新能源汽車(chē)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冒興峰 羅鷹 王鈺明

摘? 要： 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法控制器功率匹配結(jié)果無(wú)法達(dá)到好的節(jié)能效果，為解決這一問(wèn)題，提出新能源汽車(chē)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在控制器模塊設(shè)計(jì)上，選用AT89C51單片機(jī)存放各種程序運(yùn)行標(biāo)志和程序數(shù)據(jù)。在控制器功能設(shè)計(jì)上，采用模塊化程序查找故障。由此，完成新能源汽車(chē)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，搭建控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并給出控制器相關(guān)參數(shù)。在H模式下，分別計(jì)算傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方法與新能源汽車(chē)節(jié)能控制器的功率匹配結(jié)果，是否能夠達(dá)到規(guī)定的節(jié)能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法功率匹配結(jié)果為65%，低于節(jié)能指標(biāo)，所提方法功率匹配結(jié)果達(dá)到90%，高于節(jié)能指標(biāo)，符合設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞： 新能源汽車(chē); 節(jié)能控制器; 控制器設(shè)計(jì); 參數(shù)設(shè)置; 功率匹配; 比較分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN245?34; TP31.2? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）18?0111?03

Abstract： A design and implementation of energy?saving controller for new energy vehicles are proposed to improve the energy saving effect of the power matching result of the controller in the traditional methods. In the design of controller module， AT89C51 single chip microcomputer is selected to store various program running signs and program data. In the design of the controller function， the modular program is used to detect malfunction. Thus， the design of energy saving controller for new energy vehicles is completed. The experimental platform of the controller is built according to the experimental conditions， and the relevant parameters of the controller are given. In H mode， the power matching results of the traditional controller design method and the new energy vehicle energy saving controller is calculated， respectively， so as to determine that whether the specified energy saving index can be achieved. The experimental results show that the power matching result of the traditional design method is 65%， which is lower than the energy saving index. The power matching result of the proposed method is 90%， which is higher than the energy saving index and meets the design requirements.

Keywords： new energy vehicles; energy saving controller; controller design; character setting; power matching; comparison analysis

0? 引? 言

新能源汽車(chē)節(jié)能控制器是以反電勢(shì)來(lái)平衡外加電壓的。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，控制器的啟動(dòng)電流就會(huì)增大。電流增大會(huì)加重控制器前面的開(kāi)關(guān)電器負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害汽車(chē)的安全運(yùn)行[1]。在以往的實(shí)踐中，為了解決這一問(wèn)題，采用了降壓?jiǎn)?dòng)技術(shù)，降低加在定子繞組的電壓，但是在使用的過(guò)程中仍然會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)問(wèn)題：

1） 一般會(huì)采用接觸器來(lái)切換電壓，以達(dá)到降壓的目的;

2） 在啟動(dòng)時(shí)，存在二次沖擊電流，導(dǎo)致控制器堵轉(zhuǎn);

3） 在啟動(dòng)時(shí)，控制器是帶載切換的，容易導(dǎo)致控制器拉弧損壞。

為此，本文提出新能源汽車(chē)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。按照汽車(chē)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)要求，將設(shè)計(jì)方案分成幾大模塊。為達(dá)到控制器便攜性要求，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)掉電保護(hù)電路以適應(yīng)電池供電狀況。在汽車(chē)節(jié)能控制器功能設(shè)計(jì)上，采集制動(dòng)踏板、油門(mén)踏板、離合器位置等模擬信號(hào)。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的合理性。

1? 控制器模塊設(shè)計(jì)

控制器選用AT89C51單片機(jī)，具有低功耗掉電模式，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS?51指令集兼容的特點(diǎn)[2]。快閃存儲(chǔ)器與8位CPU組合是以單個(gè)芯片的方式。芯片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分配內(nèi)容：AT89C51單片機(jī)內(nèi)有256個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元，低區(qū)為128 B，高區(qū)為128 B，屬于特殊功能寄存器區(qū)[3]。在低區(qū)時(shí)，地址為4組工作寄存器區(qū);在高區(qū)時(shí)，地址為2組工作寄存器區(qū)[4]。

各單元具體分配內(nèi)容：20H地址單元是用于存放各種程序運(yùn)行標(biāo)志，包括油門(mén)踏板啟動(dòng)標(biāo)志和中斷程序執(zhí)行標(biāo)志;30H地址單元是用于存放程序數(shù)據(jù)，程序數(shù)據(jù)包括汽車(chē)速度數(shù)據(jù)和油門(mén)踏板數(shù)據(jù);60H地址單元是作為堆棧使用[5]。

芯片存儲(chǔ)器接口電路地址分配內(nèi)容：

1） A：芯片擴(kuò)張數(shù)據(jù)8255可編程并行I/O接口片選地址為9000h～9FFFh;

2） B：芯片擴(kuò)張數(shù)據(jù)8255可編程并行I/O接口片選地址為A000h～AFFFh。

8255芯片接口電路如圖1所示。

電磁閥控制是通過(guò)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出控制的，在電路中擴(kuò)展8255芯片，該芯片是由Intel公司生產(chǎn)的I/O接口芯片，共有3個(gè)8位的并行I/O接口[6]。

程序存儲(chǔ)器選用EPROM產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有在線(xiàn)擦除、改寫(xiě)的特點(diǎn)，不需要專(zhuān)用電源，但不能直接用單片機(jī)系統(tǒng)的5 V電源。故利用選通AT89C51單片機(jī)信號(hào)，將AT89C51單片機(jī)存儲(chǔ)容量[7]設(shè)置為32 KB。當(dāng)PSEN引腳電平有效即可以讀取AT89C51的指令碼，AT89C51接口電路見(jiàn)圖2。

A/D芯片與CPU連接后，具體工作過(guò)程如下：

1） CPU發(fā)出指令，A/D芯片工作[8]。

2） A/D芯片轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，采用專(zhuān)門(mén)的信號(hào)輸出線(xiàn)才能得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。EOC引腳是AT89C51單片機(jī)用于判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束的。當(dāng)A/D芯片發(fā)出結(jié)束轉(zhuǎn)換信號(hào)，CPU會(huì)在響應(yīng)中斷后讀入數(shù)據(jù)。

3） AT89C51單片機(jī)有8路模擬輸入端，可以完成A/D轉(zhuǎn)換，主要作用是控制AT89C51工作步驟?？紤]到新能源汽車(chē)速度數(shù)據(jù)等信號(hào)的復(fù)雜性，控制器增加了串行通信部分。當(dāng)串行通信的線(xiàn)路連接時(shí)，集成電路芯片，用5 V電源實(shí)現(xiàn)TTL電平與EIA RS電平之間的轉(zhuǎn)換。其他電器參數(shù)設(shè)置：EIA RS終端一側(cè)的電容C不能超過(guò)2 500 pF。開(kāi)路電壓不能超過(guò)25 V。至此，完成新能源汽車(chē)節(jié)能控制器模塊設(shè)計(jì)。

2? 控制器功能設(shè)計(jì)

新能源汽車(chē)節(jié)能控制器功能設(shè)計(jì)采用模塊化程序，這樣易于查找故障，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

控制器把各個(gè)模塊的語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值轉(zhuǎn)化為某適當(dāng)論域上的模糊子集。語(yǔ)言變量為輸入輸出變量，當(dāng)控制器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，要先計(jì)算輸入有功功率降低電壓，再以2次輸入功率的差值為依據(jù)，判斷電壓降低等級(jí)。在保持速度不變的情況下，使控制器的輸出功率達(dá)到最小。在選取語(yǔ)言變量值時(shí)，要依據(jù)模糊概念，選用比7個(gè)語(yǔ)言變量值更多的語(yǔ)言變量值，根據(jù)控制器中[ΔP]的模糊語(yǔ)言變量，將控制器大小量化為9個(gè)等級(jí)，表達(dá)式為：

式中，[ΔP]表示語(yǔ)言變量。

完成語(yǔ)言變量值選取后，要求取控制量，計(jì)算公式為：

式中：[ΔU]為控制量;[R]為各個(gè)關(guān)系矩陣。當(dāng)輸入功率的變化為正數(shù)時(shí)，會(huì)降低電壓，此時(shí)控制器會(huì)從正向搜索;當(dāng)輸入功率為負(fù)數(shù)時(shí)，會(huì)抬高電壓，控制器從反向搜索;當(dāng)輸入功率變化較小，電壓幅度比較平穩(wěn)，保證收斂到最小功率運(yùn)行點(diǎn)[9]。

綜上可知，由于模糊化工作量大，在矩陣運(yùn)算時(shí)，要離線(xiàn)完成計(jì)算工作，避免系統(tǒng)會(huì)受實(shí)時(shí)計(jì)算的影響，而無(wú)法完成矩陣運(yùn)算。為確定控制器輸入量的量化等級(jí)與輸出控制量的量化等級(jí)關(guān)系，依據(jù)模糊控制列表，求出計(jì)算機(jī)中離線(xiàn)的控制量[10]。求出量化等級(jí)后，采用表決方法得到模糊控制的控制表，如表1所示。

得到控制列表要先置入內(nèi)存中實(shí)時(shí)查表使用，完成新能源汽車(chē)節(jié)能控制器功能設(shè)計(jì)。

3? 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證新能源汽車(chē)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)的合理性，依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件搭建控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為避免上電時(shí)，因電流過(guò)大導(dǎo)致不必要的故障，設(shè)置預(yù)充電路。實(shí)驗(yàn)控制器主要參數(shù)見(jiàn)表2。

功率模式選為H模式，控制器轉(zhuǎn)速選為2 200 r/min。按照控制器要求將控制電流設(shè)置為630 mA，主泵匹配功率設(shè)置為100%。實(shí)驗(yàn)中，要分別記錄實(shí)際轉(zhuǎn)速是否會(huì)隨著控制器負(fù)荷率的變化而變化，得到的控制器匹配功率見(jiàn)圖4和圖5。

在H模式下，因?yàn)榭刂破骺梢愿鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)掉速情況調(diào)節(jié)泵扭矩閥，所以使用本實(shí)驗(yàn)方法能夠保證實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相同，獲得平穩(wěn)、規(guī)律的曲線(xiàn)圖。在工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速是不穩(wěn)定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 750 r/min時(shí)，電流為0.1，最大功率的主泵匹配功率為90%，高于節(jié)能指標(biāo)，可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)控制轉(zhuǎn)速感應(yīng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的工作轉(zhuǎn)速。而使用傳統(tǒng)方法獲得的曲線(xiàn)圖波動(dòng)較大，無(wú)法調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)掉速情況，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 750 r/min時(shí)，電流為0，最大功率的主泵匹配功率為65%，可見(jiàn)傳統(tǒng)方法無(wú)法達(dá)到較好的節(jié)能效果。綜上所述，所構(gòu)建的新能源汽車(chē)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)方法相比傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方法的節(jié)能效果更好，更符合設(shè)計(jì)需求。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文選用AT89C51單片機(jī)和8255芯片來(lái)提高新能源汽車(chē)控制器的性能。在控制器功能的設(shè)計(jì)上，采用模塊化程序查找故障，并依據(jù)模糊規(guī)則，計(jì)算模塊控制量。由此，完成新能源汽車(chē)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中，為證實(shí)所建設(shè)計(jì)方法的合理性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別測(cè)試2種設(shè)計(jì)方法的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所構(gòu)建設(shè)計(jì)方法更符合設(shè)計(jì)需求。

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