手動檔動力傳動系統(tǒng)試驗測試中的換檔自動化設(shè)計

吳亞渝，鄭 建，孟 勇，符 亭，趙江波，羅 小

(重慶鐵馬工業(yè)集團有限公司，重慶 400050)

動力傳動系統(tǒng)是輪式車輛動力的核心關(guān)鍵部件，其工作正常性與可靠性決定了整車的運行性能。動力傳動系統(tǒng)由發(fā)動機、變速箱、液壓、電器、控制器等部件構(gòu)成，各部件的功能性能、部件裝配過程中的人為因素等，都會影響傳動系統(tǒng)的工作可靠性[1]；另外，當(dāng)車輛在非結(jié)構(gòu)化的越野地形下行駛時，會受到振動、高溫、濕熱等因素的影響，從而影響動力傳動系統(tǒng)的可靠性。動力傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在正常工作時需要和外部的油、水、電系統(tǒng)連接，在整車動力艙的裝配非常復(fù)雜，一旦在車輛裝配完成后出現(xiàn)問題，需要繁瑣的工序進行吊艙檢查[2]。因此，在裝車前對動力傳動系統(tǒng)進行功能及性能測試十分有必要[3]。

在目前生產(chǎn)的車輛中，有相當(dāng)一部分是手動檔操作，相比自動檔車輛，手動檔動力傳動系統(tǒng)在裝車前的臺架試驗測試中，需要測試人員在傳動系統(tǒng)旁邊人工操控離合器并切換檔位，以檢查系統(tǒng)的工作正常性及可靠性。尤其是可靠性檢查中，需要試驗人員重復(fù)不斷地進行踩離合、選檔、換檔操作，不僅測試效率低且工作量繁重[4]；而且在人工操控過程中，無法準(zhǔn)確測得選檔、換檔的操縱力，僅憑測試人員的直觀感受進行檔位操控順暢性的判斷，測試結(jié)果不具備客觀性和一致性。

為解決手動檔動力傳動系統(tǒng)臺架試驗測試中存在的上述問題，提高測試效率及準(zhǔn)確性，不少試驗測試機構(gòu)都提出了自己的方案，如兵器201所設(shè)計了一種多檔位自動操縱機構(gòu)，機構(gòu)末端直接和換檔手柄進行連接，機構(gòu)具有空間X、Y、Z等3個自由度的運動，可以實現(xiàn)換檔手柄的選檔與換檔操縱，但是該機構(gòu)不能測量換檔與選檔力[5]；北汽新能源則設(shè)計了一款專用的操縱機器人，但是該機器人是用于車輛裝配完成后的操縱測試，需要安裝到駕駛?cè)斯の簧线M行測試[6]。

綜合現(xiàn)有的研究情況，本文設(shè)計了一種離合、換檔自動操縱機構(gòu)，并提出一種自動操縱機構(gòu)學(xué)習(xí)控制策略。主要從傳動操縱機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，提出驅(qū)動電流與機構(gòu)輸出力數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)機構(gòu)輸出力的檢測。同時，為避免輸出力對被測試產(chǎn)品造成機械上的損傷，提出一種基于位置的阻抗控制策略，實現(xiàn)電動缸柔順控制。并基于知識數(shù)據(jù)庫，提出一種自動操縱機構(gòu)學(xué)習(xí)控制策略，實現(xiàn)檔位的自動操縱控制。實際試驗測試表明，在手動檔動力傳動系統(tǒng)在裝車前的臺架試驗中，該操縱機構(gòu)在實現(xiàn)自動操縱離合、換檔的基礎(chǔ)上能夠準(zhǔn)確地測得換檔及選檔的操縱力，能在一定程度上提高測試效率及準(zhǔn)確性。

1 操縱機構(gòu)設(shè)計

手動檔動力傳動系統(tǒng)操縱機構(gòu)一共需要3個自由度，分別是選檔操縱自由度、換檔操縱自由度、離合操縱自由度。各個自由度的執(zhí)行機構(gòu)分別為一個帶有力傳感器的電動缸[7]。為了簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文設(shè)計的操縱機構(gòu)未另外安裝力傳感器。其實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 操縱機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

從圖1可以看出，3個操縱自由度之間沒有任何機械耦合。該操縱機構(gòu)以電動缸為驅(qū)動機構(gòu)，電動缸由交流伺服電動機驅(qū)動，通過絲桿將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成電動缸桿的直線運動，進而拉動軟軸或推動離合腳踏板。

其中，每一個電動缸都配置一個驅(qū)動控制器，該驅(qū)動控制器接收測試裝置發(fā)送的動作指令(伸出或縮回一定的位移)，然后控制電動缸上的交流伺服電動機轉(zhuǎn)動，在每一個電動缸的后端都集成了一個角位移傳感器，可以測得電動缸在拉軟軸或壓下離合器踏板時電動機轉(zhuǎn)過的角度，然后再根據(jù)電動缸絲桿的螺距，可以將電動機的角度轉(zhuǎn)換成電動缸桿的位移。

對于檔位的操縱而言，該機構(gòu)直接操縱軟軸而不是換檔手柄，其優(yōu)點是實現(xiàn)了換檔與選檔2個操縱機構(gòu)的解耦，二者不存在機械耦合，且該執(zhí)行機構(gòu)上自帶有力傳感器，可以直接測量操縱軟軸的力，再通過換檔手柄的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以將該操縱力換算到手柄的操縱力。

2 基于電動機驅(qū)動電流的電動缸輸出力檢測

由于本文設(shè)計的操縱機構(gòu)是直接采用電動機驅(qū)動電流來計算電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，進而只需要根據(jù)傳動鏈關(guān)系計算出電動缸的輸出，即可實現(xiàn)輸出力檢測。

電動機驅(qū)動一般采用PWM方式控制，驅(qū)動電流存在大量的高次諧波干擾，使得電流數(shù)據(jù)無法直接使用，必須對其進行去噪濾波處理[8]。在d-q坐標(biāo)系下，伺服電動機的轉(zhuǎn)矩方程為：

(1)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電動機極對數(shù)；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ld、Lq分別為電動機d-q軸電感；id、iq別為電動機d-q軸電流。

對于中小功率的伺服電動機，多采用id=0的矢量控制策略，此時轉(zhuǎn)矩方程(式1)可簡化為：

(2)

即電動機的輸出轉(zhuǎn)矩只與電流iq相關(guān)，也就是說只需要通過Park變換，將電動機的三相電流從a-b-c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為d-q坐標(biāo)系中，然后對電流iq進行濾波處理即可，而無需對電動機的每一相驅(qū)動電流都分別進行濾波。

電動機的q軸電流iq可以表示為：

(3)

可見，電流iq除了包含有直流分量iq1外，還包含有幅值為I5及I7的6次諧波分量。

圖2 自適應(yīng)FIR濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器的輸出為：

(4)

式中，W(n)=[w(n),w(n-1),...,w(n-N+1)]為FIR濾波器的參數(shù)。圖2中參數(shù)自適應(yīng)模塊的作用是自動調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)W(n)，以取得優(yōu)化的濾波效果。

電動機的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)過絲杠螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)的輸出力，而電動機的輸出轉(zhuǎn)矩又由電動機的驅(qū)動電流決定，所以進行電動機驅(qū)動電流與執(zhí)行機構(gòu)輸出力的轉(zhuǎn)換可通過如下方式實現(xiàn)。

步驟1：電動機驅(qū)動電流與輸出轉(zhuǎn)矩的建模。

Te=Keiq

(5)

式中，系數(shù)Ke由電動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，一般為常量。

步驟2：電動機輸出轉(zhuǎn)矩與執(zhí)行機構(gòu)輸出的建模。

電動機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

(6)

式中，J為電動機轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動慣量；B為電動機的粘滯摩擦因數(shù)；Fl為執(zhí)行機構(gòu)的輸出力；Kf為力與電動機軸轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換系數(shù)；fl為執(zhí)行機構(gòu)傳動鏈中存在的非線性摩擦力。聯(lián)立式5和式6即可獲得電動機驅(qū)動電流iq與執(zhí)行機構(gòu)輸出力Fl之間的動態(tài)關(guān)系為：

(7)

式中，Kf與執(zhí)行機構(gòu)的傳動鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)，是一個確定性參數(shù)；J與負載的結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)量相關(guān)，也可以精確計算得到；在非線性摩擦fl中也包含了與速度相關(guān)的粘滯摩擦，因此可將式7中的Bω項隱去，而統(tǒng)一到fl中，故而只需要處理參數(shù)fl即可。一般摩擦力可通過金屬之間的滾動摩擦經(jīng)驗系數(shù)進行確定。當(dāng)電流iq已知后，還需要確定參數(shù)Ke、Kf、J、B、fl，才可以計算得到Fl。

3 一種電動缸力/位移的柔順操縱控制方法

電動缸是動力傳動系統(tǒng)的重要執(zhí)行機構(gòu)，當(dāng)電動缸按照傳統(tǒng)方式拉動軟軸或推動離合器踏板時，會造成動力傳動系統(tǒng)的機構(gòu)卡滯，進而導(dǎo)致運動受限[9]。在自動換檔過程中，由電動缸拉動軟軸，控制軟軸的位移實現(xiàn)換檔和選檔。在控制過程中，既要精準(zhǔn)控制軟軸產(chǎn)生一定的位移，又不能產(chǎn)生劇烈的力沖擊，對換檔機構(gòu)造成破壞。因此，設(shè)計了一種電動缸執(zhí)行機構(gòu)的力/位移雙閉環(huán)的阻抗控制策略，提出一種電動缸利用力/位移柔順控制方式實現(xiàn)上述目標(biāo)。其柔順操縱控制框架如圖3所示。

圖3 具有逆動力學(xué)前饋的力/位移復(fù)合柔順控制框架

執(zhí)行器的位置控制指令是由阻抗模型輸出的位置修正位移添加到參考位移Xr中得到，當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)與軟軸間的拉力很小時，二者的作用力近似為零，阻抗模型產(chǎn)生的位置修正量也近似為零；當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)與軟軸間的拉力很大時，則會產(chǎn)生較大的修正指令，減緩電動缸的運動，使其變得更為柔和[10]。當(dāng)軟軸接近所需的換檔及選檔位置時，電動缸的力會逐漸減小，從而電動缸繼續(xù)帶動軟軸運動至所需位置。

通過上述策略可以實現(xiàn)軟軸的精確位移控制，進而平順地實現(xiàn)準(zhǔn)確的換檔與選檔。在圖3所示的控制框架中，虛框內(nèi)部分為電動機電流環(huán)和執(zhí)行機構(gòu)輸出力一體化控制器，該部分功能由電動機驅(qū)動器實現(xiàn)，不再贅述。

力控制器的參考輸入Fr是該控制框架的關(guān)鍵，其由3部分組成：

Fr=Fr1+Fr2+Fr3

(8)

在圖3所示的控制框架中，位置環(huán)控制器的作用是確保執(zhí)行機構(gòu)能夠按照期望的軌跡進行運動。該控制器的算法設(shè)計也至關(guān)重要，本文中設(shè)計了分數(shù)階PD控制器實現(xiàn)位置控制。

考慮到位置環(huán)控制器最終的控制對象也是伺服電動機，而電動執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型可建立為分數(shù)階系統(tǒng)。因此本文中，將位置環(huán)控制器設(shè)計為分數(shù)階PD控制器，其數(shù)學(xué)描述為：

Gp(s)=kpp+kdpsμp(μp>0)

(9)

式中，kpp、kdp分別為比例和微分項的系數(shù)；μp為微分項的階次。整數(shù)解的微積分由于具有明確的物理含義，很容易在數(shù)字控制器中進行離散化實現(xiàn)，但是對于非整數(shù)階次微積分，由于物理含義不明顯，其數(shù)字實現(xiàn)成為了應(yīng)用該控制算法需要解決的問題，本文采用了應(yīng)用最為廣泛的Oustaloup方法進行數(shù)字實現(xiàn)。

4 基于知識數(shù)據(jù)庫的自動換檔操縱實現(xiàn)

前述研究工作主要解決的每一個電動缸的精確位移控制策略以及軟軸或腳踏板位移及驅(qū)動力的檢測問題。對于自動換檔機構(gòu)的實現(xiàn)，重點還在于其控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力[11]。在實際的試驗測試中，還需要根據(jù)被試產(chǎn)品的具體指標(biāo)，確定每一個檔位操縱下，選檔及換檔軟軸對應(yīng)的位移，以及離合腳踏板需要的位移；另外這3個動作的執(zhí)行還有一定的時序關(guān)系。為此本文結(jié)合實際測試需求，提出了一種基于知識數(shù)據(jù)庫的自動換檔操縱實現(xiàn)方案。簡要功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動換檔簡要功能架構(gòu)

該方案的核心在于要根據(jù)實際產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)建立一個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫存儲的信息包括被試產(chǎn)品型號、檔位數(shù)量、自動尋檔控制策略、每一檔位對應(yīng)的換檔軟軸的位移、選檔軟軸位移、離合踏板位移、最大操縱力。將數(shù)據(jù)庫作為測試系統(tǒng)理論支撐，進行試驗時，測試人員只需要輸入被試產(chǎn)品的型號，測試系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中尋檔控制策略，控制自動換檔機構(gòu)進行尋檔。尋檔完成后將對應(yīng)檔位的位置/力信息轉(zhuǎn)化成各個電動缸的指令，促使自動換檔操縱機構(gòu)運動，從而實現(xiàn)檔位的自動操縱控制。該方案的成功實施，能夠有效提升測試效率，同時能夠準(zhǔn)確獲得換檔和選檔操縱力，進而科學(xué)地進行檔位操控順暢性判斷。

5 結(jié)語

本文針對手動檔傳動系統(tǒng)在試驗測試中存在的諸多問題，創(chuàng)新設(shè)計了一種自動換檔操縱機構(gòu)。該機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上簡易方便，各機構(gòu)控制程序合理，柔性控制能夠在極大程度上避免對測試產(chǎn)品造成機械損傷，測試系統(tǒng)通過產(chǎn)品型號能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)檔位控制。最終在臺架試驗中測試驗證了該自動換檔機構(gòu)的可行性，結(jié)果表明：其不僅可以實現(xiàn)檔位的自動切換，還可以檢測換檔的操縱力，極大地提高了測試的自動化程度，為后續(xù)進一步提高測試效率和準(zhǔn)確性打下了良好基礎(chǔ)。