純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器試驗(yàn)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

譚 偉，米 林，陳 勝

(1.重慶理工大學(xué)汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；2.綦江齒輪傳動(dòng)有限公司，重慶 401421)

0 引言

純電動(dòng)客車(chē)具有低噪聲、零排放等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在城市擁堵路況下用于公交線路行駛，得到了廣泛應(yīng)用。純電動(dòng)客車(chē)相比于傳統(tǒng)汽車(chē)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)工作范圍更寬，更適合車(chē)輛行駛需求，但車(chē)輛路況的隨機(jī)性使電機(jī)不能長(zhǎng)期工作于高效區(qū)，導(dǎo)致整車(chē)能耗較高，同時(shí)也制約了車(chē)輛的爬坡能力。研究結(jié)果表明[1]，配裝2擋或4擋變速器的純電動(dòng)動(dòng)力總成可有效提升純電動(dòng)客車(chē)的爬坡能力、動(dòng)力性能和續(xù)駛里程。AMT變速器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、工作可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在純電動(dòng)汽車(chē)中得到廣泛應(yīng)用。純電動(dòng)車(chē)用AMT變速器在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要對(duì)選換擋機(jī)構(gòu)、換擋策略等進(jìn)行性能驗(yàn)證試驗(yàn)，在實(shí)車(chē)上進(jìn)行成本高，風(fēng)險(xiǎn)大，因此普遍采用試驗(yàn)臺(tái)架硬件在環(huán)的方式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

目前，在AMT變速器試驗(yàn)系統(tǒng)研究方面，趙熙俊等[2]進(jìn)行了AMT可靠性臺(tái)架試驗(yàn)方法研究，論述了正反拖試驗(yàn)系統(tǒng)的組成和實(shí)現(xiàn)原理，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。馬渝翔等[3]進(jìn)行了新能源汽車(chē)變速器在線加載試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)，提出一種基于公共直流母線的全自動(dòng)在線加載試驗(yàn)臺(tái)。劉永剛等[4]進(jìn)行了新型混合動(dòng)力系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了在驅(qū)動(dòng)工況和制動(dòng)工況下臺(tái)架試驗(yàn)控制流程。李文禮等[5]進(jìn)行了車(chē)輛動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)態(tài)模擬控制方法研究，利用交流測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)車(chē)輪受到的路面負(fù)載與慣性負(fù)載的動(dòng)態(tài)模擬。黃萬(wàn)友等[6]進(jìn)行了基于CAN總線的純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，以單片機(jī)為核心進(jìn)行了測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。高松等[7]進(jìn)行了雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，搭建了基于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。曾秋萍等[8]進(jìn)行了基于虛擬儀器的混合動(dòng)力汽車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)研究，將各單元部件通過(guò)雙絞線相連構(gòu)成CAN通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

上述研究文獻(xiàn)表明，目前針對(duì)傳統(tǒng)車(chē)用AMT變速器和動(dòng)力總成的性能測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)研究，主要集中在動(dòng)力總成的動(dòng)力輸入和載荷模擬方法上，需要一套完整的動(dòng)力總成系統(tǒng)才能進(jìn)行試驗(yàn)，不能滿足作為單個(gè)部件的AMT變速器選換擋過(guò)程試驗(yàn)。本文研究的純電動(dòng)車(chē)用AMT變速器試驗(yàn)控制系統(tǒng)，通過(guò)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)將選換擋控制器TCU，功率輸入模擬電機(jī)，負(fù)載模擬測(cè)功機(jī)等部件進(jìn)行通訊組網(wǎng)，在選換擋過(guò)程中可進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可有效地完成純電動(dòng)AMT變速器的選換擋等性能測(cè)試試驗(yàn)。

1 AMT選換擋過(guò)程分析與試驗(yàn)系統(tǒng)控制方案

1.1 選換擋過(guò)程分析

當(dāng)車(chē)輛在路面行駛時(shí)，AMT控制器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、油門(mén)信號(hào)、車(chē)速等信號(hào)，根據(jù)設(shè)置的換擋控制策略判斷是否換擋[9]。當(dāng)滿足換擋條件時(shí)，將選換擋所需的電機(jī)工作模式、調(diào)速目標(biāo)轉(zhuǎn)速等信息通過(guò)CAN總線發(fā)送給整車(chē)控制器(VCM)，整車(chē)控制器(VCM)進(jìn)行計(jì)算后向電機(jī)控制器(MCM)發(fā)出指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)AMT變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋操作，選換擋完成后，向電機(jī)控制器發(fā)送新的工作模式指令，完成換擋過(guò)程，如圖1所示[10]。

圖1 純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器選換擋過(guò)程

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

通過(guò)純電動(dòng)客車(chē)AMT選換擋過(guò)程分析可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)AMT變速器，純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器選換擋時(shí)沒(méi)有離合器機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力斷開(kāi)操作，而是通過(guò)控制切換驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作模式來(lái)配合進(jìn)行選換擋。因此，在僅有加載設(shè)備而沒(méi)有動(dòng)力總成系統(tǒng)配合的條件下進(jìn)行純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器的選換擋性能試驗(yàn)是不能實(shí)現(xiàn)的。

本文采用通過(guò)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)將選換擋控制器TCU，功率輸入模擬電機(jī)，負(fù)載模擬測(cè)功機(jī)等部件進(jìn)行通訊組網(wǎng)的方式，在選換擋過(guò)程中，由嵌入式PXI控制系統(tǒng)配合AMT選換擋過(guò)程需求，對(duì)測(cè)功機(jī)加載設(shè)備的加載卸載，拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)速等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)AMT變速器部件單獨(dú)的選換擋性能試驗(yàn)操作，同時(shí)也可對(duì)AMT選換擋性能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。AMT變速器試驗(yàn)控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)方案如圖2所示。

圖2 AMT試驗(yàn)控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)方案

上述試驗(yàn)系統(tǒng)組成部件進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)后，AMT變速器控制單元TCU即可對(duì)測(cè)功機(jī)控制儀，拖動(dòng)電機(jī)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，模擬在動(dòng)力總成中選換擋時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制操作。AMT變速器試驗(yàn)系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 AMT變速器試驗(yàn)系統(tǒng)控制流程

2 純電動(dòng)AMT變速器試驗(yàn)系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)電系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

AMT變速器試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)主要由拖動(dòng)電機(jī)、變頻器、測(cè)功機(jī)、升速箱、試驗(yàn)部件安裝支架、試驗(yàn)臺(tái)平板等組成。按照目前市場(chǎng)上對(duì)純電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力總成動(dòng)力的功率需求，試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)功率設(shè)計(jì)為200 kW，拖動(dòng)電機(jī)變頻器選型為G120系列變頻器，型號(hào)為6SL3224-0XE41-6UA0，額定功率200 kW?？紤]AMT變速器增大了傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩范圍，將測(cè)功機(jī)選型為GW320型電渦流測(cè)功機(jī)，額定功率320 kW，控制器為CGK2型測(cè)控機(jī)控制儀(帶CAN協(xié)議)。輸入輸出轉(zhuǎn)速傳感器為JC2型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，測(cè)量范圍0～1 000 N·m。機(jī)械系統(tǒng)的安裝布置如圖4所示，電氣原理圖如圖5所示。

圖4 機(jī)械系統(tǒng)安裝布置圖

圖5 G120變頻柜電氣原理圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要包括嵌入式PXI系統(tǒng)(含CAN通訊卡)，變頻器控制器，PLC(含CAN模塊)，測(cè)功機(jī)控制儀，效率儀，工控機(jī)等?？刂葡到y(tǒng)主要元器件型號(hào)表1所示。

表1 控制系統(tǒng)主要元器件

G120變頻器由于采用的Profinet通訊協(xié)議，不能直接與采用CAN協(xié)議的部件直接通訊，因此，在S7-1200PLC中安裝CM CANopenModule，該模塊可在西門(mén)子博途TIA開(kāi)發(fā)平臺(tái)中進(jìn)行集成編程。與測(cè)功機(jī)配套的控制儀自帶有CAN協(xié)議通訊接口，可與AMT變速器TCU進(jìn)行直接通訊。效率儀可對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)CAN協(xié)議直接發(fā)送到PXI平臺(tái)系統(tǒng)。此外，考慮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾信號(hào)較強(qiáng)，控制計(jì)算機(jī)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)采用NI的嵌入式PXI平臺(tái)安裝CAN通訊卡和PXI-PCI上下位機(jī)通訊卡，采用光纖的方式與上位機(jī)實(shí)時(shí)通訊，并能統(tǒng)一編程環(huán)境。PXI實(shí)物與測(cè)控系統(tǒng)硬件原理圖如圖6所示。

(a)PXI實(shí)物圖

(b)硬件原理圖圖6 PXI實(shí)物與測(cè)控系統(tǒng)硬件原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，采用LabVIEW軟件進(jìn)行系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)，主程序軟件功能流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)主程序流程圖

測(cè)控主程序在完成啟動(dòng)初始化后，提示操作人員錄入變速器擋位信息以及變速器試驗(yàn)規(guī)范，根據(jù)錄入的信息可自動(dòng)生成試驗(yàn)流程。在試驗(yàn)流程建立生成后，由自動(dòng)控制循環(huán)、計(jì)時(shí)循環(huán)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)功能模塊根據(jù)試驗(yàn)流程自動(dòng)控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，各個(gè)功能模塊間采用消息隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行控制量的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，在得到AMT變速器TCU選換擋請(qǐng)求時(shí)，配合選換擋需求自動(dòng)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行卸載、調(diào)速等操作。

3.2 程序加載子程序設(shè)計(jì)

程序加載子程序用于試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)模擬整車(chē)行駛工況下動(dòng)力總成系統(tǒng)不同的載荷譜，包括典型的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行時(shí)間，使AMT變速器在設(shè)置的工況下自動(dòng)觸發(fā)選換擋操作。程序加載子程序主要包括程序加載流程錄入和讀取兩個(gè)功能，程序加載流程錄入時(shí)，將試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行時(shí)間存入Access數(shù)據(jù)庫(kù)，或者直接導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況到Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成程序加載所需的轉(zhuǎn)速載荷參數(shù)并控制拖動(dòng)電機(jī)和測(cè)功機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程中，由主程序根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行時(shí)間調(diào)用讀取子程序進(jìn)行讀取，并傳送到試驗(yàn)拖動(dòng)變頻器和測(cè)功機(jī)控制儀中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的定時(shí)自動(dòng)切換。程序加載子程序操作界面和主要代碼如圖8、圖9所示。

圖8 程序加載子程序前面板

圖9 程序加載子程序參數(shù)設(shè)置部分代碼

3.3 換擋過(guò)程控制子程序設(shè)計(jì)

換擋過(guò)程控制子程序用于AMT變速器選換擋過(guò)程中與拖動(dòng)變頻器和測(cè)功機(jī)控制儀之間的運(yùn)行參數(shù)控制和讀取，主要包括與G120拖動(dòng)變頻器的通訊，與測(cè)功機(jī)控制儀，與AMT變速器TCU的CAN通訊和過(guò)程控制。CAN通訊讀寫(xiě)操作部分代碼如圖10所示，包括打開(kāi)CAN口，重置，設(shè)置通訊速率，設(shè)置超時(shí)時(shí)間，開(kāi)始運(yùn)行，讀寫(xiě)操作、關(guān)閉和錯(cuò)誤輸出。

圖10 CAN讀寫(xiě)通訊程序子VI代碼

將CAN讀寫(xiě)通訊程序設(shè)置為子VI，在換擋過(guò)程控制子程序中進(jìn)行調(diào)用，可以提高代碼的可讀性。換擋過(guò)程控制子程序功能包括讀取TCU換擋請(qǐng)求，測(cè)功機(jī)卸載，等待AMT摘擋，拖動(dòng)電機(jī)調(diào)速，等待AMT換擋完成，恢復(fù)加載等功能，部分程序代碼如圖11所示。

圖11 換擋過(guò)程控制子程序部分代碼

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)子程序設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)中，由效率儀讀取輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN口與嵌入式PXI系統(tǒng)進(jìn)行通信。主程序中，通過(guò)定時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序，效率儀自動(dòng)返回輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器數(shù)據(jù)字符串。同時(shí)，為保證試驗(yàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行，配置研華ADAM-4015測(cè)溫模塊，對(duì)試驗(yàn)AMT變速器，升速箱中的機(jī)油溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。將上述試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)與系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行組合，顯示在主界面上，同時(shí)以簇的形式寫(xiě)入到Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄。主要程序代碼如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序代碼

4 試驗(yàn)系統(tǒng)臺(tái)架運(yùn)行試驗(yàn)

完成機(jī)電系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，升速箱，試驗(yàn)用純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器的試驗(yàn)臺(tái)架如圖13所示。

圖13 純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器試驗(yàn)臺(tái)架

將試驗(yàn)AMT變速器安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)中調(diào)整，將TCU上的CAN線與試驗(yàn)系統(tǒng)CAN線進(jìn)行連接，以低轉(zhuǎn)速進(jìn)行空載運(yùn)行，在確認(rèn)機(jī)械結(jié)構(gòu)安全后便可進(jìn)AMT選換擋試驗(yàn)。

進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，錄入當(dāng)前試驗(yàn)變速器擋位信息以及程序加載流程(試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩、試驗(yàn)時(shí)間等)，手動(dòng)切換升速箱到合適試驗(yàn)擋位后，啟動(dòng)運(yùn)行。將固定的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度信息傳送給TCU，拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)功機(jī)進(jìn)行加載，當(dāng)滿足AMT選換擋條件時(shí)，嵌入式PXI系統(tǒng)讀取到AMT選換擋請(qǐng)求，運(yùn)行換擋過(guò)程控制子程序，進(jìn)行測(cè)功機(jī)卸載，拖動(dòng)電機(jī)調(diào)速等動(dòng)作。AMT變速器選換擋結(jié)束后，恢復(fù)到程序設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，嵌入式PXI系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示和自動(dòng)存儲(chǔ)。試驗(yàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行顯示界面如圖14所示。

圖14 AMT試驗(yàn)控制系統(tǒng)運(yùn)行主界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器試驗(yàn)系統(tǒng)可滿足在沒(méi)有動(dòng)力總成套件情況下AMT變速器的試驗(yàn)測(cè)試，其采用的CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制技術(shù)可使拖動(dòng)和加載單元部件配合AMT變速器完成選換擋操作。同時(shí)，試驗(yàn)控制系統(tǒng)可對(duì)試驗(yàn)加載流程、試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)等進(jìn)行有效的管理和存儲(chǔ)，使純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器試驗(yàn)技術(shù)水平與開(kāi)發(fā)效率得到了全面提升。研制開(kāi)發(fā)完成的純電動(dòng)客車(chē)AMT變速器試驗(yàn)系統(tǒng)已在重慶某變速器生產(chǎn)企業(yè)試驗(yàn)研發(fā)中心投入使用，整體系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定。