機械電子式無級變速器仿真及其電控系統(tǒng)硬件設計研究

張磊

機械電子式無級變速器因電控單元控制速比連續(xù)的變化，不會出現(xiàn)換檔時速比的跳躍，讓乘客感到的只是汽車的平穩(wěn)加速，有效降低了駕駛員的勞動強度。機械電子無級變速系統(tǒng)通過更精確的控制，保證發(fā)動機和變速器更好的配合，通過一系列監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，并將系統(tǒng)當前的狀態(tài)信息傳給電子控制單，TCU根據(jù)獲得的信息來識別駕駛員的意圖，判斷系統(tǒng)通過一系列的算法發(fā)出相應的控制指令，對系統(tǒng)的輸出按一定的方式運行，通過控制液壓閥，使CVT實現(xiàn)無級變速無級變速器。同時，該控制單元可自動診斷并產(chǎn)生相應的標準故障代碼，通過提交故障信息，保障汽車行車安全和方便車輛檢修。

一機械電子式無級變速器對汽車運行的影響

機械電子式無級變速器是提高汽車性能的理想裝置，具有良好的經(jīng)濟性、動力性和駕駛平順性，而且降低了排放和成本。CVT主要有：帶式CVT、鏈式CVT及錐盤滾輪式CVT等。金屬帶式是由行星齒輪機構、起步裝置、V形帶輪與金屬帶、減速機構構成；行星齒輪機構可以實現(xiàn)CVT的倒擋行駛，多片濕式離合器結構熱負荷能力低，坡道起步性能好，駕駛容易方便，可以阻隔發(fā)動機引起的部分振動和沖擊，提供速比變化范圍一般為1.0～2.0，運用主、從動帶輪可動錐盤的軸向運動，改變了傳動半徑，從而實現(xiàn)汽車的速比變化。

二硬件設計系統(tǒng)控制。

1、信號控制系統(tǒng)

1.1滿足電子控制系統(tǒng)的功能要求。無級變速單元速比是發(fā)動機實現(xiàn)控制系統(tǒng)的設計目標的保證，電子控制系統(tǒng)用于信號分析處理并輸出相應控制信號的控制單元的轉換，變速器部件對收集的信號進行實時采集和處理，并將信息與存儲于其中的控制規(guī)律進行比較，計算出目標控制量，并通過電路輸出帶動控制機構運動，從而實現(xiàn)變速器擋位的自動切換。霍爾齒輪傳感器，用于發(fā)動機轉速以及輸出轉速信號的采集；功率分流式，用于無級變速單元速比檢測，利用無級變速的齒輪減速和螺旋絲杠機構進行調節(jié)，換擋執(zhí)行電機的換擋機構對應變速器的不同擋位.依據(jù)控制簡便的原則，選用直流電機作為動力源，通過螺旋絲杠來實現(xiàn)擋位的切換；磁粉離合器，首先需要控制磁粉離合器接合的初始輸出轉矩，通過控制磁粉離合器的勵磁電流增長率實現(xiàn)。其次是磁粉離合器通過磁粉實現(xiàn)接合和分離，能夠有效降低傳動系統(tǒng)中的振動并防止系統(tǒng)過載，采用的控制策略和控制方法，保證接合過程中發(fā)動機運轉穩(wěn)定。

1.2信號設計。信號可以分為輸入信號和輸出信號，輸入輸出信號根據(jù)信號類型分為模擬信號和數(shù)字信號；數(shù)字信號又可分為開關信號和PWM信號。通過對信號分類后即可針對該類信號設計實現(xiàn)電路設計。采用“組合工況法”確定CVT的特殊工況，這使TCU控制能夠適應汽車工作的特殊狀況。

2、建立仿真模擬系統(tǒng)

2.1建立模仿曲線圖。從仿真曲線均可看出，車輛實際速比和實際夾緊力均能有效的跟隨各自的目標速比和目標夾緊力變化，且速比控制效果和夾緊力控制效果令人滿意。使用原型仿真系統(tǒng)，可以對速比控制和夾緊力控制進行仿真試驗，同時也可以能夠對實際控制算法執(zhí)行結果進行實時驗證。利用優(yōu)化控制算法，可以減少實際臺架測試與整車標定的工作量，縮短無級變速器電子控制研發(fā)費用。硬件在仿真測試階段為測試人員提供一個適應性強，界面友好的測試環(huán)境，通過在虛擬環(huán)境中對新的電控單元及軟件進行大量測試，根據(jù)實際傳感器發(fā)送的信號，利用其控制算法程序進行信號輸出，將夾緊力控制信號和離合器控制信號形成了整個無級變速器電子控制單元的閉環(huán)，實時的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了對新控制板的優(yōu)化控制。最后系統(tǒng)采用模塊化的設計，按其功能進行分類實現(xiàn)，采用Matlab/Simulink進行控制算法策略的開發(fā)，模塊功能結構清晰，修改維護方便，有效的地提高了軟件的開發(fā)效率和質量、縮短開發(fā)時間、降低開發(fā)成本，經(jīng)過實車測試，使汽車的運行達到了理想的控制效果。

2.2仿真控制設計系統(tǒng)。CVT在我國發(fā)展迅速，也積累了豐富的使用和監(jiān)測經(jīng)驗，制造廠通過對CVT的總體控制，進一步降低其油耗，減少有害氣體排放，提高其動力性及舒適性。仿真控制系統(tǒng)是通過改進并向滑移控制技術，實現(xiàn)更優(yōu)良的性能。在控制方法方面，將先進的模糊控制、網(wǎng)絡控制、自適應控制等理論等應用于CVT離合器控制、速比控制和夾緊力控制中，進一步實現(xiàn)更為精確的控制。在發(fā)達國家，結合魯棒模型匹配方法，建立并增強其抗干擾性能，通過設計模糊增益調度系統(tǒng)，應用液壓伺服系統(tǒng)的控制器中，利用非線性補償系統(tǒng)，進行仿真和裝車試驗。開發(fā)的汽車自適應模糊控制系統(tǒng)目的在于使CVT系統(tǒng)各方面性能最優(yōu)化，從裝車效果來看，將這些控制系統(tǒng)能夠降低故障率，實現(xiàn)免維修、少維護。

（作者單位：哈爾濱地鐵集團有限公司運營分公司）