張希

同濟(jì)大學(xué)，上海 201804

0 引言

近年來(lái)，電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為汽車電氣化、集成化方向上的重要課題越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。隨著對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)、控制算法以及系統(tǒng)能耗方面的深入研究，電控?fù)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)已被大規(guī)模應(yīng)用到各類車輛的控制系統(tǒng)中，并有望伴隨著汽車智能化的深入發(fā)展而發(fā)揮更重要的作用。

電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能是換擋控制系統(tǒng)標(biāo)定的重要內(nèi)容，也是此類機(jī)構(gòu)在應(yīng)用過(guò)程中的難點(diǎn)。通常情況下，電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)主要有永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)兩類，控制器基于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與減速機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。在實(shí)際應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電樞電流呈近似線性關(guān)系[1]，控制器無(wú)法通過(guò)電樞電流精確獲取電機(jī)動(dòng)態(tài)扭矩；對(duì)于減速機(jī)構(gòu)，雖然其減速比是固定的，但在多級(jí)減速傳動(dòng)過(guò)程中變化的傳動(dòng)效率以及被放大的輸出扭矩都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際出現(xiàn)偏差。

為了解決上述缺陷，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。本文針對(duì)電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款動(dòng)態(tài)換擋測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)車輛試驗(yàn)獲取了完整的動(dòng)態(tài)換擋過(guò)程。該測(cè)量系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)計(jì)算過(guò)程的不足，可以為控制系統(tǒng)標(biāo)定提供準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包含選、換擋無(wú)刷直流電機(jī)、內(nèi)花鍵齒輪、螺紋絲桿、齒條、齒輪、上螺母、下螺母、多頭絲杠、撥指和換擋軸，如圖1所示。當(dāng)進(jìn)行換擋動(dòng)作時(shí)，控制器控制換擋無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸通過(guò)內(nèi)花鍵齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋絲桿使絲桿上的齒條滑塊沿螺紋絲桿軸向移動(dòng)。撥指、換擋軸和齒輪為一個(gè)整體，當(dāng)齒條滑塊與換擋軸上端的齒輪嚙合推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)換擋軸也隨之運(yùn)動(dòng)，最終完成撥指轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行選擋動(dòng)作時(shí)，控制器控制選擋無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸通過(guò)花鍵與安裝在保持架內(nèi)的上、下花鍵齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。上、下花鍵齒輪中心設(shè)計(jì)有相反的多線螺紋孔，能夠與多線外螺紋套筒以及保持架配合傳動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿選擋軸的軸向運(yùn)動(dòng)。

圖1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

通過(guò)以上對(duì)電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的分析，可以發(fā)現(xiàn)最終的換擋動(dòng)作依靠換擋軸實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)一套能夠直接測(cè)量換擋軸端扭矩的測(cè)量系統(tǒng)就能夠?qū)Q擋動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行直接測(cè)量，進(jìn)而獲取精確的動(dòng)態(tài)特性曲線。

2 動(dòng)態(tài)換擋測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量系統(tǒng)硬件

測(cè)量系統(tǒng)硬件如圖2所示，主要包括工業(yè)計(jì)算機(jī)、采集控制模塊、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及應(yīng)變片。工業(yè)計(jì)算機(jī)是采集控制模塊的上位機(jī)，同時(shí)也是采集控制模塊的人機(jī)交互平臺(tái)；采集控制模塊是測(cè)量系統(tǒng)的通信中樞與數(shù)據(jù)中心，主要負(fù)責(zé)CAN總線通信以及各類信號(hào)的采集；換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器，可以按照總線命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動(dòng)；應(yīng)變片是測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量元件，負(fù)責(zé)將受力變形轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)硬件

2.1.1 應(yīng)變片

應(yīng)變片布置在換擋軸上，采用N5K-06-S5103R-350/DG/E4型電阻應(yīng)變片封裝制作轉(zhuǎn)矩。單片應(yīng)變片包含兩根夾角呈90°的敏感柵，其阻值大小為(350±0.002)Ω。單片應(yīng)變片工作溫度范圍為-75～205 ℃，能夠滿足車載環(huán)境工況。敏感柵由高阻金屬絲繞成，用黏合劑粘在兩張基底之中，線柵兩端有銅線作為引線與測(cè)量電路連接點(diǎn)。采用全橋模式連接的應(yīng)變測(cè)量具有溫度補(bǔ)償、導(dǎo)線熱效應(yīng)抵消以及彎曲應(yīng)變抵消功能[2]，封裝后的應(yīng)變片如圖3所示。

圖3 應(yīng)變片封裝示意

2.1.2 采集控制模塊

采集控制模塊使用IMC公司IMC-CS-7008-FD采集設(shè)備，該款設(shè)備可實(shí)現(xiàn)車輛總線通信以及多種類型信號(hào)的測(cè)量，對(duì)車載測(cè)試等各種復(fù)雜場(chǎng)合具有良好的適應(yīng)能力，如圖4所示。選用ACC/DSUB-UNI2接口對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行電壓模擬量信號(hào)測(cè)量，應(yīng)變電路接線定義如圖5所示。設(shè)置模擬量通道供電電壓為5 V，采樣頻率為1 kHz。

圖4 采集控制模塊

圖5 應(yīng)變電路接線定義

2.2 測(cè)量系統(tǒng)通信

動(dòng)態(tài)換擋測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)(LAN)與采集控制模塊建立通信。采集控制模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)(DBC)文件與換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器建立控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)通信。執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器使用A4935型集成診斷、通信功能的三相金氧半場(chǎng)效晶體管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信后，應(yīng)變片電壓信號(hào)通過(guò)采集控制模塊的模擬量通道采集，電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)CAN通道采集。至此，測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同步采集，并且通過(guò)采集總線數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化了硬件設(shè)置。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

未經(jīng)標(biāo)定的測(cè)量系統(tǒng)只能獲得相應(yīng)的電壓信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際載荷的測(cè)量。為此，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。按照實(shí)際換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)，將換擋軸水平放置并且將其一端固定，選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)標(biāo)定試驗(yàn)如圖6所示。根據(jù)轉(zhuǎn)矩等于力與力臂的乘積，通過(guò)壓力機(jī)將作用力施加到對(duì)應(yīng)撥指的接合點(diǎn)，同時(shí)記錄采集的電壓模擬量數(shù)據(jù)和壓力機(jī)載荷數(shù)據(jù)，作用力和電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。最后，采用最小二乘法確定多項(xiàng)式方程的系數(shù)，完成應(yīng)變電壓信號(hào)與載荷信號(hào)的關(guān)系建立[3]。

圖6 選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)標(biāo)定試驗(yàn)

表1 作用力和電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)車輛在不同道路工況下行駛時(shí)，電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)基于不同策略執(zhí)行掛擋、摘擋操作。將測(cè)量系統(tǒng)安裝到整車，通過(guò)道路試驗(yàn)收集動(dòng)態(tài)換擋數(shù)據(jù)，整車參數(shù)見(jiàn)表2，其中發(fā)動(dòng)機(jī)類型為汽油內(nèi)燃機(jī)。

表2 整車參數(shù)

各擋位動(dòng)態(tài)換擋實(shí)測(cè)曲線如圖7所示，各擋位動(dòng)態(tài)換擋計(jì)算曲線如圖8所示。

通過(guò)對(duì)比換擋測(cè)量曲線以及計(jì)算曲線可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量曲線有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)得益于獨(dú)立的采樣通道和較高的采樣頻率，測(cè)量曲線能夠更好顯示動(dòng)態(tài)特性，測(cè)量掛擋力、摘擋力相比計(jì)算曲線更精確；

(2)與計(jì)算曲線相比，測(cè)量曲線避免了電機(jī)瞬態(tài)大電流的影響，這使得測(cè)量曲線剔除了干擾波形;

(3)在換擋極限位置測(cè)量曲線由于不受到磁場(chǎng)間隙的影響，所以沒(méi)有突變信號(hào)，使得極限位置界定更為明確。

圖7 各擋位動(dòng)態(tài)換擋實(shí)測(cè)曲線

圖8 各擋位動(dòng)態(tài)換擋計(jì)算曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文搭建的測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)與整車總線的通信簡(jiǎn)化了硬件，使其具有較高的集成性和通用性。該測(cè)量系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)現(xiàn)有計(jì)算過(guò)程的不足，對(duì)優(yōu)化控制標(biāo)定過(guò)程具有一定應(yīng)用價(jià)值。作為控制系統(tǒng)標(biāo)定的重要內(nèi)容，該套測(cè)量方案對(duì)延長(zhǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命周期以及優(yōu)化控制系統(tǒng)可靠性具有指導(dǎo)作用。