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汽车与公路设备 |
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汽车复合驱动系统中的自动控制 |
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作者：东北农业大学 刘宏新 房俊龙 |
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摘要：复合驱动是以节能为目标的汽车回收减速、制动能量的系统，该系统受汽车运行工况、使用环境的影响较大。控制系统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。
关键词：汽车 复合驱动 自动控制
1 前言
汽车运行过程中，除高速公路及高等级公路正常行驶外，其它大部分路况和时间是处在一种变速运动状态，匀速运动只占很小一部分。如图1，为某市市郊路况下实测的汽车运行速度随时间变化曲线的一段。
图1 汽车行驶速度变化实测图
如图2，为各运行工况所占时间比例的统计直方图，其中加速、匀速、减速分别占取样时间的44.9%、27.8%、27.3%由以上两图可明显看出汽车运行时不断地进行加速、减速的交替。
如图2，为各运行工况所占时间比例的统计直方图，其中加速、匀速、减速分别占取样时间的44.9%、27.8%、27.3%由以上两图可明显看出汽车运行时不断地进行加速、减速的交替。
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、路况下自由滑行的减速度，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）。
如图3，为典型加速、减速过程。汽车在一般运行中几乎不断地重复上述两个过程，若将减速过程中可回收的能量回收，并在加速过程中释放，则既可减少制动系统的磨损、降低发动机油耗和排放，又可提高车辆的加速能力、减轻发动机负荷。惯性能量的回收与再利用最终以车辆运行经济性的提高得以体现，实现该过程的装置即为复合驱动系统。
图3 典型加速、减速与制动循环工况
所存回收的能量利用时则通过飞轮、液压马达、电动机转变成机械能。但无论采取何种方式，如何协调能量回收再利用系统与原车辆动力系统的工作是复合驱动系统能否实施的关键技术之一。复合驱动装置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，同时要合理地配合发动机工作，这就需要智能化的自动控制系统来完成。控制系统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意图为前提，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。
2 控制原理
2.1 控制参数
控制系统所选控制参数应能反映上述对车辆动力性能、发动机工况和驾驶规程的要求。拟选控制系统参数如表1。表1 系统控制参数
 表中所列的油门位置、制动踏板位置、离合器状态、变速杆位置等作为控制参数，是因为驾驶人员对车辆速度的控制通过对油门、制动、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人员的行为意图：“欲加速”、“欲减速”；“加速强度”、“减速强度”；第五项参数：“发动机转速”，该参数与油门位置综合确定发动机负荷，根据负荷与油耗率的关系，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，是起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发动机向驱动轮输出功率（动力正向传递）时才有将回收能释放的必要；第七项参数的选择如表中所述。
以上所选参数可根据复合驱动系统应用的具有不同特点的不同对象灵活取舍，以简化控制系统的设计。
2.2 控制过程
根据控制参数出现的先后和相互制约关系设定如下控制系统信号处理逻辑关系，如图4。以此作为控制系统程序编制和参数设定的依据。
图4 系统控制逻辑框图
其中：油门状态稳定与否由其变化率是否大于实验值确定，根据人体反映时间及一般驾驶操作情况，当油门在200 毫秒内变化小于30%则认为其处一稳定状态。
发动机负荷以油门开启程度（大于80%）及发动机转速（小于该油门开度下经济转数的35%）确定，见图5。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将油门——转速区划分为动力正流向区和动力负流向区，见图6。
图5 某汽油机速度特性 图6 某汽油机油门——转速图
2.3 信号处理
信号处理利用单片机对所选控制参数产生的信号进行处理，通过与初始标定值的比较和计算，输出控制复合驱动系统各有关部件及车辆相关部件的动作信号。实现快速、准确，灵敏及最佳控制的要求，主要由以下五部分构成：模拟信号的采集与处理、数字信号的采集与处理、开关量的采集与输出控制、LED 的显示与驱动、看门狗复位电路。其组成结构示意如图7。控制器主体采用AT89C52 单片机，其工作主频为12MHz，内部有8KE2PROM 和256 字节的RAM，无须外扩RAM、ROM 即可满足系统控制要求，使可靠性大大提高。油门开启程度、制动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LED 数码管的显示与驱动采用串行接口芯片，占用的I/O 口资源少，从而使控制单元的硬件结构紧凑，提高了工作可靠性，同时具有较强的资源储备。
图7 控制单元组成结构
3 主要传感器
3.1 油门传感器
结构如图8所示，装于节气门阀体上，通过节气门轴带动转动，把角度信号通过电位器或电开关转化成电信号送给ECU，由ECU 计算其开闭程度及过渡工况（加速、减速）。
图8 油门传感器 图9 发动机转速传感器
3.2 发动机转速传感器
发动机转速传感器结构示意图如图9 所示，利用电子点火系统的转速和触发信号发生器的装置分取其Ve 转子所形成的矩形波信号作为转速信号。或将图示信号检拾部分安装于飞轮壳上，利用飞轮齿圈上的齿形作用于信号检拾线圈形成转速波形信号。ECU根据矩形波变化频率计算出发动机转速。
4 结论
由于发动机技术、液压技术、电子技术的高度完善与成熟，汽车液压复合驱动系统具备了成功研究与应用的基础。在合理解决液压复合驱动系统与发动机、底盘等车辆各系统、部件的协调性及充分考虑操作规程和驾驶习惯的前提下，加之该系统在节能的同时提高动力性的独有优势，在汽车节能的技术领域必将占有重要地位。
参考文献
1 陈海涛，刘宏新等. 汽车惯性能量转换理论在EQ—1090 上应用研究. 东北农业大学, 1996.09
2 黄德中. 汽车液压或电力复合驱动系统及其展望. 节能技术, 1993.05
3 关家午. 电动汽车复合驱动系统. 汽车技术, 1994.12
4 张兴业. 汽车科技新动向. 汽车杂志, 1997.22
5 李秉操. 单片机接口技术及在工业控制中的应用. 陕西电子编辑部, 1997.03
6 刘振闻. 汽车电器与电子技术. 北京：人民交通出版社, 1998.06
7 徐灏. 机械设计手册：液压、气动篇. 北京：机械工业出版社, 1995.12
8 中国强制性国家标准汇编：车辆卷. 北京：中国标准出版社, 1994.07(end)
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(5/21/2005) |
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