自動變速器電磁閥液壓測試的數據采集系統(tǒng)設計

楊利州 譚光興 鐘耀文 楊敘

1.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州 545000；2.廣州花都全球自動變速箱有限公司，廣東廣州 510000

0 前言

從第一臺自動變速器誕生至今，自動變速器技術一直在改進和發(fā)展[1]。自動變速器的內部構造非常復雜，如果變速器出現(xiàn)了故障，維修的困難程度很大，而換新設備的價格也非常昂貴，所以變速器的維修一直是需要克服的難題[2]。電磁閥是自動變速器的核心零部件之一，很多變速器的故障都與電磁閥有關[3]，所以在變速器的維修過程中，對電磁閥的檢測就會顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的電磁閥檢測設備自動化程度低，并且檢測設備成本高[4]，檢測方法主要是工作人員根據經驗總結對可能出現(xiàn)的問題進行判斷維修，或者用同類型的電磁閥進行替換。目前，電磁閥主要來自進口，購買的價格比較昂貴，如果在維修的過程中判斷錯誤，那么很可能會帶來高額的成本。

現(xiàn)在出現(xiàn)的自動變速器電磁閥檢測系統(tǒng)利用系統(tǒng)控制和數字信號處理等理論作為基礎，并結合相關的傳感器和通訊等技術[5]，能夠實時地對電磁閥的性能進行快速及準確地檢測，這樣不僅降低了工作人員對變速器的維修難度，還提高了對問題診斷的準確性，延長了變速器的使用壽命，減少了資源的浪費。

現(xiàn)在對自動變速器電磁閥檢測系統(tǒng)的研究越來越廣泛，在此背景下，設計了一個能夠穩(wěn)定輸出并實時采集壓力信號的數據采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計

自動變速器電磁閥液壓測試的數據采集系統(tǒng)主要包括4部分的硬件電路，分別是保護電路、電機驅動電路、電磁閥液壓系統(tǒng)電路和數據采集電路。

1.1 保護電路

實驗過程中，人身安全是第一位的，所以保護電路中接入了漏電斷路器，它能夠在人觸電的時候迅速切斷電源，保障人身安全。在設備調試和實驗的過程中，需要頻繁地啟動硬件電路的電源，所以需要在電路中接入交流接觸器，它能夠實現(xiàn)遠距離頻繁地控制交流電動機的啟停。保護電路如圖1所示。

1.2 電機驅動電路

電機是由變頻器進行驅動的，變頻器能夠將交流電變?yōu)轭l率可調的三相交流電。它的操作面板上有按鍵和顯示屏，通過按鍵能夠進行運行操作或者功能設置，顯示屏能夠顯示運行狀態(tài)數據和各種參數。電機驅動電路如圖2所示。

1.3 電磁閥液壓系統(tǒng)電路

電磁閥液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。圖中以電機為驅動，使得油箱里的液壓油經過液壓泵加壓后流向直動溢流閥，再經過直動溢流閥定壓溢流之后流向壓力調節(jié)閥，在這里可以通過外接穩(wěn)壓電源來對流過壓力調節(jié)閥的電流進行調節(jié)，以此達到調節(jié)其輸出端壓力大小的作用。在工裝臺的正確位置裝入被測試的電磁閥，在其入口處和出口處分別接有壓力傳感器，油液最后經過壓力傳感器流回到油箱中，形成一個完整的回路。

1.4 數據采集電路

實驗中，利用數據采集卡來對壓力和電流等信號進行采集，并通過串口通信將處理后的結果傳輸到上位機軟件上進行波形顯示與數據存儲。數據采集電路如圖4所示。

2 卡爾曼濾波

實驗中測得的數據在采集過程中會有很多的噪聲和誤差，所以選擇卡爾曼濾波算法來對數據進行濾波處理，使得數據更加接近真實值。

卡爾曼濾波算法是由KALMAN R E等人[6]在1960年提出的，它主要進行兩個過程，首先，對系統(tǒng)進行預測，包括狀態(tài)預測和誤差協(xié)方差預測，然后，根據觀測值和預測值對系統(tǒng)的狀態(tài)進行更新，包括濾波增益、后驗估計值和誤差協(xié)方差更新。

算法的具體步驟如下[7]：

狀態(tài)預測：

A——系統(tǒng)的矩陣；

B——輸入矩陣；

uk-1——k-1時刻的輸入；

wk——量測高斯白噪聲。

誤差協(xié)方差預測：

Q——過程噪聲協(xié)方差矩陣。

濾波增益：

其中，Kk——濾波增益矩陣；

H——狀態(tài)變量的雅克比矩陣；

R——測量噪聲協(xié)方差矩陣。

后驗估計值：

其中，Zk——k時刻的量測輸出變量；

誤差協(xié)方差更新：

其中，I——單位向量。

3 實驗數據分析

因為圖3中壓力調節(jié)閥的輸出端壓力可視為液壓系統(tǒng)的壓力，所以，通過對壓力調節(jié)閥的輸出端壓力進行采集，可以分析自動變速器電磁閥液壓測試數據采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。液壓系統(tǒng)主要器件實物如圖5所示，實驗中用到的待測電磁閥如圖6所示，待測電磁閥安裝位置的工裝臺如圖7所示。

3.1 數據采集系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

因為被測件的要求，并通過實驗驗證，需要把圖3中壓力調節(jié)閥的輸入端壓力設為0.9 MPa左右，因為在這個壓力值下壓力曲線波動比較小，測量的壓力更加穩(wěn)定，實驗結果更加準確。壓力調節(jié)閥的實物安裝位置如圖8所示。

具體操作步驟是通過調節(jié)變頻器使機械壓力表上的壓力值在0.9 MPa左右，用壓力傳感器采集壓力調節(jié)閥的輸出端壓力，連續(xù)采樣12小時，并通過串口通信將采集到的數據傳輸到上位機。用卡爾曼濾波算法對采集的壓力數據進行濾波處理，得出壓力調節(jié)閥輸出端的壓力變化曲線，如圖9所示。

從圖9可以得出，變速箱在接通電源開始運行的時候，壓力調節(jié)閥輸出端壓力會出現(xiàn)衰減的趨勢，這可能和圖3油箱中油的溫度有關，因為隨著變速箱運行時間的增加，油箱中的油溫會有所提升。剛開始，油的溫度比較低，在啟動變速箱之后，油溫增加的會比較快，所以壓力值衰減的速率比較大。但是，當運行一段時間之后，油溫增加的越來越緩慢，這就會使得壓力曲線逐漸趨于平緩，壓力值穩(wěn)定在0.76 MPa左右。由此對設計的自動變速器電磁閥液壓測試的數據采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了證明。

3.2 數據采集系統(tǒng)可控性分析

實驗用到多項式擬合的方法來得到圖3中壓力調節(jié)閥輸出端壓力與流過其電流的P-I曲線，從而建立壓力與電流的數學關系式，以此來對自動變速器電磁閥液壓測試的數據采集系統(tǒng)的可控性進行分析。

調節(jié)變頻器，使得壓力調節(jié)閥的輸入端壓力在0.9 MPa左右，用壓力傳感器采集圖3中壓力調節(jié)閥的輸出端壓力，并通過串口通信將采集到的數據傳輸到上位機，期間會通過穩(wěn)壓電源每隔5 min以10 mA為單位調節(jié)一次流過壓力調節(jié)閥的電流，電流調節(jié)范圍是0～1 A。用卡爾曼濾波算法對采集的壓力數據進行濾波處理，得出壓力調節(jié)閥輸出端的壓力變化曲線，如圖10所示。

每個電流值對應52,760個左右采樣點，從圖10可以得出，隨著流過圖3中壓力調節(jié)閥的電流不斷增大，其輸出端壓力逐漸減小，最后電流在0.6 A的時候，壓力穩(wěn)定在0.0023 MPa左右。這說明，流過壓力調節(jié)閥電流的調節(jié)范圍是0～0.6 A。

用每個電流值下的壓力數據分別繪制曲線，然后在每個曲線上取3個點，其他曲線對應采樣點處同樣取點，一個采樣點處不同電流下的壓力值為一組數據，共3組。因為在0.6 A往后，流過壓力調節(jié)閥電流值的改變對其輸出端的壓力幾乎沒有影響，所以每組數據從0.01 A取值到0.6 A，為60個點，3組數據總共180個點。對這3組數據分別進行多項式擬合，得到壓力調節(jié)閥輸出端壓力與流過其電流的P-I曲線和數學關系式。

第1組數據壓力與電流的P-I曲線如圖11所示。

第1組數據壓力與電流的數學關系式為：

第2組數據壓力與電流的P-I曲線如圖12所示。

第2組數據壓力與電流的數學關系式為：

第3組數據壓力與電流的P-I曲線如圖13所示。

第3組數據壓力與電流的數學關系式為：

因為流過壓力調節(jié)閥電流在0.58 A往后，壓力的擬合值小于0，所以每組數據從0.01 A取值到0.58 A，求得壓力調節(jié)閥輸出端壓力的卡爾曼估計值與多項式擬合值的標準差如表1所示。

表1 卡爾曼估計值與擬合值的標準差

通過對3組數據的擬合結果分析可知，3組壓力數據的卡爾曼估計值與擬合值的標準差都在0.0315左右，在可接受的范圍之內，并且通過P-I曲線得出了3組數據的壓力與電流的數學關系式。由此可知，通過穩(wěn)壓電源改變流過壓力調節(jié)閥的電流能夠穩(wěn)定地改變其輸出端壓力，也就是液壓系統(tǒng)的壓力，證明了自動變速器電磁閥液壓測試數據采集系統(tǒng)的可控性以及控制穩(wěn)定性。

4 結論

實驗在液壓系統(tǒng)的基礎上增加了外部硬件電路，從而完成了對數據采集系統(tǒng)的設計，并且通過實驗證明了系統(tǒng)能夠利用壓力調節(jié)閥產生比較穩(wěn)定的壓力信號，同時也能利用外接電源對其進行穩(wěn)定的控制。后期還可以在此基礎上增加其他的控制模塊，使得系統(tǒng)具備更多的功能和為電磁閥模擬更多的工作環(huán)境。