基于dSPACE的液力機械式自動變速器電磁閥控制方法研究

蔡文文 鞠妍 龐學(xué)文

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

基于dSPACE的液力機械式自動變速器電磁閥控制方法研究

蔡文文 鞠妍 龐學(xué)文

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

為了研究液力機械式自動變速器換擋時電磁閥的控制特性,實現(xiàn)對離合器油壓的控制,以某液力機械式自動變速器試驗臺架為基礎(chǔ),利用dSPACE快速原型平臺,采用試驗方法獲得了電磁閥的電流壓力特性,并利用電磁閥電流閉環(huán)控制實現(xiàn)了對離合器壓力的控制。試驗結(jié)果表明,該方法可以實現(xiàn)電磁閥實際電流對目標(biāo)電流的快速準確跟隨,有效控制離合器油壓,為下一步液力機械式自動變速器換擋控制創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

1 液力機械式自動變速器簡介

液力機械式自動變速器[1]主要由液力變矩器、行星齒輪變速器、液壓控制系統(tǒng)3部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓控制系統(tǒng)對行星齒輪變速器進行換擋操縱與換擋品質(zhì)控制，同時對液力變矩器進行閉鎖和打滑控制，使變速器自動變矩和變速，提高車輛的起步性能和通過性，并有效減少換擋沖擊，降低傳動系統(tǒng)的動載荷。

電磁閥[2，3]是液壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制元件，主要依靠控制電磁鐵的通、斷電來改變閥孔開閉狀態(tài)，進而改變油液流量和壓力來控制離合器的分離和結(jié)合，達到起步和換擋目的。高頻電磁閥控制主要通過改變PWM波的占空比和控制頻率來改變加在電磁閥兩端的電壓，進而改變閥孔大小來調(diào)節(jié)油量，同時對電磁閥施加小幅的顫振信號，使電磁閥閥芯始終處于運動狀態(tài)，改善其響應(yīng)速度，減小滯后[4]。

MicroAutobox&RapidPro是德國dSPACE[5，6]公司提供的基于MATLAB/Simulink[7，8]控制系統(tǒng)的實時環(huán)境開發(fā)和測試平臺，其作為控制算法的硬件運行環(huán)境，將控制算法和控制對象連接起來，可以快速高效地完成對控制系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和測試，從而達到縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)費用的作用。

本文以液力機械式自動變速器為控制對象，在dSPACE快速原型和Matlab/Simulink相結(jié)合的試驗平臺上，研究高速電磁閥的控制特性，主要包括dSPACE快速原型的建立和電磁閥電流壓力控制兩部分內(nèi)容。

2 基于dSPACE快速原型平臺的建立

本文采用快速原型系統(tǒng) MicroAutobox和RapidPro。MicroAutobox相當(dāng)于一個微控制器，RapidPro是信號調(diào)理與功率驅(qū)動單元，可以實時采集控制對象的各種有用信號，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、電磁閥電流和離合器油壓等信號；也可以輸出控制信號，如對電磁閥的占空比和頻率控制信號。

如圖2所示，利用Matlab/Simulink建立電磁閥控制模型，根據(jù)快速原型硬件信息配置代碼生成菜單，確認無誤后編譯生成目標(biāo)代碼經(jīng)ControlDesk軟件將代碼下載到MicroAutobox上，RapidPro實時采集電磁閥的電流信號并將電流信號傳送給MicroAutobox，MicroAutobox根據(jù)電流信號計算出PWM波占空比和頻率信號，通過RapidPro實現(xiàn)對電磁閥的控制。試驗臺架動力源采用ABB電機，試驗對象為液力機械式自動變速器。

3 基于dSPACE快速原型的電磁閥控制研究

試驗平臺建好后，將電磁閥和油壓傳感器信號線分別連接到RapidPro低端驅(qū)動PS-LSD6/1模塊的通道1、通道2、通道3和SC-AI10/1模塊的通道1、通道2、通道3。電磁閥特性如下:常開電磁閥，主頻率20 kHz，顫振信號幅值0.04 A。

3.1 多通道高頻電磁閥電流采集

在Matlab/Simulink中搭建控制模型，PS-LSD模塊將控制模塊計算得出的PWM占空比和頻率信號輸出到電磁閥信號端，實現(xiàn)對電磁閥的控制。

對電磁閥進行開環(huán)控制，占空比為25%，控制頻率為20 kHz，利用ControlDesk模塊采集到的電流如圖3所示。由圖3可知，ControlDesk采集到的電流信號出現(xiàn)0.4 A的周期性振動，電流失真。產(chǎn)生這種錯誤的主要原因是電磁閥電流采樣頻率低于驅(qū)動頻率。

重新設(shè)置電流采集模塊。RapidPro對電流的采集方式分為single模式和burst模式2種，single模式下采樣頻率和模型運行周期一致；burst模式可在一次運行周期進行多次采樣，典型值為4us的間隔采樣，連續(xù)進行64或128次采樣，這種方式下采集的電流相對更準確。為此，采用burst模式，在一次運行周期連續(xù)進行64次采樣，并對采集到的電流取平均值，修改模型后利用ControlDesk采集到的波形如圖4所示。

由采集到的電流信號可知，在burst模式下，RapidPro可以正確采集到電磁閥的電流。

3.2 電磁閥電流-壓力特性

液力機械式自動變速器離合器液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖[9]如圖5所示。通過控制電磁閥的占空比調(diào)節(jié)輸出端壓力，然后經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥輸出到離合器活塞上，推動離合器活塞前進，壓緊摩擦片使離合器接合。由離合器液壓系統(tǒng)工作過程可知，加在離合器摩擦片上的壓力與電磁閥占空比有關(guān)，占空比的大小直接影響離合器兩端的壓力大小。

為獲得電磁閥的電流壓力特性，在試驗臺架上做以下試驗:確認控制程序在空擋位置，主油路油壓穩(wěn)定在2.1 MPa，手動調(diào)節(jié)電磁閥占空比，使占空比由0逐漸上升到1，步長為0.1，再由1逐步下降到0，利用ControlDesk軟件記錄電磁閥在不同占空比下的電流和壓力數(shù)據(jù)，多次試驗后取平均值，獲得表1的電磁閥占空比-電流-壓力數(shù)據(jù)。圖6和圖7為電磁閥占空比-壓力特性和電磁閥電流-壓力特性。

表1 電磁閥占空比-電流-壓力數(shù)據(jù)

由電磁閥占空比-壓力和電流-壓力特性曲線可知，電流和壓力關(guān)系存在死區(qū)，在電流大于1.5 A時出口壓力基本未發(fā)生變化，接近為0；在電流0.4～1.5 A范圍內(nèi)，壓力與電流近似為比例關(guān)系。

3.3 電磁閥電流壓力控制

根據(jù)電磁閥電流壓力特性，在試驗臺架上對電磁閥進行閉環(huán)控制，目標(biāo)電流如圖8a中虛線所示，對應(yīng)離合器接合4個階段:快速充油、充油補償、斜率控制、同步接合；實線為電磁閥實際電流；圖8b為離合器油壓。由試驗結(jié)果可知，電磁閥實際電流可以很好的跟蹤目標(biāo)電流，離合器油壓在電磁閥可調(diào)范圍內(nèi)可控，為下一步變速器換擋提供了試驗基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文以液力機械式自動變速器試驗臺架為基礎(chǔ)，利用dSPACE快速原型建立電磁閥控制試驗平臺，主要解決了高頻電磁閥電流采集失真問題；根據(jù)試驗結(jié)果建立起電磁閥電流壓力特性，最后利用電磁閥閉環(huán)控制實現(xiàn)了對離合器壓力的控制。試驗結(jié)果表明，dSPACE快速原型平臺可以在項目開發(fā)初期代替微控制器，具有實時仿真、在線參數(shù)調(diào)整、控制精度高、縮短試驗開發(fā)周期等優(yōu)點。

1 張友皇.4AT控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究:[學(xué)位論文].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

2 牛銘奎，葛安林，張洪坤.高速開關(guān)電磁閥的特性與應(yīng)用.汽車技術(shù)，1999，7:13～16.

3 李春芾，李艷琴，韓慧芝，紀云飛.液力機械自動變速器換檔電磁閥工作邏輯試驗研究.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），Mar.2012，43（2）:219～224.

4 朱玉田，唐興華.脈寬調(diào)制中的顫振算法.機械工程學(xué)報，Apr.2009，45（4）:214～217.

5 dSPACE User Guide-Implementation Guide.dSPACE Inc.2003.

6 dSPACE ControlDesk experiment guide.dSPACE GmbH，2003.

7 薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

8 雷葉紅，張記華，張春明.基于dSPACE/MATLAB/ Simulink平臺的實時仿真技術(shù)研究.系統(tǒng)仿真技術(shù)，Oct.2005，1（3）:131～135.

9 Shushan Bai，Joel Maguire，Huei Peng.Dynamic Analysis And Control System Design Of Automatic Transmissions. SAE International，R-413.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年10月1日。

Study of Solenoid Valve Control Method for Hydraulic Automatic Mechanical Transmission based on dSPACE

Cai Wenwen,Ju Yan,Pang Xuewen
(China FAW Co.,Ltd R&D Center)

In order to study the control characteristics of solenoid valve when the hydraulic automatic mechanical transmission in shift progress and control the oil pressure of the clutch effectively,we acquire the current-pressure characteristics of the solenoid valve with experimental method based on the test bench of this transmission and by using the rapid prototyping platform of dSPACE,and then the clutch pressure is controlled by using current closed-loop controller.Test results show that this method enables the actual current follow the target current of the solenoid valve rapidly and accurately to control the oil press of the clutch effectively,which creates the basic conditions for shift control of the hydraulic automatic mechanical transmission.

Hydraulic automatic mechanical transmission,Solenoid valve control,dSPACE, Rapid prototyping

液力機械式自動變速器 電磁閥控制 dSPACE 快速原型

U463.212

A

1000-3703（2015）01-0018-03