自動(dòng)機(jī)械變速器轉(zhuǎn)速信號(hào)故障診斷及容錯(cuò)技術(shù)研究

李志偉，韓宇石，王景霞，王 葉，衣 超

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

為提高車輛的安全性和可靠性，應(yīng)對(duì)AMT系統(tǒng)自身狀態(tài)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和診斷隔離，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)根據(jù)故障類型采用相應(yīng)的容錯(cuò)措施，實(shí)現(xiàn)功能降級(jí)控制，使故障車輛仍具有一定的行駛能力，避免對(duì)人員和設(shè)備造成傷害.其中，在離合器控制和換擋過程中，轉(zhuǎn)速信號(hào)是AMT控制系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，轉(zhuǎn)速信號(hào)的正確性對(duì)AMT系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，因此開展AMT系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)的故障容錯(cuò)技術(shù)研究.

1 自動(dòng)機(jī)械變速器工作原理

自動(dòng)機(jī)械變速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)是在定軸式機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上，通過加裝電控系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋過程.AMT系統(tǒng)以電子控制單元(Transmission Control Unit，TCU)為核心，通過采集駕駛員的操縱(油門踏板、制動(dòng)踏板)和車輛運(yùn)行狀態(tài)(車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速)，采用相應(yīng)的控制規(guī)律，發(fā)出控制指令，借助于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成離合器分離、接合以及變速器選、換擋動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)換擋過程的自動(dòng)化，AMT系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 AMT系統(tǒng)原理圖

2 轉(zhuǎn)速信號(hào)故障診斷

2.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)故障對(duì)AMT系統(tǒng)的影響

在AMT系統(tǒng)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)是AMT換擋及離合器控制的重要參數(shù)，其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器輸入軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速.變速器輸入軸轉(zhuǎn)速用于離合器過程控制，離合器接合過程理論上可以分為3個(gè)階段，即空行程階段、滑磨階段和同步接合階段.若輸入軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障，TCU無法判斷發(fā)動(dòng)機(jī)和輸入軸轉(zhuǎn)速的同步狀態(tài)，系統(tǒng)將一直處于滑磨階段，車輛無法實(shí)現(xiàn)正常起步，并導(dǎo)致離合器異常磨損或燒蝕.輸出軸轉(zhuǎn)速信號(hào)用于擋位決策和換擋過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，若輸入軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障，AMT系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)亂擋或發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速失效等情況，嚴(yán)重影響AMT車輛的行駛安全性.

2.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)的故障診斷策略研究

根據(jù)信號(hào)的物理特性，轉(zhuǎn)速信號(hào)值應(yīng)處于一個(gè)合適范圍內(nèi)，且是一個(gè)連續(xù)變化的過程，當(dāng)不滿足允許條件時(shí)，TCU判定轉(zhuǎn)速信號(hào)出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)不正常主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

1)轉(zhuǎn)速信號(hào)值超出了正常范圍，如發(fā)動(dòng)機(jī)和輸入軸轉(zhuǎn)速在0～2800 r/min之間，輸出軸轉(zhuǎn)速在0～3900 r/min之間;

2)轉(zhuǎn)速信號(hào)值突變，即信號(hào)的變化率較大，正常情況下前后兩個(gè)采樣周期的轉(zhuǎn)速差不會(huì)超過100 r/min;

3)轉(zhuǎn)速信號(hào)值一直維持在某一個(gè)值不變，因?yàn)檎５那闆r下轉(zhuǎn)速信號(hào)值都在最大值和最小值之間波動(dòng).

基于轉(zhuǎn)速信號(hào)的時(shí)頻特性，搭建了轉(zhuǎn)速故障診斷的控制模型，如圖2所示.其中INP_SignalIn是轉(zhuǎn)速信號(hào)數(shù)值，MaxSpeed為轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)域最大值，MinSpeed為時(shí)域最小值，MaxdltSpeed為轉(zhuǎn)速信號(hào)變化率上限，ConstantThr為可接受變化范圍，其余參數(shù)為轉(zhuǎn)速信號(hào)故障檢測(cè)和診斷結(jié)果的狀態(tài)參數(shù).

圖2 轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)故障診斷模型

2.3 轉(zhuǎn)速故障的解析冗余方法研究

解析冗余是指系統(tǒng)中部件的輸入、輸出在功能上具有的冗余性.利用不同部件間的解析冗余關(guān)系對(duì)某部件進(jìn)行故障診斷.當(dāng)某部件發(fā)生故障時(shí)，將其全部或部分功能由具有解析冗余關(guān)系的其他部件來代替完成.基于解析冗余先驗(yàn)知識(shí)的故障容錯(cuò)是提高系統(tǒng)可靠性的有效方法.

在AMT系統(tǒng)工作過程中，在離合器接合、變速器擋位為非空擋的情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速Ne、輸入軸轉(zhuǎn)速N1和輸出軸轉(zhuǎn)速N2之間存在著如下解析冗余關(guān)系:

式中:i傳為發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間傳動(dòng)比，ig為變速器某擋位的傳動(dòng)比.

用△Ni來表示上述3個(gè)等式的差值，即:

假設(shè)兩個(gè)或兩個(gè)以上傳感器信號(hào)故障是極小概率事件，因此主要研究單個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障的情況，從而形成相應(yīng)的專家知識(shí)庫，如表1所示.

表1 轉(zhuǎn)速信號(hào)故障診斷解析冗余邏輯表

3 轉(zhuǎn)速信號(hào)故障容錯(cuò)策略

當(dāng)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速Ne、輸入軸轉(zhuǎn)速N1和輸出軸轉(zhuǎn)速N2之間的解析冗余關(guān)系，對(duì)故障轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行重構(gòu).若解析關(guān)系不成立時(shí)，則將故障轉(zhuǎn)速信號(hào)設(shè)定為故障發(fā)生之前的常量，從而實(shí)現(xiàn)降級(jí)處理，保證AMT控制系統(tǒng)的最低需求.其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過整車CAN總線獲得，隸屬于其它部件，故不對(duì)其進(jìn)行故障容錯(cuò).當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，將輸出軸轉(zhuǎn)速乘以當(dāng)前擋位傳動(dòng)比代替輸入軸轉(zhuǎn)速，若處于換擋過程則應(yīng)用換擋前一時(shí)刻的輸入軸轉(zhuǎn)速值;當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)速出現(xiàn)故障時(shí)，將輸入軸轉(zhuǎn)速除以當(dāng)前擋位傳動(dòng)比代替輸出軸轉(zhuǎn)速，若處于換擋過程則應(yīng)用換擋前一時(shí)刻的輸出軸轉(zhuǎn)速值.轉(zhuǎn)速信號(hào)故障容錯(cuò)策略模型如圖3所示.

圖3 轉(zhuǎn)速故障容錯(cuò)策略模型

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將所設(shè)計(jì)的AMT轉(zhuǎn)速信號(hào)故障診斷和容錯(cuò)策略在某輪式車輛上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.輸入軸轉(zhuǎn)速故障診斷及容錯(cuò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示，圖(a)為目標(biāo)擋位和實(shí)際擋位，圖(b)為輸出軸轉(zhuǎn)速信號(hào)，圖(c)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入軸冗余轉(zhuǎn)速.試驗(yàn)前，拔除輸入軸轉(zhuǎn)速傳感器的插頭，傳感器的信號(hào)值一直為零.啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，由于離合器處于接合狀態(tài)，故此時(shí)的輸入軸轉(zhuǎn)速等于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)用轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)域閾值和冗余解析關(guān)系，判斷出輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)異常.駕駛員推動(dòng)手柄換上起步擋車輛開始起步，TCU計(jì)算輸出軸轉(zhuǎn)速乘以起步擋傳動(dòng)比的值，并將其替代輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào).在換擋過程中，由于輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速冗余關(guān)系不成立，因此輸入軸替代值采用換擋前一時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值，換擋結(jié)束后，恢復(fù)為輸出軸轉(zhuǎn)速冗余值.同理，也對(duì)輸出軸轉(zhuǎn)速傳感器故障進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.試驗(yàn)結(jié)果表明，AMT轉(zhuǎn)速故障診斷和容錯(cuò)策略能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各轉(zhuǎn)速信號(hào)并對(duì)故障進(jìn)行在線識(shí)別，并通過CAN總線向整車發(fā)送故障報(bào)警信息，從而保證發(fā)生轉(zhuǎn)速信號(hào)故障時(shí)車輛能夠正常行駛，極大地提高了AMT系統(tǒng)的可靠性和可維修性.

圖4 輸入軸轉(zhuǎn)速故障診斷及容錯(cuò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié)論

根據(jù)自動(dòng)機(jī)械變速器的工作原理，研究和設(shè)計(jì)了AMT系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)故障診斷及容錯(cuò)策略，在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下搭建了某輪式車輛AMT轉(zhuǎn)速故障診斷與容錯(cuò)模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明轉(zhuǎn)速信號(hào)故障容錯(cuò)策略能有效地實(shí)現(xiàn)故障診斷和信號(hào)重構(gòu)功能，大大提高了AMT系統(tǒng)的安全性和維修性.

［1］蘇玉剛，曹長(zhǎng)修，楊志剛.機(jī)械自動(dòng)變速器的故障自診斷和容錯(cuò)控制［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，(2):103-107.

［2］黃 華，席軍強(qiáng)，周圣硯，等.氣動(dòng)AMT系統(tǒng)故障診斷研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(7):587-591.