葛宗強(qiáng)，尹良杰，劉佃濤，劉春峰，師愿

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CompactRIO的后橋冷卻系統(tǒng)

葛宗強(qiáng)，尹良杰，劉佃濤，劉春峰，師愿

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在開(kāi)發(fā)某型號(hào)縱置DCT自動(dòng)變速箱的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用整車(chē)后橋搭建試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)后橋發(fā)熱厲害，影響其壽命，難以完成對(duì)變速箱耐久性考核。針對(duì)上述情況，基于 NI公司的嵌入式測(cè)控平臺(tái)CompactRIO，搭建一個(gè)后橋潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)，提高后橋壽命，從而滿(mǎn)足變速箱的試驗(yàn)需求。

縱置DCT；CompactRIO；潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)；后橋

引言

變速箱綜合性能臺(tái)架是變速箱開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可缺少的試驗(yàn)臺(tái)架，其靈活的設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足多種類(lèi)型（MT、AT、DCT等）和多種布置形式（FF：前置前驅(qū)，F(xiàn)R：前置后驅(qū)）變速箱試驗(yàn)需求。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前期，可以用電機(jī)來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行變速箱性能和耐久試驗(yàn)；產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中后期，可以用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并模擬實(shí)車(chē)的載荷譜，進(jìn)行各種性能和可靠性試驗(yàn)，從而節(jié)省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

臺(tái)架試驗(yàn)前需要根據(jù)不同變速箱的布置形式進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的搭建，搭建過(guò)程中需要解決相關(guān)具體問(wèn)題，比如后橋冷卻問(wèn)題。本文就介紹一種基于 NI公司的 CompactRIO（簡(jiǎn)稱(chēng)CRIO）測(cè)控系統(tǒng)搭建的一個(gè)小巧，靈活，安全可靠的冷卻控制系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)介紹

1.1 總體設(shè)計(jì)思想

試驗(yàn)過(guò)程中，后橋潤(rùn)滑油溫度需要維持在一定范圍，才能使后橋工作在最佳狀態(tài)。因此冷卻系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)閉環(huán)控制。

油泵把潤(rùn)滑油從后橋齒輪箱的放油口吸入風(fēng)冷式冷卻器，然后通過(guò)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)控制冷卻功率，再將冷卻后的油通過(guò)后橋加油口排回后橋齒輪箱。風(fēng)扇選用 PWM（脈寬調(diào)制）控制信號(hào)的調(diào)速風(fēng)扇；CRIO采集出口油溫信號(hào)，并將該信號(hào)值作為PID調(diào)節(jié)反饋輸入端，通過(guò)CRIO內(nèi)部運(yùn)算處理，與設(shè)定值對(duì)比，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，然后輸出控制信號(hào)控制風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器的 PWM 信號(hào)占空比值來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和啟停。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)PID閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)定后橋潤(rùn)滑油溫的目的。系統(tǒng)原理圖如下。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.2 主要硬件簡(jiǎn)介

1.2.1 測(cè)控系統(tǒng)NI CRIO-9076

NI CRIO-9076提供了一個(gè)開(kāi)放的嵌入式結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)置的嵌入式控制器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RT）、可編程現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）以及工業(yè)I/O模塊，可以快速實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。借助可重配置FPGA技術(shù)，用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理，I/O同步和自定義觸發(fā)，針對(duì)于控制系統(tǒng)，用戶(hù)還可以直接在FPGA芯片上運(yùn)行高級(jí)控制算法，實(shí)現(xiàn)最低延遲和最高循環(huán)速率。

具有400MHZ工業(yè)處理器；LX45 FPGA；4個(gè)C系列I/O模塊插槽；工作溫度-20-50℃；輸入電壓 9-30VDC；256MB DRAM；512M存儲(chǔ)器。

1.2.2 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器LMD18200

可以根據(jù)輸入的 PWM 信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電壓。工作電壓10-30V；最大輸出功率75W；PWM信號(hào)電壓4.5-5.5V。

1.2.3 油泵SP-P50

額定電壓：DC12V；額定功率50W；流量最大25L/min；類(lèi)型：自吸泵；使用介質(zhì)溫度：-40-150℃。

1.2.4 冷卻風(fēng)扇SANYO電機(jī)San Ace120

選用兩個(gè)風(fēng)扇配合風(fēng)冷式冷卻器對(duì)后橋潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻。額定電壓：DC12V；額定功率30W；空氣流量：180.08 CFM；風(fēng)葉數(shù)量：7葉。

圖2 主要硬件

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

采用CRIO-9076搭建控制系統(tǒng)，并存儲(chǔ)和運(yùn)行程序。程序分為RT程序（實(shí)時(shí)處理采集與控制命令）和FPGA程序（采集和觸出）。工作時(shí)可將RT和FPGA程序直接刷入CRIO控制器中，就可自動(dòng)運(yùn)行。RT中運(yùn)行主程序和PID控制函數(shù)，并將 PID輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)數(shù)組；FPGA中運(yùn)行溫度采集程序，并控制輸出板卡根據(jù)脈沖數(shù)組生成實(shí)際的物理脈沖信號(hào)。

圖3 PID控制邏輯示意圖

2.2 PID控制簡(jiǎn)介

工程應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。其原理是基于下面的算式：輸出u(t)是比例項(xiàng)，積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)。

式中，Kp為比例控制增益、Ki為積分控制增益，Kd為微分控制增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。Kp,Ti,Td三個(gè)參數(shù)一旦確定，PID控制器的性能也隨之確定。每一套系統(tǒng)此三個(gè)參數(shù)都不一樣，需要經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定才能確定。

2.3 PWM 簡(jiǎn)介

PWM全稱(chēng)為脈寬調(diào)制變換器（Pulse Width Modulation），可把恒定的電流、電壓調(diào)制成可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小。常被用于直流負(fù)載回路中直流電機(jī)的調(diào)速或燈具調(diào)光等。平均電壓的計(jì)算方法為：

式中，Ud為輸出平均電壓；

ton為正電平的持續(xù)時(shí)間；

T為脈沖信號(hào)的周期；

P為占空比；US為最大幅值電壓。

圖4 PWM 信號(hào)

2.4 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

軟件基于NI公司圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)。采用LabVIEW自帶的PID調(diào)節(jié)工具包來(lái)實(shí)現(xiàn)，以NI 9211板卡采集的溫度作PID系統(tǒng)的被調(diào)量，反饋至PID系統(tǒng)，被調(diào)量與設(shè)定值之差為系統(tǒng)輸入偏差；輸出控制量的值作為脈沖信號(hào)的占空比。系統(tǒng)設(shè)定值可按要求更改，當(dāng)反饋溫度比設(shè)定溫度小2度（暫定）時(shí)，占空比輸出為0，完全關(guān)閉風(fēng)扇，后橋溫度上升； 當(dāng)反饋溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)輸出一定數(shù)值的占空比，增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使后橋溫度下降。

圖5 PID調(diào)節(jié)的程序代碼

PID系統(tǒng)的溫度反饋信號(hào)來(lái)自于 FPGA中溫度采集程序，從FPGA中得到的信號(hào)并不是實(shí)際的溫度信號(hào)，僅為電壓值，需要上傳至RT程序中，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得出實(shí)際溫度值。

圖6 溫度采集程序代碼

經(jīng)過(guò)PID系統(tǒng)調(diào)節(jié)后輸出的控制量為占空比值，將此數(shù)值連接至 RT程序中方波生成器的“占空比”接線(xiàn)端，產(chǎn)生0、1的脈沖信號(hào)數(shù)組。然后FPGA程序讀取該數(shù)組，控制數(shù)字信號(hào)輸出板卡NI9401的輸出，當(dāng)0時(shí)輸出為0，當(dāng)1時(shí)輸出5V電壓的脈沖信號(hào)。為保證系統(tǒng)時(shí)間同步，設(shè)置發(fā)送間隔為方波發(fā)生器的采樣頻率。

圖7 脈沖信號(hào)生成程序代碼

3 實(shí)際應(yīng)用

通過(guò)在某型號(hào)縱置DCT自動(dòng)變速箱試驗(yàn)臺(tái)架上的應(yīng)用，調(diào)節(jié)選擇合適的PID參數(shù)，冷卻效果良好，可以將后橋油穩(wěn)定在85-105℃范圍內(nèi)，符合后橋的最佳工作溫度范圍。

使用過(guò)程發(fā)現(xiàn)自吸油泵的壽命是個(gè)問(wèn)題，一般連續(xù)工作200小時(shí)容易出現(xiàn)損壞。因此為了防止因油泵損壞導(dǎo)致后橋潤(rùn)滑油溫過(guò)高，需要同時(shí)將出口油溫信號(hào)接入臺(tái)架報(bào)警系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)溫度過(guò)高，臺(tái)架報(bào)警停機(jī)，檢查更換油泵。

圖4 冷卻系統(tǒng)實(shí)物及實(shí)際搭建的臺(tái)架照片

4 總結(jié)

本文討論了基于 NI公司 CompactRIO測(cè)控系統(tǒng)和LabVIEW圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建的自動(dòng)化冷卻控制系統(tǒng)。利用CompactRIO卓越的性能和LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)學(xué)計(jì)算能力，很好地解決了實(shí)際工程應(yīng)用中問(wèn)題。整套系統(tǒng)小巧、靈活、可靠性高、且開(kāi)發(fā)周期短、可移植性高。

[1] 陶永華.新型 PID 控制及其應(yīng)用-第二版[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2002.

[2] LabVIEW寶典.電子工業(yè)出版社.

[3] 李軍政.永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制[J].船舶技術(shù).2005.

Based on the CompactRIO rear axle cooling system

Ge Zongqiang, Yin Liangjie, Liu Diantao, Liu Chunfeng, Shi Yuan
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

in the development of a certain type of automatic transmission of DCT, the test bed of the bridge is used for endurance test. The testing process found that the rear axle was hot and affected its life, and the durability of the gearbox was difficult to complete. Based on the above situation, NI CompactRIO embedded measurement and control platform, to build a rear axle oil cooling system, improve the life of rear axle, so as to meet the testing requirements of transmission.< class="emphasis_bold">Keywords: vertical DCT; CompactRIO; Oil cooling system; Rear axle

vertical DCT; CompactRIO; Oil cooling system; Rear axle

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-18-03

U467.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-18-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.007

葛宗強(qiáng)，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司。