礦用車變速器控制系統(tǒng)的研究

陳平

(廣西產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，廣西 南寧 530007)

?

礦用車變速器控制系統(tǒng)的研究

陳平

(廣西產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，廣西 南寧 530007)

摘要：在研究礦用車變速器換擋控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對礦用車傳動系統(tǒng)的特點，制定了換擋控制規(guī)則，完成了礦用車變速器控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。控制系統(tǒng)經(jīng)測試后，在滿足換擋要求的基礎(chǔ)上，還具有抗干擾能力強，可靠性高等特點。對礦用車變速器控制系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)提供科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞：礦用車；變速器；換擋規(guī)則；控制系統(tǒng)

0引言

礦用車又稱為礦用自卸車，屬于非公路用車，主要用于礦山的露天開采運輸，常與電鏟等挖掘機械組合作業(yè)，是礦山施工的主力運輸設(shè)備，其特點是運程短、承載重。近年來，因其廣闊的市場前景以及豐厚的利潤空間，國內(nèi)外企業(yè)紛紛加大礦用車的研發(fā)力度。國外的礦用車以大噸位為主，卡特彼勒已經(jīng)研制出有效載重量達(dá)360t的礦用車，國外主要生產(chǎn)廠家有卡特彼勒、小松、別拉斯、沃爾沃等。但我國的礦用車還正處于起步階段，主要以發(fā)展中小型礦用車(<100t)為主，國內(nèi)比較有名的生產(chǎn)廠家有北方重汽、北京重型車輛、湘潭機電等。隨著國家資源的整合以及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，為我國發(fā)展大噸位礦用車奠定了基礎(chǔ)。

礦用車變速器按傳動方式可分為電傳動和機械傳動，對于載重噸位100t以下的車型，采用液力機械式變速器配合傳統(tǒng)的后驅(qū)動橋的傳動方式，而100t以上的車型，均采用電傳動技術(shù)。礦用車控制系統(tǒng)的好壞直接影響礦用車的使用性能。目前國內(nèi)礦用車變速器總成基本采用全套進(jìn)口的方式，主要為美國的艾利遜和德國的采埃孚兩大公司。根據(jù)我國礦用車的現(xiàn)狀，研發(fā)了100t以內(nèi)礦用車國產(chǎn)變速箱的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在滿足功能要求的前提下，具有換擋平順性好，換擋沖擊小，可靠性高等特點。

1控制系統(tǒng)功能分析

礦用車變速器控制系統(tǒng)是通過電子控制系統(tǒng)與換檔執(zhí)行機構(gòu)的有機協(xié)調(diào)配合，高品質(zhì)地實現(xiàn)工程車輛換擋過程自動化，從而提高礦用車的作業(yè)效率、動力性和經(jīng)濟(jì)性。礦用車變速器控制系統(tǒng)的優(yōu)劣對整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性等各種性能的影響較大。文中主要考慮礦用車變速器換擋功能的實現(xiàn)和換擋品質(zhì)的提高兩方面入手，對控制系統(tǒng)的功能提出以下要求：

a) 空擋啟動保護(hù)功能

與普通汽車一樣，車輛發(fā)動前，確保操縱手柄在空擋“N”位置，只有變速箱處于空擋時，發(fā)動機才能啟動。

b) 換擋限制功能

礦用車的換擋操作的好壞決定了礦用車的使用壽命，不合理的換擋方式甚至?xí)戆踩[患，例如：前后擋不能直接切換，在前后擋切換期間，車輛只有在低速或停止后才可以換向；升檔操作時對變速箱輸出速度沒有限制，但是降檔和變向換檔的操作，則對變速箱輸出速度有限制；達(dá)到輸出速度標(biāo)定值(預(yù)設(shè))之前，手動降檔不起作用。

c) 換擋過程控制功能

礦用車在行駛過程中換擋操作應(yīng)嚴(yán)格按順序進(jìn)行，即逐級升擋或者逐級降擋，而不能越級變擋。如果駕駛員在升擋或降擋過程中不小心越級變擋，通過控制程序設(shè)置，在中間擋位做適當(dāng)?shù)臅r間停留以避免換擋沖擊和發(fā)動機過速。礦用車只能在停止時可換入倒擋。負(fù)載爬坡時，控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)定擋位的最高行駛速度，避免頻繁換擋。

d) 閉鎖控制功能

閉鎖控制功能依據(jù)擋位、渦輪轉(zhuǎn)速和泵輪轉(zhuǎn)速確定液力變矩器選擇是否閉鎖。在解鎖的工況下，液力傳動能吸收振動，增大輸出扭矩，同時使換擋更平穩(wěn)柔和，在提高變速器壽命的同時也增加了發(fā)動機的使用壽命；閉鎖能提高變速器的傳動效率，提高礦用車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

e) 自診斷功能

控制系統(tǒng)應(yīng)具有自診斷和顯示異常的功能。如果變速器出現(xiàn)異常，錯誤代碼將通過網(wǎng)絡(luò)顯示在儀表盤上，同時發(fā)出警告，如報警指示燈亮、警告蜂鳴器響等。

2控制系統(tǒng)方案

礦用車變速器電控系統(tǒng)是變速器的核心，而且工作環(huán)境惡劣，因此對控制系統(tǒng)要求較高，必須具備以下特點：

a) 實時性

考慮變速器電控系統(tǒng)運算量大，實時性要求高，因此主控芯片應(yīng)選擇高速CPU，以滿足系統(tǒng)對實時性的要求。

b) 功能性

控制系統(tǒng)需提供多種輸入和輸出量接口，并能處理各種輸入信號，輸出端能直接驅(qū)動電磁閥；集成CAN2.0B總線接口，實現(xiàn)與發(fā)動機控制單元或其他控制器通訊功能，同時集成RS232通信接口，方便ECU軟件升級和程序下載；可配置診斷裝置，并可遠(yuǎn)程配置參數(shù)和調(diào)試程序。

c) 安全性

系統(tǒng)具備防誤接和反接功能，具備過壓、過載和過熱保護(hù)功能；工作電壓范圍為9-32V DC、工作溫度范圍為-40 ℃-125 ℃，保證系統(tǒng)在正常的電壓和溫度范圍；輸出端口同時具備短路保護(hù)和開路診斷功能。

d) 性價比

在保障系統(tǒng)功能等條件下，應(yīng)盡量控制成本，使控制系統(tǒng)具有較高的性價比。

通過變速器輸入輸出參數(shù)的分析和研究，最后擬定出控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1　礦用車變速器電控系統(tǒng)框圖

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1控制系統(tǒng)處理器選型

嵌入式處理器作為變速器控制系統(tǒng)的核心，其選型直接影響系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性和開發(fā)周期等。文中將成本、處理能力、功耗等作為選型指標(biāo)，選擇性能較高和開發(fā)環(huán)境比較熟悉的TMS320F2812。

3.2模擬量輸入通道設(shè)計

礦用車控制系統(tǒng)模擬量輸入通道主要完成變速器、液力變矩器、緩行器的油溫信號，油門開度和油壓等模擬量信號的采集。

傳感器將變速器有關(guān)的油溫、油壓等信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以供TMS320F2812處理。TMS320F2812具有兩個8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，可對同一通道進(jìn)行多次采樣，從而得到比單采樣更精確的采樣結(jié)果。并可工作于單序列和雙序列兩種發(fā)生器模式[2]。

礦用車變速器的外界干擾強烈，對輸入的模擬信號設(shè)計了Sallen—Key型二階低通濾波器，防止外界干擾高頻干擾信號，如圖2所示。

圖2　模擬量輸入通道原理圖

由于傳感器輸入的模擬電壓信號為0~5 V，而TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換模塊電壓輸入范圍為0~3 V，所以在濾波前需要對信號分壓。為了保護(hù)TMS320F2812的A/D模塊，在濾波前設(shè)計了鉗位電路。輸入電壓Vin經(jīng)過分壓和兩級RC低通電路后，再接到LM324的同向輸入端。高頻信號的幅頻特性下降速度為-40dB/十倍頻，比一階低通濾波器提高一倍。

3.3數(shù)字量輸入通道設(shè)計

數(shù)字量輸入通道包括頻率信號和開關(guān)量信號通道的設(shè)計，頻率信號主要為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號、渦輪轉(zhuǎn)速信號和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)速信號。開關(guān)量信號主要為擋位信號、模式選擇等信號。

a) 頻率信號輸入模塊

轉(zhuǎn)速信號由轉(zhuǎn)速傳感器提供，該信號為一系列脈沖信號，由于車輛工作環(huán)境惡劣，脈沖信號中常伴有高頻干擾，使脈沖波形出現(xiàn)毛刺或瞬時尖脈沖，引起捕獲單元計數(shù)誤差。由于TMS320F2812的事件管理器具有6捕獲單元，每個捕獲單元對應(yīng)一個捕獲輸入引腳。因此簡化了電路設(shè)計，在硬件上無需增加專門的定時/計數(shù)芯片，就能完成對脈沖信號的采集。

礦用車變速器的轉(zhuǎn)速傳感器采用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，頻率范圍為0~1000Hz，在頻率信號調(diào)理電路的設(shè)計時，只需通過光電耦合器件將信號進(jìn)行光電隔離。選擇PS2801作為光電耦合器件，原理圖如圖3所示。

圖3　頻率信號驅(qū)動電路

b) 開關(guān)量信號輸入模塊

礦用車變速器控制系統(tǒng)中輸入的開關(guān)量信號較多，在設(shè)計電路時主要考慮輸入模塊抗干擾措施和輸入信號與TMS320F2812的電平匹配[4]。電路原理圖如圖4所示。

圖4　開關(guān)量輸入模塊

c) 輸出驅(qū)動電路設(shè)計

由于微處理器輸出的控制信號較弱，無法直接驅(qū)動執(zhí)行器，因此需對輸出電路設(shè)計功率驅(qū)動電路。輸出驅(qū)動電路主要包括3部分，1) 用于驅(qū)動換擋電磁閥、鎖止電磁閥、定時電磁閥和調(diào)壓電磁閥等；2)用于指示燈、繼電器等開關(guān)量的驅(qū)動控制；3)用于PWM信號的驅(qū)動控制。3部分用相同的驅(qū)動電路，如圖5所示。

圖5　功率輸出驅(qū)動通路

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用車速和油門開度兩參數(shù)換擋規(guī)律作為控制系統(tǒng)的換擋策略，其軟件流程圖如圖6所示[5]。編程軟件采用TI專用DSP開發(fā)環(huán)境CCS，并采用模塊化編程方式。

圖6　換擋軟件流程圖

5結(jié)語

對礦用車變速器控制系統(tǒng)作了較深入的研究，完成了礦用車變速器控制系統(tǒng)的設(shè)計，硬件采用TMS320F2812作為控制芯片，并設(shè)計了相應(yīng)輸入輸出通路。軟件部分采用車速和油門作為換擋控制參數(shù)，并采用模塊化設(shè)計思路。實驗表明，控制系統(tǒng)在滿足控制功能的前提下，穩(wěn)定性較好。該系統(tǒng)對礦用車變速器自動化和智能化的研究具有一定參考作用。

參考文獻(xiàn):

[1] 唐奎. 52噸自卸礦用車自動變速器換擋規(guī)律研究[D]. 長春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[2] 孫麗明. TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社，2011.

[3] 陳是知，姜蕊輝. TMS320F2812原理與開發(fā)實踐[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[4] 陳仁金，任德均，代成剛，等. 基于TMS320F2812的工程車輛自動變速器控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機電工程技術(shù)，2012，(9)：27-29.

[5] 陳仁金，任德均，張中剛. 工程車輛自動變速器電液控制系統(tǒng)研究[J]. 工程機械，2012，(5)：13-17.

Study of Transmission Control System of Mine Truck

CHEN Ping

(Guangxi Institute of Supervision & Testing on Product Quality Nanning 530007,China)

Abstract:Based on the research on shift control system of transmission of mine truck, this article lays down the rules of the shift control system according to the characteristics of the drive system of the mine truck, and completes the hardware and software design of its transmission control systems. After the control system is tested, it not only ments the requirement of the shift, but also has some advantages, such as strong anti-interference ability and high reliability. The scientific reference is given to its design and research.

Keywords:mine truck; transmission; shift control system; control system

收稿日期：2014-11-26

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0178-03

作者簡介：陳平(1964-)，男，廣西南寧人，高級工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：機械制造工藝與設(shè)備。