武汉理工-42V电控发动机冷却系统的研究_杨胜兵

第 ２１ 卷 第 １ 期 ２００７ 年 ３ 月
湖北汽车工业学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｖｏｌ． ２１ Ｎｏ． １ Ｍａｒ． ２００７
４２ Ｖ 电控发动机冷却系统的研究
杨胜兵 １， ２， 邓楚南 １
（ １． 武汉理工大学 汽车学院， 湖北 武汉 ４３００７０； ２． 清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室， 北京 １０００８４）
关键词： 发动机； 冷却系统； 模糊控制； ４２ Ｖ
中图分类号： ＴＫ４１４．２１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００８－ ５４８３（ ２００７） ０１－ ００１４－ ０４
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｆ ４２ Ｖ Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅ
Ｙａｎｇ Ｓｈｅｎｇｂｉｎｇ１， ２， Ｄｅｎｇ Ｃｈｕｎａｎ１
较好的角度， 引导迎风面气流通过散热器， 这样可 以加快散热效果。当发动机温度低于 ７０ ℃， 导风板 关闭， 阻挡冷空气进入散热器， 使发动机快速预热。 对导风板和风扇进行控制可以较好的减少能量的 消耗， 能够从大的系统的角度使发动机工作在适当 的温度范围。
６） 可靠性设计 在控制单元的设计和元器件的选型上充分考 虑汽车的超宽工作温度范围， 使元器件工作更加可 靠。在软件设计上增加了滤波和传感器短路、断路 保护等算法， 以保证系统的工作可靠性， 降低温度 场和热冲击对电子控制精度的影响。 １．２ 冷却系统控制系统工作原理 当发动机预热时 （ 发动机水温 ７０ ℃） ， ＤＳＰ 根 据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控 制信号， 使电控冷却风扇不工作， 电控导风板关闭， 电控节温器工作（ 小循环状态） 。发动机水温上升很 快。当水温升至 ７５ ℃， ＤＳＰ 根据检测来的温度数据 处理分析向执行元件发出控制信号， 使电控节温器 不工作（ 让其进入大循环控制状态） ， 电控导风板处 于敞开状态。此时可充分利用汽车行驶迎面风对散 热器的冷却作用， 尽量减少冷却风扇的工作时间。 当发动机水温升到 ８０ ℃时， 使继电器接通电 热丝， 打开大循环， 同时关闭小循环； 当水温高达 ９０ ℃以上时， 让节温器仍处于大循环状态， 导风板 仍处于敞开状态， ＤＳＰ 根据温度的变化情况发出控 制指令使电控冷却风扇工作以适当的速度运转， 迫 使水温以最短的时间保持在一定的温度带（ ８５～９５ ℃） 之间， 其中， 冷却风扇电机采用模糊控制， 感应电 机 实 现 变 频 多 级 调 速 。 当 发 动 机 水 温 降 至 ７０ ℃ 时， 电控冷却风扇不工作； 电控节温器处于小循环 状态， 电控导风板关闭。
发动机是汽车的动力源泉， 其控制的优劣关系 到汽车行驶的安全和品质。温度是反映发动机工 作状态的重要参数， 因此温度控制是发动机控制中 重要的一环。传统的冷却风扇由发动机的曲轴驱 动， 其冷却能力只能随发动机转速的变化而变化， 不能满足实际散热要求； 节流损失大， 工作不可靠， 工作效率低； 传统的保温帘是人为控制散热器的通 风量， 不能够根据发动机的工作温度进行自动调节； 发动机的冷却能力一般按高气温、重负荷的工况设 计， 随发动机用途和使用条件的不同而不同［１］。由于 发动机温度变化的非线性和易受如大气温度、风力 等外界因素影响， 导致常规的控制在系统建模上存 在 很 大 困 难 而 无 法 应 用 。而 模 糊 控 制 ［ ２］ 不 需 要 建 立 被控对象的具体数学模型， 只需用语言建立控制输 出与控制输入的关系， 将专家语言规则直接转化为
２ 系统模糊控制策略及程序流程图
２．１ 系统模糊控制策略 发动机的温度模糊控制系统（ 图 ２） 是典型的
双输入单输出模糊控制器。发动机温度模糊控制工 作流程如下： 缸温传感器测量发动机温度， 经 Ａ／Ｄ 变化送给计算机， 测量温度与期望温度的偏差 ｅ 及 其偏差率 ｅｃ 就作为模糊控制器的 ２ 个输入， 模糊 控制器根据模糊规则生成控制量 Ｕ， 结合实际， 输 出适当频率的 ＰＷＭ 控制信号， 改变冷却风扇的排
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ４２ Ｖ ｗｈｉｃｈ ｌｅｔｓ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ ｗｏｒｋ ａｔ ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｍａｋｅ ｉｔ ｍｏｒｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ， ｍｏｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｓｕｐｐｌｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｅｎｇｉｎｅ； ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ； ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ； ４２ Ｖ
信 号 调 理 电 路 、电 控 无 级 变 速 冷 却 风 扇 、电 控 节 温 器和电控导风板等系统组成。电控冷却风扇由驱动 器及感应电机带动； 电控节温器利用电加热引起双 金属片变形， 由双金属片变形带动节温阀旋转运 动， 来改变大小循环； 电控导风板由双向电动机通
收稿日期： ２００６－ １２－ ０４ 作者简介： 杨胜兵（ １９７３－ ） ， 湖北黄梅人， 博士， 从事汽车测试技术和汽车电子研究。
摘 要： 冷却系统是发动机的重要组成部分， 分析了传统冷却系统的不足， 设计基于模糊控制的 ４２ Ｖ 发动机电子
控制冷却系统， 该冷却系统能够实现散热风扇的无级变速 ， 使 发 动 机 工 作 在 最 佳 温 度 ， 使 之 更 经 济 、更 环 保 ， 给 出
了模糊控制器的仿真结果， 对比试验结果显示较传统冷却系统性能优越。
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湖北汽车工业学院学报
２００７ 年 ３ 月
图 ２ 冷却风扇模糊控制结构图
气量， 从而控制发动机温度［５， ６］。 ２．２ 发动机温度模糊控制的实现
１） 输入和输出信号变量范围的确定 发动机 工 作 温 度 范 围 大 部 分 时 间 在 （ ７０ ℃， １２０ ℃） ， 通过温度范围检测子程序后再进入模糊 控制子程序， 设给定温度 ８５ ℃， 则发动机温度的偏 差 Ｅ 变量范围在［ － １５ ℃， ３５ ℃］ ； 温度 变化率 ＥＣ 变量 范围在［ － １０， ＋１０］ ； 系统 的输出信 号 为 Ｕ， 其 变量范围为［ ０， ６］ ， Ｕ 值经解模糊后， 查表输出周 期寄存器 Ｔ１ＰＲ 得值， 即对应的电机调频信号。 ２） 语言变量值的选取 温差 ｅ ， 温差变化率 ｅｃ 为系统输入， 输出控制 量为 ｕ， 其律属函数均采用三角形函数。其模糊子 集分别为： Ｅ＝｛ＮＢ， ＮＭ， ＮＳ， ０， ＰＳ， ＰＭ， ＰＢ｝ ＥＣ＝｛ＮＢ， ＮＭ， ＮＳ， ０， ＰＳ， ＰＭ， ＰＢ｝ Ｕ＝｛ＮＢ， ＮＭ， ＮＳ， ０， ＰＳ， ＰＭ， ＰＢ｝ 它们的论域分别是： Ｘ＝｛－ ６， － ５， － ４， － ３， － ２， － １， ０， １， ２， ３， ４ ， ５， ６｝ Ｙ＝｛－ ６， － ５， － ４， － ３， － ２， － １， ０， １， ２， ３， ４ ， ５， ６｝ Ｚ＝｛－ ６， － ５， － ４， － ３， － ２， － １， ０， １， ２，计的关键在于知识库的设计。 模糊控制规则是基于操作人员长期积累的控制经 验和专家的有关知识， 它是对被控对象进行控制的 一个知识模型（ 而不是数学模型） ， 这个模型就是 模糊测控系统的知识库。这个模型建立得是否准 确， 将决定模糊控制器控制性能的好坏。本系统的 模糊控制规则可归纳成表 １。模糊控制状态表包含 的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系。通 过表 １ 所示的这 ４９ 个模糊关系， 如： ｉｆ 温度正偏差 增大 ａｎｄ 温度上升快 ｔｈｅｎ 高快速冷却风扇等用语 言形式描述的控制规则。将这些控制规则按模糊 数学中的模糊语句的定义， 写成一串模糊条件语 句， 形成模糊模型。 本系统模糊合成采用 Ｍａｍｄａｎｉ 法， 去模糊采 用加权平均法。对论域 Ｘ、Ｙ 中全部元素的所有组 合计算出相应的以论域 Ｚ 元素表示的控制量变化
（ １． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４， Ｃｈｉｎａ）
表 １ 模糊控制系统控制状态表
Ｅ
Ｕ
ＮＢ ＮＭ ＮＳ ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ
ＥＣ ＰＢ
ＮＢ ＮＭ ＮＳ ０ ＰＭ ＰＢ ＰＢ
ＰＭ
ＮＢ ＮＭ ＮＳ ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ
第 ２１ 卷 第 １ 期
杨胜兵等： ４２Ｖ 电控发动机冷却系统的研究
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图 １ 冷却系统系统结构框图
过传动系统使之打开或关闭； 信号处理器 ＤＳＰ 是 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７。
１） 信号处理器 ＤＳＰ 综合考虑各种处理器的性能、价格和本次设计 的系统要求， 决定选用美国德州仪器公司 ＴＩ（ Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ） 的 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ 作 为 所 设 计 系 统 的 核心处理器。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ 是 ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ 系列 中功能最强大、拥有的硬件资源最完整的 ＤＳＰ。 ２） 温度传感器及信号调理 ＡＤ５９０ 是 ＡＤ 公 司 利 用 ＰＮ 结 正 向 电 流 与 温 度的关系制成的电流输出型两端温度传感器， 通过 对电流的测量可得到所需要的温度值。将 ＡＤ５９０ 经 Ａ／Ｄ 采集后查表转换成对应的温度值信号， 以 方便直接用温度作为模糊输入量的使用。 ３） 电控无级变速冷却风扇 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ 的事件管理模块输出 ＰＷＭ 控 制信号， 经隔 离和驱动后 ， 控 制 感 应 电 机 ； ２４０７ 的 ＰＷＭ 口驱动电流为 ２ ｍＡ 或 ４ ｍＡ， 为驱动光隔器 件 ６Ｎ１３７， 采用 ＰＷＭ 口先经一级 ７４０６ 电流放大再 驱动 ６Ｎ１３７； 驱动芯片选用 ＩＲ２１３３， 功率管选用 ＩＲＦ３２０５， 感 应 电 机 选 额 定 电 压 为 ４０ Ｖ， 额 定 功 率 为 ２５０ Ｗ 的三相感应电机； 改变 ＰＷＭ 频率实现对 的三相感应电机实现无级调速， 冷却风扇硬联接在 电机的输出轴上。电流作为电机的一个 ＰＩ 闭环控 制环节， 同时在可靠性设计上加有硬件过流保护。 ４） 电控节温器 电控节温器用带电热丝的双金属片作为传动 部件， 双金属片由电热丝加热， 具有温度变化快反 应迅速的特点， 克服了石蜡或乙醚的感应时间长， 反应慢的缺点。双金属片的一端和活塞阀门相连， 按工作温度范围的要求， 选取 ５Ｊ１６ 型热双金属片。 ５） 电控导风板 当发动机温度高于 ７８ ℃， 导风板打开并保持