汽车节能控制系统设计.docx

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汽车节能控制系统设计

本科毕业设计

题目：

汽车节能超高速飞轮控制系统设计

专业班级：

车辆工程08—1班

学号：

07047119

学生姓名：

王雷

指导教师：

王玉新

2012年6月18日

汽车节能超高速飞轮控制系统设计

摘要

本课题主要通过研究超高速飞轮的控制系统设计，在国内外现有控制技术的基础上实现超高速飞轮的具体工作过程。

在汽车行驶过程中，控制系统要实现超高频驱动电机控制飞轮的能量释放过程，制动能量的回收过程；压力检测以及温度检测。

主要基于51单片机的控制系统设计，包括超高频驱动电机的SPWM调速控制，真空泵压力检测控制，温度检测控制等具体内容，而超高速飞轮工作的整个控制过程需要有调速电路，压力检测电路，和温度检测电路等去实现相关的控制，针对每个控制过程编写控制程序，根据程序结合仿真软件实现各个部分的51单片机仿真过程。

超高速飞轮的控制实现了整个系统的工作过程，利用飞轮释放能量来减少汽车发动机的功率输出和汽车制动过程中利用飞轮回收制动能量，使得汽车行驶过程中达到了节能减排的目的，所以超高速飞轮在汽车中的应用将是未来的一个主要发展方向。

关键词：

超高速飞轮；控制系统；电路；单片机仿真

Controlsystemdesignoftheultrahighspeedflywheelsavingenergyforacar

ABSTRACT

Thissubjectismainlybystudyingultrahighspeedflywheelcontrolsystemdesign,onthebasisofthedomesticandforeignexistingcontroltechnology,realizingtheworkingprocessofultrahighspeedflywheel.Whenthecarisrunning,thecontrolsystemrealizestheprocessofhighfrequencydrivemotortocontrolflywheelenergyreleasing,thebrakeenergyrecovery,pressuredetectionandtemperaturedetection.Mainlybasedon51singlechipcontrolsystemdesign,IncludingUHFdrivemotorSPWMspeedcontrol,vacuumpumppressurecontrol,temperaturedetectioncontrolandsoon,thewholecontrolprocessofUltrahighspeedflywheelworkneedsspeedregulationcircuit,apressuredetectingcircuit,andatemperaturedetectioncircuittorealizetherelatedcontrol,Foreachcontrolprocess,Writecontrolprogram,accordingtotheprocedure,combiningwiththesimulationsoftwaretorealizetheprocessofeachpartofthe51chipsimulation.ThecontrolofUltrahighspeedflywheelachievesthewholesystemworkprocess,Usingtheflywheelenergyreleasetolessenginepoweroutputandusingtheflywheeltorecoverybrakeenergywhenthecarisbraking,savingenergyanddecreaseemissionwhenthecarisrunning.Sotheultrahighspeedflywheelisamajordevelopmentoffutureintheapplicationofthecar.

Keywords:

Ultrahighspeedflywheel;Controlsystem;Circuit;Singlechipmicrocomputersimulation

第1章前言

1.1超高速飞轮的课题目的

随着世界能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对汽车节能和减排的要求越来越高，采用储能飞轮进行汽车功率和能量的调节是一种有效的解决办法。

近年来高强度的复合材料、低功耗磁轴承、先进的电力电子控制等一系列关键技术的发展，使得飞轮储能系统在汽车上的应用成为可能。

详细介绍了飞轮储能系统的结构、原理和特点，总结了飞轮储能技术在汽车上的应用发展现状，指出了车用高速飞轮储能系统的应用存在的关键问题，为进一步研究提供参考。

由于原油储量的不断减少和汽车尾气排放对环境污染的日益严重，能量储存和再利用技术已成为一个世界性问题。

储能飞轮具有使用寿命长、储能密度高的优点，在储能量一定的情况下，其质量比超级电容更轻、体积更小，因而更加有利于在汽车上布置安装。

而FlybridSystemsLLP公司研制的超高速飞轮，飞轮质量仅为5kg，极限转速60000rpm,最大功率60kw,最大扭矩130牛米，最大储能400千焦，系统总重量仅为24kg，广泛应用于F1赛车[1]。

KERS整体结构如图1—1所示。

图1-1KERS整体结构图

1.2超高速变频飞轮的国内外现状

美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。

日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统（容量26.5MVA,电压1100V,转速510690r/min,转动惯量710t·；m2）。

美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。

飞轮重172.8kg,工作转速范围11,610—46,345rpm,破坏转速为48,784rpm,系统输出恒压110—240V,全程效率为81%。

经济分析表明,运行3年时间可收回全部成本。

飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到0.1%每小时。

欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:

清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所（由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院等组成）、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列，其中，北航针对航天领域研制的“姿控/储能两用磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。

华北电力大学和中国科学院电工研究所、河北省电力局合作,已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进行研究,预计能够取得可喜的成果。

1.3超高速变频飞轮的目前存在的问题以及如何解决问题

目前国内外超高速飞轮中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。

在充电时候，作为电动机给飞轮加速，在放电时候，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。

内置电机它没能解决飞轮释放能量的具体控制过程，这也是问题存在的关键所在。

驱动电机调速方案具体过程如下：

在此结构的基础上进行改进，将超高频驱动电机接在CVT的一个输入端，利用超高频驱动电机对CVT进行调速，驱动电机的转速变化控制了CVT转速的变化快慢，从而解决了飞轮转速变化的控制过程。

而详细的控制过程将在接下来的章节进行介绍。

KERS系统结构如图1—2所示。

图1-2KERS系统结构图

1.4超高速变频飞轮的未来发展方向

由于超高速飞轮的体积和质量相对来说较小，储能密度较高，在现有的技术水平和大众可以接受的价格范围内，可以在未来的汽车上广泛应用，有效地减少了发动机的功率输出，同时既节能又减排。

在当前能源短缺的情况下，如果超高速飞轮能够广泛应用到小型汽车上，这将大大解决能源短缺问题。

1.5本文研究的主要内容

本文所研究的内容是利用超高频驱动电机SPWM调速从而控制飞轮转速的变化，实现飞轮的释放能量和制动能量的回收过程以及利用发动机给飞轮储能。

除此之外，飞轮真空腔的真空度也是本文的一个重点，超高速飞轮在真空环境下工作，以降低风阻损耗，降低飞轮的摩擦升温效果，所以利用真空泵去实现真空腔的标准真空度以及真空腔中的压力检测是飞轮工作过程的主要环节。

磁悬浮轴承利用磁流体去密封，在高速工作过程中，磁流体的温度会升高，因此，本文主要对磁流体正常工作状态条件下的一个温度检测。

第2章超高速飞轮控制系统功能

2.1超高速飞轮控制系统的要求

超高速飞轮的的控制过程是飞轮工作过程的一个重要环节，一套完整的控制系统对飞轮的工作过程至关重要，控制过程的精确，准时决定了飞轮的工作状态。

而此控制系统主要包括以下内容：

超高频驱动电机的调速控制，真空泵的压力检测控制，以及磁流体密封轴承处的温度检测控制。

对于控制系统的实现过程需要有相关的程序和设计电路以及系统图。

2.2超高速飞轮控制系统实现的功能

控制系统所实现的功能主要分为三部分，第一利用超高频驱动电机去调速，控制飞轮转速的变化，从而实现能量的释放和回收过程。

第二是对真空泵的压力检测控制，检测飞轮真空腔内部的工作压力是否符合规定的压力值。

第三是磁流体密封轴承处的温度检测控制。

这三个大的环节构成控制系统的核心。

其次控制过程中还应该包括利用发动机给飞轮储能

2.2.1发动机储能

首先解决汽车起步之前飞轮储存能量，如果利用飞轮内置电机给飞轮加速储能必然耗费较大的电能，经济上不合算，所以采用发动机在至少180s时间内给飞轮提供能量。

为解决动力的传输和中断问题，在CVT—T和主减速器之间加上一个可以传递大扭矩的万向联轴器。

在汽车起步之前，发动机以某一恒功率运转，电磁离合器和发动机离合器要保持接合，万向联轴器处于断开状态，这样才能将动力通过CVT—T差动轮系传递给飞轮，为飞轮提供能量，此过程需要控制系统完成。

具体控制过程如下：

首先发动机离合器处于结合状态，而电磁离合器结合是通过单片机控制系统设置的独立键盘“开始”按键来实现的，当按下“开始”时候，电磁离合器处于结合状态，通过加速踏板，变速器，分动器，CVT—T（无极变速器差动变速轮系）,GGB（行星齿轮箱）,当飞轮达到极限转速60000rpm时，电磁离合器通过预先存储在单片机的程序自动进行控制断开过程，飞轮储能过程完毕。

这样就实现了在180s时间内飞轮加速到60000rpm。

飞轮储能整体结构如图所示。

图2—1整体模式图

程序流程如图2—2所示。

程序详见附录A。

图2-2发动机储能程序流程图

2.2.2超高频驱动电机调速

由于伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降.所以选取安川SGMJV—04ADD6E永磁无刷交流伺服电机，这种电机配线更简易可靠，在恶劣环境下可以安心使用等优点。

安川SGMJV—04ADD6E的功率为400W。

因为对于超高频电机的选取，额定功率不能过大，一般小于0.5KW左右。

图2—3伺服电机转矩转速特性曲线

由于永磁无刷交流电机转速不随负载而改变，只是根据外界电网频率而改变，所以通过调节驱动电机的速度变化而控制飞轮转速的变化的快慢。

我们所研究的储能系统是发动机和飞轮组成的混合动力系统，二者属于并联关系。

超高速飞轮处于高速运转时，转矩很小，所以必须将转矩进行放大才能提供给汽车后轴，通过驱动电机转速的变化控制飞轮转速的变化，根据理论力学中动量矩G=Jω,俩边求导后转矩M=Jβ，Jβφ=△E其中ω，β，φ,△E分别是角速度，角加速度,飞轮转过的角度和能量的变化，根据此公式可以得出，如果角速度变化越快，即角加速度越大，力矩就越大，所以驱动电机的转速变化越快，飞轮在快速降低的同时释放的力矩也就越大，具体说就是如果飞轮在一次释放总能35%的情况下，飞轮转速变化由60000rpm～45000rpm左右时，如果时间越短，转矩变化就越大。

安川伺服电机采用双极性SPWM调速，双极性控制则是指在输出波形的半周期内，逆变器同一桥臂中的两只元件均处于开关状态，但它们之间的关系是互补的，即通断状态彼此是相反交替的。

这样输出波形在任何半周期内都会出现正、负极性电压交替的情况，故称之为双极性控制，与单极性控制方式相比，载波和控制波都变成了有正、负半周的交流方式，其输出矩形波也是任意半周中均出现正负交替的情况。

图2-4双极性

双极性调速适用于高性能场合，对于超高频驱动电机调速选择双极性调速。

所以改变控制信号Ur（fr）的频率，则输出电压的基波频率亦随之而改变，这样就实现了调频的目的。

n=60fr/p,fr为电网的频率，p为磁极对数，取1。

通过改变频率的变化从而也就实现了驱动电机转速的变化。

因为改变fr，三角载波的频率Uc不变，在双极性调速中，输出波形的频率必然要改变，从而实现了驱动电机的SPWM调速。

2.2.3飞轮释放能量

汽车在公路起步行走时，车速在10s时间由0加速到到100km/h，发动机以恒功率和恒扭矩输出，通过飞轮释放能量来减少发动机的功率输出。

首先通过单片机控制系统的按键使电磁离合器结合，这时候发动机和飞轮一起向外输出动力，使得汽车前进，飞轮转速一旦降到系统预设的45000rpm时，电磁离合器通过存储在单片机里的程序就会使其断开，剩余的能量以待以后行进时多次释放。

根据双极性调速，使得外界电网频率发生一系列降低改变，从而驱动电机转速降低。

外界电网的频率由83HZ连续降到50HZ，驱动电机转速就由由5000rpm到3000rpm。

所以飞轮由60000rpm降到45000rpm，,这样就实现了飞轮释放能量的控制过程。

程序流程如图2—5所示。

程序详见附录B。

图2-5释放能量程序流程图

2.2.4制动能量的回收

对于1.5t的轿车，设计的动力驱动与能量回收高速飞轮，在车速60km/h时4s完全制动，理论上可以回收90%以上的制动动能；在车速100km/h时，3.5s内完全制动时，能够回收45%的制动动能。

汽车在60km/h时开始制动，首先通过单片机设定好的按键程序，按“开始”键，使得电磁离合器结合，这时将制动踏板快速踏下，汽车开始制动，飞轮开始回收能量，但是飞轮转速不能超过60000rpm，一旦达到这个数值，电磁离合器通过单片机控制程序就会断开。

这是回收能量的一个极限情况。

而回收能量的快慢要通过伺服电机调速的变化快慢来实现飞轮的转速变化，以实现在短时间内急剧回收能量。

在60km/h，驱动电机会根据单片机内部的程序对驱动电机进行SPWM进行调速，使得外界电网的频率由50HZ连续升到67HZ，驱动电机转速由3000rpm到4000rpm，这时候飞轮转速由45000rpm增加到53000rpm。

汽车在100km/h时开始制动，和汽车在60km/h时开始制动时候控制过程是一样的，驱动电机的调速都是通过存储在单片机调速程序自动改变电网频率，从而实现SPWM调速。

但是此时飞轮回收能量很少，大部分都通过制动时以热量的形式散发掉了。

飞轮转速由45000rpm到55000rpm,这时候电磁离合器就要断开，飞轮回收的能量等待下次汽车行驶时候释放。

驱动电机转速由3000rpm到4500rpm。

程序流程如图2—6所示。

程序详见附录C。

图2-6制动能量回收程序流程图

总之，无论飞轮释放能量还是制动能量的回收过程，飞轮转速的变化都是通过驱动电机进行调速的，根据存储在单片机里的SPWM调速程序，在这俩种工况下，外界电网的频率就会连续的改变，从而驱动电机的转速也会连续的改变，这样就实现了飞轮能量的释放和回收过程。

2.2.5真空泵的压力检测

主要控制真空飞轮内部压力保持在一定范围内，通过控制系统检测压力的变化，通过现有技术保证飞轮内部一定的真空度，以实现较少产热和风阻的影响。

数字大气压力传感器将检测到数字信号送给单片机，单片机经过计算和分析，检测压力的变化，如果飞轮腔真空部分压力不符合正常工作的标准绝对大气压力20kpa时候，继电器就会控制真空泵的电路通断来实现真空的工作，当飞轮内部的压力达到标准20kpa压力时，继电器就会断开。

程序流程如图2—7所示。

程序详见附录D。

图2-7压力检测流程图

2.2.6温度检测

由于飞轮高速旋转，安装飞轮轴处的磁流体密封轴承必须要进行冷却，所以需要温度检测。

主要通过DS18B20数字温度传感器进行检测，将数字信号给单片机，从而达到温度检测的目的。

程序流程如图2—8所示。

程序详见附录E。

图2-8温度检测程序流程图

2.3小结

本章节主要介绍了发动机的储能过程，驱动电机调速控制飞轮释放能量和回收能量过程，以及压力检测控制和温度检测控制。

每个控制都有相关的程序，并且用流程图详细表达了具体控制过程。

在控制系统中，除了程序外，还应该有相关的控制电路图。

所以下一章节将详细介绍控制电路的原理与设计，以及如何实现控制。

第3章控制系统的组成

3.1电路元器件简介及功能

3.1.1AT89C51单片机简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和flash存储单元。

图3-1AT89C51引脚图

并行I/O接口：

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

VCC：

供电电压，一般工作电压为5V。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H—FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.2LM7805线性稳压源

三端稳压集成电路lm7805（线性稳压管）输出正5V直流电压的稳压电源电路。

7805系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3—4V还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9—15V之间。

由于汽车电源是12V直流电源，所以不需要整流。

只需要在lm7805的输入端1和输出端3加上滤波电容即可。

这样输出端输出的就是5V电压了，可以提供给单片机。

图3-2LM7805电路图

3.1.37407简介

7407是集电极开路六正相高压驱动器，用于共阴极驱动发光二级管。

图3-37407逻辑图

1进2出，3进4出，5进6出，9进8出，11进10出，13进12出，7接地，14接高电平。

3.1.4SA4828简介

SA4828是英国MITEL公司研制出的一种专门用于三相SPWM信号发生和控制的集成电路芯片。

图3-4SA4828引脚图

（1）与单片机的接口信号

ADO~AD7、WR、RD、ALE可直接与地址/数据复用的单片机相连。

此时，总线选择信号MUX接+5V，地址/数据引脚RS不用。

（2）输入信CS片选信号，CLK时钟信号，RESET复位信号，SETTRIP关断信号，高电平时可快速关断全部SPWM信号。

（3）输出信号RT、YT、BY控制三相逆变桥的三个上桥臂的开关管。

RB、YB、BB控制三相逆变桥的三个下桥臂的开关管。

ZPPR输出调制波的频率，

WSS输出采样波形。

TRIP封锁状态，SETTRIP有效时，该引脚为低电平表

明输出已被封锁，可接LED指示灯。

3.1.5TLP250驱动电路

SA4828输出的6路控制信号是TTL电平的，它不能直接驱动IPM中的6个IGBT。

必须使用TLP250驱动IGBT。

图3-5TLP250驱动电路

3.1.6IGBT功用

IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子