譚 偉，米 林，陳 勝

(1.重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054；2.綦江齒輪傳動有限公司，重慶 401421)

0 引言

純電動客車具有低噪聲、零排放等優(yōu)點，特別適合在城市擁堵路況下用于公交線路行駛，得到了廣泛應(yīng)用。純電動客車相比于傳統(tǒng)汽車，采用電機(jī)驅(qū)動的動力傳動系統(tǒng)工作范圍更寬，更適合車輛行駛需求，但車輛路況的隨機(jī)性使電機(jī)不能長期工作于高效區(qū)，導(dǎo)致整車能耗較高，同時也制約了車輛的爬坡能力。研究結(jié)果表明[1]，配裝2擋或4擋變速器的純電動動力總成可有效提升純電動客車的爬坡能力、動力性能和續(xù)駛里程。AMT變速器由于結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、工作可靠、成本低等優(yōu)點，在純電動汽車中得到廣泛應(yīng)用。純電動車用AMT變速器在開發(fā)過程中，需要對選換擋機(jī)構(gòu)、換擋策略等進(jìn)行性能驗證試驗，在實車上進(jìn)行成本高，風(fēng)險大，因此普遍采用試驗臺架硬件在環(huán)的方式進(jìn)行試驗驗證。

目前，在AMT變速器試驗系統(tǒng)研究方面，趙熙俊等[2]進(jìn)行了AMT可靠性臺架試驗方法研究，論述了正反拖試驗系統(tǒng)的組成和實現(xiàn)原理，并進(jìn)行了試驗驗證。馬渝翔等[3]進(jìn)行了新能源汽車變速器在線加載試驗臺設(shè)計，提出一種基于公共直流母線的全自動在線加載試驗臺。劉永剛等[4]進(jìn)行了新型混合動力系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗研究，設(shè)計了在驅(qū)動工況和制動工況下臺架試驗控制流程。李文禮等[5]進(jìn)行了車輛動力總成試驗臺動態(tài)模擬控制方法研究，利用交流測功機(jī)實現(xiàn)車輪受到的路面負(fù)載與慣性負(fù)載的動態(tài)模擬。黃萬友等[6]進(jìn)行了基于CAN總線的純電動汽車動力總成試驗臺測控系統(tǒng)的開發(fā)研究，以單片機(jī)為核心進(jìn)行了測控系統(tǒng)設(shè)計。高松等[7]進(jìn)行了雙電機(jī)驅(qū)動電動車動力系統(tǒng)試驗平臺設(shè)計，搭建了基于實時控制系統(tǒng)的試驗平臺測控系統(tǒng)。曾秋萍等[8]進(jìn)行了基于虛擬儀器的混合動力汽車CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺研究，將各單元部件通過雙絞線相連構(gòu)成CAN通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時監(jiān)控。

上述研究文獻(xiàn)表明，目前針對傳統(tǒng)車用AMT變速器和動力總成的性能測試試驗系統(tǒng)研究，主要集中在動力總成的動力輸入和載荷模擬方法上，需要一套完整的動力總成系統(tǒng)才能進(jìn)行試驗，不能滿足作為單個部件的AMT變速器選換擋過程試驗。本文研究的純電動車用AMT變速器試驗控制系統(tǒng)，通過CAN通訊網(wǎng)絡(luò)將選換擋控制器TCU，功率輸入模擬電機(jī)，負(fù)載模擬測功機(jī)等部件進(jìn)行通訊組網(wǎng)，在選換擋過程中可進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可有效地完成純電動AMT變速器的選換擋等性能測試試驗。

1 AMT選換擋過程分析與試驗系統(tǒng)控制方案

1.1 選換擋過程分析

當(dāng)車輛在路面行駛時，AMT控制器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速信號、油門信號、車速等信號，根據(jù)設(shè)置的換擋控制策略判斷是否換擋[9]。當(dāng)滿足換擋條件時，將選換擋所需的電機(jī)工作模式、調(diào)速目標(biāo)轉(zhuǎn)速等信息通過CAN總線發(fā)送給整車控制器(VCM)，整車控制器(VCM)進(jìn)行計算后向電機(jī)控制器(MCM)發(fā)出指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時AMT變速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行換擋操作，選換擋完成后，向電機(jī)控制器發(fā)送新的工作模式指令，完成換擋過程，如圖1所示[10]。

圖1 純電動客車AMT變速器選換擋過程

1.2 試驗系統(tǒng)控制方案設(shè)計

通過純電動客車AMT選換擋過程分析可以看出，相對于傳統(tǒng)燃油車AMT變速器，純電動客車AMT變速器選換擋時沒有離合器機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力斷開操作，而是通過控制切換驅(qū)動電機(jī)的工作模式來配合進(jìn)行選換擋。因此，在僅有加載設(shè)備而沒有動力總成系統(tǒng)配合的條件下進(jìn)行純電動客車AMT變速器的選換擋性能試驗是不能實現(xiàn)的。

本文采用通過CAN通訊網(wǎng)絡(luò)將選換擋控制器TCU，功率輸入模擬電機(jī)，負(fù)載模擬測功機(jī)等部件進(jìn)行通訊組網(wǎng)的方式，在選換擋過程中，由嵌入式PXI控制系統(tǒng)配合AMT選換擋過程需求，對測功機(jī)加載設(shè)備的加載卸載，拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)速等進(jìn)行實時控制，可實現(xiàn)AMT變速器部件單獨(dú)的選換擋性能試驗操作，同時也可對AMT選換擋性能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。AMT變速器試驗控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)方案如圖2所示。

圖2 AMT試驗控制系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)方案

上述試驗系統(tǒng)組成部件進(jìn)行CAN網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)后，AMT變速器控制單元TCU即可對測功機(jī)控制儀，拖動電機(jī)變頻器進(jìn)行實時控制，模擬在動力總成中選換擋時對驅(qū)動電機(jī)的控制操作。AMT變速器試驗系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 AMT變速器試驗系統(tǒng)控制流程

2 純電動AMT變速器試驗系統(tǒng)硬件選型設(shè)計

2.1 機(jī)電系統(tǒng)硬件選型設(shè)計

AMT變速器試驗臺的機(jī)電系統(tǒng)主要由拖動電機(jī)、變頻器、測功機(jī)、升速箱、試驗部件安裝支架、試驗臺平板等組成。按照目前市場上對純電動客車動力總成動力的功率需求，試驗系統(tǒng)的試驗功率設(shè)計為200 kW，拖動電機(jī)變頻器選型為G120系列變頻器，型號為6SL3224-0XE41-6UA0，額定功率200 kW?？紤]AMT變速器增大了傳動系統(tǒng)的扭矩范圍，將測功機(jī)選型為GW320型電渦流測功機(jī)，額定功率320 kW，控制器為CGK2型測控機(jī)控制儀(帶CAN協(xié)議)。輸入輸出轉(zhuǎn)速傳感器為JC2型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，測量范圍0～1 000 N·m。機(jī)械系統(tǒng)的安裝布置如圖4所示，電氣原理圖如圖5所示。

圖4 機(jī)械系統(tǒng)安裝布置圖

圖5 G120變頻柜電氣原理圖

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件主要包括嵌入式PXI系統(tǒng)(含CAN通訊卡)，變頻器控制器，PLC(含CAN模塊)，測功機(jī)控制儀，效率儀，工控機(jī)等?？刂葡到y(tǒng)主要元器件型號表1所示。

表1 控制系統(tǒng)主要元器件

G120變頻器由于采用的Profinet通訊協(xié)議，不能直接與采用CAN協(xié)議的部件直接通訊，因此，在S7-1200PLC中安裝CM CANopenModule，該模塊可在西門子博途TIA開發(fā)平臺中進(jìn)行集成編程。與測功機(jī)配套的控制儀自帶有CAN協(xié)議通訊接口，可與AMT變速器TCU進(jìn)行直接通訊。效率儀可對試驗系統(tǒng)的輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行同時測量，并將測量數(shù)據(jù)通過CAN協(xié)議直接發(fā)送到PXI平臺系統(tǒng)。此外，考慮試驗現(xiàn)場電磁干擾信號較強(qiáng)，控制計算機(jī)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，下位機(jī)采用NI的嵌入式PXI平臺安裝CAN通訊卡和PXI-PCI上下位機(jī)通訊卡，采用光纖的方式與上位機(jī)實時通訊，并能統(tǒng)一編程環(huán)境。PXI實物與測控系統(tǒng)硬件原理圖如圖6所示。

(a)PXI實物圖

(b)硬件原理圖圖6 PXI實物與測控系統(tǒng)硬件原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，采用LabVIEW軟件進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，主程序軟件功能流程圖如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)主程序流程圖

測控主程序在完成啟動初始化后，提示操作人員錄入變速器擋位信息以及變速器試驗規(guī)范，根據(jù)錄入的信息可自動生成試驗流程。在試驗流程建立生成后，由自動控制循環(huán)、計時循環(huán)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)顯示與存儲功能模塊根據(jù)試驗流程自動控制整個試驗過程，各個功能模塊間采用消息隊列機(jī)制進(jìn)行控制量的通訊和數(shù)據(jù)傳輸。同時，在得到AMT變速器TCU選換擋請求時，配合選換擋需求自動對試驗系統(tǒng)進(jìn)行卸載、調(diào)速等操作。

3.2 程序加載子程序設(shè)計

程序加載子程序用于試驗系統(tǒng)自動模擬整車行駛工況下動力總成系統(tǒng)不同的載荷譜，包括典型的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行時間，使AMT變速器在設(shè)置的工況下自動觸發(fā)選換擋操作。程序加載子程序主要包括程序加載流程錄入和讀取兩個功能，程序加載流程錄入時，將試驗的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行時間存入Access數(shù)據(jù)庫，或者直接導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況到Access數(shù)據(jù)庫中，生成程序加載所需的轉(zhuǎn)速載荷參數(shù)并控制拖動電機(jī)和測功機(jī)。試驗過程中，由主程序根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行時間調(diào)用讀取子程序進(jìn)行讀取，并傳送到試驗拖動變頻器和測功機(jī)控制儀中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的定時自動切換。程序加載子程序操作界面和主要代碼如圖8、圖9所示。

圖8 程序加載子程序前面板

圖9 程序加載子程序參數(shù)設(shè)置部分代碼

3.3 換擋過程控制子程序設(shè)計

換擋過程控制子程序用于AMT變速器選換擋過程中與拖動變頻器和測功機(jī)控制儀之間的運(yùn)行參數(shù)控制和讀取，主要包括與G120拖動變頻器的通訊，與測功機(jī)控制儀，與AMT變速器TCU的CAN通訊和過程控制。CAN通訊讀寫操作部分代碼如圖10所示，包括打開CAN口，重置，設(shè)置通訊速率，設(shè)置超時時間，開始運(yùn)行，讀寫操作、關(guān)閉和錯誤輸出。

圖10 CAN讀寫通訊程序子VI代碼

將CAN讀寫通訊程序設(shè)置為子VI，在換擋過程控制子程序中進(jìn)行調(diào)用，可以提高代碼的可讀性。換擋過程控制子程序功能包括讀取TCU換擋請求，測功機(jī)卸載，等待AMT摘擋，拖動電機(jī)調(diào)速，等待AMT換擋完成，恢復(fù)加載等功能，部分程序代碼如圖11所示。

圖11 換擋過程控制子程序部分代碼

3.4 試驗數(shù)據(jù)顯示與存儲子程序設(shè)計

試驗系統(tǒng)中，由效率儀讀取輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器數(shù)據(jù)，并通過CAN口與嵌入式PXI系統(tǒng)進(jìn)行通信。主程序中，通過定時調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序，效率儀自動返回輸入輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器數(shù)據(jù)字符串。同時，為保證試驗系統(tǒng)正常運(yùn)行，配置研華ADAM-4015測溫模塊，對試驗AMT變速器，升速箱中的機(jī)油溫度進(jìn)行實時監(jiān)控。將上述試驗運(yùn)行數(shù)據(jù)與系統(tǒng)時間進(jìn)行組合，顯示在主界面上，同時以簇的形式寫入到Access數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)試驗系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實時記錄。主要程序代碼如圖12所示。

圖12 數(shù)據(jù)存儲子程序代碼

4 試驗系統(tǒng)臺架運(yùn)行試驗

完成機(jī)電系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，升速箱，試驗用純電動客車AMT變速器的試驗臺架如圖13所示。

圖13 純電動客車AMT變速器試驗臺架

將試驗AMT變速器安裝在試驗臺架上，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)對中調(diào)整，將TCU上的CAN線與試驗系統(tǒng)CAN線進(jìn)行連接，以低轉(zhuǎn)速進(jìn)行空載運(yùn)行，在確認(rèn)機(jī)械結(jié)構(gòu)安全后便可進(jìn)AMT選換擋試驗。

進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，錄入當(dāng)前試驗變速器擋位信息以及程序加載流程(試驗轉(zhuǎn)速、試驗轉(zhuǎn)矩、試驗時間等)，手動切換升速箱到合適試驗擋位后，啟動運(yùn)行。將固定的節(jié)氣門開度信息傳送給TCU，拖動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，測功機(jī)進(jìn)行加載，當(dāng)滿足AMT選換擋條件時，嵌入式PXI系統(tǒng)讀取到AMT選換擋請求，運(yùn)行換擋過程控制子程序，進(jìn)行測功機(jī)卸載，拖動電機(jī)調(diào)速等動作。AMT變速器選換擋結(jié)束后，恢復(fù)到程序設(shè)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩。同時，嵌入式PXI系統(tǒng)對試驗運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示和自動存儲。試驗控制系統(tǒng)運(yùn)行顯示界面如圖14所示。

圖14 AMT試驗控制系統(tǒng)運(yùn)行主界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計開發(fā)的純電動客車AMT變速器試驗系統(tǒng)可滿足在沒有動力總成套件情況下AMT變速器的試驗測試，其采用的CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制技術(shù)可使拖動和加載單元部件配合AMT變速器完成選換擋操作。同時，試驗控制系統(tǒng)可對試驗加載流程、試驗過程數(shù)據(jù)等進(jìn)行有效的管理和存儲，使純電動客車AMT變速器試驗技術(shù)水平與開發(fā)效率得到了全面提升。研制開發(fā)完成的純電動客車AMT變速器試驗系統(tǒng)已在重慶某變速器生產(chǎn)企業(yè)試驗研發(fā)中心投入使用，整體系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定。