液压制动能量再生系统的电子控制系统设计

摘要：基于时间触发模式的混合调度器理论，设计了液压式制动能量再生系统(HBRS)的电子控制系统。建立功能模块模型，在对各功能模块的瞬时特征和互联特征分析的基础上划分了系统任务，并设计了调度器任务运行时序。最后通过仿真验证了调度器的正确性。
关键词：时间触发模式；液压式制动能量再生系统；电子控制单元；调度器

引言
    一种液压式制动能量再生系统(HBRS)应用于对公交车动力系统的改造。由电磁离合器、液压泵马达和液压蓄能器以及相关的机械装置和油路构成的车辆制动能量回收再生装置，通过分动箱与公交车动力传动装置实现并行联接。该系统将公交车制动时的动能转换为蓄能器的液压能储存，并在车辆加速起步时将液压能转换为车辆的动能，从而达到节能减排的目的。
    HBRS采用液压蓄能器作为能量存储元件。由于液压蓄能器自身能量存储的特点决定了系统工作特性的非线性，采用电子控制单元实时调整变量液压泵马达的有效排量可以优化系统的操作性能。HBRS控制系统包括周期性任务和1个事件触发任务，可以采用时间触发模式设计系统。本文针对HBRS控制系统建立了实时性分析模型，分析周期性任务和触发任务的特点，设计了基于时间触发模式的混合式任务调度器。

1 系统方案概述
    在液压式制动能量再生控制系统中，驾驶员通过操纵加速踏板和制动踏板来表达加速或减速意图。而液压系统中电磁方向阀的通断、电磁离合器的结合／分离以及变量泵马达的有效排量的调节都是由电子控制器集中控制自动完成的。控制系统方案如图1所示。

    HBRS控制系统电子控制器完成3大功能：状态检测、有效排量决策和有效排量执行逻辑控制。状态检测模块根据传感器数据计算当前车速、制动踏板行程、加速踏板行程、蓄能器压力，并根据车速进行微分得到车辆加速度，然后将这些状态信息传递给有效排量决策模块。有效排量决策模块根据制动踏板开关、加速踏板开关和系统使能开关及档位开关判断驾驶员操纵意图，从而决定系统工作模式(制动能量回收模式、制动能量再生模式、制动能量保持模式或强制泄压模式)。有效排量执行逻辑控制模块根据车速、车辆加速度和制动踏板位置或加速踏板位置查询最佳有效排量驱动电流匹配表，得到目标驱动电流参数，并根据车辆加速度对驱动电流做微调。如果当前系统工作模式与目标工作模式不符，则发出控制指令驱动相应开关电磁阀，使系统进人相应的工作模式，驱动电磁离合器电磁阀实现电磁离合器的结合或分离；若当前系统驱动电流与目标驱动电流不符，则有效排量执行逻辑控制模块调整驱动电流以驱动液压泵马达排量调整机构，完成系统工作模式各个电磁阀的驱动和液压泵马达有效排量调整电流的控制。

2 实时系统建模
2．1 功能模块划分
    功能模块是实时系统的基础研究对象，并且相关联的功能模块组成1个系统任务。在本文研究的液压式制动能量再生控制系统中，共有13个功能模块，如表1所列。表中周期功能模块相对时间轴周期性运行，触发模块只有在制动能量再生和制动能量回收工作模式中运行。

2．2 功能模块间的互连特征
    HBRS控制系统中各功能模块的互连特征由图2所示，图中箭头表示功能模块之间的关系(有时序关系和资源共享关系2种)，箭头的方向表示时序，圆圈和方块表示功能块。圆圈的功能块的前提条件互为与关系，方块功能块的前提条件是或关系，空心表示功能块的后续操作没有分支，实心表示功能块具有分支，其后续功能块的执行由分支逻辑决定：I(x，y，z)为关系，x为前提条件，y为后续任务，z为共享资源名称。ua为车速，Iacc为加速踏板行程，lbra为制动踏板行程Pac为蓄能器压力，a为车辆加速度，Ivg为反馈电流。C1为电磁换向阀驱动指令，C2为电磁离合器结合／分离驱动指令，C3为变量泵马达有效排量驱动电流指令，本系统使用脉宽调制方式控制调节电流。

   该模型中，有效排量决策模块J8运行的前提条件是J1～J5先运行，即获得各种开关状态、车速和蓄能器压力，缺一不可。经过逻辑判断后决定HBRS的工作模式。J8有分支，J8判断系统工作模式State为能量保持工作模式时，J10直接发出默认的驱动命令即可，不触发J9。J10控制各电磁换向阀的开关状态，控制电磁离合器的结合／分离状态。J9在制动能量回收工作模式时，需要获得车速、制动踏板行程，查询最佳排量对应的控制电流，在制动能量再生工作模式时，需要获得车速、加速踏板行程，查询最佳有效排量对应的控制电流。J10根据当前车辆制动加速度以及反馈电流的大小，对控制电流值进行修正，并发出驱动命令到驱动模块。J9和J10均在不同工作模式下，需要不同的传感器信号或状态变量，因此需要添加判断程序，从而实现在不同工作模式下触发不同控制程序的目的。
2．3 任务划分
    根据任务划分原则为I／O依赖性、功能内聚、任务内敛，将13功能模块划分为6个任务，如表2所列。9个任务中R1～R6由系统控制处理器芯片调度实现，R7～R9由微控制器集成外设控制。J10和J11由芯片TLE6230GP实现驱动，J12则由控制芯片的PCA及扩展芯片33486A实现，并由单片机PCA模块实现PWM信号输出。

3 调度算法设计
    当HBRS使能开关打开时，系统共有4种工作模式：制动能量回收模式、制动能量再生模式、制动能量保压模式和制动能量强制泄压模式。HBRS进入何种工作模式由控制系统进行逻辑判断，因此任务R1工作模式决策组合是周期性运行的任务。若判断系统进入制动能量保压工作模式或强制泄压工作模式，则直接任务R6驱动组合；R6发出控制外设的驱动命令，通过任务R7、R8运行，控制电磁换向阀的通断实现油路的变换，控制电磁离合器的结合／分离实现HBRS与车辆原动力传动系统的分离；若R1判断系统进入制动能量回收工作模式或者制动能量释放工作模式，则触发任务R4查询目标驱动电流值，并触发任务R5计算车辆加速度和任务R6计算反馈电流值提供给任务R10以修正目标驱动电流值；最后，通过任务R9实现对HBRS系统有效排量的调整。
    确定所需的时标间隔的过程是：为了把开销和功耗降低到最小值，调度器的时标间隔应该设置为所有任务的运行间隔的“最大公因数”，并且满足所有任务的运行时间都应小于调度时标间隔，以保证调度程序总是能够在任何任务需要运行的时候调用它，还要求尽可能地避免任务的抖动。
    于是，在不同的工作模式中控制系统的任务都在确定性时间段内完成检测和驱动任务，简化了系统设计的复杂性，更可靠，更安全。
控制系统处理器执行任务的时序如图3所示。

4 仿真
    某控制系统基于采用新华龙公司C8051F005最小系统板。首先统计该系统下单个任务运行的瞬时特征，建立实时系统分析模型，实施混合定时调度算法，并统计CPU利用率和任务延时，进行验证。
    控制系统瞬时特征数据如表3所列，其中，任务运行周期T根据系统性能的需要提出，而且，在开发平台上是可行的，最大执行时间tE为开发平台上反复运行并求取最大值的结果。

    按照混合调度算法，该9个任务、4个处理器的实时控制系统在各个工作模式下的时序仿真结果如图3所示，仿真忽略任务上下文切换消耗的处理器资源。根据表3，任务的最大公约数为10 ms，因此时间轴被划分为周期为10 ms的时间片。
    令时标间隔为1．5 ms，开发平台下的HBRS混合定时调度时序如图4所示，其中空白时间段中处理器处于休眠状态。

    图4(a)说明了当HBRS电子控制系统在强制泄压和保压工作模式时处理器执行任务的时序。此时，处理器根据任务R3和R2采集的车辆工作状态信息，经任务R1判断系统的工作模式，若为强制泄压或保压工作模式则执行任务R6发出控制命令。
    图4(b)和图4(c)说明了当HBRS电子控制系统在制动能量再生工作模式和制动能量回收工作模式时处理器执行任务的时序。2个模式的区别在于任务R4中分别触发的子任务为J4和J5。任务R1判断系统工作于制动能量再生工作模式，触发任务R4查询计算液压泵马达有效排量的驱动电流值并触发任务R5采集车辆的负荷状况对驱动电流值修正，通过任务R6发送HBRs系统各电磁方向阀、电磁离合器和液压泵马达的驱动命令。

结语
    本文应用时间触发模式设计了液压式制动能量再生系统的电子控制系统混合调度器，实现了HBRS的基本功能。通过功能模块划分、任务划分和时间序列的设计可以方便地设计时间触发模式调度器。时间触发模式设计的电子控制系统具有安全、成本低和程序简单的特点。