引言

一種液壓式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)(HBRS)應(yīng)用于對(duì)公交車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的改造。由電磁離合器、液壓泵馬達(dá)和液壓蓄能器以及相關(guān)的機(jī)械裝置和油路構(gòu)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(xiàn)并行聯(lián)接。該系統(tǒng)將公交車(chē)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為蓄能器的液壓能儲(chǔ)存，并在車(chē)輛加速起步時(shí)將液壓能轉(zhuǎn)換為車(chē)輛的動(dòng)能，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

HBRS采用液壓蓄能器作為能量存儲(chǔ)元件。由于液壓蓄能器自身能量存儲(chǔ)的特點(diǎn)決定了系統(tǒng)工作特性的非線性，采用電子控制單元實(shí)時(shí)調(diào)整變量液壓泵馬達(dá)的有效排量可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的操作性能。HBRS控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)。本文針對(duì)HBRS控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)了基于時(shí)間觸發(fā)模式的混合式任務(wù)調(diào)度器。

1 系統(tǒng)方案概述

在液壓式制動(dòng)能量再生控制系統(tǒng)中，駕駛員通過(guò)***加速踏板和制動(dòng)踏板來(lái)表達(dá)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(jié)合／分離以及變量泵馬達(dá)的有效排量的調(diào)節(jié)都是由電子控制器集中控制自動(dòng)完成的。控制系統(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(cè)、有效排量決策和有效排量執(zhí)行邏輯控制。狀態(tài)檢測(cè)模塊根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)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(jù)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(jù)制動(dòng)踏板開(kāi)關(guān)、加速踏板開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)使能開(kāi)關(guān)及檔位開(kāi)關(guān)判斷駕駛員***意圖，從而決定系統(tǒng)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(qiáng)制泄壓模式)。有效排量執(zhí)行邏輯控制模塊根據(jù)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(qū)動(dòng)電流匹配表，得到目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流參數(shù)，并根據(jù)車(chē)輛加速度對(duì)驅(qū)動(dòng)電流做微調(diào)。如果當(dāng)前系統(tǒng)工作模式與目標(biāo)工作模式不符，則發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開(kāi)關(guān)電磁閥，使系統(tǒng)進(jìn)人相應(yīng)的工作模式，驅(qū)動(dòng)電磁離合器電磁閥實(shí)現(xiàn)電磁離合器的結(jié)合或分離；若當(dāng)前系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電流與目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流不符，則有效排量執(zhí)行邏輯控制模塊調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流以驅(qū)動(dòng)液壓泵馬達(dá)排量調(diào)整機(jī)構(gòu)，完成系統(tǒng)工作模式各個(gè)電磁閥的驅(qū)動(dòng)和液壓泵馬達(dá)有效排量調(diào)整電流的控制。

2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模

2．1 功能模塊劃分

功能模塊是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究對(duì)象，并且相關(guān)聯(lián)的功能模塊組成1個(gè)系統(tǒng)任務(wù)。在本文研究的液壓式制動(dòng)能量再生控制系統(tǒng)***有13個(gè)功能模塊，如表1所列。表中周期功能模塊相對(duì)時(shí)間軸周期性運(yùn)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(yùn)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(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(xù)操作沒(méi)有分支，實(shí)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(guān)系，x為前提條件，y為后續(xù)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(qū)動(dòng)指令，C2為電磁離合器結(jié)合／分離驅(qū)動(dòng)指令，C3為變量泵馬達(dá)有效排量驅(qū)動(dòng)電流指令，本系統(tǒng)使用脈寬調(diào)制方式控制調(diào)節(jié)電流。



該模型中，有效排量決策模塊J8運(yùn)行的前提條件是J1～J5先運(yùn)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(tǒng)工作模式State為能量保持工作模式時(shí)，J10直接發(fā)出默認(rèn)的驅(qū)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(jié)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的控制電流。J10根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛制動(dòng)加速度以及反饋電流的大小，對(duì)控制電流值進(jìn)行修正，并發(fā)出驅(qū)動(dòng)命令到驅(qū)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(hào)或狀態(tài)變量，因此需要添加判斷程序，從而實(shí)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(wù)劃分

根據(jù)任務(wù)劃分原則為I／O依賴(lài)性、功能內(nèi)聚、任務(wù)內(nèi)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(tǒng)控制處理器芯片調(diào)度實(shí)現(xiàn)，R7～R9由微控制器集成外設(shè)控制。J10和J11由芯片TLE6230GP實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，J12則由控制芯片的PCA及擴(kuò)展芯片33486A實(shí)現(xiàn)，并由單片機(jī)PCA模塊實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出。



3 調(diào)度算法設(shè)計(jì)

當(dāng)HBRS使能開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)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(qiáng)制泄壓模式。HBRS進(jìn)入何種工作模式由控制系統(tǒng)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(yùn)行的任務(wù)。若判斷系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)能量保壓工作模式或強(qiáng)制泄壓工作模式，則直接任務(wù)R6驅(qū)動(dòng)組合；R6發(fā)出控制外設(shè)的驅(qū)動(dòng)命令，通過(guò)任務(wù)R7、R8運(yùn)行，控制電磁換向閥的通斷實(shí)現(xiàn)油路的變換，控制電磁離合器的結(jié)合／分離實(shí)現(xiàn)HBRS與車(chē)輛原動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分離；若R1判斷系統(tǒng)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(biāo)驅(qū)動(dòng)電流值，并觸發(fā)任務(wù)R5計(jì)算車(chē)輛加速度和任務(wù)R6計(jì)算反饋電流值提供給任務(wù)R10以修正目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電流值；最后，通過(guò)任務(wù)R9實(shí)現(xiàn)對(duì)HBRS系統(tǒng)有效排量的調(diào)整。

確定所需的時(shí)標(biāo)間隔的過(guò)程是：為了把開(kāi)銷(xiāo)和功耗降低到最小值，調(diào)度器的時(shí)標(biāo)間隔應(yīng)該設(shè)置為所有任務(wù)的運(yùn)行間隔的“最大公因數(shù)”，并且滿(mǎn)足所有任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間都應(yīng)小于調(diào)度時(shí)標(biāo)間隔，以保證調(diào)度程序總是能夠在任何任務(wù)需要運(yùn)行的時(shí)候調(diào)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(tǒng)的任務(wù)都在確定性時(shí)間段內(nèi)完成檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)任務(wù)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，更可靠，更安全。

控制系統(tǒng)處理器執(zhí)行任務(wù)的時(shí)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(jì)該系統(tǒng)下單個(gè)任務(wù)運(yùn)行的瞬時(shí)特征，建立實(shí)時(shí)系統(tǒng)分析模型，實(shí)施混合定時(shí)調(diào)度算法，并統(tǒng)計(jì)CPU利用率和任務(wù)延時(shí)，進(jìn)行驗(yàn)證。

控制系統(tǒng)瞬時(shí)特征數(shù)據(jù)如表3所列，其中，任務(wù)運(yùn)行周期T根據(jù)系統(tǒng)性能的需要提出，而且，在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上是可行的，最大執(zhí)行時(shí)間tE為開(kāi)發(fā)平臺(tái)上反復(fù)運(yùn)行并求取最大值的結(jié)果。



按照混合調(diào)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(tǒng)在各個(gè)工作模式下的時(shí)序仿真結(jié)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(jù)表3，任務(wù)的最大公約數(shù)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(biāo)間隔為1．5 ms，開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的HBRS混合定時(shí)調(diào)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(dāng)HBRS電子控制系統(tǒng)在強(qiáng)制泄壓和保壓工作模式時(shí)處理器執(zhí)行任務(wù)的時(shí)序。此時(shí)，處理器根據(jù)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(tǒng)的工作模式，若為強(qiáng)制泄壓或保壓工作模式則執(zhí)行任務(wù)R6發(fā)出控制命令。

圖4(b)和圖4(c)說(shuō)明了當(dāng)HBRS電子控制系統(tǒng)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(zhí)行任務(wù)的時(shí)序。2個(gè)模式的區(qū)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(tǒng)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(jì)算液壓泵馬達(dá)有效排量的驅(qū)動(dòng)電流值并觸發(fā)任務(wù)R5采集車(chē)輛的負(fù)荷狀況對(duì)驅(qū)動(dòng)電流值修正，通過(guò)任務(wù)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(dá)的驅(qū)動(dòng)命令。

結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用時(shí)間觸發(fā)模式設(shè)計(jì)了液壓式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)混合調(diào)度器，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)可以方便地設(shè)計(jì)時(shí)間觸發(fā)模式調(diào)度器。時(shí)間觸發(fā)模式設(shè)計(jì)的電子控制系統(tǒng)具有安全、成本低和程序簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。