孫心悅，王?立，李志斌

（1.上海電力學(xué)院，上海 200000；2.上海華依科技集團股份有限公司，上海 201202）

基于模型的前置前驅(qū)變速器加載試驗臺控制策略設(shè)計

孫心悅1，王?立2，李志斌1

（1.上海電力學(xué)院，上海 200000；2.上海華依科技集團股份有限公司，上海 201202）

針對前置前驅(qū)變速器試驗臺用PLC或PC機控制時加載端產(chǎn)生較大扭矩差問題，提出了基于模型的控制策略設(shè)計。該策略基于模型設(shè)計，通過使用實時控制器調(diào)用動態(tài)鏈接庫控制整體系統(tǒng)，采用加載端變頻器扭矩模式控制驅(qū)動端轉(zhuǎn)速，達到減小加載端扭矩差的目的。改進的控制策略同步控制加載端2個電機的扭矩信號，將驅(qū)動端轉(zhuǎn)速作為反饋進行PI控制，試驗結(jié)果顯示改進后加載端扭矩差穩(wěn)定在12 Nm內(nèi)，試驗達到要求。

基于模型設(shè)計；前置前驅(qū)變速器；試驗臺；控制策略；扭矩差；實時控制器

隨著科技進步，汽車行業(yè)對變速器的檢測要求日漸增高，變速器加載試驗臺的推廣日益迫切［1-3］。自動變速器加載試驗臺用于對自動變速器性能的檢測與研究，加載試驗臺及其控制技術(shù)研究已在各國有初步成果。司建玉等［4］針對雙離合器自動變速器設(shè)計了增強系統(tǒng)可靠性及實用性的控制系統(tǒng)軟件；崔學(xué)政等［5］通過計算機對機械傳動試驗臺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速進行程序閉環(huán)控制；楊勇等［6］提出了用于試驗臺加載的轉(zhuǎn)速同步控制策略，以保證系統(tǒng)各電機加載時的轉(zhuǎn)速同步性；孫海龍等［7］搭建了純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗臺架并開發(fā)了測試平臺控制模型，實現(xiàn)對驅(qū)動電機發(fā)扭矩命令、對加載測功機發(fā)轉(zhuǎn)速命令從而模擬出工況；李文禮等［8］提出前饋模型轉(zhuǎn)速跟蹤控制方法，在動力總成臺架動態(tài)模擬控制中具有較高精度和較快響應(yīng)速率，達到了動態(tài)模擬整車工況負(fù)載的目的；Dezong Zhao等［9］提出了一種結(jié)合滑?？刂品椒ǖ南噜徑徊骜詈峡刂萍軜?gòu)，穩(wěn)定每個電動機的速度跟蹤，從而使多個電動機之間的差速誤差達到零；戎輝等［10］提出一種基于VeriStand的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)并展開了相關(guān)測試。

本文提出一種基于模型設(shè)計的改進控制策略，實現(xiàn)降低加載端扭矩差，并能同時控制驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速和扭矩。改進控制策略在系統(tǒng)中加入實時控制器，利用Matlab/Simulink建立控制模型，驗證后生成動態(tài)鏈接庫在控制器中調(diào)用，模型取驅(qū)動端實際扭矩作為反饋調(diào)節(jié)驅(qū)動端扭矩，以驅(qū)動端實際轉(zhuǎn)速為反饋，調(diào)節(jié)加載端扭矩，從而控制驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速和扭矩。

1 試驗臺架的架構(gòu)

前置前驅(qū)（Front-engine Front-drive，簡稱FF）即發(fā)動機前置、前輪驅(qū)動，這是乘用車的主流驅(qū)動型式。前置前驅(qū)型變速器是用于前置前驅(qū)型車輛的一種變速器結(jié)構(gòu)。一個典型的前置前驅(qū)型變速器由變速機構(gòu)、主減速器和差速器構(gòu)成，其輸入端與橫置發(fā)動機連接，其輸出端與車輛半軸連接［11］。

變速器試驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。試驗臺架中驅(qū)動電機M1模擬整車中發(fā)動機，供給變速器動力，兩臺加載電機M2、M3模擬道路作用在2個輪胎上的牽引/制動力矩。3臺電機與FF變速器間通過傳動軸相連，傳動軸上裝有轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，轉(zhuǎn)速扭矩信號通過傳感器反饋至控制器。變頻器通過動力電纜給電機供三相交流電?？刂破魍ㄟ^EtherCAT、RS485、Profibus等總線方式與變頻器1、2、3進行通信，從而使變頻器以扭矩或轉(zhuǎn)速模式控制電機運轉(zhuǎn)。理論上變頻器無法獨立控制傳動軸上的轉(zhuǎn)速或扭矩，因為兩者會發(fā)生耦合作用，但其對電機扭矩控制的響應(yīng)速度遠大于轉(zhuǎn)速控制的響應(yīng)速度，因此可將扭矩看做常量，即只有轉(zhuǎn)速單個變量，此時扭矩與轉(zhuǎn)速的耦合作用就可忽略不計。

圖1 FF變速器加載試驗臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 FF變速器加載試驗臺的傳統(tǒng)控制策略

FF變速器加載試驗臺需要實現(xiàn)對驅(qū)動端扭矩和轉(zhuǎn)速的同時控制［12］。傳統(tǒng)的試驗臺控制策略中，控制器一般為PLC或運行Windows系統(tǒng)的PC機，直接發(fā)出扭矩指令利用驅(qū)動端變頻器扭矩模式控制驅(qū)動端扭矩，通過式（1）算出驅(qū)動端目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的加載端轉(zhuǎn)速，利用加載端變頻器的轉(zhuǎn)速模式控制加載端轉(zhuǎn)速，從而完成對驅(qū)動端轉(zhuǎn)速和扭矩的同時控制。

變速器動力學(xué)方程為

式中：ωin——驅(qū)動端轉(zhuǎn)速；ωout——加載端轉(zhuǎn)速；i——變速器傳動比；Tin——驅(qū)動端扭矩；Tout——加載端扭矩；ε——傳動效率。

在傳統(tǒng)控制策略中，由上位機給驅(qū)動端變頻器轉(zhuǎn)速指令，通過變頻器的轉(zhuǎn)速模式對驅(qū)動端轉(zhuǎn)速進行控制。變頻器是通過輸出電流從而使電機輸出扭矩，再通過軸上編碼器確定軸上轉(zhuǎn)速，內(nèi)部進行PID控制從而達到控制轉(zhuǎn)速的目的。由于變頻器1、2為獨立個體，轉(zhuǎn)速模式下無法做到同步給扭矩，且加載端2臺電機的特性有差異，圖2為變頻器1、2轉(zhuǎn)速模式下同時動作的電機輸出扭矩曲線圖。由圖2可知，輸出兩端扭矩不同步，導(dǎo)致加載端產(chǎn)生扭矩差較大。

圖2 加載端變頻器轉(zhuǎn)速模式下輸出扭矩曲線圖

另外，在試驗過程中，傳統(tǒng)策略是通過加載端轉(zhuǎn)速間接控制驅(qū)動端轉(zhuǎn)速，若變速器內(nèi)部換擋機構(gòu)出現(xiàn)差錯，擋位的錯誤會導(dǎo)致當(dāng)前傳動比改變，極有可能導(dǎo)致飛車從而造成事故，引發(fā)危險。

由上述可看出，傳統(tǒng)控制策略有以下幾點不足。

1）加載端變頻器為轉(zhuǎn)速模式控制，但變頻器作為獨立個體，轉(zhuǎn)速模式下無法同步給FF變速器的輸出端加載相同扭矩，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)時差速器出現(xiàn)內(nèi)阻，表現(xiàn)為加載端扭矩差大，不符合測試需求。

2）變速器的每個擋位對應(yīng)的傳動比相差甚大，為2～18不等。傳統(tǒng)控制策略實質(zhì)上為控制加載端的轉(zhuǎn)速，若測試過程中變速器擋位脫擋，例如由高擋換至低擋，此時傳動比變大，極易出現(xiàn)驅(qū)動端轉(zhuǎn)速激增的情況，即為飛車，從而損壞設(shè)備。

3）測試前需要計算每個擋位輸入軸所對應(yīng)輸出軸的轉(zhuǎn)速，并且測試前必須獲取被試對象傳動比信息，影響測試效率。對于在測試過程中會自動變換擋位的自動擋變速器，這種方法并不適用。

3 FF變速器加載試驗臺的改進控制策略

針對扭矩差較大，且傳統(tǒng)策略安全性不高等問題，改進的控制策略采用基于模型的設(shè)計，繞過變速器驅(qū)動端和加載端的傳動關(guān)系，利用實時控制器采集驅(qū)動端轉(zhuǎn)速并通過PI調(diào)節(jié)對其進行控制。

FF變速器內(nèi)有多種機械結(jié)構(gòu)，其中差速器為差速傳動機構(gòu)，用以保證在不同運動條件下各驅(qū)動輪的動力傳遞，避免輪胎與地面間發(fā)生打滑。對于對稱錐齒輪差速器而言，左右半軸轉(zhuǎn)速保持相同的狀態(tài)時，行星齒輪只公轉(zhuǎn)而不自轉(zhuǎn)，獲得的扭矩平均分配給左右兩軸。而當(dāng)左右半軸有一側(cè)轉(zhuǎn)速較慢時，由于行星齒輪的自轉(zhuǎn)，其受到一個反向的摩擦力矩MT，轉(zhuǎn)動慢的一側(cè)扭矩增加［13］。差速器的扭矩分配關(guān)系公式為

M2-M1=MT（3）

式中：M1——轉(zhuǎn)速快半軸的扭矩；M2——轉(zhuǎn)速慢半軸的扭矩；MT——差速器內(nèi)摩擦阻力矩。

由于差速器內(nèi)有摩擦力及粘性力等，行星齒輪需要克服與太陽輪的靜摩擦力才會自轉(zhuǎn)，因此即使兩軸的轉(zhuǎn)速相等，差速器內(nèi)部也會產(chǎn)生內(nèi)阻，而當(dāng)內(nèi)阻足夠大時，兩軸上才會產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差。

傳動效率試驗、可靠性試驗等要求試驗過程中差速器內(nèi)阻趨近于零。由式（3）可看出，差速器內(nèi)阻為零即要求左右半軸扭矩相等，因此試驗過程中試驗臺的加載端扭矩差應(yīng)趨近于零。而傳統(tǒng)策略中扭矩差較大，差速器內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)阻，使得測試過程無法達到要求。對于變速器的初期調(diào)試，測試重點不在變速器內(nèi)部，傳統(tǒng)控制策略的缺陷并不明顯，但針對傳動效率試驗和可靠性試驗，傳統(tǒng)控制策略無法滿足測試要求。

本文控制策略基于模型設(shè)計，驅(qū)動端的目標(biāo)扭矩通過取驅(qū)動端實際扭矩作為反饋進行PI調(diào)節(jié)，驅(qū)動端轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)加載端扭矩，以驅(qū)動端實際轉(zhuǎn)速為反饋，從而形成閉環(huán)控制回路，以此控制驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速和扭矩。具體實現(xiàn)方法如下：傳統(tǒng)策略中的控制器換為實時控制器，并利用Simulink搭建仿真模型，驗證算法模型后將模型生成代碼，并轉(zhuǎn)為動態(tài)鏈接庫文件在控制器中調(diào)用。實時控制器的穩(wěn)定性與高速性可保證測試順利運行。將仿真模型通過上位機部署至實時控制器，實時控制器通過EtherCAT實時總線與變頻器相連，用于發(fā)送扭矩設(shè)定值。轉(zhuǎn)速扭矩傳感器將反饋信號傳給實時控制器，從而形成一個閉環(huán)交互系統(tǒng)。控制模型見圖3。

模型中ref表示設(shè)定值，fbk表示反饋值，輸出的set_value為給變頻器的扭矩設(shè)定值，rpm表示轉(zhuǎn)速變量，trq表示扭矩變量。input_rpm_error表示驅(qū)動端目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差，用以判定是否需對驅(qū)動端扭矩值進行PI調(diào)節(jié)。Kp、Ki為PI控制的參數(shù)。

此改進控制策略在仿真驗證中使得扭矩差減小，使測試符合標(biāo)準(zhǔn)，并保證試驗的安全性與可靠性，同時還減小試驗準(zhǔn)備階段的工作量。

4 試驗及結(jié)果分析

本文控制策略實際用于國內(nèi)某公司的7DCT前置前驅(qū)變速器可靠性試驗中。試驗臺實物見圖4。主要設(shè)備有：測功機×2、輸入電機×1、變頻器×3、扭矩傳感器×3、編碼器×3、溫度傳感器、水冷系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等。上位機通過以太網(wǎng)與實時控制器進行信號交互，實時控制器與倍福模塊、變頻器通過EtherCAT通信，三者組成測控系統(tǒng)。變頻器選用ABB品牌ACS880，通過EtherCAT控制測功機，本文臺架采用德國嘯馳的額定功率245 kW、額定扭矩3 600 Nm、額定轉(zhuǎn)速650 r/min的風(fēng)冷AC電機，以及額定功率250 kW、額定扭矩500 Nm、額定轉(zhuǎn)速8 000 r/min的輸入電機。測功機的轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器讀取傳給變頻器進行反饋，扭矩通過扭矩傳感器讀取，扭矩放大器將信號放大傳至倍福模塊。被試對象及控制器通過CAN通信與實時控制器進行信號交互。

圖3 改進控制策略的控制模型部分圖

圖4 變速器加載試驗臺實物圖

試驗臺的測控系統(tǒng)使用華依集團研發(fā)的Urwain系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于NI公司的VeriStand平臺開發(fā)。Urwain測控系統(tǒng)包括一臺上位機和一個實時控制器，實時控制器是一臺運行RTOS及LabviewRT的嵌入式計算機。首先在上位機利用Matlab/Simulink建立控制模型以及臺架仿真模型，并進行變速器加載試驗仿真，整定出合適的PI參數(shù)?？刂颇Ｐ蜕傻腄LL動態(tài)鏈接庫文件導(dǎo)入LabviewRT后，將模型接口與硬件接口一一對應(yīng)，下載模型到基于x86架構(gòu)的實時操作系統(tǒng)中。在上位機中進行試驗操作，并微調(diào)PI參數(shù)以優(yōu)化測試結(jié)果。整個測試中，上位機與實時控制器通過TCP/IP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互通信。測試過程在VeriStand中進行模型的參數(shù)設(shè)置，在Urwain中進行監(jiān)控變量與采集數(shù)據(jù)設(shè)置。最后通過采集模塊將試驗臺上的數(shù)據(jù)采集至上位機，對數(shù)據(jù)進行整理分析，從而得出測試結(jié)果。

本文選用2臺變速器，分別進行了驅(qū)動端扭矩為50 Nm，驅(qū)動端轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min的試驗，獲得了6組數(shù)據(jù)。將傳統(tǒng)控制策略下與改進控制策略下的6組數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見圖5～圖10。

2臺變速器定義的前進方向不同，因此扭矩方向不同，繼而扭矩差有正有負(fù)，但不影響試驗效果。

通過對比圖5～圖7的變速器A試驗數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)策略控制下，加載扭矩階段，加載端扭矩差不斷增大，當(dāng)扭矩上升至目標(biāo)值后加載端扭矩差趨于穩(wěn)定，但穩(wěn)定后數(shù)值依舊很大；而改進控制策略下，加載扭矩階段也會產(chǎn)生扭矩差，且加載扭矩階段產(chǎn)生的扭矩差隨轉(zhuǎn)速的增加而上升，但通過模型的控制，加載兩端產(chǎn)生的扭矩差最終穩(wěn)定在較小值。且改進策略的扭矩差穩(wěn)定時間比傳統(tǒng)策略的短。加載階段扭矩差在15 Nm以內(nèi)，穩(wěn)定階段的扭矩差從90 Nm降至12 Nm以內(nèi)。

圖5 驅(qū)動端50 Nm、 2 000 r/min時兩種策略下變速器A加載端扭矩差效果對比圖

圖6 驅(qū)動端50 Nm 、3 000 r/min時兩種策略下變速器A加載端扭矩差效果對比圖

圖7 驅(qū)動端50 Nm 、4 000 r/min時兩種策略下變速器A加載端扭矩差效果對比圖

圖8 驅(qū)動端50 Nm、 2 000 r/min時兩種策略下變速器B加載端扭矩差效果對比圖

圖9 驅(qū)動端50 Nm 、3 000 r/min時兩種策略下變速器B加載端扭矩差效果對比圖

圖10 驅(qū)動端50 Nm 、4 000 r/min時兩種策略下變速器B加載端扭矩差效果對比圖

圖8～圖10為變速器B的試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果與變速器A類似，說明了本文改進策略的穩(wěn)定性較好；且傳統(tǒng)策略的扭矩差會隨著扭矩的卸載出現(xiàn)一個較大的波動，而改進策略的扭矩差隨扭矩卸載表現(xiàn)平穩(wěn)，說明本文改進策略抗干擾性較好。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實際，對于傳統(tǒng)控制策略存在加載端扭矩差較大的不足，提出了使用基于模型設(shè)計的控制策略。本文策略在系統(tǒng)中添加了實時控制器，同時采集驅(qū)動端和加載端的信號，將驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速作為反饋，通過加載端變頻器的扭矩模式直接控制驅(qū)動端轉(zhuǎn)速。改進策略在實際項目中進行了試驗，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示本文提出的策略使試驗達到了要求，扭矩差大大減小，由90 Nm變?yōu)?2 Nm以內(nèi)，同時縮短了扭矩差穩(wěn)定時間，增強了抗干擾能力，試驗還驗證了策略的適用性。另外，改進策略中無需提前知曉變速器傳動比，減少試驗前工作量，同時保證了試驗的安全性。

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Design of Control Strategy for Load Test Bench of Front-engine Front-drive Transmission Based on Model

SUN Xin-yue1，WANG Li2，LI Zhi-bin1
（1. Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200000；2. Shanghai W-Ibeda High Tech Group Co.，Ltd.，Shanghai 201202，China）

A new control strategy is proposed for the problem of large torque difference when the front-engine front-drive transmission test bench is controlled by PLC or PC. The strategy is based on the model design. By using the real-time controller to invoke the dynamic link library to control the whole system，and using the load-sides inverter torque mode to control the drive-side speed，to reduce the load-sides torque difference. The torque signal control strategy improves the synchronous control of the loading end of two motors，and the drive-side speed is controlled by PI as the feedback. Test results show that the improved load-sides torque difference is stabilized within the range of 12Nm，which meets test requirements.

design based on model；front-engine front-drive transmission；test bench；control strategy；torque difference；real-time controller

U463.212

A

1003-8639（2017）11-0042-05

2017-08-18；

2017-09-01

上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室（13DZ2273800）

孫心悅（1993-），女，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向為汽車動力總成檢測與控制；王立（1971-），男，工程師，碩士研究生，研究方向為汽車動力總成測試臺研發(fā)、自動化控制軟件研發(fā)；李志斌（1974-），男，山西太原人，教授，博士研究生，研究方向為檢測傳感技術(shù)。

（編輯 章 子）