基于人机交互的混合动力汽车模拟实训台的研发

麦明珠

(广州科技职业技术大学自动化工程学院，广东 广州 510550)

混合动力汽车的逐渐推广和普及，促使从事汽车服务与维修等相关行业的专业技术人员也要逐步将工作重心由传统内燃机汽车过渡到混合动力汽车等新能源汽车。众多高校也顺势陆续开设了新能源汽车技术专业。目前市面上与新能源汽车有关的实训设备很少且种类单一，大部分实训设备结构复杂，功能虽齐全，但对于初学者而言还是不容易理解和掌握，教学效果欠佳。因此，研发一种结构简单、清晰直观、操作简便又能满足教学需求的混合动力汽车模拟实训台具有重要的实际意义。

1 混合动力汽车模拟传动系统设计

混合动力汽车是一种结合了传统内燃机汽车优点，保证动力性能及续驶里程，低排放、高效率的新型汽车，是目前具有低排放、低油耗特点的清洁汽车。本文以丰田普锐斯混合动力汽车为研究对象，深入剖析其动力传动系统，该系统包括发动机、电动机、发电机、电池组、控制装置等。它将发动机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统组合在一起，电动机既可以提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，起到了节能减排的作用[1]。笔者结合其实际结构及工作情况设计了混合动力汽车模拟传动系统，如图1所示。

图1 模拟传动系统结构简图

其中，电阻A、B模拟蓄电池；电动机1模拟汽车传统发动机；电动机2模拟混合动力汽车正常行驶时的驱动电机，在回收动能或者势能时作为发电机向电池组充电；电动机3模拟制动及下坡能量；电磁离合器A,B,C,D控制动力合成和分配；磁粉制动器模拟汽车行驶的阻力。

2 基于PLC与触摸屏的混合动力汽车模拟实训台的设计

2.1 实训台总体方案设计

实训台整体结构由动力机架和控制演示面板两大部分组成。动力机架里安装模拟传动系统的所有部件，采用方管和钢板焊接成框架结构，为便于移动和随时固定[2]，采用万向自锁脚轮作为底部支撑轮。动力机架前上方固定安装控制演示面板，控制系统封装在控制面板背面。所有部件采用电气连接的控制策略，控制系统输出线路分为并联两路，其中一路用于控制实训台控制面板，让控制面板显示不同工况时动力传输的路线；另一路用于控制模拟传动系统，让各个电动机和电磁离合器在不同工况时相应接通或断开。同时通过PLC触摸屏建立人机交互界面进行双路控制显示，非常清晰直观。

该模拟实训台要实现的功能有：1)模拟8种工况下混合动力的能量合成及动力传递路线；2)模拟演示混合动力汽车传动系统的结构原理及工况特性；3)模拟混合动力汽车的能量回收；4)模拟混合动力汽车的负载变化[3]；5)控制面板通过灯带闪烁实时显示不同工况下能量合成与动力的流向；6) PLC触摸屏建立人机交互界面进行双路控制显示。

2.2 控制面板设计

控制面板的设计主要考虑其易于教学演示和教学过程的直观性，能清晰模拟、演示典型油电混合动力传动系统的结构和工作原理等。控制面板由面板图形、开关按钮、闪烁灯带和触摸屏等组成，具体如图2所示。

2.3 PLC控制系统设计

2.3.1PLC触摸屏选型

PLC具有结构简单、通用性好、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点[4]，但人机交互功能较差。触摸屏是一种连接人和机器的人机界面，能够通过液晶显示屏以动画等形式来模拟、描绘机械设备等系统的运行、控制过程，可视化程度高[4]。根据实训台控制面板设计的功能，要求PLC触摸屏建立人机交互界面进行双路控制，结合实训台的控制特点、性能及成本要求，本文选用PLC触摸屏一体机作为系统核心控制器件。具体型号为中达优控MM-40MR-12MT 700-FX-A，其包含24路输入、16路继电器输出、12路晶体管输出及24V直流电源[5]。

图2 实训台控制面板示意图

2.3.2PLC硬件设计

PLC硬件设计的重点是选择I/O总点数并对I/O点进行合理分配[6]。根据实训台实际控制系统功能要求，控制模拟传动系统的电机启停需要4个输出点，控制电机与输出轴的结合分离和模拟汽车行驶阻力需要5个输出点，控制显示面板的灯带组合需要9个输出点，而控制模拟混合动力汽车实际行驶时的工况需要8个输入点，即共用到26个I/O点。具体见表1。

表1 PLC的I/O分配表

依照上述输入、输出分配情况画出PLC的I/O端口硬件接线图，如图3所示。

图3 I/O端口硬件接线图

2.4 触摸屏人机界面设计

本系统共设计了6幅人机画面，分别为触摸屏开机和监控选择画面、实训台简介画面、混合动力汽车传动系统结构画面、模拟实训台动力传动系统结构图画面、模拟传动系统流程画面、模拟传动系统标识图画面。部分画面具体设计如下：

如图4所示，混合动力汽车传动系统结构图画面主要分为3个部分，第1部分是模拟混合动力汽车传动系统结构图，包括发动机、电动机、发电机、HV蓄电池、动力控制单元、动力分离装置、车轮以及各个部件之间的连线[7]，真实地呈现出混合动力汽车传动系统具体结构，同时与控制面板上的图形一一对应。第2部分是控制8种不同工况的控制按钮，分别是停驶、启动、低速行驶等，手触摸到任何一个控制按钮，与之相对应的模拟传动系统的电机离合器等就会接合，同时控制面板上相应的灯带也会闪烁，实时显示不同工况下混合动力汽车的能量合成及动力传递路线，这8个控制按钮与控制面板上的按钮是一一对应的。第3部分是返回上一画面按钮，也就是回到开机监控选择画面，以保证能顺利切换到任意一个画面。

图5所示为模拟动力传动系统结构图画面，主要包含模拟传动系统结构图、回到监控选择画面按钮和回到实训台简介按钮。其中模拟传动系统结构图与实训台实物图完全一致。让学生能从触摸屏上清晰直观地了解整个模拟动力传动系统的结构，从而有助于进一步了解混合动力汽车的结构原理。

图4 混合动力汽车传动系统结构图画面

图5 模拟动力传动系统结构图画面

3 实训台的制作与调试实现

根据实训台设计方案进行整个实训台架的制作，主要分为四大部分，即模拟动力传动系统所有零部件的装配、控制面板的安装、控制系统的硬件组装和软件调试(包括电线的连接布置、继电器电源安装)以及最终产品的运行调试。

3.1 实训台的制作

首先进行模拟传动系统的装配，根据前述设计方案，模拟传动系统主要由1台发电机、3台电动机、1个磁粉制动器、4个电磁离合器、2根传动轴和1个蓄电池以及皮带、皮带轮、轴承座、联轴器等安装、固定的配件组成。综合考虑到这些部件的具体大小、数量以及尽可能让各个部件的位置对应上模拟动力传动系统的结构简图[8]，方便教学理解，将整个系统的部件都安装在一个940 mm×735 mm×600 mm的矩形台面上。如图6所示，为了保证台架的支撑强度，并考虑到安全性和经济性，整个框架台面用45钢的钢板和40 mm×40 mm的钢管焊接而成，各个部件则是采用钢板焊接加螺丝连接等方式固定。框架底面采用万向带锁定装置的移动脚轮，在方便移动的同时又能防止因意外移动发生事故。另外考虑到后面要对台架进行喷漆处理，保证其美观和防腐性，还要对台架的表面进行除锈打磨处理，以保证漆面具有良好的附着力和喷漆后的美观。

图6 模拟传动系统硬件组装图

接下来是控制面板及控制系统的硬件组装过程，其中控制面板采用有机玻璃制作，另外为了保证整个面板画面清晰美观，控制面板上的结构原理图等图形画面以及文字说明都采用专业喷画处理。为了使实训台操控方便、整体协调美观同时方便教学演示，将控制面板倾斜固定在模拟动力传动系统台架侧上方，控制系统的所有硬件，包括PLC触摸屏一体机控制器、开关电源、继电器、交流接触器、控制按钮、电线等都安装在控制面板后面，如图7所示。

图7 实训台整体结构图

3.2 实训台的调试与实现

为了确保最终制作出来的产品能够可靠运行，需要对实训台控制系统进行软硬件调试，具体调试内容如下：

1)硬件接线检查。包括电源线检查、通讯线连接检查、I/O口接线及特殊模块通道检查等。用万用表对各个触点进行测试，检查是否有接触不良或者接错，测试电路各支路的通断情况是否正常，确保每一条电线的正确性和安全性[9]。

2)工况逻辑测试。测试每一个工况所对应的输出点是否正确，每一个工况下模拟动力传动系统的运行状态与控制面板的灯带显示是否一一对应，比如在中速行驶工况下，实际汽车的真实情况是发动机工作，电机均不工作，发动机驱动车辆以中等车速正常行驶。模拟传动系统的情况是电动机1工作，电动机2不工作，离合器C结合，磁粉制动器轴低扭矩转动，离合器A、B、D分离。控制面板上发动机与两车轮间的灯带都要闪烁，确保灯带能正确、实时地显示不同工况下混合动力汽车模拟传动传递路线和能量合成情况。

3)触摸屏控制调试。触摸屏控制调试主要是测试触摸控制的准确性。触摸控制是触摸屏的重要功能，对整个PLC和触摸屏控制系统的控制灵活性至关重要。当按下触摸屏中的相关控制按钮后，触摸屏会将按钮的具体位置地址数据传送给PLC，PLC接收到数据信号后就会执行相关命令，控制对应的执行机构——电机、离合器、灯带等动作。因此要对触摸屏上的每一个工况控制按钮进行触摸测试，确保它们与设计的功能一一对应。

经过现场多次调试后，整个实训台运行良好、稳定可靠，各项功能都达到了预先设定的目标，目前已投入到相关课程的实训教学中。考虑到实训台的美化及耐腐蚀性要求，在台架经过砂纸打磨后，进行喷漆、酸洗除锈处理，提高了美观度，增强了抗腐蚀性能，达到了持久、耐看、耐用的效果。最终产品效果如图8所示。

图8 产品效果图

4 结束语

本文以典型油电混合动力汽车为研究对象，对混合动力汽车动力传动系统进行了深入的研究剖析，最后制作了基于PLC与触摸屏的混合动力汽车模拟实训台，在调试运行成功后应用于日常教学。虽然整个台架性能达到了预先设定的功能要求，但在长时间教学使用过程中是否会出现故障或者是否稳定等还不可知，接下来将通过教学使用，完善其长期运行的稳定性，进一步拓展其功能。