混合动力轿车电子节气门控制系统设计与匹配试验

1、2009年(第31卷)第7期汽车工程AutomotiveEngineering2009(Vol131)No172009138混合动力轿车电子节气门控制系统设计与匹配试验袁银南,陈汉玉1,23,张彤1,2,陈笃红,朱磊11,2(1.江苏大学汽车与交通工程学院,镇江212013;2.上海华普汽车有限公司,上海201501)摘要基于智能积分模糊PID控制原理,采用英飞凌TLE4729G和软件,并将其嵌入发动机ECU中。将所开发的电子节气门安装在混合动力车上,试验。试验结果表明,力车不同工况的需求。关键词:混合动力车;电子节气门;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能实现动力源间的功率分配,因此必须采用电子节前言电子节气门控制系统(ETC)是一种柔性控制系统,通过节气门体上的电机驱动节气门,取消了传统节气门与加速踏板之间的直接机械连接,驾驶员

5、不再直接控制节气门开度,而是在电控单元的控制下,实现节气门开度的快速精确控制1气门。电子节气门的结构决定了它具有时变性、时滞性、非线性和不确定性等特点,其数学模型难以准确建立,控制显得尤为复杂。国内外对电子节气门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。作者选用英飞凌TLE4729G芯片控制电子节气门,并与主芯片MC9S12DG128一起嵌入发动机电控单元(ECU)中,同时设计了直流电机的驱动电路,开发了电子节气门控制系统的硬件电路。利用智能积分模糊PID控制原理,在芯片上开发了电子节气门控制软件。最后将电子节气门安装在混合动力轿车上,进行了整车起动试验以及工况循环试验。作为全电

6、控发动机上最重要的控制装置,它可实现巡航控制、牵引力控制和怠速控制,可降低汽车排放,提高汽车的燃油经济性和动力性。在混合动力汽车中,存在由发动机和电池电机组成的多能源动力总成,传统的刚性连接方式不3国家863计划项目(2006AA11A128)资助。原稿收到日期为2008年11月6日,修改稿收到日期为2009年2月20日。2009(Vol131)No17袁银南,等:混合动力轿车电子节气门控制系统设计与匹配试验6791电子节气门数学模型电子节气门的结构如图1所示,主要由节气门、驱动电机、减速齿轮组、复位弹簧和节气门位置传感器等组成。它实际上是一个机电传动系统,直流电机是执行元件,减速齿轮组、复位

7、弹簧和节气门组成了执行机构。非线性关系。设节气门平衡位置的转角为0,当其实际转角为时,总的弹簧转矩方程为(t)-(3)Ts=Ks(t)-0+Dsgn0式中:Ts为弹簧转矩,Ks为弹簧转矩系数,D为弹簧转矩补偿系数。1.3摩擦力矩方程电子节气门系统所受的摩擦力十分复杂,有干摩擦、边界摩擦和气、液摩擦的混合摩擦。在实际转动过程中忽略静摩擦,(4)Fk()=KdKf:Fk(,d。4节气门在弹簧回位转矩、阻尼力矩、黏性摩擦力矩、电机驱动力矩及进气扰流产生的不平衡力矩的共同作用下转动,存在不确定非线性因素的影响,因此精确的电子节气门数学模型显得尤为复杂。在工程应用中,通常将电子节气门数学模型的微分方程简

8、化为两部分:描述直流电机电器特性的微分方程和描述执行机构机械特性的微分方程。1.1直流电机的微分方程由上述方程可推导出节气门总的数学模型为(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为转动惯量。2控制系统设计211硬件设计直流电机的定子是永久磁铁,转子是线圈,转子线圈可等效为电阻和电感。直流电机的控制一般采用脉宽调制(PWM)方式,并利用功率晶体管的开关特性来调制电压恒定的直流电源,通过改变占空比来改变电枢的平均电压,从而控制直流电机的转矩。由欧姆定律得到电机绕组回路的电压平衡方程

9、(1)Ubatu(t)=Rai(t)+Ldi(t)/dt+Ub(t)由于磁场固定,电机转矩与电流成正比。通常电机电感很小,可忽略不计,因此可得电机转矩方程T(t)=KtUbatRau(t)-KtNRa选用MC9S12DG128单片机作为混合动力轿车发动机ECU的主芯片,选用TLE4729G芯片作为电子节气门的智能功率驱动芯片,直流电机的控制电路如图2所示。dt(2)式(1)、式(2)中T(t)为电机转矩,Kt为电机转矩系数,Ra为电机绕组电阻,Ubat为电源电压,u(t)为占空比,N为减速比,(t)为节气门转角,i(t)为绕组电流,L为绕组电感,Ub(t)为反向电动势。1.2弹簧转矩方程图2直

10、流电机控制电路图TLE4729G芯片与MC9S12DG128单片机通信,为了确保行车安全,采用双复位弹簧设计,当节气门位置传感器出现故障时,发动机将运行在“跛行回家(limp2home)”模式,弹簧转矩和节气门转角呈将接收的控制信号进行处理,发出功率驱动信号驱动电机,从而实现节气门开度的控制。加速踏板位置传感器(PPS)和电子节气门位置传感器(TPS)分别完成加速踏板控制信号输入和节气门位置信号的680汽车工程2009年(第31卷)第7期反馈。电子节气门控制系统结构简图如图3所示。TdTe(k)-2e(k-1)+e(k-2)(9)式(8)、式(9)中Kp为比例系数,T为采样周期,Ti为积分时间

11、常数,Td为微分时间常数。电子节气门控制的软件算法流程如图5所示。图3电子节气门控制系统结构简图212软件设计智能积分模糊PID控制是结合PID控制得出的一种新型控制方式,制精度,改善系统动态特性,5-6能积分PID4所示。图5电子节气门控制的软件算法流程图初始的占空比输入为由模糊智能PID计算模块计算出的差值与节气门开启的最小占空比之和,其中Run_Min_PWM由试验脉谱图得到;每隔一定采样周期,更新TPS目标(k)和TPS实际(k)值。通过计算eTPS实际(k)的变化量,来判断是否增减占空比,从而控制节气门开度。当实际节气门位置TPS实际(k)和目标位置TPS目标(k)之间的差值小于节气

12、门误差0.5%时,节气门位置回到更新状态;大于此误差时,图4电子节气门智能积分模糊PID控制原理图进入Fuzzy_PID计算模块,计算值与开始运转PWM值之和返回开始,完成循环。模糊控制算法包括清晰量的模糊化、模糊控制规则的制定和反模糊化。本设计中在保证隶属度精度的前提下,为了简化计算选用三角形函数。智能PID控制算法中,利用e(k)e(k)的正负来描述节气门位置误差变化的趋势。电子节气门智能积分模糊PID控制器的输入参量为位置偏差e(k)和位置偏差变化量e(k),输出为节气门控制参量u(k)。其中,e(k)=TPS目标(k)-TPS实际(k),e(k)=e(k)-e(k-1),控制量u(k)

13、分以下2种情况。(1)e(k)e(k)>0或e(k)=0且e(k)0时u(k)=u(k-1)+Kpe(k)-e(k-1)+Tde(k)e(k)-2e(k-1)+TiTe(k-2)3整车试验匹配及结果分析3.1混合动力轿车结构介绍(8)(2)e(k)e(k)<0或e(k)=0时u(k)=u(k-1)+Kpe(k)-e(k-1)+试验用ISG型轿车采用单轴并联混合动力方案,集成发动机、ISG电机、超级电容和双离合器等部件。选用JL479QA汽油机,排量为1.5L,标定功率为69kW(6000r/min时),标定转矩为128Nm(3400r/min时),采用德尔福电子节气门取代原机的机械

14、式油门装置。ISG电机选用永磁同步电机,额定电压为42V,额定功率为6kW,标定转速为2100r/min,最大转矩为60Nm,电机工作环境温度为-30+105。超级电容额定电压为42V,单体电容3500F,功率密度2000W/kg,能量密度6(Wh)/kg,工作温度范围为-2560。离合器1为自动离合器,连接发动机和ISG电机;离合器2为机械离合器,连接ISG电机和变速器,整车结构示意图如图6所示。2009(Vol131)No17袁银南,等:混合动力轿车电子节气门控制系统设计与匹配试验681合动力车和传统车起动时的喷油脉宽对比图。由图可知,安装了电子节气门的混合动力车没有传统车起动时的喷油过浓

15、现象,而是由电机直接将发动机拖转到怠速工况进行喷油、点火,且起动时间明显较传统车短。这样可以节省起动燃油,提高整车燃油经济性。图6混合动力轿车结构示意图3.2整车试验匹配及结果分析发动机电控单元实时采集发动机冷却水温、机油温度、发动机转速、加速踏板以及节气门位置等参数,通过CAN总线传送给整车控制器,优化分配,。上,分别进行了混合动力车和传统车的起动对比试验以及混合动力车1180s内工况循环试验,以验证电子节气门的匹配效果。图7是JL479QA汽油机的万有特性曲线图,最外围的虚线是发动机的外特性曲线,粗实线为最佳经济性运行曲线,细实线为等油耗曲线,在标定转矩点附近,发动机经济性好。图8混合动力

16、车与传统车起动时喷油脉宽对比图图9是参照GB18352.32005所进行的1180s内混合动力轿车工况循环试验。由图可知,随着车速的变化,电子节气门跟随性好、响应速度快,能满足混合动力轿车不同工况的需求。图9混合动力轿车整车工况循环试验图7汽油机的万有特性曲线图4结论基于智能积分模糊PID控制原理,在相应的芯片上开发了电子节气门控制系统。在单轴并联ISG型混合动力轿车上进行了起动对比试验以及相应的工况循环试验,试验结果表明,安装了电子节气门的混合动力轿车起动时间及喷油脉宽明显优于传统(下转第685页)ISG型混合动力车最优的起动方式为ISG电机通过恒转速控制将发动机拖转至点火转速,发动机开始点

17、火起动,然后电机切换为转矩控制模式补偿发动机起动时的转矩波动,使发动机在很短的时间内进入油耗和排放较低的怠速闭环控制。图8是发动机冷却水温为50,怠速转速为1050r/min时混2009(Vol131)No17雷明准,等:灵敏度分析方法在车身轻量化中的应用685对调整后的车身进行分析计算,弯曲刚度和扭),车转刚度分别提高了856N/mm和932Nm/(°身1阶扭转模态频率提高了3.24Hz,车身质量减少了33.23kg,减轻了9.7%。5结论图6部分设计变量有限元模型经过6次迭代计算,优化过程自动结束,目标函数收敛过程如图7所示。优化计算得到的构件厚度含多位有效数字,需要对优化结果调

18、整。根据各构件对车身质量、刚度和固有频率的敏感程度进行调整,部分调整结果如表5所示。(1)通过与试验数据的对比验证了有限元模型的合理性。(2),。(4)该方法可以从实际出发,通过限制需要改动的构件数量来控制设计加工成本,也可以用于新车型开发,进行整车级的构件优化,最大限度地实现车身轻量化。(5)涉及碰撞安全性及抗凹性能的分析将在以后的工作中进行。根据优化方案整改后的车身将在后期进行碰撞、刚度等性能试验,以验证优化方案的可行性。图7目标函数收敛过程表5部分构件厚度优化及调整结果构件号92157175183202227240252259308mm初始值1.60.81.20.80.81.20.81.

19、20.81.5优化值2.4671.4421.4250.60.6080.9760.6571.2770.6360.770调整值2.51.41.40.60.61.00.61.20.60.8参考文献1BenedykJ.LightMetalsinAutomotiveApplicationsJ.LightMetalAge,2000,58(10):34-35.2邓晓龙,许敏,陈剑,等.发动机缸体固有频率对加强筋厚度的灵敏度分析J.内燃机工程,2007,28(2):68-71.3韩旭,朱平,余海东,等.基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究J.汽车工程,2007,29(7):546-549.4张勇,李光耀,孙光永,等.多学科设计优化在整车轻量化设计中的应用研究J.中国机械工程,2008,19(7):877-881.(上接第681页)3MiroslavBaric,IvanPetr