液壓制動能量再生系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)設計

摘要：基于時間觸發(fā)模式的混合調度器理論，設計了液壓式制動能量再生系統(tǒng)(HBRS)的電子控制系統(tǒng)。建立功能模塊模型，在對各功能模塊的瞬時特征和互聯(lián)特征分析的基礎上劃分了系統(tǒng)任務，并設計了調度器任務運行時序。最后通過仿真驗證了調度器的正確性。
關鍵詞：時間觸發(fā)模式；液壓式制動能量再生系統(tǒng)；電子控制單元；調度器

引言
    一種液壓式制動能量再生系統(tǒng)(HBRS)應用于對公交車動力系統(tǒng)的改造。由電磁離合器、液壓泵馬達和液壓蓄能器以及相關的機械裝置和油路構成的車輛制動能量回收再生裝置，通過分動箱與公交車動力傳動裝置實現(xiàn)并行聯(lián)接。該系統(tǒng)將公交車制動時的動能轉換為蓄能器的液壓能儲存，并在車輛加速起步時將液壓能轉換為車輛的動能，從而達到節(jié)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決定了系統(tǒng)工作特性的非線性，采用電子控制單元實時調整變量液壓泵馬達的有效排量可以優(yōu)化系統(tǒng)的操作性能。HBRS控制系統(tǒng)包括周期性任務和1個事件觸發(fā)任務，可以采用時間觸發(fā)模式設計系統(tǒng)。本文針對HBRS控制系統(tǒng)建立了實時性分析模型，分析周期性任務和觸發(fā)任務的特點，設計了基于時間觸發(fā)模式的混合式任務調度器。

1 系統(tǒng)方案概述
    在液壓式制動能量再生控制系統(tǒng)中，駕駛員通過操縱加速踏板和制動踏板來表達加速或減速意圖。而液壓系統(tǒng)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(jié)都是由電子控制器集中控制自動完成的?？刂葡到y(tǒng)方案如圖1所示。

    HBRS控制系統(tǒng)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(zhí)行邏輯控制。狀態(tài)檢測模塊根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計算當前車速、制動踏板行程、加速踏板行程、蓄能器壓力，并根據(jù)車速進行微分得到車輛加速度，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(jù)制動踏板開關、加速踏板開關和系統(tǒng)使能開關及檔位開關判斷駕駛員操縱意圖，從而決定系統(tǒng)工作模式(制動能量回收模式、制動能量再生模式、制動能量保持模式或強制泄壓模式)。有效排量執(zhí)行邏輯控制模塊根據(jù)車速、車輛加速度和制動踏板位置或加速踏板位置查詢最佳有效排量驅動電流匹配表，得到目標驅動電流參數(shù)，并根據(jù)車輛加速度對驅動電流做微調。如果當前系統(tǒng)工作模式與目標工作模式不符，則發(fā)出控制指令驅動相應開關電磁閥，使系統(tǒng)進人相應的工作模式，驅動電磁離合器電磁閥實現(xiàn)電磁離合器的結合或分離；若當前系統(tǒng)驅動電流與目標驅動電流不符，則有效排量執(zhí)行邏輯控制模塊調整驅動電流以驅動液壓泵馬達排量調整機構，完成系統(tǒng)工作模式各個電磁閥的驅動和液壓泵馬達有效排量調整電流的控制。

2 實時系統(tǒng)建模
2．1 功能模塊劃分
    功能模塊是實時系統(tǒng)的基礎研究對象，并且相關聯(lián)的功能模塊組成1個系統(tǒng)任務。在本文研究的液壓式制動能量再生控制系統(tǒng)中，共有13個功能模塊，如表1所列。表中周期功能模塊相對時間軸周期性運行，觸發(fā)模塊只有在制動能量再生和制動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(tǒng)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系(有時序關系和資源共享關系2種)，箭頭的方向表示時序，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系，方塊功能塊的前提條件是或關系，空心表示功能塊的后續(xù)操作沒有分支，實心表示功能塊具有分支，其后續(xù)功能塊的執(zhí)行由分支邏輯決定：I(x，y，z)為關系，x為前提條件，y為后續(xù)任務，z為共享資源名稱。ua為車速，Iacc為加速踏板行程，lbra為制動踏板行程Pac為蓄能器壓力，a為車輛加速度，Ivg為反饋電流。C1為電磁換向閥驅動指令，C2為電磁離合器結合／分離驅動指令，C3為變量泵馬達有效排量驅動電流指令，本系統(tǒng)使用脈寬調制方式控制調節(jié)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，即獲得各種開關狀態(tài)、車速和蓄能器壓力，缺一不可。經(jīng)過邏輯判斷后決定HBRS的工作模式。J8有分支，J8判斷系統(tǒng)工作模式State為能量保持工作模式時，J10直接發(fā)出默認的驅動命令即可，不觸發(fā)J9。J10控制各電磁換向閥的開關狀態(tài)，控制電磁離合器的結合／分離狀態(tài)。J9在制動能量回收工作模式時，需要獲得車速、制動踏板行程，查詢最佳排量對應的控制電流，在制動能量再生工作模式時，需要獲得車速、加速踏板行程，查詢最佳有效排量對應的控制電流。J10根據(jù)當前車輛制動加速度以及反饋電流的大小，對控制電流值進行修正，并發(fā)出驅動命令到驅動模塊。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，從而實現(xiàn)在不同工作模式下觸發(fā)不同控制程序的目的。
2．3 任務劃分
    根據(jù)任務劃分原則為I／O依賴性、功能內聚、任務內斂，將13功能模塊劃分為6個任務，如表2所列。9個任務中R1～R6由系統(tǒng)控制處理器芯片調度實現(xiàn)，R7～R9由微控制器集成外設控制。J10和J11由芯片TLE6230GP實現(xiàn)驅動，J12則由控制芯片的PCA及擴展芯片33486A實現(xiàn)，并由單片機PCA模塊實現(xiàn)PWM信號輸出。

3 調度算法設計
    當HBRS使能開關打開時，系統(tǒng)共有4種工作模式：制動能量回收模式、制動能量再生模式、制動能量保壓模式和制動能量強制泄壓模式。HBRS進入何種工作模式由控制系統(tǒng)進行邏輯判斷，因此任務R1工作模式?jīng)Q策組合是周期性運行的任務。若判斷系統(tǒng)進入制動能量保壓工作模式或強制泄壓工作模式，則直接任務R6驅動組合；R6發(fā)出控制外設的驅動命令，通過任務R7、R8運行，控制電磁換向閥的通斷實現(xiàn)油路的變換，控制電磁離合器的結合／分離實現(xiàn)HBRS與車輛原動力傳動系統(tǒng)的分離；若R1判斷系統(tǒng)進入制動能量回收工作模式或者制動能量釋放工作模式，則觸發(fā)任務R4查詢目標驅動電流值，并觸發(fā)任務R5計算車輛加速度和任務R6計算反饋電流值提供給任務R10以修正目標驅動電流值；最后，通過任務R9實現(xiàn)對HBRS系統(tǒng)有效排量的調整。
    確定所需的時標間隔的過程是：為了把開銷和功耗降低到最小值，調度器的時標間隔應該設置為所有任務的運行間隔的“最大公因數(shù)”，并且滿足所有任務的運行時間都應小于調度時標間隔，以保證調度程序總是能夠在任何任務需要運行的時候調用它，還要求盡可能地避免任務的抖動。
    于是，在不同的工作模式中控制系統(tǒng)的任務都在確定性時間段內完成檢測和驅動任務，簡化了系統(tǒng)設計的復雜性，更可靠，更安全。
控制系統(tǒng)處理器執(zhí)行任務的時序如圖3所示。

4 仿真
    某控制系統(tǒng)基于采用新華龍公司C8051F005最小系統(tǒng)板。首先統(tǒng)計該系統(tǒng)下單個任務運行的瞬時特征，建立實時系統(tǒng)分析模型，實施混合定時調度算法，并統(tǒng)計CPU利用率和任務延時，進行驗證。
    控制系統(tǒng)瞬時特征數(shù)據(jù)如表3所列，其中，任務運行周期T根據(jù)系統(tǒng)性能的需要提出，而且，在開發(fā)平臺上是可行的，最大執(zhí)行時間tE為開發(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個任務、4個處理器的實時控制系統(tǒng)在各個工作模式下的時序仿真結果如圖3所示，仿真忽略任務上下文切換消耗的處理器資源。根據(jù)表3，任務的最大公約數(shù)為10 ms，因此時間軸被劃分為周期為10 ms的時間片。
    令時標間隔為1．5 ms，開發(fā)平臺下的HBRS混合定時調度時序如圖4所示，其中空白時間段中處理器處于休眠狀態(tài)。

    圖4(a)說明了當HBRS電子控制系統(tǒng)在強制泄壓和保壓工作模式時處理器執(zhí)行任務的時序。此時，處理器根據(jù)任務R3和R2采集的車輛工作狀態(tài)信息，經(jīng)任務R1判斷系統(tǒng)的工作模式，若為強制泄壓或保壓工作模式則執(zhí)行任務R6發(fā)出控制命令。
    圖4(b)和圖4(c)說明了當HBRS電子控制系統(tǒng)在制動能量再生工作模式和制動能量回收工作模式時處理器執(zhí)行任務的時序。2個模式的區(qū)別在于任務R4中分別觸發(fā)的子任務為J4和J5。任務R1判斷系統(tǒng)工作于制動能量再生工作模式，觸發(fā)任務R4查詢計算液壓泵馬達有效排量的驅動電流值并觸發(fā)任務R5采集車輛的負荷狀況對驅動電流值修正，通過任務R6發(fā)送HBRs系統(tǒng)各電磁方向閥、電磁離合器和液壓泵馬達的驅動命令。

結語
    本文應用時間觸發(fā)模式設計了液壓式制動能量再生系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)混合調度器，實現(xiàn)了HBRS的基本功能。通過功能模塊劃分、任務劃分和時間序列的設計可以方便地設計時間觸發(fā)模式調度器。時間觸發(fā)模式設計的電子控制系統(tǒng)具有安全、成本低和程序簡單的特點。