汽车节能控制系统设计.doc
《汽车节能控制系统设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车节能控制系统设计.doc(60页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、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081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
2、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Control system design of the ultra high speed flywheel saving energy for a carABSTRACTThis subject is mainly by
3、studying ultra high speed flywheel control system design, on the basis of the domestic and foreign existing control technology, realizing the working process of ultra high speed flywheel. When the car is running, the control system realizes the process of high frequency drive motor to control flywhe
4、el energy releasing, the brake energy recovery, pressure detection and temperature detection. Mainly based on 51 single chip control system design, Including UHF drive motor SPWM speed control, vacuum pump pressure control, temperature detection control and so on, the whole control process of Ultra
5、high speed flywheel work needs speed regulation circuit, a pressure detecting circuit, and a temperature detection circuit to realize the related control, For each control process, Write control program, according to the procedure, combining with the simulation software to realize the process of eac
6、h part of the 51chip simulation. The control of Ultra high speed flywheel achieves the whole system work process, Using the flywheel energy release to less engine power output and using the flywheel to recovery brake energy when the car is braking, saving energy and decrease emission when the car is
7、 running. So the ultra high speed flywheel is a major development of future in the application of the car.Keywords: Ultra high speed flywheel; Control system; Circuit; Single chip microcomputer simulation目 录第1章 前 言11.1 超高速飞轮的课题目的11.2超高速变频飞轮的国内外现状21.3 超高速变频飞轮的目前存在的问题以及如何解决问题21.4超高速变频飞轮的未来发展方向31.5 本文研
8、究的主要内容3第2章 超高速飞轮控制系统功能42.1超高速飞轮控制系统的要求42.2 超高速飞轮控制系统实现的功能42.2.1 发动机储能42.2.2 超高频驱动电机调速62.2.3 飞轮释放能量72.2.4 制动能量的回收82.2.5 真空泵的压力检测102.2.6 温度检测112.3 小结11第3章 控制系统的组成123.1 电路元器件简介及功能123.1.1 AT89C51单片机简介123.1.2 LM7805线性稳压源143.1.3 7407简介143.1.4SA4828简介153.1.5 TLP250驱动电路153.1.6 IGBT功用163.2 控制系统的PROTEL电路设计163
9、.2.1 飞轮转速传感器的数字显示电路163.2.2 调速电路173.2.3 真空泵压力检测电路183.2.4 温度检测电路193.3 小结20第4章 控制系统仿真214.1 仿真软件设计214.1.1 Keil C51简介214.1.2 PROTEUS 软件简介224.1.3 仿真实现过程224.2 PROTEUS仿真结果224.3 控制系统流程结构图264.4 小结27第5章 结论285.1 控制系统设计总结285.2 个人总结285.3 超高速飞轮未来前景29致 谢30参考文献31附 录34附录A34附录B37附录C41附录D47附录E50附录F55第1章 前 言1.1 超高速飞轮的课题
10、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
11、、体积更小,因而更加有利于在汽车上布置安装。而 Flybrid Systems LLP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11所示。图1-1 KERS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
12、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, 61046, 345rpm, 破坏转速为48, 784rpm, 系统输出恒压110240V , 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
13、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
14、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12所示。图1-2 KERS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
15、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
16、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
17、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CVTT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CVTT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
18、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,CVTT(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21 整体模式图程序流程如图22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
19、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SGMJV04ADD6E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SGMJV04ADD6E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23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
20、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=J, 俩边求导后转矩M=J,J=E其中,, 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60000rpm45000rpm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
21、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
22、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3000rp
23、m。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25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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 节能 控制系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。