裝載機平臺的自動變速電控系統(tǒng)設計與試驗

李興忠， 陳雪梅， 苗麗穎， 王彬宇， 宋 斌

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022；2.杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，杭州311203）

0 引 言

自動變速器可以降低駕駛員勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，降低燃油消耗，延長整機壽命，在越來越多的工程機械中得到應用［1］。隨著電子控制技術(shù)的進步和對駕駛舒適性要求的提高，基于發(fā)動機、變速箱整體的換檔控制已成為新的發(fā)展趨勢［2-5］，有關(guān)換檔品質(zhì)控制中的離合器控制研究在乘用車領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量的研究成果。換檔品質(zhì)控制對象由原來的變速箱系統(tǒng)逐漸向整個動力傳動系轉(zhuǎn)變，控制器設計要求越來越復雜。同時，隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，更加智能的控制策略，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡也應用于自動變速箱的換檔品質(zhì)研究［6-10］。

工程機械自動變速技術(shù)雖然在國外已相當成熟并得到廣泛應用［11］，但在國內(nèi)，由于產(chǎn)品成本和技術(shù)壁壘等因素，工程機械自動變速技術(shù)仍為空白。隨著大功率工程機械的迅速發(fā)展，工程機械整機品質(zhì)提升，控制技術(shù)向智能化、自動化發(fā)展越來越迫切，是工程機械變速器技術(shù)轉(zhuǎn)型升級的重點方向。文獻［12-14］中雖也做過自動變速箱電控系統(tǒng)的研究，但僅限于臺架試驗；文獻［15-19］中也只是在半實物實驗臺上做了相關(guān)的仿真研究，實驗環(huán)境比較理想。由于實車所處的行駛工況和道路條件的復雜多樣性，其所設計開發(fā)的電控系統(tǒng)并不一定滿足實車的需要。

本文基于裝載機實車平臺設計了裝載機自動變速器用電控系統(tǒng)（TCU），其匹配了最新國三標準電控柴油機，可以實現(xiàn)發(fā)動機電控系統(tǒng)與自動變速電控系統(tǒng)信號的實時通訊。設計了電控系統(tǒng)的基本構(gòu)成、信號原理、控制策略、換檔規(guī)律，開發(fā)了基于分模塊層次的電控系統(tǒng)控制軟件，制定了輪式裝載機用兩參數(shù)自動換檔規(guī)律及控制策略，將電控系統(tǒng)與整車集成后進行了整車驗證試驗，為該輪式裝載機下一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了技術(shù)基礎。

1 自動變速器電控系統(tǒng)設計

1.1 電控系統(tǒng)整體方案

電控系統(tǒng)是整個裝載機自動變速系統(tǒng)的核心部件，其性能及功能的好壞對整車的整體性能具有關(guān)鍵性作用。為了明確控制系統(tǒng)的需求，需要對研究對象裝載機的自動變速技術(shù)進行系統(tǒng)化的研究。圖1為裝載機整車機-電-液系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)。根據(jù)整車電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計要求，基于國際通信協(xié)議（SAE J1939）和道路車輛功能安全（ISO26262）等標準設計規(guī)范，結(jié)合裝載機實際工作特點以及環(huán)境條件，考慮狀態(tài)信息設計了輪式裝載機整車自動控制系統(tǒng)配置原理，如圖2所示。

1.2 電控系統(tǒng)硬件設計

電控系統(tǒng)中的硬件主要由變速箱電子TCU、信號采集裝置和執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。設計方案如圖3所示。信號采集裝置主要是傳感器器將物理信號轉(zhuǎn)變成TCU可識別到的電信號，執(zhí)行機構(gòu)主要是電磁閥和繼電器等功率元件，考慮TCU是整個電控系統(tǒng)的核心元件，本文重點對TCU的設計進行描述。TCU硬件原理如圖4所示。

圖1 裝載機整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

圖2 裝載機自動控制系統(tǒng)配置圖

圖3 裝載機電控系統(tǒng)硬件原理

圖4 電控系統(tǒng)（TCU）硬件原理

TCU安裝在車輛的底盤并能適應一定的環(huán)境溫度和振動，其使用環(huán)境溫度40～＋95℃?？紤]到實際使用情況，裝載機變速器TCU選用產(chǎn)品級控制器主流核心硬件芯片MPC5674F，其具有高達264 MHz主頻和超大內(nèi)存空間，可以儲存并流暢運行各種復雜的控制軟件，是目前硬件接口資源最豐富的產(chǎn)品級原型控制器，滿足ISO26262ASIL-D汽車電子安全標準，抗干擾能力強，堅固耐用，性能穩(wěn)定可靠，適應裝載機惡劣的工作環(huán)境。

TCU固化了軟件中的所有程序，以便實現(xiàn)對變速箱的控制。本電控系統(tǒng)中TCU除了采用MPC5674F作為主控制芯片，在外圍方面采用多種高度集成化芯片，能實現(xiàn)多路CAN通信、功率驅(qū)動、PWM頻率采集、PWM信號輸出、AD采集轉(zhuǎn)換、DI采集、DO輸出、電磁閥驅(qū)動控制等功能。該控制板資源豐富，可以實現(xiàn)多路信號發(fā)生或處理，具體信息如表1所示。

表1 TCU模塊列表

（1）最小系統(tǒng)設計。處理器的最小系統(tǒng)是由保證微處理器可靠工作所必須的基本電路組成，包括MPC芯片、電源電路、晶振電路、復位電路和JTAG接口電路［20-21］。它們之間的連接關(guān)系如圖5所示。

圖5 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（2）電源模塊。TCU由車載電瓶提供＋24 V直流電源，該電源模塊的功能是將外部電源輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓輸出，為MCU及相關(guān)模塊芯片提供供電電壓。其簡化電路原理如圖6所示。

圖6 電源模塊簡化原理圖

TCU工作需要外部提供兩路電壓輸入，分別稱其為VBAT、VKEY。VBAT功能是為TCU板上功率器件提供電源，可通過MCU的對應引腳控制主繼電器BTS6143D的開啟或關(guān)斷，完成功率器件電源開關(guān)控制，圖6中DRIVEPOWER為功率器件供電電壓。VKEY給電壓轉(zhuǎn)換電路提供電源。VKEY經(jīng)過LM2596-ADJ模塊將電壓降到7.5 V左右，完成第1級電平轉(zhuǎn)換；最終可實現(xiàn)5V穩(wěn)壓輸出，VCC用于給TCU板內(nèi)部芯片供電，＋5 V OUT可用于給外部傳感器5 V供電。

（3）頻率采集模塊。頻率采集模塊主要是采集裝載機換檔控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速信號，采集元件都是使用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，其輸出信號波形為尖峰脈沖，信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比，幅值隨轉(zhuǎn)速升高而增加，即低速時信號幅值小而高速時信號幅值大，其原理如圖7所示。

圖7 頻率采集模塊簡化原理圖

（4）模擬信號轉(zhuǎn)換模塊。TCU需要采集的模擬信號主要包括油壓和油溫信號，該信號用于監(jiān)控變速箱系統(tǒng)當前的狀態(tài)，并為控制系統(tǒng)決策提供輸入條件，通過相應通道可實現(xiàn)0～5 V的AD轉(zhuǎn)換，其原理如圖8所示。

圖8 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊簡化原理圖

（5）CAN收發(fā)模塊。變速箱TCU通過CAN通信模塊與其他控制單元之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，主要用于發(fā)動機ECU及檔顯器ECU與TCU之間的通訊，如圖9所示。

（6）功率驅(qū)動模塊。功率驅(qū)動模塊在控制器中主要是實現(xiàn)對電磁閥及繼電器的控制，保證執(zhí)行機構(gòu)按照設定的程序完成動作?？紤]所研究對象的需求，功率驅(qū)動硬件設計包括高邊驅(qū)動和低邊驅(qū)動，其中高邊驅(qū)動電路原理如圖10所示。

圖9 CAN模塊簡化原理圖

圖10 高邊驅(qū)動電路簡化原理圖

考慮到以后變速箱液壓系統(tǒng)的升級優(yōu)化，在控制器的設計過程中將比例電磁閥的功率驅(qū)動模塊電路加入到控制器中，實現(xiàn)比例閥驅(qū)動的恒流控制，其簡化原理如圖11所示。TLE7242-2G是一款可以實現(xiàn)恒流控制的驅(qū)動芯片，MCU接收到比例閥驅(qū)動控制信息后，控制比例閥產(chǎn)生恒流輸出。

圖11 比例電磁閥驅(qū)動電路簡化原理圖

1.3 電控系統(tǒng)軟件設計

電控系統(tǒng)軟件是整個控制系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，裝載機電控軟件是由很多子程序組成，可分為應用層和底層硬件驅(qū)動軟件，軟件整體架構(gòu)如圖12所示。

圖12 裝載機自動變速控制軟件架構(gòu)

自動控制軟件的編寫采用Matlab／Simulink軟件開發(fā)出具有多層次結(jié)構(gòu)化模塊特點的軟件。整個軟件分成幾個層次，由多個模塊組合而成，包括通用計算子程序、信號檢測與處理模塊以及各項單功能軟件模塊等。不同的模塊只能完成設定的功能，通過控制邏輯要求進行不同的組合，進而實現(xiàn)所需要的功能。

（1）換檔規(guī)律的制定。本文所設計的換檔規(guī)律采用雙參數(shù)（油門開度α、車速v）設計方法，即裝載機根據(jù)油門開度和車速的不同組合來變換檔位。考慮到裝載機實際工作特點，為了更好地發(fā)揮發(fā)動機的有效特性，以提升整車的動力性和經(jīng)濟性為出發(fā)點，基于不同工況設計了不同的換檔規(guī)律，作業(yè)裝置驅(qū)動泵是否工作兩種不同工況。

在設計裝載機降檔規(guī)律時需要經(jīng)過大量的整車試驗數(shù)據(jù)分析才能進一步確認，后面整車標定試驗中會進行修正。裝載機屬于重型車輛，故采用收斂型換檔規(guī)律，即降檔速差隨著油門開度的增大而減小。圖13和14分別是驅(qū)動泵空循環(huán)和作業(yè)工況下計算設計的理論換檔規(guī)律。

圖13 裝載機自動換檔規(guī)律（驅(qū)動泵空循環(huán)）

圖14 裝載機自動換檔規(guī)律（驅(qū)動泵作業(yè)）

（2）基于不同工況需求的綜合換檔策略。換檔策略的合理設計就是為了改善車輛的動力性和經(jīng)濟性，駕駛員操作油門踏板、制動踏板和換檔手柄，在合適的時機實現(xiàn)車輛換檔，改變車輛運行狀態(tài)去滿足裝載機不同工況下對動力性和經(jīng)濟性的需求。

由于裝載機實際工作處于復雜多變的工況環(huán)境中，因此，本文針對主要循環(huán)作業(yè)功能和運輸轉(zhuǎn)場工況設計了裝載機的綜合換檔策略，如圖15所示。至于裝載機作業(yè)工況和行駛工況識別技術(shù)，考慮到整車實際使用情況，采用人機協(xié)同配合控制方式，即駕駛員根據(jù)實際工作環(huán)境的判斷主動切換兩種工作工況，控制軟件通過不同的控制策略和換檔規(guī)律來保證整車在不同工況下獲得滿意的整車動力性和經(jīng)濟性，這樣不僅發(fā)揮了駕駛員的主觀能動性，而且有效地簡化了駕駛員的操作強度，提高了作業(yè)效率。

圖15 裝載機綜合換檔策略

2 試驗方案

基于某型裝備自動變速器的輪式裝載機對所設計的電控系統(tǒng)進行試驗，將試驗樣機裝車集成后進行整車道路試驗，驗證控制系統(tǒng)的可行性和控制算法、控制策略的正確性和有效性。通過整車標定試驗對不同工況下的換檔規(guī)律做出進一步的優(yōu)化和完善。

試驗設備主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)測、程序儲存上位機筆記本電腦、測量標定工具CANAPE、程序下載器USBCAN和裝有自動變速器的裝載機整車樣機，試驗在正常路面上，包括作業(yè)場地用的物料等。整車試驗如圖16所示。

圖16 整車道路試驗

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 換檔規(guī)律標定優(yōu)化

換檔規(guī)律標定試驗經(jīng)過不斷重復逐一去標定、修正、驗證不同檔位下的換檔點?；谇懊?.3匹配計算得到的各檔位理論換檔規(guī)律數(shù)據(jù)，在不同工況條件下，通過采集整車道路試驗換檔規(guī)律相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理分析、修正、優(yōu)化等步驟，在降檔規(guī)律方面尋找最佳降檔速差，最終得到了換檔效果良好的裝載機不同工況下的換檔規(guī)律，如圖17和18所示。

圖17 前進換檔規(guī)律（轉(zhuǎn)場工況）

圖18 前進換檔規(guī)律（鏟掘工況）

從圖17、18試驗結(jié)果與圖13、14理論計算結(jié)果對比可以看出，理論計算換檔規(guī)律需要經(jīng)過實車試驗不斷優(yōu)化和完善才可以達到理想的效果。理論計算換檔規(guī)律只是給技術(shù)人員提供一個參考的依據(jù)，實際所開發(fā)的控制系統(tǒng)軟硬件需要與整車進行適應性匹配才可滿足整車的需求?；诓煌r下所設計的控制策略及算法得到了驗證優(yōu)化，在不同工況下得到不同的效果。在油門開度達到50%以上，轉(zhuǎn)場行駛工況下較低車速就可以實現(xiàn)自動升檔，充分發(fā)揮了整車對經(jīng)濟性需求的優(yōu)勢。同樣油門開度下，鏟掘作業(yè)工況下車速較高才實現(xiàn)自動升檔，充分保證了整車對動力性的需求?；诓煌r下的綜合控制策略在實際控制試驗中達到了良好的控制效果，減小了升檔過程的換檔沖擊，極大地提高了車輛的換檔品質(zhì)和效率。

3.2 動力換檔過程驗證

輪式裝載機在自動模式下，為了驗證換檔控制邏輯和離合器工作狀態(tài)是否符合設計要求，在試驗場地上進行了N-1-2-3-4和4-3-2-1-N的轉(zhuǎn)場工況循環(huán)換檔測試，并用Vector CANape全程實時采集各離合器的油壓變化、車速、油門開度等曲線，進一步分析整車動力換檔的合理性。

圖19和圖20分別為空檔（N）升1檔和3升4檔的離合器壓力變化曲線。由圖19和圖20試驗曲線可以看出，本文設計的電控系統(tǒng)軟硬件可實現(xiàn)對自動變速箱的綜合控制，TCU控制器可正常工作，電磁閥的開和關(guān)滿足邏輯要求。整車可按照標定后的換檔策略在多種道路上準確無誤地進行選換檔，上坡不存在換檔循環(huán)，下坡也沒有出現(xiàn)升檔的情況。由于采用電磁閥占空比控制，使得油壓在上升過程中存在緩沖過程，大大減小了換檔時的沖擊，使換檔過程平穩(wěn)，無動力中斷。

圖20 3升4檔離合器油壓曲線

4 結(jié) 語

本文基于輪式裝載機平臺對自動變速器電控系統(tǒng)進行設計，基于整車機-電-液系統(tǒng)原理完成了整車自動變速電控系統(tǒng)的方案設計，為進一步軟硬件設計奠定技術(shù)基礎。

考慮裝載機使用工況特點，開發(fā)了裝載機自動變速器電控系統(tǒng)的核心部件TCU，基于功能模塊設計了TCU的硬件電路，提出了基于模塊化結(jié)構(gòu)的軟件設計思想。以提升整車的動力性和經(jīng)濟性為出發(fā)點，基于不同工況下設計了不同的理論換檔規(guī)律，針對主要循環(huán)作業(yè)功能和運輸轉(zhuǎn)場工況制定了裝載機的綜合換檔策略，完成了電控系統(tǒng)的軟硬件設計。

通過整車道路試驗進一步驗證了控制系統(tǒng)軟件、硬件方案的可行性，優(yōu)化了不同工況下的整車換擋規(guī)律參數(shù)，完善了軟件的控制策略，優(yōu)化了控制算法。試驗結(jié)果表明，該車的電控系統(tǒng)可以有效地完成整車對不同工況需求的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，整車的換擋品質(zhì)和工作效率得到了提升，減輕了駕駛員的操作強度。

圖19 N升1檔離合器油壓曲線