電機(jī)變速器一體化傳動的換擋試驗(yàn)臺架測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

程瀟驍,陳紅旭,任晨佳,陳少鋒，田光宇

(1.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

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2015033

程瀟驍1,陳紅旭1,任晨佳1,陳少鋒2，田光宇1

(1.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)-變速器一體化傳動換擋過程的優(yōu)化控制，開發(fā)了其試驗(yàn)臺架的測試與控制系統(tǒng)。針對一體化傳動換擋過程的特點(diǎn)和功能需求，測控系統(tǒng)采用了上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。上位機(jī)在NI-Labview環(huán)境下進(jìn)行軟件功能的設(shè)計(jì)和控制算法的實(shí)現(xiàn)；下位機(jī)利用其實(shí)時操作系統(tǒng)測量換擋過程的關(guān)鍵信號并輸出控制指令。換擋控制采用了分階段、多目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制算法，以提高換擋品質(zhì)。大量換擋試驗(yàn)表明，該測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)信號的同步采集、數(shù)據(jù)儲存、實(shí)時顯示、換擋控制和在線調(diào)參等功能，為換擋過程建模和控制策略優(yōu)化提供依據(jù)。

IMT；換擋過程；控制策略；測控系統(tǒng)

前言

電驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車的核心技術(shù)，近年來得到了廣泛關(guān)注。在電驅(qū)動系統(tǒng)的諸多結(jié)構(gòu)中，電機(jī)-機(jī)械式變速器-主減速器的結(jié)構(gòu)型式在車輛的動力性、經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)成本方面具有綜合優(yōu)勢，是電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型的典型方案[1]。

電控-電動式換擋的電機(jī)-變速器一體化系統(tǒng)(integrated motor-transmission, IMT)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由驅(qū)動電機(jī)、機(jī)械式變速器、換擋電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。驅(qū)動電機(jī)相比發(fā)動機(jī)具有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)精確、快速的優(yōu)點(diǎn)；換擋電機(jī)能夠?qū)Q擋力進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。如果能在換擋過程中對驅(qū)動電機(jī)和換擋電機(jī)進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)控制，則不僅可省去傳統(tǒng)汽車的離合器，還能解決機(jī)械式變速器換擋過程動力中斷時間長、沖擊大等問題，使換擋品質(zhì)得到提升[2-5]。然而，IMT的換擋過程中，電機(jī)主動同步與機(jī)械同步相互耦合，作用機(jī)理復(fù)雜；由于變速器內(nèi)部空間狹小，換擋過程難以直接觀測；因缺乏準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，其控制參數(shù)難以從理論上進(jìn)行優(yōu)化，而往往須通過試驗(yàn)來確定[2,5-6]。

本文中通過對IMT系統(tǒng)的換擋原理進(jìn)行分析，測量了能夠表征系統(tǒng)換擋狀態(tài)的關(guān)鍵信號，并設(shè)計(jì)了分階段多目標(biāo)的換擋控制策略。所開發(fā)的測控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、在線調(diào)參和離線回放等功能。

1 測控系統(tǒng)的需求分析和總體設(shè)計(jì)

1.1 換擋過程分析

IMT的換擋過程分為電機(jī)卸載、摘擋、電機(jī)主動同步、機(jī)械同步、掛擋和轉(zhuǎn)矩恢復(fù)6個階段，如圖2所示。

(1) 電機(jī)卸載 驅(qū)動電機(jī)首先進(jìn)行卸載操作，中斷傳動系的動力傳遞，以保證換擋時齒輪的平穩(wěn)嚙合；

(2) 摘擋 換擋電機(jī)輸出換擋力，將接合套摘至空擋位置；

(3) 電機(jī)主動同步 摘擋完成后，利用驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行快速、精確地調(diào)速，在較短時間內(nèi)縮小同步器兩端的轉(zhuǎn)速差；

(4) 機(jī)械同步 換擋電機(jī)輸出一定的換擋力，利用同步器的機(jī)械同步作用，將兩端的轉(zhuǎn)速差進(jìn)一步減小，直至趨近于零；

(5) 掛擋 在換擋力作用下，接合套繼續(xù)向前運(yùn)動與齒輪的齒圈嚙合；

(6) 轉(zhuǎn)矩恢復(fù) 驅(qū)動電機(jī)恢復(fù)至正常工作轉(zhuǎn)矩。

1.2 系統(tǒng)需求分析

為準(zhǔn)確判斷IMT系統(tǒng)的換擋狀態(tài)，選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速、接合套位移、擋位、換擋力和變速器輸出端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速作為觀測量，并選取相應(yīng)的傳感器，如表1所示。根據(jù)驅(qū)動電機(jī)控制器和換擋電機(jī)的控制器的通信要求，測控系統(tǒng)還須以CAN通信和模擬量等形式輸出控制量，測控系統(tǒng)的輸入、輸出信號分別如表2和表3所示。

表1 測量信號的傳感器選型

表2 測控系統(tǒng)輸入信號

此外，為了便于對IMT換擋過程的分析和控制參數(shù)的優(yōu)化，測控系統(tǒng)還應(yīng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、在線調(diào)參和離線回放的功能。

表3 測控系統(tǒng)輸出信號

1.3 測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

為滿足上述需求，測控系統(tǒng)采用了上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。上位機(jī)用于換擋軟件和控制策略設(shè)計(jì)、在線顯示和調(diào)參、數(shù)據(jù)的離線分析和回放；下位機(jī)則作為實(shí)時工控，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與儲存和換擋控制輸出。

美國NI公司開發(fā)的Labview軟件是虛擬儀器領(lǐng)域中具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，具備簡易快捷的數(shù)據(jù)采集和控制功能，還有豐富的數(shù)據(jù)分析模塊和顯示功能，適合用作測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境?？紤]數(shù)據(jù)處理的通用性，下位機(jī)硬件采用NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由實(shí)時操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等部分組成。

2 換擋測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件的功能模塊

整個換擋測控系統(tǒng)的軟件按功能可分為初始化、信號同步、數(shù)據(jù)儲存、換擋控制、信號檢測和顯示等模塊，如圖4所示。

(1) 初始化 初始化對象包括程序變量，數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)儲存任務(wù)。在初始化階段，須為數(shù)據(jù)采集任務(wù)定義指定采集設(shè)備和端口、參考時鐘，并確定采樣參數(shù)。數(shù)據(jù)儲存任務(wù)的初始化則包括定義儲存路徑、儲存名稱和儲存變量的格式。

(2) 信號同步 在開始數(shù)據(jù)采集任務(wù)前須對所有數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行同步處理，保證所有信號處于同一時基，以確保采樣精度。具體實(shí)現(xiàn)方法為：在數(shù)據(jù)采集卡的初始化過程中增加一個DAQmx導(dǎo)出信號節(jié)點(diǎn)，向共聯(lián)通道輸出一個觸發(fā)信號，并在其他數(shù)據(jù)采集卡初始化中增加硬件連接節(jié)點(diǎn)，獲取觸發(fā)信號的上升沿，以實(shí)現(xiàn)同步測量。

(3) 在線顯示和調(diào)參 根據(jù)換擋過程在線觀測的需要，設(shè)計(jì)了換擋過程工控界面如圖5所示。它包括換擋控制區(qū)、擋位狀態(tài)區(qū)、CAN總線狀態(tài)區(qū)和信號圖形顯示區(qū)，換擋過程信號的可視化有助于換擋過程的分析和控制參數(shù)的在線調(diào)試。

(4) 換擋控制 IMT換擋過程的被控對象是時變的，其特點(diǎn)是分階段多目標(biāo)、多控制變量、存在模式切換，因此換擋控制模塊是測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。與換擋過程類似，控制算法包括電機(jī)卸載、摘擋、電機(jī)主動調(diào)速、掛擋和轉(zhuǎn)矩恢復(fù)5個控制狀態(tài)。算法的具體內(nèi)容參見3.2節(jié)。

(5) 數(shù)據(jù)存儲和回放 采用了隊(duì)列的存儲方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速、大量存儲。通過隊(duì)列在數(shù)據(jù)采集卡中分配一段緩存，采集的數(shù)據(jù)在寫入緩存的同時往下位機(jī)硬盤中寫數(shù)，這種并行處理的方式最大程度地避免了數(shù)據(jù)的丟失。

在試驗(yàn)結(jié)束后，可通過NI MAX將儲存在下位機(jī)中的數(shù)據(jù)文件傳輸至上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)回放和離線分析。

2.2 換擋控制算法

IMT換擋品質(zhì)的優(yōu)化目標(biāo)主要考慮縮短換擋時間和降低換擋沖擊。其被控對象包括驅(qū)動電機(jī)和換擋電機(jī)，由于驅(qū)動電機(jī)具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)兩種控制模式，換擋電機(jī)還具備位移閉環(huán)功能，換擋過程的控制量為驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、接合套的位移、速度和換擋力。協(xié)調(diào)控制策略在換擋不同階段使驅(qū)動電機(jī)和換擋電機(jī)工作在正確的閉環(huán)模式，并在適當(dāng)?shù)臅r刻進(jìn)行切換。換擋協(xié)調(diào)控制算法如圖6所示。

卸載控制 測控系統(tǒng)向驅(qū)動電機(jī)控制器發(fā)送卸載命令，驅(qū)動電機(jī)接收到命令后以階梯方式進(jìn)行卸載，此時換擋電機(jī)保持鎖止?fàn)顟B(tài)；

摘擋控制 待驅(qū)動電機(jī)回復(fù)卸載成功報(bào)文后，測控系統(tǒng)向換擋電機(jī)控制器發(fā)送一定數(shù)量的脈沖信號，讓換擋電機(jī)在位移閉環(huán)模式下準(zhǔn)確將接合套控制至空擋位置。

主動同步控制 測控系統(tǒng)根據(jù)測得的變速器輸出軸轉(zhuǎn)速和目標(biāo)擋位信息計(jì)算驅(qū)動電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，連同調(diào)速指令一起發(fā)送給驅(qū)動電機(jī)控制器，驅(qū)動電機(jī)切換到轉(zhuǎn)速閉環(huán)模式，開始調(diào)速。

掛擋控制 當(dāng)驅(qū)動電機(jī)和目標(biāo)轉(zhuǎn)速差小于一定值時，測控系統(tǒng)向驅(qū)動電機(jī)發(fā)送模式切換指令，將驅(qū)動電機(jī)切換回轉(zhuǎn)矩閉環(huán)；然后向換擋電機(jī)發(fā)送模式切換指令，將換擋電機(jī)切換為換擋力閉環(huán)狀態(tài)，以換擋力閉環(huán)的方式完成掛擋。

轉(zhuǎn)矩恢復(fù)控制 當(dāng)監(jiān)測到行程開關(guān)信號后，向驅(qū)動電機(jī)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)矩恢復(fù)指令，并停止換擋電機(jī)。

3 換擋試驗(yàn)

搭建的電機(jī)-變速器一體化試驗(yàn)臺架如圖7所示，主要由驅(qū)動電機(jī)、變速器、負(fù)載、自動換擋單元和換擋測控系統(tǒng)5部分組成。通過電機(jī)-變速器一體化換擋臺架試驗(yàn)對測控系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

IMT換擋試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。在0.28～0.4s的時間范圍內(nèi)，電機(jī)開始卸載；然后在電機(jī)的位移閉環(huán)模式下，將接合套迅速摘至空擋，摘擋力約為50N，摘擋過程持續(xù)0.17s；監(jiān)測到空擋信號后，經(jīng)過約0.25s的主動同步過程，電機(jī)將變速器輸入軸轉(zhuǎn)速同步至目標(biāo)轉(zhuǎn)速220r/min。

換擋電機(jī)在轉(zhuǎn)矩閉環(huán)模式下進(jìn)行掛擋，在0.9s附近出現(xiàn)約20N的換擋力臺階，根據(jù)對系統(tǒng)的分析這可能是接合套克服空擋定位彈簧所致[6]。接合套開始與同步環(huán)接觸，開始機(jī)械同步過程，同步剩余的轉(zhuǎn)速差，機(jī)械同步時間約為0.2s，峰值換擋力為100N；待機(jī)械同步完成后，接合套開始撥齒并與同步環(huán)嚙合，在嚙合瞬間接觸力消失，所以尖峰右半部分出現(xiàn)很大的突降；經(jīng)過約0.05s的自由行程后，與接合齒圈接觸開始嚙合，產(chǎn)生了約100N的二次沖擊力，持續(xù)時間0.1s，在嚙合完成時同樣出現(xiàn)了換擋力的突降。最后，接合套自由移動至嚙合位置，與定位塊碰撞后產(chǎn)生了約50N的沖擊力，掛擋過程結(jié)束。

掛擋完成后，電機(jī)經(jīng)過0.23s恢復(fù)至正常工作轉(zhuǎn)矩。對本場合，采用換擋力的沖量來表示換擋沖擊，以評價換擋品質(zhì)。換擋過程各階段的換擋時間和換擋沖擊如表4所示。換擋過程的總時間為1.3s，峰值換擋力不高于150N，換擋總沖擊為13.65N·s，說明所設(shè)計(jì)的換擋控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)較好的換擋品質(zhì)。

表4 換擋各階段持續(xù)時間和沖擊

經(jīng)過多次試驗(yàn)證明該測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對IMT換擋試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)：包括上下位機(jī)兩部分，上位機(jī)采用PC+Labview的方式，具備換擋過程的在線監(jiān)控和離線分析的功能；下位機(jī)由實(shí)時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡組成，滿足信號實(shí)時測量和控制的要求。軟件設(shè)計(jì)包括初始化、信號同步、換擋控制、數(shù)據(jù)儲存和顯示分析等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了換擋過程的關(guān)鍵信號可視化。大量換擋試驗(yàn)表明，測控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的分階段換擋控制策略實(shí)現(xiàn)了較好的換擋品質(zhì)。該平臺為IMT換擋過程分析和控制算法優(yōu)化提供了保證。

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Design of Measurement / Control System of Shifting TestBench for Integrated Motor-Transmission

Cheng Xiaoxiao1, Chen Hongxu1, Ren Chenjia1, Chen Shaofeng2& Tian Guangyu1

1.TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084;2.ChinaAutomotiveEngineeringResearchInstituteCo.,Ltd.,Chongqing401122

For achieving the optimal control for the shift process of integrated motor-transmission (IMT), a measurement and control system of test bench is developed.In view of the functional requirements and the distinctions of shifting process of IMT, an upper and lower computer structure is adopted for the system, in which the upper computer fulfils the tasks of software function design and control algorithm implementation with NI-Labview, while the lower computer with real-time operating system measures the key signals of shift process and sends out the control instructions.The shift control adopts a phase-wise multi-objective coordinated control algorithm for improving shift quality.The results of numerous shifting tests show that the system is stable in performance and can fulfill the functions of synchronous signals acquisition, data storage, real-time display, shift control and on-line parameter adjustment, providing a basis for the modeling and control strategy optimization of shift process.

IMT; shift process; control strategy; measurement and control system

*國家科技部973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711202)資助。

原稿收到日期為2013年3月24日，修改稿收到日期為2013年9月29日。