摘? 要: 根據發動機工作特性及汽車換檔" title="換檔">換檔特性,利用單片機技術設計了汽車換檔智能決策輔助系統,該系統能夠根據實時獲得的車輛運行狀態幫助駕駛員正確地換檔,從而使車輛以最佳狀態運行,更好地發揮汽車的經濟性" title="經濟性">經濟性和動力性。
關鍵詞: 換檔規律? 燃料經濟性? 單片機? 智能決策
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????在不降低汽車動力性的條件下改善燃料經濟性是汽車研究的一個主要方面,最佳經濟性換檔規律能夠保證發動機工作在最佳經濟性工作區,減少汽車的燃油消耗量,提高整車的燃油經濟性[1～2]。對于手動換檔的汽車,如果在其行駛過程中實時地將發動機的最佳工作線和換檔時的發動機工作點清晰地顯示出來,同時根據該車的最佳換檔規律給出換檔提示,就可以使駕駛員了解車輛行駛中發動機的工作狀況從而進行正確操作,也有利于駕駛員改正不良的操作習慣并糾正錯誤操作,以充分發揮汽車的經濟性和動力性。本文根據汽車的發動機特性、換檔特性及車載電子設備的設計要求,利用單片機實現了嵌入式汽車智能換檔輔助決策系統。
1 系統設計原理
1.1 發動機最佳工作線計算
? 發動機最佳工作線包括發動機最佳動力性工作線和最佳經濟性工作線。
1.1.1 發動機最佳動力性工作線的計算
? 發動機最佳動力性工作點為發動機的等功率曲線與發動機扭矩曲線的切點,也就是扭矩曲線上功率最大的點。
? 發動機功率為:Pe=Mene/9549
發動機扭矩為:
,其中系數a、b、c、d可以由實驗數據擬合得到。
根據發動機最佳動力性工作點的定義,構造目標函數:
發動機轉速范圍為:ne1≤ne≤nem
此為條件極值問題,即在給定的發動機轉速范圍內求目標函數的極大值點,然后根據發動機功率公式計算出發動機扭矩,這樣就可以求出" title="求出">求出發動機最佳動力性工作點(ne，Me)。
依次可以求出一系列油門開度下發動機最佳動力性工作點,將這些最佳工作點用曲線連接起來即得到發動機最佳動力性工作線。
1.1.2 發動機最佳經濟性工作線的計算
發動機的扭矩曲線為Me=f(ne)
發動機的油耗曲線為Qt=g(ne)
根據發動機的扭矩曲線和油耗曲線可以得到發動機負荷特性曲線。由發動機的負荷特性曲線可以得到發動機的等油耗曲線。發動機最佳經濟性工作點即為等油耗曲線與等功率曲線的切點。用求解發動機最佳動力性工作點的方法可以求得發動機最佳經濟性工作點,從而得到發動機最佳經濟性工作線。
1.2 汽車最佳換檔規律的計算
汽車換檔規律分為最佳動力性換檔規律和最佳經濟性換檔規律。
1.2.1 汽車最佳動力性換檔規律的計算
在汽車驅動力圖上,動力性換檔點為同一油門開度下相鄰兩檔的驅動力曲線的交點。圖1所示為相鄰兩檔的動力性換檔點。求出這些換檔點后,將其轉換到油門開度a和車速va坐標圖上,并把這些點連成曲線,就得到該相鄰兩檔的動力性換檔規律升檔曲線。給出一定的降檔速差,就可求出動力性換檔規律的降檔曲線,這樣就求出了動力性換檔規律。
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1.2.2 汽車最佳經濟性換檔規律的計算
在相鄰兩檔不同節氣門開度下的牽引力特性圖上,按等牽引力條件,設定克服道路阻力∑F的牽引力為某一常數Fcon1,根據其和相鄰兩檔不同節氣門開度下的牽引力特性曲線的交點,可求出對應節氣門開度下的車速;根據相應檔位下的汽車燃油消耗Q和車速va之間的關系(如圖2所示)可求出相應車速下該檔位與節氣門開度下的油耗Q;再根據不同牽引力曲線的交點可求出相鄰兩檔的不同油耗點,其連線為相鄰兩檔的油耗線,其油耗線的交點為Fcon1下的相鄰兩檔最低油耗換檔點,如圖3所示。同理可以求出不同牽引力常數Fconi下的相鄰兩檔的最低油耗換檔點,其換檔點的連線為相鄰兩檔的經濟性換檔線。用此方法可得到其它相鄰兩檔的經濟性換檔線。
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2 系統設計
2.1 系統的硬件設計
??? 系統的硬件設計如圖4所示。CPU采用Atmel 89C55WD單片機,它具有20K的ROM和256Byte的RAM。
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由于該系統需要存儲車輛的各相關參數、發動機特性等數據,因此需要大量的存儲空間。為了滿足這一要求,同時使該系統適合在其它車型上擴展,采用了靜態數據存儲器28F256 Flash。它具有32K的存儲空間,可以存儲車輛的基本參數以及發動機特性等數據,完全可以滿足要求。
LCD(液晶顯示器)采用的是top-view公司的型號為STN3224-II的顯示儀。其分辨率是320×240,制式為STN,支持256色,自帶控制器。它的特點是接口簡單、編程控制容易。
A/D轉換器采用MAX1092,為十位模/數轉換器。當MAX1092的HBEN腳為低電平時讀低8位,當其為高電平時讀高兩位。
傳感器有節氣門傳感器、車速傳感器、發動機轉速傳感器等。節氣門位置傳感器安裝在節氣門軸的尾端,采用滑線變阻器的型式,節氣門完全關閉時,傳感器輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓為0V;節氣門完全打開時,輸出電壓為5V;當節氣門不斷開大時,其輸出電壓隨之線性增加。對發動機轉速和車速的測量采用霍爾傳感器,傳感器輸出的脈沖信號經處理后作為外部中斷信號輸入到單片機,同時配合定時器的中斷服務,就可以由軟件計算出發動機轉速和車速。
2.2 系統的軟件設計
系統軟件根據功能可分為:程序初始化模塊、初始數據的處理模塊、信息采集和處理" title="采集和處理">采集和處理模塊、顯示模塊,這四個模塊的功能是相互獨立的,但模塊之間又有數據傳輸的部分,具體傳輸的數據可以由系統軟件主程序流程看出。圖5所示為系統的主程序流程圖。
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程序初始化模塊包括硬件的驅動和數據的輸入。硬件驅動指直接驅動各種硬件資源,主要包括單片機資源和液晶顯示器。數據的輸入主要有汽車相關參數以及發動機的實驗數據。
初始數據的處理模塊主要功能是根據初始數據計算汽車的發動機最佳工作線和最佳換檔規律。
信息的采集和處理模塊主要功能是從傳感器采集數據并對數據進行處理,然后計算發動機的工作點、當前檔位并判斷換檔情況。圖6所示為判斷車輛換檔子程序的流程圖。
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顯示模塊的功能是將上面計算得到的車輛數據實時地顯示在LCD上。
以Santana2000轎車及其發動機試驗數據為依據進行了試驗。試驗結果證明該系統能夠在車輛行駛過程中正確、實時地顯示 車輛的發動機工作狀態、車輛的檔位、油門開度,并能夠根據輸入的最佳換檔規律實時判斷升檔、降檔還是保持當前檔位行駛。該系統對駕駛員正確操作車輛具有指導作用。
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參考文獻
1 葛安林.車輛自動變速理論與設計.北京?押機械工業出版社,1993
2 Ge An-lin，Cheng Xiu-sheng. Electronically Controlled Automatic Transmission， SAE Paper No.852292
3 Yilin Zhao.Vehicle Location and Navigation Systems. Artech House Inc.， 1997
4 何立民.MCS-51單片計算機.北京?押北京航空航天大學出版社,1999