徐艷民，許文奎，陳建良

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641；3.廣州孔輝汽車科技有限公司，廣東 廣州 511458)

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基于虛擬儀器的電動(dòng)汽車AMT換檔性能測試系統(tǒng)*

徐艷民1，2，許文奎3，陳建良3

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641；3.廣州孔輝汽車科技有限公司，廣東 廣州 511458)

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(簡稱AMT)用于電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，而兩檔AMT以其低成本優(yōu)勢，在小型純電動(dòng)汽車上得到更多的青睞。為此搭建AMT換檔性能測試測試系統(tǒng)，基于LabVIEW和多線程技術(shù)設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)軟件，對AMT控制器的換檔控制策略及換檔性能進(jìn)行驗(yàn)證和評價(jià)，以加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，推動(dòng)AMT在純電動(dòng)汽車上的推廣應(yīng)用。

電動(dòng)汽車；AMT；換檔性能；測試系統(tǒng)

由于內(nèi)燃機(jī)不能帶載起動(dòng)，低速下無法輸出轉(zhuǎn)矩，高速下最大輸出轉(zhuǎn)矩又急劇下降，因此其可用轉(zhuǎn)速范圍較窄，必須使用離合器和多檔變速器解決上述問題才能使傳統(tǒng)燃油汽車兼顧低速和高速行駛時(shí)對轉(zhuǎn)矩的需求。電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相比，可帶負(fù)載起動(dòng)，在低速甚至起步瞬間都可以輸出很大扭矩，轉(zhuǎn)速范圍也較大，更符合汽車?yán)硐氲尿?qū)動(dòng)特性要求，可將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器直接相連，無需離合器，其倒檔則完全由電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，且因驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身具有調(diào)速作用，所以不需要設(shè)置過多前進(jìn)擋位。對于目前的純電動(dòng)車來說，采用兩檔式變速器完全能滿足電動(dòng)車在城市運(yùn)行情況的需要，而且結(jié)構(gòu)簡單，控制方便[1]。如果增加擋位數(shù)量，則變速器結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜，成本增加的同時(shí)，換擋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、選檔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)以及總布置設(shè)計(jì)等的設(shè)計(jì)難度大大增加。

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission，以下簡稱AMT)在齒輪是機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上加裝電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，搭配合理的換檔控制策略，可獲得優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，而且AMT具有效率高、成本低、易于制造等優(yōu)點(diǎn)[2]，無論是在傳統(tǒng)汽車還是電動(dòng)汽車，均有廣泛應(yīng)用。

換擋過程控制是自動(dòng)變速器的關(guān)鍵技術(shù)，它要求換擋迅速、平穩(wěn)、無沖擊[3]。變速器換擋試驗(yàn)是檢測變速器性能必不可少的流程[4]。搭建兩檔AMT換檔性能測試系統(tǒng)，不僅可以驗(yàn)證AMT控制器的控制策略，而且還可對AMT換檔性能進(jìn)行評價(jià)，繼而為實(shí)車應(yīng)用提供第一手的測試數(shù)據(jù)，加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，對推動(dòng)兩檔AMT在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用起到重要作用。

1　測試系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

所開發(fā)的兩檔AMT換檔性能測試系統(tǒng)利用加載裝置模擬變速器使用環(huán)境，通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量變速器的輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，計(jì)算換檔時(shí)間，分析換檔沖擊、傳動(dòng)效率，同時(shí)還可對變速器進(jìn)行疲勞壽命測試。測試系統(tǒng)將被測兩檔AMT輸入軸經(jīng)由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器連接到與之匹配的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端，輸出軸通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器連接到加載裝置，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、AMT控制器和加載裝置控制器連接到工控機(jī)，構(gòu)成一個(gè)可模擬AMT實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的完整系統(tǒng)。測試系統(tǒng)總體架構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

圖中驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)由轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器連接到AMT的輸入軸，AMT的兩個(gè)輸出軸分別通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器連接到兩邊的加載裝置。AMT控制器、電源管理系統(tǒng)和電機(jī)控制器通過CAN總線連接到工控機(jī)的CAN通訊接口板卡，用于獲取各控制器的輸出參數(shù)和實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電源及加載裝置進(jìn)行控制。通過安裝在工控機(jī)內(nèi)部的多功能數(shù)據(jù)采集板卡采集各傳感器的信號(hào)和控制加載裝置。加速踏板、制動(dòng)踏板、AMT檔位等信號(hào)均由工控機(jī)輸出的模擬信號(hào)代替，以便實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

2　基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1虛擬儀器及LabVIEW圖形化編程環(huán)境

自從虛擬儀器問世以來，工程師們利用軟件不斷的設(shè)計(jì)

出各種試驗(yàn)及控制用儀器，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了產(chǎn)品開發(fā)周期，大大降低了生產(chǎn)成本[5]。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是美國NI公司的LabVIEW[6]。LabVIEW是一種采用圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，被認(rèn)為是數(shù)據(jù)采集和控制的最佳軟件之一[3]，在工業(yè)、學(xué)術(shù)界廣泛用做開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、儀器控制軟件和分析軟件。LabVIEW語言用圖形化編程代替文本編程，其執(zhí)行程序的順序由連接的方框圖之間的數(shù)據(jù)流決定，而不像文本程序受到行順序的約束。如圖2所示為本測試系統(tǒng)變速器輸入扭矩和輸入轉(zhuǎn)速參數(shù)實(shí)時(shí)采集進(jìn)程的程序框圖，程序結(jié)構(gòu)及功能一目了然，直觀易懂。通過采用圖形化編程方法，使用戶從復(fù)雜枯燥無味的文本編程中解放出來，無論是編程過程，或是使用過程，都更加便捷[7]。

圖2　變速器輸入扭矩和輸入轉(zhuǎn)速參數(shù)實(shí)時(shí)采集進(jìn)程

2.2轉(zhuǎn)速同步與檔位判斷

有了變速器的輸入輸出轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出變速器的傳動(dòng)比，根據(jù)傳動(dòng)比變化情況可判斷當(dāng)前變速器的轉(zhuǎn)速同步時(shí)間、換檔是否平順以及換檔策略是否準(zhǔn)確。如圖3為轉(zhuǎn)速同步判斷進(jìn)程，如圖4為檔位判斷進(jìn)程。

圖3　轉(zhuǎn)速同步判斷進(jìn)程

圖4　檔位判斷進(jìn)程

2.3油門開度的設(shè)定和換檔扭矩的測量

通過在變速器換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)中設(shè)置扭矩傳感器，在自定義的油門開度信號(hào)下，使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，可獲取換檔扭矩參

數(shù)實(shí)時(shí)變化情況。如圖5為自定義油門開度和換檔扭矩測量進(jìn)程的程序框圖。

圖5　自定義油門開度和換檔扭矩測量進(jìn)程

2.4CAN通訊協(xié)議解析

AMT控制器判斷是否需要換檔的依據(jù)來自于電機(jī)控制器，因此需要工控機(jī)通過CAN通訊卡連接電機(jī)控制器，對CAN通訊協(xié)議進(jìn)行解析，進(jìn)而從電機(jī)控制器獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、控制器溫度、故障碼等參數(shù)，為電機(jī)供電的電池的電壓、電流、電量等參數(shù)，以及實(shí)車運(yùn)行時(shí)對應(yīng)的車速、里程等信息。通過這些信息不僅可以判斷驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作狀況是否正常，同時(shí)也可掌握AMT換檔的觸發(fā)依據(jù)，進(jìn)而判斷換檔策略是否正確。如圖6為電機(jī)控制器CAN通訊協(xié)議解析進(jìn)程的程序框圖。

圖6　CAN通訊協(xié)議解析進(jìn)程

3　人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW開發(fā)了本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。該人機(jī)交互界面基于選項(xiàng)卡控件，以可切換的面板的形式，實(shí)現(xiàn)了直觀友好的人機(jī)交互功能，主要設(shè)置了系統(tǒng)運(yùn)行主控面板、變速器運(yùn)行監(jiān)測面板、電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測面板及車輛運(yùn)行監(jiān)控面板等。系統(tǒng)運(yùn)行主控面板如圖7所示。主控面板主要包括用于控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制按鈕、狀態(tài)指示燈、儀表表頭、數(shù)字顯示與輸入控件等。變速器運(yùn)行監(jiān)測面板可直觀顯示變速器輸入輸出軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化曲線，進(jìn)而更清晰地了解變速器換檔過程中轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化情況。電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測面板主要監(jiān)測AMT換檔電機(jī)的換檔扭矩、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的油門輸入信號(hào)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器輸出的整車參數(shù)等。車輛運(yùn)行監(jiān)控面板主要用于模擬汽車各種運(yùn)行工況，并監(jiān)控各種工況下整車參數(shù)的變化情況。

圖7　系統(tǒng)組成選項(xiàng)卡

4　結(jié)束語

兩檔AMT有利于提升純電動(dòng)汽車整車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和續(xù)駛里程，成本較低且不會(huì)過多增加傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，非常適合在純電動(dòng)汽車上推廣應(yīng)用?；谔摂M儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW所開發(fā)的兩檔AMT換檔性能測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、AMT控制器、加載裝置等的有效控制，能夠?qū)崟r(shí)測量和直觀展示變速器的輸入、輸出軸的扭矩、轉(zhuǎn)速，對換檔過程中的換檔狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好，簡單直觀且操作簡便，不僅有助于開展AMT產(chǎn)品開發(fā)，而且也可用于產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等場合。

[1]周云山，周晶晶，蔡源春.純電動(dòng)汽車兩擋自動(dòng)變速器轉(zhuǎn)矩控制及其換擋動(dòng)態(tài)仿真[J].科技導(dǎo)報(bào),2013(Z2):39-42.

[2]孫仲立.基于Labview的EMT變速器試驗(yàn)臺(tái)架的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

[3]孫魯，吳光強(qiáng)，王雷雷，等.機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋過程標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2012(5):5-9.

[4]米林，吳俊，譚偉.基于PAC的汽車變速器換擋試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014(2):11-15.

[5]倪小波.汽車機(jī)械式變速器性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[6]孟慶軍.汽車自動(dòng)變速器數(shù)據(jù)采集及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2009.

[7]黃旭華.汽車自動(dòng)變速器虛擬測試系統(tǒng)研究[J].黑龍江科技信息,2014(8):70，72.

Shift Performance Test System of AMT for Electric Vehicles Based on Virtual Instrument

Xu Yanmin1,2, Xu Wenkui3, Chen Jianliang3

(1.GuangdongMechanical&ElectricalPolytechnic,GuangzhouGuangdong510515,China；2.SouthChinaUniversityofTechnology,GuangzhouGuangdong510641,China；3.GuangzhouKonghuiAutomotiveTechnologiesCo.,Ltd.,GuangzhouGuangdong511458,China)

Automated mechanical transmission (AMT) is used for power system of electric vehicle which can achieve excellent economy and power performance. The low cost advantage of two gears AMT is getting more favor in small electric vehicles production. Therefore, AMT shifting performance test system is established, and the testing system software based on LabVIEW and multithread technology is designed. The strategy of AMT controller and the shift performance are validated and evaluated in the paper, which plays a part in speeding up the product development process and spreading the application of AMT in electric vehicles.

electric vehicle; AMT; shift performance; test system

2016-03-04

南沙區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(20132010)；廣東省教育廳高層次人才項(xiàng)目(粵財(cái)教[2013]246)

徐艷民(1979- )，男，河南開封人，講師，在讀博士，研究方向：新能源汽車及其測試技術(shù)。

1674- 4578(2016)04- 0003- 03

U467.4；TP391.9

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