華鉅富，朱玉田，劉　釗

(同濟大學機械與能源工程學院，上海　201804)

0　引言

工程機械駕駛人員的操作舒適性越來越被重視，電液換擋操控系統(tǒng)的采用給換擋品質(zhì)的提高提供了較多技術手段與方法[1]。

在電液換擋操控系統(tǒng)的開發(fā)研制過程中，換擋決策邏輯、換擋執(zhí)行機構正確與否、換擋過程離合器油壓變化是否符合預先設定的規(guī)律[2]，都須經(jīng)過試驗驗證，才能發(fā)現(xiàn)整個操控系統(tǒng)中存在的問題，為實際應用奠定基礎。

文中針對工程機械電液換擋系統(tǒng)的試驗，開發(fā)了一種便攜式、大存儲量的輔助試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能監(jiān)測顯示各接合元件油溫油壓變化，變速器轉(zhuǎn)速以及換擋沖擊度。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

液力機械傳動控制系統(tǒng)的操控對象涉及到變矩器、變速器等動力傳動部件。通過控制和改變傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，滿足主機的動力性及經(jīng)濟性要求[3]。為獲得理想的扭矩與轉(zhuǎn)速，需對換擋過程離合器、變矩器等的油溫油壓進行精確的控制，同時要求準確測定換擋系統(tǒng)的沖擊度，以便為換擋品質(zhì)的改善提供數(shù)據(jù)支持。

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理板、DSP系統(tǒng)板、電源管理板、鋰電池以及WIFI模塊組成。加速度傳感器選用MMA7260三軸MEMS傳感器，油壓、油溫、轉(zhuǎn)速以及加速度信號經(jīng)調(diào)理電路后至DSP單元進行處理。DSP單元通過串口或無線WIFI與上位機分析軟件進行數(shù)據(jù)交換。上位機分析軟件基于LabVIEW和Matlab構建。系統(tǒng)采用24 V鋰電池供電，經(jīng)電源管理板后分別為傳感器、信號調(diào)理板和DSP供電。

圖1　系統(tǒng)原理

2　硬件設計

2．1DSP

選定TMS320F28335為采集系統(tǒng)的DSP。該型號DSP具有高性能的32位浮點CPU，主頻達150 MHz，內(nèi)核電壓為1.9 V，I/O引腳電壓為3.3 V，支持C++和匯編語言編程。片上外設資源有3個 32位定時器，2路CAN通道，3路SCI通道，2路多通道緩沖串口接口McBSP通道，1路SPI通道，16通道的12位ADC和2個采樣保持器等。

系統(tǒng)電路板由DSP核心板和信號調(diào)理板以及電源管理板組成。DSP核心板包括DSP最小系統(tǒng)、外擴SRAM以及外擴引腳。外擴SRAM電路用于試驗數(shù)據(jù)緩存，每次試驗結束后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至外擴SD卡中，同時，DSP通過WIFI或串口線將SD卡數(shù)據(jù)發(fā)送給便攜式PC機。

2．2傳感器

監(jiān)測各接合元件的油壓變化需進行多通道的油壓數(shù)據(jù)采集。油壓傳感器選用P51擴散硅壓力變送器，輸入電壓為24 V，輸出為4～20 mA的電流信號，壓力測量范圍為0～60 MPa．油壓傳感器的輸出為電流信號，在濾波電路之前需采樣電阻對信號進行采樣。

裝載機的工況復雜，影響換擋品質(zhì)的因素很多，因此，換擋品質(zhì)的評價也很復雜，一般采用車輛沖擊度作為換擋品質(zhì)的評價指標。車輛沖擊度的公式為：

(1)

式中：j為沖擊度；v為速度；a為加速度；rd為車輪半徑；ω為變速器輸出軸角速度；i0為驅(qū)動橋傳動比；Tout為變速器輸出扭矩；J0為變速器輸出軸固連構件的等效轉(zhuǎn)動慣量。

沖擊度是車輛加速度的變化率，可以很好地反映換擋過程的動力學本質(zhì)[4]。基于MEMS技術的三軸加速度傳感器可以精確檢測工程機械在運行過程中的運動加速度和振動加速度[5]，結合變速器角速度，輸出扭矩等其他參數(shù)可對換擋品質(zhì)參數(shù)進行詳細分析，為TCU換擋控制策略的改善提供精確數(shù)據(jù)。

測試換擋沖擊系統(tǒng)的傳感單元由MMA7260QT型三軸加速度傳感器和外圍元件組成。該傳感器有±1.5g和±6g兩種不同量程可選。系統(tǒng)選擇±6g量程，靈敏度為206 mV/g．其中X，Y方向帶寬響應頻率為400 Hz，Z方向為300 Hz．傳感器固接于信號調(diào)理板上，輸出的三軸模擬電壓信號X，Y和Z被送至調(diào)理電路。

2．3信號調(diào)理板

所設計的加速度傳感器接口電路的輸出信號為0～5 V．對于油壓傳感器，輸入為4～20 mA的電流信號，在信號輸入端加上100 Ω的采樣電阻。所有傳感器的信號無需放大電路便可直接接入濾波電路。

圖2為自主開發(fā)的信號調(diào)理板，主要由時鐘信號發(fā)生器、濾波電路、跟隨器、運算放大器等組成。來自傳感器的加速度和油壓信號經(jīng)運放進行幅值變換后輸入至濾波電路。濾波電路需按不同的截止頻率對信號進行濾波處理，因此隨車裝置中濾波器的時鐘頻率需軟件可控，此處選用LTC6904型可編程振動器作為時鐘信號發(fā)生器。最后經(jīng)多路跟隨器進行隔離和阻抗變換后輸入至DSP。

圖2　信號調(diào)理板示意圖

轉(zhuǎn)速傳感器為磁電式傳感器，輸出信號波形為尖峰脈沖，需經(jīng)整形處理成方波信號。轉(zhuǎn)速調(diào)理電路如圖3所示，以LM293D運放構成滯回電壓比較器，電壓基準為2.5 V．轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過一階RC濾波，進行電壓比較后成方波信號至DSP計數(shù)口。

圖3　轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路

2．4巴特沃斯濾波

信號濾波電路如圖4所示。LTC6904是數(shù)字式頻率發(fā)生源，可輸出1 kHz～68 MHz方波，LTC6904通過I2C總線與DSP連接，DSP通過軟件設置振蕩器的輸出頻率f，該頻率f作為抗混疊濾波器MAX291的輸入時鐘，以設置濾波器截止頻率。其輸出時鐘頻率由式(2)決定：

(2)

式中：DAC為串口寄存器位[9：0]所代表的0～1 023之間的整數(shù)值；OCT為串口寄存器位[3：0]所代表的0～15之間的整數(shù)值。

根據(jù)頻率f由以下兩式計算DAC和OCT的值：

(3)

(4)

傳感器信號經(jīng)八階巴特沃斯濾波得到期望的濾波結果，并經(jīng)二階濾波消除信號中夾雜的時鐘頻率成分。濾波后信號接入DSP的ADC端口，由于振蕩器、濾波器、傳感器電壓上限值均為5 V，而DSP的ADC端口電壓上限值為3.3 V，因此在輸入DSP前須進行3.3 V電壓限幅[6]。

DSP通過ADC模塊對傳感器輸出信號執(zhí)行信號順序采樣。F28335有2個ADC模塊，其中3路加速度傳感器信號和3路預留傳感器通道配置至ADC的A模塊，4路油壓和2路油溫傳感器輸入至ADC的B模塊。

圖4　信號濾波電路

MAX291是由開關電容濾波器構成的八階巴特沃斯低通濾波器。相比切比雪夫濾波器和橢圓濾波器，巴特沃斯濾波器的肩特性較為平緩，但通頻帶的相位特性平坦，適用于要求失真小的傳送波形的場合[7]。

MAX291內(nèi)部有一個運算放大器，可構成模擬多重反饋型二次有源低通濾波器，對濾波過程摻雜的時鐘信號進行過濾。

2．5SD卡存儲

為連續(xù)存儲多次換擋過程的油壓油溫和加速度數(shù)據(jù)，采集盒的數(shù)據(jù)存儲單元應具有較大的存儲容量，較快的數(shù)據(jù)讀寫速度，和較好的抗沖擊性，故選用SD卡作為外部數(shù)據(jù)存儲設備。SD卡有SD總線和SPI總線2種連接模式。SD總線模式采用4線并行傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高，但傳輸協(xié)議復雜，軟件模擬比較繁瑣；SPI總線模式傳輸協(xié)議簡單，易于實現(xiàn)，可以利用TMS320F28335的SPI總線與SD卡通信?？紤]到DSP的SPI總線用于WIFI數(shù)據(jù)傳輸專線，故此處采用McBSP總線替代，如前所述，McBSPA總線已配置為SPI總線使用，此處SD接口電路和語音模塊一同連接至McBSPA總線上。

2．6WIFI通信模塊

設計中，DSP利用WIFI模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。工業(yè)級SPI接口WIFI模塊EMW3140，其支持802.11 b/g/n標準，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和WIFI通信驅(qū)動。

DSP通過SPI總線與WIFI模塊進行雙向數(shù)據(jù)通信，通過普通GPIO口加反相器驅(qū)動來控制WIFI模塊的復位和工作模式切換：Wakeup產(chǎn)生下降沿使模塊進入休眠狀態(tài)，上升沿使模塊進入正常工作狀態(tài)。通過INT和RECV引腳連接，DSP可即時被通知WIFI模塊的狀態(tài)。

2．7CAN接口

設計中，配置CAN模塊，用于對采集盒本身的故障進行自診斷或留作通信口，選用TJA1050芯片作為CAN總線收發(fā)器。DSP的eCAN模塊是新一代32位高級CAN控制器，它完全兼容CAN2．0B協(xié)議，可以在有干擾的環(huán)境里使用上述協(xié)議與其他控制器串行通信。當采集系統(tǒng)本身發(fā)生故障時，外部診斷機可以通過CAN總線與采集盒進行通信，通過讀取相應寄存器的狀態(tài)來檢查DSP的通訊狀態(tài)或錯誤。此外，通過DSP的JTAG模塊也可實現(xiàn)該功能。

2．8電源管理

隨車裝置中存在24 V、5 V、3.3 V、1.9 V等多種形式電源，其中，3.3 V和1.9 V分別有數(shù)字式和模擬式2種。電源管理系統(tǒng)提供隨車裝置各模塊工作所需電源。選用LM2596型開關電壓調(diào)節(jié)器作為12 V轉(zhuǎn)5 V和12 V轉(zhuǎn)3.3 V的穩(wěn)壓器件。選用TPS73HD318型雙輸出線性電壓調(diào)節(jié)器作為5 V轉(zhuǎn)3.3 V和1.9 V的穩(wěn)壓器件。該器件還提供上電復位引腳，此處配合DSP使用，可作為DSP的上電復位信號。

3　軟件設計

3．1DSP程序流程

DSP程序采用匯編和C混合語言開發(fā)，如圖5所示。

圖5　DSP程序流程

3．2數(shù)據(jù)傳輸

采集系統(tǒng)和上位機之間通過WIFI模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)格式為二進制，程序流程如圖6所示。上位機分析軟件如圖7所示。采用LabVIEW構建，在LabVEIW調(diào)用TCP/IP模塊來構建無線通信程序，其中上位機設置為Server，開啟TCP/IP偵聽，DSP為Client，功能為打開TCP/IP。其中Server和Client的端口號應設置一樣。

圖6　無線通信程序流程

圖7　上位機分析程序流程圖

3．3數(shù)據(jù)顯示和分析

上位機分析軟件基于LabVIEW虛擬儀器構建，主界面為數(shù)據(jù)顯示和分析界面，可顯示采集的油溫、油壓、加速度以及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，便于觀測信號總體走勢和具體時刻的幅值。可選擇X軸、Y軸縮放、平移、對焦等工具對波形局部分析，可選擇游標工具進行特定點的數(shù)值分析[8]。

程序設計時綜合應用了循環(huán)、Case、順序、移位寄存器、定時等多種數(shù)據(jù)結構以及數(shù)組、簇、錯誤簇等復合數(shù)據(jù)形式。

4　試驗結果

電液換擋試驗系統(tǒng)由變速器控制單元(TCU)、檔位選擇器、傳感器、主機電路、液壓動力換擋系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖8所示。

圖8　試驗系統(tǒng)

在電液換擋系統(tǒng)聯(lián)合臺架試驗時，得到的其中一個通道油壓及加速度信號如圖9所示。利用分析工具可以精確地測量油壓的變化值及間隔時間，以及由于油壓變化而引起的換擋系統(tǒng)的動力沖擊。該分析軟件還能在多種模式下比較分析各通道的指標數(shù)據(jù)，通過通道切換可以顯示各通道的油溫、油壓、轉(zhuǎn)速及加速度信號，便于分析換擋系統(tǒng)各結合部件的狀態(tài)和性能。具有友好直觀的界面，功能強大。

圖9　上位機分析界面

5　結束語

基于臺架試驗結論，該工程機械電液換擋系統(tǒng)性能優(yōu)良。多通道油溫油壓轉(zhuǎn)速及沖擊加速度信號采集系統(tǒng)結合了MEMS傳感器、DSP數(shù)據(jù)處理單元和LabVIEW虛擬軟件的優(yōu)勢。通過臺架試驗證明該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實用性。

參考文獻：

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