混合動力轎車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計與匹配試驗

1、2009年(第31卷)第7期汽車工程AutomotiveEngineering2009(Vol131)No172009138混合動力轎車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計與匹配試驗袁銀南,陳漢玉1,23,張彤1,2,陳篤紅,朱磊11,2(1.江蘇大學汽車與交通工程學院,鎮(zhèn)江212013;2.上海華普汽車有限公司,上海201501)摘要基于智能積分模糊PID控制原理,采用英飛凌TLE4729G和軟件,并將其嵌入發(fā)動機ECU中。將所開發(fā)的電子節(jié)氣門安裝在混合動力車上,試驗。試驗結(jié)果表明,力車不同工況的需求。關(guān)鍵詞:混合動力車;電子節(jié)氣門;模糊PIDElectronicThrottleControlforHyb

2、ridElectricVehicleYuanYinnan,ChenHanyu,ZhangTong,ChenDuhong&ZhuLei1.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013;2.ShanghaiMapleAutomobileCo.,Ltd.,Shanghai2015011,21,21,2AbstractThehardwareandsoftwareofelectronicthrottlecontrolsystemaredevelopedandembeddedintoengineE

3、CU,usingInfenionTLE4729GmicroprocessorandbasedonintelligentintegralfuzzyPIDcontroltheory.Theelectronicthrottledevelopedisinstalledonthehybridelectricvehicle(HEV)toconductvehiclestartingtestandmulti2modecycletest.ThetestresultsshowthattheperformanceofHEVwithelectronicthrottleisobviouslysu2periortotra

4、ditionalvehicleintermsofstartingtime,fuelinjectionpulsewidthandresponsespeed,andtheelec2tronicthrottlecanmeettherequirementsofHEVatdifferentworkingconditions.Keywords:HEV;electronicthrottle;fuzzyPIDcontrol;test能實現(xiàn)動力源間的功率分配,因此必須采用電子節(jié)前言電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETC)是一種柔性控制系統(tǒng),通過節(jié)氣門體上的電機驅(qū)動節(jié)氣門,取消了傳統(tǒng)節(jié)氣門與加速踏板之間的直接機械連接,駕駛員

5、不再直接控制節(jié)氣門開度,而是在電控單元的控制下,實現(xiàn)節(jié)氣門開度的快速精確控制1氣門。電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)決定了它具有時變性、時滯性、非線性和不確定性等特點,其數(shù)學模型難以準確建立,控制顯得尤為復(fù)雜。國內(nèi)外對電子節(jié)氣門的控制做了大量研究,提出了一系列的控制策略和算法2-4。作者選用英飛凌TLE4729G芯片控制電子節(jié)氣門,并與主芯片MC9S12DG128一起嵌入發(fā)動機電控單元(ECU)中,同時設(shè)計了直流電機的驅(qū)動電路,開發(fā)了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)的硬件電路。利用智能積分模糊PID控制原理,在芯片上開發(fā)了電子節(jié)氣門控制軟件。最后將電子節(jié)氣門安裝在混合動力轎車上,進行了整車起動試驗以及工況循環(huán)試驗。作為全電

6、控發(fā)動機上最重要的控制裝置,它可實現(xiàn)巡航控制、牽引力控制和怠速控制,可降低汽車排放,提高汽車的燃油經(jīng)濟性和動力性。在混合動力汽車中,存在由發(fā)動機和電池電機組成的多能源動力總成,傳統(tǒng)的剛性連接方式不3國家863計劃項目(2006AA11A128)資助。原稿收到日期為2008年11月6日,修改稿收到日期為2009年2月20日。2009(Vol131)No17袁銀南,等:混合動力轎車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計與匹配試驗6791電子節(jié)氣門數(shù)學模型電子節(jié)氣門的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由節(jié)氣門、驅(qū)動電機、減速齒輪組、復(fù)位彈簧和節(jié)氣門位置傳感器等組成。它實際上是一個機電傳動系統(tǒng),直流電機是執(zhí)行元件,減速齒輪組、復(fù)位

7、彈簧和節(jié)氣門組成了執(zhí)行機構(gòu)。非線性關(guān)系。設(shè)節(jié)氣門平衡位置的轉(zhuǎn)角為0,當其實際轉(zhuǎn)角為時,總的彈簧轉(zhuǎn)矩方程為(t)-(3)Ts=Ks(t)-0+Dsgn0式中:Ts為彈簧轉(zhuǎn)矩,Ks為彈簧轉(zhuǎn)矩系數(shù),D為彈簧轉(zhuǎn)矩補償系數(shù)。1.3摩擦力矩方程電子節(jié)氣門系統(tǒng)所受的摩擦力十分復(fù)雜,有干摩擦、邊界摩擦和氣、液摩擦的混合摩擦。在實際轉(zhuǎn)動過程中忽略靜摩擦,(4)Fk()=KdKf:Fk(,d。4節(jié)氣門在彈簧回位轉(zhuǎn)矩、阻尼力矩、黏性摩擦力矩、電機驅(qū)動力矩及進氣擾流產(chǎn)生的不平衡力矩的共同作用下轉(zhuǎn)動,存在不確定非線性因素的影響,因此精確的電子節(jié)氣門數(shù)學模型顯得尤為復(fù)雜。在工程應(yīng)用中,通常將電子節(jié)氣門數(shù)學模型的微分方程簡

8、化為兩部分:描述直流電機電器特性的微分方程和描述執(zhí)行機構(gòu)機械特性的微分方程。1.1直流電機的微分方程由上述方程可推導出節(jié)氣門總的數(shù)學模型為(t)=(5)=Kti(t)-Ks(t)-(t)-0-Dsgn-Kfsgn()/J(6)0-Kd(t)=Ubatu(t)-Rai(t)-K(7)i/Lt式中J為轉(zhuǎn)動慣量。2控制系統(tǒng)設(shè)計211硬件設(shè)計直流電機的定子是永久磁鐵,轉(zhuǎn)子是線圈,轉(zhuǎn)子線圈可等效為電阻和電感。直流電機的控制一般采用脈寬調(diào)制(PWM)方式,并利用功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制電壓恒定的直流電源,通過改變占空比來改變電樞的平均電壓,從而控制直流電機的轉(zhuǎn)矩。由歐姆定律得到電機繞組回路的電壓平衡方程

9、(1)Ubatu(t)=Rai(t)+Ldi(t)/dt+Ub(t)由于磁場固定,電機轉(zhuǎn)矩與電流成正比。通常電機電感很小,可忽略不計,因此可得電機轉(zhuǎn)矩方程T(t)=KtUbatRau(t)-KtNRa選用MC9S12DG128單片機作為混合動力轎車發(fā)動機ECU的主芯片,選用TLE4729G芯片作為電子節(jié)氣門的智能功率驅(qū)動芯片,直流電機的控制電路如圖2所示。dt(2)式(1)、式(2)中T(t)為電機轉(zhuǎn)矩,Kt為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù),Ra為電機繞組電阻,Ubat為電源電壓,u(t)為占空比,N為減速比,(t)為節(jié)氣門轉(zhuǎn)角,i(t)為繞組電流,L為繞組電感,Ub(t)為反向電動勢。1.2彈簧轉(zhuǎn)矩方程圖2直

10、流電機控制電路圖TLE4729G芯片與MC9S12DG128單片機通信,為了確保行車安全,采用雙復(fù)位彈簧設(shè)計,當節(jié)氣門位置傳感器出現(xiàn)故障時,發(fā)動機將運行在“跛行回家(limp2home)”模式,彈簧轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門轉(zhuǎn)角呈將接收的控制信號進行處理,發(fā)出功率驅(qū)動信號驅(qū)動電機,從而實現(xiàn)節(jié)氣門開度的控制。加速踏板位置傳感器(PPS)和電子節(jié)氣門位置傳感器(TPS)分別完成加速踏板控制信號輸入和節(jié)氣門位置信號的680汽車工程2009年(第31卷)第7期反饋。電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。TdTe(k)-2e(k-1)+e(k-2)(9)式(8)、式(9)中Kp為比例系數(shù),T為采樣周期,Ti為積分時間

11、常數(shù),Td為微分時間常數(shù)。電子節(jié)氣門控制的軟件算法流程如圖5所示。圖3電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖212軟件設(shè)計智能積分模糊PID控制是結(jié)合PID控制得出的一種新型控制方式,制精度,改善系統(tǒng)動態(tài)特性,5-6能積分PID4所示。圖5電子節(jié)氣門控制的軟件算法流程圖初始的占空比輸入為由模糊智能PID計算模塊計算出的差值與節(jié)氣門開啟的最小占空比之和,其中Run_Min_PWM由試驗脈譜圖得到;每隔一定采樣周期,更新TPS目標(k)和TPS實際(k)值。通過計算eTPS實際(k)的變化量,來判斷是否增減占空比,從而控制節(jié)氣門開度。當實際節(jié)氣門位置TPS實際(k)和目標位置TPS目標(k)之間的差值小于節(jié)氣

12、門誤差0.5%時,節(jié)氣門位置回到更新狀態(tài);大于此誤差時,圖4電子節(jié)氣門智能積分模糊PID控制原理圖進入Fuzzy_PID計算模塊,計算值與開始運轉(zhuǎn)PWM值之和返回開始,完成循環(huán)。模糊控制算法包括清晰量的模糊化、模糊控制規(guī)則的制定和反模糊化。本設(shè)計中在保證隸屬度精度的前提下,為了簡化計算選用三角形函數(shù)。智能PID控制算法中,利用e(k)e(k)的正負來描述節(jié)氣門位置誤差變化的趨勢。電子節(jié)氣門智能積分模糊PID控制器的輸入?yún)⒘繛槲恢闷頴(k)和位置偏差變化量e(k),輸出為節(jié)氣門控制參量u(k)。其中,e(k)=TPS目標(k)-TPS實際(k),e(k)=e(k)-e(k-1),控制量u(k)

13、分以下2種情況。(1)e(k)e(k)>0或e(k)=0且e(k)0時u(k)=u(k-1)+Kpe(k)-e(k-1)+Tde(k)e(k)-2e(k-1)+TiTe(k-2)3整車試驗匹配及結(jié)果分析3.1混合動力轎車結(jié)構(gòu)介紹(8)(2)e(k)e(k)<0或e(k)=0時u(k)=u(k-1)+Kpe(k)-e(k-1)+試驗用ISG型轎車采用單軸并聯(lián)混合動力方案,集成發(fā)動機、ISG電機、超級電容和雙離合器等部件。選用JL479QA汽油機,排量為1.5L,標定功率為69kW(6000r/min時),標定轉(zhuǎn)矩為128Nm(3400r/min時),采用德爾福電子節(jié)氣門取代原機的機械

14、式油門裝置。ISG電機選用永磁同步電機,額定電壓為42V,額定功率為6kW,標定轉(zhuǎn)速為2100r/min,最大轉(zhuǎn)矩為60Nm,電機工作環(huán)境溫度為-30+105。超級電容額定電壓為42V,單體電容3500F,功率密度2000W/kg,能量密度6(Wh)/kg,工作溫度范圍為-2560。離合器1為自動離合器,連接發(fā)動機和ISG電機;離合器2為機械離合器,連接ISG電機和變速器,整車結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。2009(Vol131)No17袁銀南,等:混合動力轎車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)設(shè)計與匹配試驗681合動力車和傳統(tǒng)車起動時的噴油脈寬對比圖。由圖可知,安裝了電子節(jié)氣門的混合動力車沒有傳統(tǒng)車起動時的噴油過濃

15、現(xiàn)象,而是由電機直接將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)到怠速工況進行噴油、點火,且起動時間明顯較傳統(tǒng)車短。這樣可以節(jié)省起動燃油,提高整車燃油經(jīng)濟性。圖6混合動力轎車結(jié)構(gòu)示意圖3.2整車試驗匹配及結(jié)果分析發(fā)動機電控單元實時采集發(fā)動機冷卻水溫、機油溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板以及節(jié)氣門位置等參數(shù),通過CAN總線傳送給整車控制器,優(yōu)化分配,。上,分別進行了混合動力車和傳統(tǒng)車的起動對比試驗以及混合動力車1180s內(nèi)工況循環(huán)試驗,以驗證電子節(jié)氣門的匹配效果。圖7是JL479QA汽油機的萬有特性曲線圖,最外圍的虛線是發(fā)動機的外特性曲線,粗實線為最佳經(jīng)濟性運行曲線,細實線為等油耗曲線,在標定轉(zhuǎn)矩點附近,發(fā)動機經(jīng)濟性好。圖8混合動力

16、車與傳統(tǒng)車起動時噴油脈寬對比圖圖9是參照GB18352.32005所進行的1180s內(nèi)混合動力轎車工況循環(huán)試驗。由圖可知,隨著車速的變化,電子節(jié)氣門跟隨性好、響應(yīng)速度快,能滿足混合動力轎車不同工況的需求。圖9混合動力轎車整車工況循環(huán)試驗圖7汽油機的萬有特性曲線圖4結(jié)論基于智能積分模糊PID控制原理,在相應(yīng)的芯片上開發(fā)了電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)。在單軸并聯(lián)ISG型混合動力轎車上進行了起動對比試驗以及相應(yīng)的工況循環(huán)試驗,試驗結(jié)果表明,安裝了電子節(jié)氣門的混合動力轎車起動時間及噴油脈寬明顯優(yōu)于傳統(tǒng)(下轉(zhuǎn)第685頁)ISG型混合動力車最優(yōu)的起動方式為ISG電機通過恒轉(zhuǎn)速控制將發(fā)動機拖轉(zhuǎn)至點火轉(zhuǎn)速,發(fā)動機開始點

17、火起動,然后電機切換為轉(zhuǎn)矩控制模式補償發(fā)動機起動時的轉(zhuǎn)矩波動,使發(fā)動機在很短的時間內(nèi)進入油耗和排放較低的怠速閉環(huán)控制。圖8是發(fā)動機冷卻水溫為50,怠速轉(zhuǎn)速為1050r/min時混2009(Vol131)No17雷明準,等:靈敏度分析方法在車身輕量化中的應(yīng)用685對調(diào)整后的車身進行分析計算,彎曲剛度和扭),車轉(zhuǎn)剛度分別提高了856N/mm和932Nm/(°身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率提高了3.24Hz,車身質(zhì)量減少了33.23kg,減輕了9.7%。5結(jié)論圖6部分設(shè)計變量有限元模型經(jīng)過6次迭代計算,優(yōu)化過程自動結(jié)束,目標函數(shù)收斂過程如圖7所示。優(yōu)化計算得到的構(gòu)件厚度含多位有效數(shù)字,需要對優(yōu)化結(jié)果調(diào)

18、整。根據(jù)各構(gòu)件對車身質(zhì)量、剛度和固有頻率的敏感程度進行調(diào)整,部分調(diào)整結(jié)果如表5所示。(1)通過與試驗數(shù)據(jù)的對比驗證了有限元模型的合理性。(2),。(4)該方法可以從實際出發(fā),通過限制需要改動的構(gòu)件數(shù)量來控制設(shè)計加工成本,也可以用于新車型開發(fā),進行整車級的構(gòu)件優(yōu)化,最大限度地實現(xiàn)車身輕量化。(5)涉及碰撞安全性及抗凹性能的分析將在以后的工作中進行。根據(jù)優(yōu)化方案整改后的車身將在后期進行碰撞、剛度等性能試驗,以驗證優(yōu)化方案的可行性。圖7目標函數(shù)收斂過程表5部分構(gòu)件厚度優(yōu)化及調(diào)整結(jié)果構(gòu)件號92157175183202227240252259308mm初始值1.60.81.20.80.81.20.81.

19、20.81.5優(yōu)化值2.4671.4421.4250.60.6080.9760.6571.2770.6360.770調(diào)整值2.51.41.40.60.61.00.61.20.60.8參考文獻1BenedykJ.LightMetalsinAutomotiveApplicationsJ.LightMetalAge,2000,58(10):34-35.2鄧曉龍,許敏,陳劍,等.發(fā)動機缸體固有頻率對加強筋厚度的靈敏度分析J.內(nèi)燃機工程,2007,28(2):68-71.3韓旭,朱平,余海東,等.基于剛度和模態(tài)性能的轎車車身輕量化研究J.汽車工程,2007,29(7):546-549.4張勇,李光耀,孫光永,等.多學科設(shè)計優(yōu)化在整車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用研究J.中國機械工程,2008,19(7):877-881.(上接第681頁)3MiroslavBaric,IvanPetr