變速器直驅式電磁閥測試系統(tǒng)的設計

侯 濤，文 靜，匡志鵬，何永義，張海洪

(1.上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海 200444； 2.上?？藖頇C電自動化工程有限公司，上海 200949)

變速器直驅式電磁閥測試系統(tǒng)的設計

侯 濤1，文 靜1，匡志鵬1，何永義1，張海洪2

(1.上海市智能制造及機器人重點實驗室，上海 200444； 2.上?？藖頇C電自動化工程有限公司，上海 200949)

為提高變速器直驅式電磁閥的控制性能，開發(fā)了一測試系統(tǒng)，采用先進的傳感器技術和控制技術，模擬直驅式電磁閥惡劣的實際工作環(huán)境。大量測試獲得的數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)的測試精度、穩(wěn)定性和重復性與再現(xiàn)性滿足測試的性能指標要求，為直驅式電磁閥的開發(fā)提供了準確的測試數(shù)據(jù)。

直驅式電磁閥；電液伺服系統(tǒng)；測試系統(tǒng)

前言

汽車變速器技術的發(fā)展，在汽車控制革命階段中發(fā)揮著重要作用[1]。直驅式電磁閥作為汽車變速器中的主要電子元器件，用于調節(jié)主回路壓力，直接影響換擋閥體的工作。其控制精度的優(yōu)劣、響應的重復性、磁滯量的大小等對整個變速器的工作起到了關鍵作用，直接影響動力系統(tǒng)的工作效率。

圖1為直驅式電磁閥，電腦通過改變占空比對其進行控制，一般情況下頻率信息不變，通過調節(jié)電流的大小直接影響線圈磁場的強弱而改變電磁閥閥芯的開啟度，從而實現(xiàn)不同的工作壓力控制。直驅式電磁閥安裝在變速器的液壓控制板上，用于調節(jié)離合器的液壓力。

圖1 直驅式電磁閥

從直驅式電磁閥的工作模式可以看出，直驅式電磁閥控制精度的優(yōu)劣、響應的快慢、控制的重復性、磁滯量的大小等關鍵性能將對整個變速器的工作起到關鍵性作用，直接影響動力系統(tǒng)的工作效率[3]。

測試系統(tǒng)通過測量直驅式電磁閥的關鍵性技術指標，為高性能直驅式電磁閥的設計開發(fā)提供了試驗反饋數(shù)據(jù)。

1 測試系統(tǒng)的需求分析

該系統(tǒng)所測試的直驅式電磁閥為比例流量閥(QPV)，工作時固定液阻R0與先導閥口組成B型半橋，先導閥芯與主閥芯之間由反饋彈簧Kf耦合，當閥的輸入電信號為零時，先導閥口閉合，此時主閥口處于關閉狀態(tài)。

當輸入足夠大的電流時，電磁力克服彈簧壓縮力，推動先導閥芯下移，先導閥口打開，控制油開始流動。故主閥芯上腔壓力低于進口壓力，在壓差的作用下，主閥芯產(chǎn)生位移，閥口開啟，與此同時，主閥芯位移經(jīng)反饋彈簧轉化為反饋力，最終電磁力與彈簧力相平衡，從而實現(xiàn)主閥芯位移與輸入電信號的比例控制，詳細結構如圖2所示。

圖2 比例流量閥原理圖

1.1 性能參數(shù)

試驗環(huán)境下，為了更好、更真實地模擬惡劣的工作環(huán)境，根據(jù)客戶提供的測試樣品的詳細參數(shù)，整理出直驅式電磁閥的電氣特性參數(shù)，如表1所示。

1.2 需求分析

測試系統(tǒng)單次測試樣本數(shù)量取為“1PC (QPV)”。液壓系統(tǒng)為樣件端口P提供符合試驗條件的壓力或壓力曲線pP，樣件的驅動電流I按照試驗曲線變化，實時記錄試驗介質溫度Temp、樣件端口A的壓力pA、流量與泄漏量和驅動電流，繪制壓力-驅動電流、流量-驅動電流等關系曲線。壓力和電流控制曲線針對不同測試項目可分為三角波、矩形波、階躍波等，且曲線參數(shù)可調節(jié)。

表1 直驅式電磁閥電氣特性參數(shù)

在測試過程中，須要針對不同樣件在不同溫度條件、不同電流值下加載不同的抖動頻率，該抖動頻率須根據(jù)每批樣件進行匹配，優(yōu)化到最佳狀態(tài)，以保證磁滯量在設計公差范圍以內且樣件工作狀態(tài)穩(wěn)定。根據(jù)產(chǎn)品實際工作狀態(tài)，整理出試驗一般邊界條件，如表2所示。

表2 試驗一般邊界條件

1.3 控制范圍與測試精度

根據(jù)產(chǎn)品的設計和測試過程中的各項要求，完成準確、高效的測試任務，測試過程中各個變量須滿足如表3所示的調節(jié)范圍與控制精度。

表3 調節(jié)范圍與精度

1.4 測試內容與方法

變速器在惡劣的環(huán)境下工作，其電磁閥須適應大跨度的溫度變化。而隨著溫度的變化，液壓介質黏稠度會發(fā)生很大的變化，同時為滿足快速響應的需求，直驅式電磁閥在不同溫度條件下匹配了不同的抖動頻率。為模擬直驅式電磁閥實際惡劣的工作環(huán)境，該測試系統(tǒng)通過構建完整的液壓動力系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，并結合信號采集處理技術和系統(tǒng)控制工程理論，采用先進的傳感器和控制技術，對各項性能參數(shù)進行實時控制和數(shù)據(jù)信號采集，實現(xiàn)電磁閥設計過程中的試驗反饋。

系統(tǒng)所測試的直驅式電磁閥為比例流量閥(QPV)，每個電磁閥均有進油口(P)、出油口(A)和回油口(T)。根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的需求，測試系統(tǒng)須檢測測試件的進口壓力(pP)、出口壓力(pA)、進口流量(QP)、出口泄漏量(QA)、驅動電流(I)、實時介質溫度(Temp)，根據(jù)不同測試項目在線數(shù)據(jù)處理并顯示不同的實時關系曲線。

2 測試系統(tǒng)設計

2.1 氣路與液壓系統(tǒng)設計

整個液壓系統(tǒng)包括3個部分：P口供壓回路、A口供壓回路以及溫度控制回路。供壓回路的設計是整個液壓系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)性能指標起決定作用。供壓系統(tǒng)主要包括動力系統(tǒng)、管路、各類閥和回油系統(tǒng)等，通過電液伺服系統(tǒng)提供動力。

直驅式電液伺服系統(tǒng)具有節(jié)能、小型集成化的優(yōu)勢，交流伺服電機加定量液壓泵的組合能直接完成變速、變向和限轉矩的伺服動作，其結構如圖3所示。與傳統(tǒng)的有閥伺服系統(tǒng)相比，伺服執(zhí)行裝置在實現(xiàn)大出力的同時，可以完全消除系統(tǒng)中存在的節(jié)流損失。同時具有對油液污染敏感性低、噪聲低、無需輔助油源和可簡化泵的機構等優(yōu)點。

圖3 直驅式電液伺服系統(tǒng)

為保證液壓力快速響應，本文中測試的直驅式電磁閥將磁滯降低到最小，采取了PWM波控制的方式，在驅動電流載波頻率3kHz基礎上，隨著電流和溫度的改變對應的電流抖動幅值也會有很大的變化，造成電磁閥工作時閥芯以高頻抖動，這就對測試系統(tǒng)的供油壓力穩(wěn)定性提出了很高的要求((0～7MPa)±0.1%FS)。

本文中采用了交流伺服電機加定量泵作為系統(tǒng)的動力輸出單元，并通過采集液壓回路上壓力傳感器信號，采用PID閉環(huán)控制算法控制伺服電機轉速，實現(xiàn)系統(tǒng)壓力的閉環(huán)控制，與傳統(tǒng)的變頻電機加定量泵相比，該系統(tǒng)控制精度和響應都有很大提高，可充分滿足測試設備供油壓力的穩(wěn)定性要求。

在方案設計中，分別設計了針對樣件P口和A口供壓的兩套動力系統(tǒng)，其原理圖如圖4所示。A口供油系統(tǒng)主要為樣件A口提供一定壓力油源或作為樣件負載，因此A口采用雙向齒輪泵4，通過電機的正反轉回路的正負壓控制。通過電控節(jié)流閥1實現(xiàn)A口供油流量的精確控制。當A口回路壓力過大時安全溢流閥3打開，將油液排入油箱中保護管路系統(tǒng)，通過卸載閥2實現(xiàn)回路的卸載。P口供油系統(tǒng)通過單向齒輪泵6為樣件P口提供一定壓力油源，同A口系統(tǒng)相同，采用電控節(jié)流閥、卸載閥、安全溢流閥等實現(xiàn)P口系統(tǒng)的流量控制、卸載和安全保護。

圖4 動力系統(tǒng)圖

在保證動力供給的同時，系統(tǒng)的油溫應滿足試驗條件的要求，因此，在方案設計中針對油溫控制設計了一組溫度控制回路。溫度控制回路通過冷熱循環(huán)機完成與液壓系統(tǒng)介質溫度交換，使液壓介質的溫度滿足各項試驗要求。溫度回路采用交流伺服電機加齒輪泵的方式提供系統(tǒng)動力，實現(xiàn)液壓介質在換熱器中與冷熱循環(huán)機組的導熱油進行換熱。通過對伺服電機轉速的控制實現(xiàn)熱轉換速度的閉環(huán)控制。

2.2 液壓元件的選型

2.2.1 伺服電機和油泵

P口電液伺服系統(tǒng)選型需要考慮測試產(chǎn)品的需求和電控節(jié)流閥的效用。本文中直驅式電磁閥最大流量為10L/min，當有大部分流量需要通過電控節(jié)流閥，系統(tǒng)壓力要求10MPa，根據(jù)經(jīng)驗，選擇百利ZPA2-19型齒輪泵，其排量為19mL/r。

根據(jù)計算數(shù)值查閱御能伺服系統(tǒng)產(chǎn)品樣本，選取K060F18C18P型電機，其額定功率為11kW，額定轉速為1 800r/min。

A口電液系統(tǒng)需要提供正負壓力控制，相比P口流量范圍更大。本文中選擇百利ZPA2-23型齒輪泵，其排量為23mL/r。根據(jù)計算后的數(shù)值，選用御能K072F18C18P型電機，其額定功率為13kW，額定轉速為1 800r/min。溫度回路不需要壓力控制精度，為了提高換熱效率選擇百利ZPI69齒輪泵，電機為K038F18C18P型，其額定功率為7.5kW，額定轉速為1 800r/min。

2.2.2 換熱器

本文中測試系統(tǒng)溫度范圍跨度大，而換熱器的工作效率對系統(tǒng)溫度調節(jié)的時間起關鍵作用。因此，選擇了瑞典阿法拉伐的板式換熱器。其獨創(chuàng)的金屬板設計，是以最小的換熱面積提供高熱效能。另外，板片之間均勻網(wǎng)狀分布有許多接觸。

2.3 液壓系統(tǒng)布局

整個液壓系統(tǒng)主體在大保溫箱內，其液壓管路布局見圖5。在保溫箱后面腰部開孔讓支撐在電機支架上的3臺伺服電機能夠探入保溫箱內并通過齒輪泵提供液壓力。A口、P口和溫度控制油路通過管路送達前部的試驗操作保溫箱供工裝夾具使用。

圖5 液壓系統(tǒng)布置圖

2.4 電路控制系統(tǒng)設計

電路控制系統(tǒng)是整個設備實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集和控制的核心。本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為控制總線，工業(yè)計算機作為上位機通過以太網(wǎng)對各系統(tǒng)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與控制，其結構見圖6。模塊包括PLC系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實時控制系統(tǒng)和冷熱循環(huán)機組。

圖6 控制系統(tǒng)結構圖

西門子S7-300PLC系統(tǒng)主要滿足操作盒按鈕和配合安全繼電器與液位傳感器等安全方面的需求。上位機軟件通過NI OPC系統(tǒng)實現(xiàn)與PLC的以太網(wǎng)通信，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和相關液壓系統(tǒng)氣動控制閥的操作。上位機通過對冷熱循環(huán)機組控制溫度的設置，配合相關液壓系統(tǒng)管路實現(xiàn)對油溫的控制。

使用NI CompactDAQ和LabVIEW軟件可自定義數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和管理。從研發(fā)、設計到驗證，NI均可提供可編程軟件、高精度測量和本地技術支持，最大限度地滿足測量應用需求。NI CompactDAQ機箱負責控制定時、同步和外部集成計算機與多達8個C系列I/O模塊之間數(shù)據(jù)傳輸。單個NI CompactDAQ機箱或控制器可同時管理多個定時引擎，在同一個系統(tǒng)內以不同采樣率運行多達7個獨立的硬件定時I/O任務。

本系統(tǒng)通過使用CompactDAQ實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的同步采集與數(shù)據(jù)記錄、實時壓力控制、同時與其他儀器設備進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。

3 測試系統(tǒng)程序設計

3.1 直驅式電磁閥控制算法

本直驅式電液伺服系統(tǒng)采用如圖7所示的模糊PID控制結構。PID控制器根據(jù)系統(tǒng)壓力設定值與測試位置壓力傳感器的差值E計算出伺服電機控制電壓，而模糊控制器以系統(tǒng)壓力設定值與測試位置壓力傳感器的差值E和其值的變化率EC為輸入，輸入到PID控制器的參數(shù)分別為ΔKp，ΔKi和ΔKd。

圖7 電液伺服系統(tǒng)模糊PID控制系統(tǒng)框圖

3.2 同步數(shù)據(jù)采集和處理模塊

數(shù)據(jù)采集和處理是測試系統(tǒng)的根本，直接關系到試驗數(shù)據(jù)的可靠性和真實性，對后續(xù)數(shù)據(jù)分析有著至關重要的作用。同時，采集和處理模塊設計的優(yōu)劣直接關系到整個軟件系統(tǒng)的資源占用和穩(wěn)定性。

3.2.1 多通道數(shù)據(jù)同步采集

本文中測試任務關注的是相關參數(shù)的關系曲線，因此本測試系統(tǒng)必須進行多通道數(shù)據(jù)的同步采集，即所有測量通道共用同一個時鐘信號并在同一時刻開始。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

本測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理主要體現(xiàn)在兩個方面。

首先，通常數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)都伴隨著噪聲干擾，在設計電路之初就考慮到了這方面的問題且采取了必要的手段，如采用屏蔽線、隔離伺服電機動力線和數(shù)據(jù)采集線的排線、良好的接地等，但不可避免還會有一些電磁干擾。為滿足測試系統(tǒng)的高精度和高穩(wěn)定性，測試軟件需要對測試系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)做必要的處理以剔除干擾。

其次，在產(chǎn)品設計上為了保證電磁閥擁有快速響應的特性，電流驅動卡通過PWM電流調制控制電磁閥的同時，驅動電流在高頻率以正弦波的形式抖動，且根據(jù)不同的電流值，抖動振幅會發(fā)生變化，需要根據(jù)具體批次樣件匹配，其典型電流特性如圖8所示。電流的高頻抖動必然會對壓力和流量產(chǎn)生影響，同時測試過程中需要綜合考慮電流、壓力和流量等特性[4-5]。

圖8 典型電流特性圖

綜合上述兩點，在軟件設計中對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波器是具有一定傳輸選擇性的數(shù)字信號處理裝置，其基本工作原理是利用離散系統(tǒng)特性去改變輸入數(shù)字信號的波形或頻譜，使有用信號頻率分量通過，抑制無用信號分量輸出[6]。針對本系統(tǒng)特性，設計如圖9所示的數(shù)據(jù)處理流程。

3.3 自動測試功能的設計

自動測試軟件的狀態(tài)機模塊是對整個測試流程控制的核心。根據(jù)不同測試種類需求的輸入，針對性地設計了各自的狀態(tài)機模塊，使其按照設定的步驟協(xié)調控制各后臺程序模塊的調用。圖10為自動測試狀態(tài)機流程圖。

4 測試系統(tǒng)

4.1 設備結構

該測試系統(tǒng)采用性能分析方法和對應的測試流程，針對產(chǎn)品開發(fā)過程中對試驗的需求，設計了多種試驗內容及其工藝，并按照性能分析方法評估本文中系統(tǒng)的能力指標，搭建了如圖11所示的設備。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖10 自動測試狀態(tài)機流程圖

圖11 測試設備實物圖

4.2 測試界面

圖12為P-I自動測試的軟件界面。圖中區(qū)域1為參數(shù)設置和操作區(qū)，區(qū)域2為特征參數(shù)波形顯示區(qū)，區(qū)域3為數(shù)據(jù)濾波處理設置區(qū)。其余測試均按該布局方式設計。

圖12 測試系統(tǒng)界面圖

4.3 QPV磁滯特性測試

圖13為比例流量閥在P口壓力為1MPa、溫度為60℃和驅動電流以三角波方式變化下的進口壓力pP、出口壓力pA和進口流量QP曲線圖。驅動電流變化為0～1A，平均變化率為50mA/s，變化間隔為2mA。驅動參數(shù)：間歇頻率為3 000Hz，抖動頻率為90Hz。

4.4 QPV靜態(tài)流量和泄漏量測試

試驗介質溫度T，樣件進口壓力pP和樣件出口壓力PA達到設定值后，啟動試驗。軟件自動控制驅動電流按照設定曲線運行，同時啟動數(shù)據(jù)采集功能。當試驗自動運行完成后電磁閥驅動停止輸出，提示用戶是否進入下一個測量。若選擇下一個測量，則等待參數(shù)設置完成后，啟動試驗。當所有測量完成后可選擇試驗完成，軟件自動提示用戶輸出試驗報告并存儲。

表4 QPV靜態(tài)流量和泄漏量測試結果L·min-1

表4列出一直驅式比例流量閥在P口壓力為1MPa，溫度為0℃時，測得的A口靜態(tài)流量(電流為1.2和1.5A時)和泄漏量(沒有電流時)。

4.5 試驗結果分析

在本系統(tǒng)方案設計階段就制定了系統(tǒng)的一系列指標，而在系統(tǒng)建立后，可靠的性能分析方法既是對系統(tǒng)性能的正確評估，又是對產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品質量保證的必要手段。在性能評估試驗環(huán)節(jié)中，借鑒了博世集團全球統(tǒng)一的測量系統(tǒng)分析(measurement system analysis，MSA)方法來評估本測試系統(tǒng)的能力。

具體測量方法：由3個操作者對10個產(chǎn)品獨立重復測試2次；被測量的10個產(chǎn)品，其真值具有一定的差異性和分散性，要求能代表生產(chǎn)過程的偏差，且可被重復測量。測量能力指數(shù)Cgk≥1.33；測量的重復性GRR≤10%；對于容差法，數(shù)據(jù)分級指標NDC≥5(NDC=1.41×零件的標準偏差/總的量具偏差)。

按照測試系統(tǒng)性能分析方法與流程，將試驗數(shù)據(jù)進行能力評估，表5為QPV產(chǎn)品測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析表。

表5 PV產(chǎn)品測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析表(MSA)

根據(jù)上述測量系統(tǒng)分析可知，Cgk值和GRR值均滿足測試系統(tǒng)放行標準(Cgk＞1.33，GRR＜10%)，且本文中測試系統(tǒng)通過EHS和QMP安全評估。與此同時，測試系統(tǒng)進一步經(jīng)過德國博世的數(shù)據(jù)對比認證，進行多產(chǎn)品數(shù)據(jù)對標，可以得出結論，本測試系統(tǒng)具有良好的測量精度、穩(wěn)定性、重復性和再現(xiàn)性。

經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)分析、測試設備標定和測量系統(tǒng)分析，本測試系統(tǒng)的主要技術指標如表6所示。與設計的技術指標相對比，可知實現(xiàn)指標滿足并優(yōu)于計劃指標。

5 結論

以自動變速器直驅式電磁閥為測試對象，對測試系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)控制策略、軟件編程、試驗等方面進行詳細分析論證，設計并搭建了測試系統(tǒng)的

表6 測試系統(tǒng)技術指標

機械平臺、硬件系統(tǒng)，并開發(fā)了一套基于LabVIEW軟件平臺的智能化測試系統(tǒng)控制軟件和試驗內容。通過數(shù)據(jù)分析，其Cgk＞1.33，GRR＜10%，表明本系統(tǒng)的測量精度、穩(wěn)定性、重復性和再現(xiàn)性都滿足設計要求。

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Design of Testing System for DESC in Transmission

Hou Tao1，Wen Jing1，Kuang Zhipeng1，He Yongyi1＆Zhang Haihong2
1.Key Laboratory of Intelligent Manufacturing and Robotics of Shanghai，Shanghai200444；2.Shanghai Kelai Mechatronics Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200949

For enhancing the performance of direct electronic shift control(DESC)in transmission，a testing system is developed，which adopts advanced sensing and control technologies to simulate the real adverse working environment of DESC.Data obtained from a large number of tests show that the accuracy，stability and the repeatability and reproducibility of testing system meet the performance indicator requirements of testing，providing accurate test data for the development of DESC.

DESC；electro-hydraulic servo system；testing system

原稿收到日期為2016年2月21日，修改稿收到日期為2016年5月19日。

侯濤，博士研究生，E-mail：houtao-robot＠hotmail.com。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.012