王金永
【摘 要】本文針對重型車輛機械式自動變速器(AMT)進(jìn)行研究,設(shè)計完成一種氣動液壓式離合器自動操縱系統(tǒng)。基于Matlab/Simulink完成控制算法編寫,利用CANoe發(fā)出控制指令并監(jiān)控離合器的執(zhí)行動作。通過臺架試驗,驗證了該系統(tǒng)能夠執(zhí)行對離合器位置和結(jié)合速度的精確控制。
【關(guān)鍵詞】自動操縱系統(tǒng);氣動液壓式; CAN通信
0.引言
重型車輛使用條件較為惡劣,變速器負(fù)載大,檔位多,選換檔操縱沉重,迫切需要實現(xiàn)自動化以減輕駕駛員勞動強度,提高行車安全性,同時交通運輸和物流業(yè)的飛速發(fā)展也對重型車輛的自動化提出了較高要求[1] [2]。
本文對低成本、高性能的氣動液壓式離合器自動操縱系統(tǒng)的機構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與研究,以期改善車輛起步時的動態(tài)特性和提高換擋品質(zhì),減輕駕駛員的勞動強度,提高行駛安全性。
1.工作原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 工作原理
把原車用干式膜片彈簧離合器操縱機構(gòu)中的離合器踏板、液壓主泵、氣動分泵取消,利用原車氣動源,采用氣動主缸、液壓副缸以氣動液控方式實現(xiàn)離合器分離、結(jié)合的自動控制,通過兩位三通氣動電磁閥控制主缸進(jìn)氣、排氣和液壓比例流量電磁閥精確控制離合器分離/接合的速度和位置?;静倏v過程如下:
①氣閥通電,氣動源通過管路與氣動缸相連,壓力氣體作用于氣缸,同時通過電流控制比例流量閥的流量,實現(xiàn)分離速度、位置的精確控制;
②離合器分離到位后,調(diào)節(jié)電流使比例閥保持中位,保持離合器分離位置;
③氣動閥斷電,氣缸與大氣直接聯(lián)通,通過調(diào)節(jié)電流來控制比例閥流量,靠離合器膜片彈簧和回位彈簧的作用,實現(xiàn)結(jié)合位置、速度的精確控制。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過控制比例流量閥的工作電流0mA-2000mA區(qū)間的電流值可以達(dá)到精確控制液壓油流向和液流大?。浑x合器位移傳感器選用霍爾式位移傳感器。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:
①結(jié)構(gòu)簡單,成本低;
②利用原車氣動源,不需附加動力源;
③液壓比例流量閥控制離合器結(jié)合,精度高、可靠性好;
④液控離合器前期工作基礎(chǔ)好。
2.自動操縱系統(tǒng)控制軟件的實現(xiàn)
2.1 控制算法
控制算法的開發(fā)環(huán)境為Matlab/Simulink。RTW生成的C代碼與Cosmic中的主程序集成。下載到電控單元TCU中。其中能夠?qū)崿F(xiàn)離合器目標(biāo)位置的PID控制算法[3]的編寫如圖1所示。該模型的輸入為目標(biāo)結(jié)合位置和傳感器通過TCU傳來的離合器實際位置,輸出量為比例流量閥的電流值。P、I、D參數(shù)通過試驗標(biāo)定。
圖1離合器PID控制算法
2.2 CAN通信
實現(xiàn)上位機[4] [5](CANoe)與電控單元TCU的CAN通信[6]。上位機發(fā)出分離指令、結(jié)合指令、目標(biāo)位置、控制電流等,自動操縱系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動作。上位機接收離合器位置,氣閥、液閥狀態(tài)等監(jiān)控量。上位機CANoe的控制面板和監(jiān)控界面如圖2所示。
3.試驗
3.1 試驗內(nèi)容與試驗方法
氣動液壓式離合器自動操縱系統(tǒng)試驗臺主要測試離合器分離和結(jié)合時的位置和速度的精確控制[7] [8] [9] [10],以及離合器自動操縱系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。試驗方法如圖3所示。
3.2 試驗數(shù)據(jù)采集和分析
①離合器分離速度;
離合器在0.3 s內(nèi)分離徹底,如圖4所示,滿足實際工作要求。離合器分離時,比例流量閥給2000mA電流和離合器開始分離時間差為0.0297s,驗證該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏,不滯后。
②按照目標(biāo)位置、預(yù)定速度結(jié)合離合器;在2000mv、3000mv(半結(jié)合點處)、3500mv控制比例流量閥電流分別以快慢快的方式結(jié)合,試驗數(shù)據(jù)如圖5所示。試驗表明通過控制算法可以使自動操縱系統(tǒng)精確控制離合器的結(jié)合速度和結(jié)合位置,為離合器編寫快慢快的結(jié)合規(guī)律算法提供控制依據(jù)。
圖3實驗方法
圖2上位機CANoe的控制面板和監(jiān)控界面
圖4測試離合器分離時間
③目標(biāo)結(jié)合位置為一動態(tài)階越斜坡輸入,測試跟隨性;從圖6可以看出,給定目標(biāo)位置是每隔50ms結(jié)合20mv的一個細(xì)微階越斜坡輸入(最終結(jié)合位置控制在3500mv),根據(jù)既定目標(biāo)位置,調(diào)整比例流量閥的電流值,即調(diào)整回油口的大小,得到理想的實際位置跟隨曲線。圖中比例流量閥電流維持在820mA,其它控制電流亦可獲得理想的結(jié)合曲線,隨著電流值0——900mA變化,可以得到不同的結(jié)合速度。
圖5結(jié)合位置和結(jié)合速度控制
圖6測試離合器結(jié)合控制的精確性
④PID算法控制目標(biāo)結(jié)合位置。圖7表明自動操縱系統(tǒng)能夠使離合器準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置,且超調(diào)量小于200mv,振蕩時間短。
圖7離合器結(jié)合時對目標(biāo)位置進(jìn)行PID控制
4.結(jié)論與改進(jìn)方案
通過對目標(biāo)結(jié)合位置和實際位置曲線的對比分析,以及對各個結(jié)合速度的控制結(jié)果可以看出,氣動液壓式離合器自動操縱系統(tǒng)取得了滿意的控制效果,能過達(dá)到精確控制離合器的目的,為重型車輛機械式自動變速器研發(fā)的下一步工作奠定了基礎(chǔ)。
另外,該系統(tǒng)還有待改善和提高的方面如下:
1)氣動源壓力穩(wěn)定性差,可以在氣動管路上通過穩(wěn)壓和調(diào)壓裝置解決;
2)比例閥成本較高,但在大批量采購時可以有效降低成本。
參考文獻(xiàn):
[1]ZF Fried rich sha fen AG.Automatic transmissions for trucks and coaches[J].Experiences in development and application Drive System Technique,2001,(4):1—13.
[2]M.velardocchia and F.Amisano.R.Flora. A linear thermal model for an automotive clutch, SAE2000-01-0834.
[3]劉金錕.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真,北京航空航天大學(xué)出版社,2003.1.