基于人機(jī)交互的混合動(dòng)力汽車模擬實(shí)訓(xùn)臺(tái)的研發(fā)

麥明珠

(廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，廣東 廣州 510550)

混合動(dòng)力汽車的逐漸推廣和普及，促使從事汽車服務(wù)與維修等相關(guān)行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員也要逐步將工作重心由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車過(guò)渡到混合動(dòng)力汽車等新能源汽車。眾多高校也順勢(shì)陸續(xù)開(kāi)設(shè)了新能源汽車技術(shù)專業(yè)。目前市面上與新能源汽車有關(guān)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備很少且種類單一，大部分實(shí)訓(xùn)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能雖齊全，但對(duì)于初學(xué)者而言還是不容易理解和掌握，教學(xué)效果欠佳。因此，研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰直觀、操作簡(jiǎn)便又能滿足教學(xué)需求的混合動(dòng)力汽車模擬實(shí)訓(xùn)臺(tái)具有重要的實(shí)際意義。

1 混合動(dòng)力汽車模擬傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車是一種結(jié)合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車優(yōu)點(diǎn)，保證動(dòng)力性能及續(xù)駛里程，低排放、高效率的新型汽車，是目前具有低排放、低油耗特點(diǎn)的清潔汽車。本文以豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，深入剖析其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池組、控制裝置等。它將發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)與一定容量的儲(chǔ)能器件通過(guò)控制系統(tǒng)組合在一起，電動(dòng)機(jī)既可以提供車輛起步、加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，又可以存儲(chǔ)吸收內(nèi)燃機(jī)富余功率和車輛制動(dòng)能量，起到了節(jié)能減排的作用[1]。筆者結(jié)合其實(shí)際結(jié)構(gòu)及工作情況設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力汽車模擬傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 模擬傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中，電阻A、B模擬蓄電池；電動(dòng)機(jī)1模擬汽車傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)2模擬混合動(dòng)力汽車正常行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在回收動(dòng)能或者勢(shì)能時(shí)作為發(fā)電機(jī)向電池組充電；電動(dòng)機(jī)3模擬制動(dòng)及下坡能量；電磁離合器A,B,C,D控制動(dòng)力合成和分配；磁粉制動(dòng)器模擬汽車行駛的阻力。

2 基于PLC與觸摸屏的混合動(dòng)力汽車模擬實(shí)訓(xùn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)訓(xùn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)由動(dòng)力機(jī)架和控制演示面板兩大部分組成。動(dòng)力機(jī)架里安裝模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的所有部件，采用方管和鋼板焊接成框架結(jié)構(gòu)，為便于移動(dòng)和隨時(shí)固定[2]，采用萬(wàn)向自鎖腳輪作為底部支撐輪。動(dòng)力機(jī)架前上方固定安裝控制演示面板，控制系統(tǒng)封裝在控制面板背面。所有部件采用電氣連接的控制策略，控制系統(tǒng)輸出線路分為并聯(lián)兩路，其中一路用于控制實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制面板，讓控制面板顯示不同工況時(shí)動(dòng)力傳輸?shù)穆肪€；另一路用于控制模擬傳動(dòng)系統(tǒng)，讓各個(gè)電動(dòng)機(jī)和電磁離合器在不同工況時(shí)相應(yīng)接通或斷開(kāi)。同時(shí)通過(guò)PLC觸摸屏建立人機(jī)交互界面進(jìn)行雙路控制顯示，非常清晰直觀。

該模擬實(shí)訓(xùn)臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能有：1)模擬8種工況下混合動(dòng)力的能量合成及動(dòng)力傳遞路線；2)模擬演示混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及工況特性；3)模擬混合動(dòng)力汽車的能量回收；4)模擬混合動(dòng)力汽車的負(fù)載變化[3]；5)控制面板通過(guò)燈帶閃爍實(shí)時(shí)顯示不同工況下能量合成與動(dòng)力的流向；6) PLC觸摸屏建立人機(jī)交互界面進(jìn)行雙路控制顯示。

2.2 控制面板設(shè)計(jì)

控制面板的設(shè)計(jì)主要考慮其易于教學(xué)演示和教學(xué)過(guò)程的直觀性，能清晰模擬、演示典型油電混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理等?？刂泼姘逵擅姘鍒D形、開(kāi)關(guān)按鈕、閃爍燈帶和觸摸屏等組成，具體如圖2所示。

2.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1PLC觸摸屏選型

PLC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4]，但人機(jī)交互功能較差。觸摸屏是一種連接人和機(jī)器的人機(jī)界面，能夠通過(guò)液晶顯示屏以動(dòng)畫等形式來(lái)模擬、描繪機(jī)械設(shè)備等系統(tǒng)的運(yùn)行、控制過(guò)程，可視化程度高[4]。根據(jù)實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制面板設(shè)計(jì)的功能，要求PLC觸摸屏建立人機(jī)交互界面進(jìn)行雙路控制，結(jié)合實(shí)訓(xùn)臺(tái)的控制特點(diǎn)、性能及成本要求，本文選用PLC觸摸屏一體機(jī)作為系統(tǒng)核心控制器件。具體型號(hào)為中達(dá)優(yōu)控MM-40MR-12MT 700-FX-A，其包含24路輸入、16路繼電器輸出、12路晶體管輸出及24V直流電源[5]。

圖2 實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制面板示意圖

2.3.2PLC硬件設(shè)計(jì)

PLC硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是選擇I/O總點(diǎn)數(shù)并對(duì)I/O點(diǎn)進(jìn)行合理分配[6]。根據(jù)實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)際控制系統(tǒng)功能要求，控制模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)啟停需要4個(gè)輸出點(diǎn)，控制電機(jī)與輸出軸的結(jié)合分離和模擬汽車行駛阻力需要5個(gè)輸出點(diǎn)，控制顯示面板的燈帶組合需要9個(gè)輸出點(diǎn)，而控制模擬混合動(dòng)力汽車實(shí)際行駛時(shí)的工況需要8個(gè)輸入點(diǎn)，即共用到26個(gè)I/O點(diǎn)。具體見(jiàn)表1。

表1 PLC的I/O分配表

依照上述輸入、輸出分配情況畫出PLC的I/O端口硬件接線圖，如圖3所示。

圖3 I/O端口硬件接線圖

2.4 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了6幅人機(jī)畫面，分別為觸摸屏開(kāi)機(jī)和監(jiān)控選擇畫面、實(shí)訓(xùn)臺(tái)簡(jiǎn)介畫面、混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)畫面、模擬實(shí)訓(xùn)臺(tái)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畫面、模擬傳動(dòng)系統(tǒng)流程畫面、模擬傳動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)識(shí)圖畫面。部分畫面具體設(shè)計(jì)如下：

如圖4所示，混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畫面主要分為3個(gè)部分，第1部分是模擬混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、HV蓄電池、動(dòng)力控制單元、動(dòng)力分離裝置、車輪以及各個(gè)部件之間的連線[7]，真實(shí)地呈現(xiàn)出混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，同時(shí)與控制面板上的圖形一一對(duì)應(yīng)。第2部分是控制8種不同工況的控制按鈕，分別是停駛、啟動(dòng)、低速行駛等，手觸摸到任何一個(gè)控制按鈕，與之相對(duì)應(yīng)的模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)離合器等就會(huì)接合，同時(shí)控制面板上相應(yīng)的燈帶也會(huì)閃爍，實(shí)時(shí)顯示不同工況下混合動(dòng)力汽車的能量合成及動(dòng)力傳遞路線，這8個(gè)控制按鈕與控制面板上的按鈕是一一對(duì)應(yīng)的。第3部分是返回上一畫面按鈕，也就是回到開(kāi)機(jī)監(jiān)控選擇畫面，以保證能順利切換到任意一個(gè)畫面。

圖5所示為模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畫面，主要包含模擬傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、回到監(jiān)控選擇畫面按鈕和回到實(shí)訓(xùn)臺(tái)簡(jiǎn)介按鈕。其中模擬傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)物圖完全一致。讓學(xué)生能從觸摸屏上清晰直觀地了解整個(gè)模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從而有助于進(jìn)一步了解混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)原理。

圖4 混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畫面

圖5 模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖畫面

3 實(shí)訓(xùn)臺(tái)的制作與調(diào)試實(shí)現(xiàn)

根據(jù)實(shí)訓(xùn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)架的制作，主要分為四大部分，即模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)所有零部件的裝配、控制面板的安裝、控制系統(tǒng)的硬件組裝和軟件調(diào)試(包括電線的連接布置、繼電器電源安裝)以及最終產(chǎn)品的運(yùn)行調(diào)試。

3.1 實(shí)訓(xùn)臺(tái)的制作

首先進(jìn)行模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的裝配，根據(jù)前述設(shè)計(jì)方案，模擬傳動(dòng)系統(tǒng)主要由1臺(tái)發(fā)電機(jī)、3臺(tái)電動(dòng)機(jī)、1個(gè)磁粉制動(dòng)器、4個(gè)電磁離合器、2根傳動(dòng)軸和1個(gè)蓄電池以及皮帶、皮帶輪、軸承座、聯(lián)軸器等安裝、固定的配件組成。綜合考慮到這些部件的具體大小、數(shù)量以及盡可能讓各個(gè)部件的位置對(duì)應(yīng)上模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[8]，方便教學(xué)理解，將整個(gè)系統(tǒng)的部件都安裝在一個(gè)940 mm×735 mm×600 mm的矩形臺(tái)面上。如圖6所示，為了保證臺(tái)架的支撐強(qiáng)度，并考慮到安全性和經(jīng)濟(jì)性，整個(gè)框架臺(tái)面用45鋼的鋼板和40 mm×40 mm的鋼管焊接而成，各個(gè)部件則是采用鋼板焊接加螺絲連接等方式固定?？蚣艿酌娌捎萌f(wàn)向帶鎖定裝置的移動(dòng)腳輪，在方便移動(dòng)的同時(shí)又能防止因意外移動(dòng)發(fā)生事故。另外考慮到后面要對(duì)臺(tái)架進(jìn)行噴漆處理，保證其美觀和防腐性，還要對(duì)臺(tái)架的表面進(jìn)行除銹打磨處理，以保證漆面具有良好的附著力和噴漆后的美觀。

圖6 模擬傳動(dòng)系統(tǒng)硬件組裝圖

接下來(lái)是控制面板及控制系統(tǒng)的硬件組裝過(guò)程，其中控制面板采用有機(jī)玻璃制作，另外為了保證整個(gè)面板畫面清晰美觀，控制面板上的結(jié)構(gòu)原理圖等圖形畫面以及文字說(shuō)明都采用專業(yè)噴畫處理。為了使實(shí)訓(xùn)臺(tái)操控方便、整體協(xié)調(diào)美觀同時(shí)方便教學(xué)演示，將控制面板傾斜固定在模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架側(cè)上方，控制系統(tǒng)的所有硬件，包括PLC觸摸屏一體機(jī)控制器、開(kāi)關(guān)電源、繼電器、交流接觸器、控制按鈕、電線等都安裝在控制面板后面，如圖7所示。

圖7 實(shí)訓(xùn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 實(shí)訓(xùn)臺(tái)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

為了確保最終制作出來(lái)的產(chǎn)品能夠可靠運(yùn)行，需要對(duì)實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件調(diào)試，具體調(diào)試內(nèi)容如下：

1)硬件接線檢查。包括電源線檢查、通訊線連接檢查、I/O口接線及特殊模塊通道檢查等。用萬(wàn)用表對(duì)各個(gè)觸點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，檢查是否有接觸不良或者接錯(cuò)，測(cè)試電路各支路的通斷情況是否正常，確保每一條電線的正確性和安全性[9]。

2)工況邏輯測(cè)試。測(cè)試每一個(gè)工況所對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)是否正確，每一個(gè)工況下模擬動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與控制面板的燈帶顯示是否一一對(duì)應(yīng)，比如在中速行駛工況下，實(shí)際汽車的真實(shí)情況是發(fā)動(dòng)機(jī)工作，電機(jī)均不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛以中等車速正常行駛。模擬傳動(dòng)系統(tǒng)的情況是電動(dòng)機(jī)1工作，電動(dòng)機(jī)2不工作，離合器C結(jié)合，磁粉制動(dòng)器軸低扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器A、B、D分離?？刂泼姘迳习l(fā)動(dòng)機(jī)與兩車輪間的燈帶都要閃爍，確保燈帶能正確、實(shí)時(shí)地顯示不同工況下混合動(dòng)力汽車模擬傳動(dòng)傳遞路線和能量合成情況。

3)觸摸屏控制調(diào)試。觸摸屏控制調(diào)試主要是測(cè)試觸摸控制的準(zhǔn)確性。觸摸控制是觸摸屏的重要功能，對(duì)整個(gè)PLC和觸摸屏控制系統(tǒng)的控制靈活性至關(guān)重要。當(dāng)按下觸摸屏中的相關(guān)控制按鈕后，觸摸屏?xí)粹o的具體位置地址數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC接收到數(shù)據(jù)信號(hào)后就會(huì)執(zhí)行相關(guān)命令，控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——電機(jī)、離合器、燈帶等動(dòng)作。因此要對(duì)觸摸屏上的每一個(gè)工況控制按鈕進(jìn)行觸摸測(cè)試，確保它們與設(shè)計(jì)的功能一一對(duì)應(yīng)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次調(diào)試后，整個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)運(yùn)行良好、穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)功能都達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，目前已投入到相關(guān)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中?？紤]到實(shí)訓(xùn)臺(tái)的美化及耐腐蝕性要求，在臺(tái)架經(jīng)過(guò)砂紙打磨后，進(jìn)行噴漆、酸洗除銹處理，提高了美觀度，增強(qiáng)了抗腐蝕性能，達(dá)到了持久、耐看、耐用的效果。最終產(chǎn)品效果如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以典型油電混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，對(duì)混合動(dòng)力汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究剖析，最后制作了基于PLC與觸摸屏的混合動(dòng)力汽車模擬實(shí)訓(xùn)臺(tái)，在調(diào)試運(yùn)行成功后應(yīng)用于日常教學(xué)。雖然整個(gè)臺(tái)架性能達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的功能要求，但在長(zhǎng)時(shí)間教學(xué)使用過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)故障或者是否穩(wěn)定等還不可知，接下來(lái)將通過(guò)教學(xué)使用，完善其長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)一步拓展其功能。