驱动调速系统,电源,+,C,电机,+,VD1,VD2,VT2,VT1,1,4,2,3,调速系统主电路,调速系统的主电路,主电路是具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，有较好的静、动态性能。直流电机选用控制精度较高，价格适中的永磁直流电机，电源电压由车辆蓄电器(42V)提供。,IGBT的驱动与保护,Ub1,ton,T,t,Ub2,td,t,td,td,td,0,0,脉冲逻辑延时示意图,为防止和上下两管直通情况发生，从硬件和软件上采取双重保护措施。硬件上采用74LS125实现对两组脉冲的互锁。软件上两管驱动脉冲之间设置逻辑延时。,泵升电压限制电路,为防止电动机停车或减速时产生过高的泵升电压，系统采用由分流电阻和开关元件组成的泵升电压限制电路。,调速系统控制器的设计,速度环采用模糊控制，电流环采用PI控制。,调速系统控制框图,电机转速,电机的速度阶跃响应仿真结果表明，电机速度控制精度和动态响应特性都达到良好的效果。,电机速度阶跃响应,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,t(s),n(rev/m),Targetmotorspeed,Motorspeed,1绪论,2CVT液压系统的压力、流量和功率特性及匹配原则,3CVT液压系统功率特性的动态建模与仿真分析,4CVT液压系统功率匹配控制的方案设计,5CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析,6结论,金属带式无级变速器液压系统功率匹配控制与仿真研究,CVT液压系统功率匹配控制的建模与仿真分析,（1）基于双联泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的建模与仿真分析,（2）基于电动泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的建模与仿真分析,（3）液压系统采用双联泵控制和电动泵控制的功率匹配特性的比较及评价,基于双联泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的建模与仿真分析,双联泵功率匹配控制的动态仿真模型的建立,当双联泵单泵供油时，供油流量为：,当双联泵双泵组合供油时，供油流量为：,液压系统的输入功率为:,双联泵单泵供油或双泵供油的判断条件是：,夹紧力控制阀许用最小流量，取额定流量的10。,ps,pk,pT,QN,Qrsmin,Q,p,溢流阀的开启特性,双联泵功率匹配控制系统的动态仿真模型,Vehiclespeed,Driver,Te,Engine,Clutch,Tin,Transmissionsystem,Optimumfueleconomycurveofengine,Ratiocontrolsystem,Qc,ps,Tpump,Pc,Tbreak,Runningmode,Power-matchingcontrolsystemofDB,0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,10,20,30,40,50,60,195,t(s),V(km/h),Actualspeed,Targetspeed,0,20,40,60,100,120,140,160,180,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,195,t(s),ps(MPa),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,0.06,0.08,0.10,0.12,0.14,0.16,0.18,0.20,0.22,0.24,0.26,Qc(single-pumpsystem),Qc(double-pumpsystem),Qc、Qc(L/s),t(s),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,0,0.10,0.20,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70,0.80,t(s),Pc(double-pumpsystem),Pc(single-pumpsystem),Pc、Pc(kw),ECE循环工况仿真,80,ECE循环工况仿真结果的主要数据,EUDC循环工况仿真,0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,20,40,60,80,100,120,140,t(s),V(km/h),Actualspeed,Targetspeed,0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.5,1,1.5,2,2.5,ps(MPa),t(s),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,Qc、Qc(L/s),t(s),Qc(single-pumpsystem),Qc(double-pumpsystem),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,1.40,Pc、Pc(kw),Pc(single-pumpsystem),Pc(double-pumpsystem),t(s),EUDC循环工况仿真结果的主要数据,采用双联泵功率匹配控制后，液压系统的效率得到了一定程度地提高(ECE工况下提高了9.34%,EUDC工况下提高了16.99%)。在EUDC工况下，发动机的转速较高，大部分时间内采用单泵供油，故其效率提高程度要比ECE工况下来得大。,ECE和EUDC仿真结果的分析与比较,(2)基于电动泵控制的CVT液压系统功率匹配特性的建模与仿真,电动泵功率匹配控制的动态仿真模型的建立,车辆行驶中，液压系统的所需的最小输入流量为：,电机的目标转速为：,电动泵的输出功率即液压系统的输入功率为：,电动泵功率匹配控制系统的动态仿真模型,0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,1200,1400,1600,1800,2000,2200,2400,2600,2800,3000,t(s),n,n*(rpm),n*(Targetmotorspeed),n(Targetmotorspeed),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,0.06,0.08,0.10,0.12,0.14,0.16,0.18,0.20,0.22,0.24,0.26,Qc(single-pumpsystem),Qcm(elec-pumpsystem),Qc、Qcm(L/s),t(s),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,0,0.10,0.20,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70,0.80,t(s),Pcm(elec-pumpsystem),Pc(single-pumpsystem),Pc、Pcm(kw),0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,195,0,0.10,0.20,0.30,0.40,0.50,0.60,0.70,0.80,t(s),Pmotor(elec-pumpsystem),Pb(single-pumpsystem),Pb、Pmotor(kw),ECE行驶循环工况仿真,ECE循环工况仿真结果的主要数据,0,50,100,150,200,250,300,350,400,1200,1400,1600,1800,2000,2200,2400,2600,2800,3000,3200,n*,n,n,n*(rpm),t(s),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,Qc、Qcm(L/s),t(s),Qc(single-pumpsystem),Qcm(elec-pumpsystem),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,1.40,Pc、Pcm(kw),Pc(single-pumpsystem),Pcm(elec-pumpsystem),t(s),0,50,100,150,200,250,300,350,400,0,0.20,0.40,0.60,0.80,1.00,1.20,1.40,Pb、Pmotor(kw),Pb(single-pumpsystem),Pmotor(elec-pumpsystem),t(s),EUDC行驶循环工况,EUDC循环工况仿真结果的主要数据,采用电动泵功率匹配控制后，液压系统的效率得到了显著的提高(ECE工况下提高了30.58%,EUDC工况下提高了37.98%)，较好了实现了液压系统功率的匹配。,ECE和EUDC仿真结果的分析与比较：,由于双联泵是两级变排量供油，效率提高的程度有限，只能实现部分功率匹配，但由于其结构及控制简单，易对现有CVT系统进行改造，是一种较为实用的节能方案。采用电动泵功率匹配控制能