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一種液壓式制動(dòng)能量再生系統(HBRS)應用于對公交車(chē)動(dòng)力系統的改造。由電磁離合器、液壓泵馬達和液壓蓄能器以及相關(guān)的機械裝置和油路構成的車(chē)輛制動(dòng)能量回收再生裝置，通過(guò)分動(dòng)箱與公交車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)裝置實(shí)現并行聯(lián)接。該系統將公交車(chē)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉換為蓄能器的液壓能儲存，并在車(chē)輛加速起步時(shí)將液壓能轉換為車(chē)輛的動(dòng)能，從而達到節能減排的目的。 HBRS采用液壓蓄能器作為能量存儲元件。由于液壓蓄能器自身能量存儲的特點(diǎn)決定了系統工作特性的非線(xiàn)性，采用電子控制單元實(shí)時(shí)調整變量液壓泵馬達的有效排量可以?xún)?yōu)化系統的操作性能。HBRS控制系統包括周期性任務(wù)和1個(gè)事件觸發(fā)任務(wù)，可以采用時(shí)間觸發(fā)模式設計系統。本文針對HBRS控制系統建立了實(shí)時(shí)性分析模型，分析周期性任務(wù)和觸發(fā)任務(wù)的特點(diǎn)，設計了基于時(shí)間觸發(fā)模式的混合式任務(wù)調度器。 1 系統方案概述 在液壓式制動(dòng)能量再生控制系統中，駕駛員通過(guò)操縱加速踏板和制動(dòng)踏板來(lái)表達加速或減速意圖。而液壓系統中電磁方向閥的通斷、電磁離合器的結合／分離以及變量泵馬達的有效排量的調節都是由電子控制器集中控制自動(dòng)完成的�？刂葡到y方案如圖1所示。 HBRS控制系統電子控制器完成3大功能：狀態(tài)檢測、有效排量決策和有效排量執行邏輯控制。狀態(tài)檢測模塊根據傳感器數據計算當前車(chē)速、制動(dòng)踏板行程、加速踏板行程、蓄能器壓力，并根據車(chē)速進(jìn)行微分得到車(chē)輛加速度，然后將這些狀態(tài)信息傳遞給有效排量決策模塊。有效排量決策模塊根據制動(dòng)踏板開(kāi)關(guān)、加速踏板開(kāi)關(guān)和系統使能開(kāi)關(guān)及檔位開(kāi)關(guān)判斷駕駛員操縱意圖，從而決定系統工作模式(制動(dòng)能量回收模式、制動(dòng)能量再生模式、制動(dòng)能量保持模式或強制泄壓模式)。有效排量執行邏輯控制模塊根據車(chē)速、車(chē)輛加速度和制動(dòng)踏板位置或加速踏板位置查詢(xún)最佳有效排量驅動(dòng)電流匹配表，得到目標驅動(dòng)電流參數，并根據車(chē)輛加速度對驅動(dòng)電流做微調。如果當前系統工作模式與目標工作模式不符，則發(fā)出控制指令驅動(dòng)相應開(kāi)關(guān)電磁閥，使系統進(jìn)人相應的工作模式，驅動(dòng)電磁離合器電磁閥實(shí)現電磁離合器的結合或分離；若當前系統驅動(dòng)電流與目標驅動(dòng)電流不符，則有效排量執行邏輯控制模塊調整驅動(dòng)電流以驅動(dòng)液壓泵馬達排量調整機構，完成系統工作模式各個(gè)電磁閥的驅動(dòng)和液壓泵馬達有效排量調整電流的控制。 2 實(shí)時(shí)系統建模 2．1 功能模塊劃分 功能模塊是實(shí)時(shí)系統的基礎研究對象，并且相關(guān)聯(lián)的功能模塊組成1個(gè)系統任務(wù)。在本文研究的液壓式制動(dòng)能量再生控制系統中，共有13個(gè)功能模塊，如表1所列。表中周期功能模塊相對時(shí)間軸周期性運行，觸發(fā)模塊只有在制動(dòng)能量再生和制動(dòng)能量回收工作模式中運行。 2．2 功能模塊間的互連特征 HBRS控制系統中各功能模塊的互連特征由圖2所示，圖中箭頭表示功能模塊之間的關(guān)系(有時(shí)序關(guān)系和資源共享關(guān)系2種)，箭頭的方向表示時(shí)序，圓圈和方塊表示功能塊。圓圈的功能塊的前提條件互為與關(guān)系，方塊功能塊的前提條件是或關(guān)系，空心表示功能塊的后續操作沒(méi)有分支，實(shí)心表示功能塊具有分支，其后續功能塊的執行由分支邏輯決定：I(x，y，z)為關(guān)系，x為前提條件，y為后續任務(wù)，z為共享資源名稱(chēng)。ua為車(chē)速，Iacc為加速踏板行程，lbra為制動(dòng)踏板行程Pac為蓄能器壓力，a為車(chē)輛加速度，Ivg為反饋電流。C1為電磁換向閥驅動(dòng)指令，C2為電磁離合器結合／分離驅動(dòng)指令，C3為變量泵馬達有效排量驅動(dòng)電流指令，本系統使用脈寬調制方式控制調節電流。 該模型中，有效排量決策模塊J8運行的前提條件是J1～J5先運行，即獲得各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)、車(chē)速和蓄能器壓力，缺一不可。經(jīng)過(guò)邏輯判斷后決定HBRS的工作模式。J8有分支，J8判斷系統工作模式State為能量保持工作模式時(shí)，J10直接發(fā)出默認的驅動(dòng)命令即可，不觸發(fā)J9。J10控制各電磁換向閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，控制電磁離合器的結合／分離狀態(tài)。J9在制動(dòng)能量回收工作模式時(shí)，需要獲得車(chē)速、制動(dòng)踏板行程，查詢(xún)最佳排量對應的控制電流，在制動(dòng)能量再生工作模式時(shí)，需要獲得車(chē)速、加速踏板行程，查詢(xún)最佳有效排量對應的控制電流。J10根據當前車(chē)輛制動(dòng)加速度以及反饋電流的大小，對控制電流值進(jìn)行修正，并發(fā)出驅動(dòng)命令到驅動(dòng)模塊。J9和J10均在不同工作模式下，需要不同的傳感器信號或狀態(tài)變量，因此需要添加判斷程序，從而實(shí)現在不同工作模式下觸發(fā)不同控制程序的目的。 2．3 任務(wù)劃分 根據任務(wù)劃分原則為I／O依賴(lài)性、功能內聚、任務(wù)內斂，將13功能模塊劃分為6個(gè)任務(wù)，如表2所列。9個(gè)任務(wù)中R1～R6由系統控制處理器芯片調度實(shí)現，R7～R9由微控制器集成外設控制。J10和J11由芯片TLE6230GP實(shí)現驅動(dòng)，J12則由控制芯片的PCA及擴展芯片33486A實(shí)現，并由單片機PCA模塊實(shí)現PWM信號輸出。 3 調度算法設計 當HBRS使能開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，系統共有4種工作模式：制動(dòng)能量回收模式、制動(dòng)能量再生模式、制動(dòng)能量保壓模式和制動(dòng)能量強制泄壓模式。HBRS進(jìn)入何種工作模式由控制系統進(jìn)行邏輯判斷，因此任務(wù)R1工作模式?jīng)Q策組合是周期性運行的任務(wù)。若判斷系統進(jìn)入制動(dòng)能量保壓工作模式或強制泄壓工作模式，則直接任務(wù)R6 驅動(dòng)組合；R6發(fā)出控制外設的驅動(dòng)命令，通過(guò)任務(wù)R7、R8運行，控制電磁換向閥的通斷實(shí)現油路的變換，控制電磁離合器的結合／分離實(shí)現HBRS與車(chē)輛原動(dòng)力傳動(dòng)系統的分離；若R1判斷系統進(jìn)入制動(dòng)能量回收工作模式或者制動(dòng)能量釋放工作模式，則觸發(fā)任務(wù)R4查詢(xún)目標驅動(dòng)電流值，并觸發(fā)任務(wù)R5計算車(chē)輛加速度和任務(wù)R6計算反饋電流值提供給任務(wù)R10以修正目標驅動(dòng)電流值；最后，通過(guò)任務(wù)R9實(shí)現對HBRS系統有效排量的調整。 確定所需的時(shí)標間隔的過(guò)程是：為了把開(kāi)銷(xiāo)和功耗降低到最小值，調度器的時(shí)標間隔應該設置為所有任務(wù)的運行間隔的“最大公因數”，并且滿(mǎn)足所有任務(wù)的運行時(shí)間都應小于調度時(shí)標間隔，以保證調度程序總是能夠在任何任務(wù)需要運行的時(shí)候調用它，還要求盡可能地避免任務(wù)的抖動(dòng)。 于是，在不同的工作模式中控制系統的任務(wù)都在確定性時(shí)間段內完成檢測和驅動(dòng)任務(wù)，簡(jiǎn)化了系統設計的復雜性，更可靠，更安全。 控制系統處理器執行任務(wù)的時(shí)序如圖3所示。 4 仿真 某控制系統基于采用新華龍公司C8051F005最小系統板。首先統計該系統下單個(gè)任務(wù)運行的瞬時(shí)特征，建立實(shí)時(shí)系統分析模型，實(shí)施混合定時(shí)調度算法，并統計CPU利用率和任務(wù)延時(shí)，進(jìn)行驗證。 控制系統瞬時(shí)特征數據如表3所列，其中，任務(wù)運行周期T根據系統性能的需要提出，而且，在開(kāi)發(fā)平臺上是可行的，最大執行時(shí)間tE為開(kāi)發(fā)平臺上反復運行并求取最大值的結果。 按照混合調度算法，該9個(gè)任務(wù)、4個(gè)處理器的實(shí)時(shí)控制系統在各個(gè)工作模式下的時(shí)序仿真結果如圖3所示，仿真忽略任務(wù)上下文切換消耗的處理器資源。根據表3，任務(wù)的最大公約數為10 ms，因此時(shí)間軸被劃分為周期為10 ms的時(shí)間片。 令時(shí)標間隔為1．5 ms，開(kāi)發(fā)平臺下的HBRS混合定時(shí)調度時(shí)序如圖4所示，其中空白時(shí)間段中處理器處于休眠狀態(tài)。 圖4(a)說(shuō)明了當HBRS電子控制系統在強制泄壓和保壓工作模式時(shí)處理器執行任務(wù)的時(shí)序。此時(shí)，處理器根據任務(wù)R3和R2采集的車(chē)輛工作狀態(tài)信息，經(jīng)任務(wù)R1判斷系統的工作模式，若為強制泄壓或保壓工作模式則執行任務(wù)R6發(fā)出控制命令。 圖4(b)和圖4(c)說(shuō)明了當HBRS電子控制系統在制動(dòng)能量再生工作模式和制動(dòng)能量回收工作模式時(shí)處理器執行任務(wù)的時(shí)序。2個(gè)模式的區別在于任務(wù)R4 中分別觸發(fā)的子任務(wù)為J4和J5。任務(wù)R1判斷系統工作于制動(dòng)能量再生工作模式，觸發(fā)任務(wù)R4查詢(xún)計算液壓泵馬達有效排量的驅動(dòng)電流值并觸發(fā)任務(wù)R5采集車(chē)輛的負荷狀況對驅動(dòng)電流值修正，通過(guò)任務(wù)R6發(fā)送HBRs系統各電磁方向閥、電磁離合器和液壓泵馬達的驅動(dòng)命令。 結語(yǔ) 本文應用時(shí)間觸發(fā)模式設計了液壓式制動(dòng)能量再生系統的電子控制系統混合調度器，實(shí)現了HBRS的基本功能。通過(guò)功能模塊劃分、任務(wù)劃分和時(shí)間序列的設計可以方便地設計時(shí)間觸發(fā)模式調度器。時(shí)間觸發(fā)模式設計的電子控制系統具有安全、成本低和程序簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 |
