汽車(chē)變速箱測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及ARM7實(shí)現(xiàn)

， ，

(1安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，安徽 蕪湖 241000;2江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

當(dāng)今時(shí)代，隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)企業(yè)對(duì)變速性能測(cè)試的設(shè)備要求也越來(lái)越高，變速箱試驗(yàn)臺(tái)作為對(duì)汽車(chē)變速性能測(cè)試的重要設(shè)備也越來(lái)越受到企業(yè)的重視[1]。針對(duì)目前常用的變速箱試驗(yàn)臺(tái)能量消耗嚴(yán)重、控制效率低、可靠性差的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高效率、自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)，具有理論指導(dǎo)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。ARM (Advanced RISC Machines)[2]以執(zhí)行效率高、低成本的優(yōu)點(diǎn)廣泛用于電子行業(yè)，以ARM為核心，設(shè)計(jì)變速箱測(cè)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

我國(guó)汽車(chē)變速箱試驗(yàn)臺(tái)可分成兩類(lèi)，一是能量消耗型，二是能量回饋型[3]。其中能量回饋型又分為機(jī)械傳動(dòng)能量回饋、電動(dòng)機(jī)交流電量輸出返回電網(wǎng)、變頻器交流電量輸出返回電網(wǎng)等三種方案[4]。機(jī)械傳動(dòng)能量回饋雖然可以直接回饋，但效率低、能量損耗大、不易控制；電動(dòng)機(jī)交流控制設(shè)備多，較復(fù)雜，工作可靠性差；變頻器將直流發(fā)電機(jī)的電能反饋電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但設(shè)備價(jià)格高，維護(hù)成本太大。因此采用交流發(fā)電，直流能量回饋的方式，將交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)整流，直接回饋給直流電動(dòng)機(jī)，設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠性高、能量損耗小。如圖1所示。

圖1 交流發(fā)電、直流能量回饋結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)由直流調(diào)速柜、被測(cè)變速箱、輸入/輸出速度、交流發(fā)電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、力矩傳感器、電氣設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)組成。上位機(jī)采用PC機(jī)，能夠完成數(shù)據(jù)設(shè)定、采集、顯示及打印；下位機(jī)采用ARM7，對(duì)系統(tǒng)電氣設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖中LPC2138是ARM7系列的控制器，對(duì)各種信號(hào)檢測(cè)，并根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算處理及閉環(huán)控制來(lái)控制轉(zhuǎn)矩；傳感器1是轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩傳感器，用于檢測(cè)變速箱的輸入轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩，并傳送至LPC2138電路，傳感器2用于檢測(cè)輸出轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩；勵(lì)磁電流控制是將LPC2138輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，控制發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大??；調(diào)速柜將電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在設(shè)定值，為試驗(yàn)臺(tái)提供驅(qū)動(dòng)力矩。

2 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制傳感器的選擇

采用磁電式、相位差型傳感器，未施加扭矩時(shí)，傳感器輸出2路相差180度的正弦信號(hào)，當(dāng)施加扭矩時(shí)，相差發(fā)生變化，且可計(jì)算出扭矩大小。工作穩(wěn)定可靠，變速箱試驗(yàn)臺(tái)的輸入扭矩為200N·m，輸出扭矩在200N·m到500N·m之間，因此選用JZ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。其技術(shù)指標(biāo)為轉(zhuǎn)矩測(cè)量精度：分為0.1級(jí)和0.2級(jí)。靜?！苯佑庙来a產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)力矩校準(zhǔn)時(shí)，其測(cè)量誤差0.1級(jí)不大于額定值的±0.1%；0.2級(jí)不大于額定值的±0.2%[5]。

2.2 能源回饋單元設(shè)計(jì)

能量回饋單元電路采用雙橋并聯(lián)的變流器電路，如圖3所示。

圖3 能量回饋電路圖

直流電動(dòng)機(jī)的供電電源為兩個(gè)三相整流橋并聯(lián)提供，一路是調(diào)速柜的整流輸出，另一路是發(fā)電機(jī)的整流輸出。電抗器L1和L2用來(lái)平衡兩組整流橋的相位差，使電流連續(xù)。

電抗器勵(lì)磁電流變化峰值為：

2.3 鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示電路圖如圖4所示。圖中74HC164芯片用于顯示電路的位碼和段碼；兩個(gè)4段共陰極數(shù)碼管(FJ3461AH)則用于顯示扭矩傳感器的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；8個(gè)按鍵用于輸入和修改參數(shù)；電阻R用于限流從而確保數(shù)碼管正常工作；工作電源由下位機(jī)ARM7LPC2138供電。

圖4 鍵盤(pán)和數(shù)碼顯示電路圖

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

變速箱測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的采集、PC機(jī)測(cè)控、系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)和通信等?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 軟件總體設(shè)計(jì)框圖

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用Visual C++進(jìn)行編程設(shè)計(jì)[6]，主界面的設(shè)計(jì)原則是簡(jiǎn)單直觀、容易操作，采用組件框架式結(jié)構(gòu)，要求能夠顯示電動(dòng)機(jī)的輸入電壓與電流、給定轉(zhuǎn)矩、實(shí)際輸入輸出轉(zhuǎn)矩、給定轉(zhuǎn)速、實(shí)際輸入輸出轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出電壓與電流等。運(yùn)行主界面如圖6所示。

圖6 PC機(jī)運(yùn)行主界面

3.2 通信程序設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)與ARM通信需要編制特定程序，其通信通過(guò)串行口UART完成[7]。設(shè)定ARM每秒鐘發(fā)一次數(shù)據(jù)給PC機(jī)。發(fā)送程序框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送程序框圖

計(jì)算機(jī)給定參數(shù)C，ARM發(fā)送數(shù)據(jù)R。當(dāng)ARM收到一個(gè)P時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)出PWM波形(相當(dāng)于按下啟動(dòng)鍵)，收到T時(shí)停止PWM波形的發(fā)出(相當(dāng)于按下停止鍵)。當(dāng)一秒鐘計(jì)時(shí)到打開(kāi)發(fā)送使能，并發(fā)出字母R，發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)寄存器空中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)，接收數(shù)據(jù)用接收完成中斷處理程序?qū)崿F(xiàn)。

4 仿真與調(diào)試

在試驗(yàn)臺(tái)中運(yùn)行，首先檢測(cè)轉(zhuǎn)速、相位差和扭矩，采集100組數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速誤差率小于0.05%，給定扭矩與實(shí)際扭矩誤差率小于1.5%；然后進(jìn)行機(jī)械力矩加載調(diào)試，驗(yàn)證能量回饋的比例，采集電動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、回饋電流和調(diào)速柜輸出電流，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 機(jī)械力矩加載調(diào)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流相同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，發(fā)電機(jī)回饋電流與調(diào)速柜輸出電流均變大，但回饋電流所占的比例變大，電機(jī)電流大部分由回饋電流提供，節(jié)能效果符合要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用交流發(fā)電、直流能量反饋的設(shè)計(jì)思路，以ARM7為核心，用Visual C++編程開(kāi)發(fā)界面，完成電動(dòng)汽車(chē)變速箱測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)，數(shù)字顯示，極大地節(jié)省人力、節(jié)約能源。

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