AT電控系統(tǒng)電磁閥組狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

王景霞，韓宇石，李志偉，衣 超

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

AT電控系統(tǒng)主要用于液力機(jī)械自動(dòng)變速箱(簡(jiǎn)稱AT)的換擋控制，它由換擋選擇器、控制單元(TCU)、顯示裝置和裝在傳動(dòng)裝置上的輸入信息傳感器(壓力、轉(zhuǎn)速、溫度傳感器等)等裝置組成.當(dāng)駕駛員通過(guò)換擋選擇器進(jìn)行工況選擇時(shí)，TCU根據(jù)各種傳感器的信號(hào)判斷當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)，并向電磁閥組中相應(yīng)比例電磁閥發(fā)出控制信號(hào)，控制比例電磁閥按一定的規(guī)律變化，使電磁閥組的輸出壓力按需求規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)變化，從而操縱換擋離合器或制動(dòng)器結(jié)合或分離，使變速箱獲得不同的傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)車輛擋位的切換.

AT電控系統(tǒng)通過(guò)6個(gè)比例電磁閥來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)操縱油缸的油壓，6個(gè)比例電磁閥不同的組合使變速箱獲得不同的擋位.若電控系統(tǒng)發(fā)生電纜短路或電磁閥故障，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)比例電磁閥同時(shí)導(dǎo)通工作，進(jìn)而導(dǎo)致變速箱出現(xiàn)掛雙擋或多擋現(xiàn)象，最終導(dǎo)致自動(dòng)變速箱出現(xiàn)不可恢復(fù)性的損壞.比例電磁閥的啟動(dòng)電流一般在200 mA左右，此時(shí)比例電磁閥已經(jīng)有電流通過(guò)，但是，液壓油缸內(nèi)還沒(méi)有建立起油壓.如果此時(shí)TCU能夠檢測(cè)到比例電磁閥內(nèi)的電流，發(fā)現(xiàn)不應(yīng)導(dǎo)通的電磁閥有電流通過(guò)，AT電控系統(tǒng)立刻進(jìn)行保護(hù)，切斷所有比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使自動(dòng)變速箱處于空擋狀態(tài)，并報(bào)警顯示，這樣就可以防止自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋，避免變速箱機(jī)械部件的損壞，將故障損失降低到最小.因此，設(shè)計(jì)了電磁閥組狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案來(lái)解決此問(wèn)題.

1 閥組狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測(cè)電磁閥組的工作狀態(tài)，主要是監(jiān)測(cè)各個(gè)比例電磁閥的工作電流，在本方案中將比例電磁閥的工作電流作為反饋信號(hào)，進(jìn)行閉環(huán)控制.對(duì)于比例電磁閥內(nèi)電流的提取，有兩種方案，一是可以在電磁閥的控制導(dǎo)線上串聯(lián)電流傳感器，通過(guò)電流傳感器內(nèi)的反饋電流進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè).但電流傳感器體積較大、成本高、安裝不方便，而且電流傳感器檢測(cè)出的信號(hào)還需要進(jìn)行處理.因此，在本方案中沒(méi)有采用電流傳感器，而是在比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路上串聯(lián)低電阻值的高精密采樣電阻，這樣通過(guò)采樣電阻的電流變化就可以判斷比例電磁閥的工作電流變化，既節(jié)約了成本又減小了體積.采樣電阻的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、隔離，再接入中央處理單元的A/D端口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.AT電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示，監(jiān)測(cè)方案框圖如圖2所示.

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 方案框圖

電流信號(hào)的采集、處理、隔離分別通過(guò)電流信號(hào)采集電路、電流信號(hào)處理電路、保護(hù)點(diǎn)電路來(lái)實(shí)現(xiàn).

1.1 電流信號(hào)采集電路

電流信號(hào)采集電路如圖3所示.在比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)采樣電阻R11來(lái)提取比例電磁閥的工作電流，采樣電阻選R11用0.1 Ω的高精密電阻.采樣電阻的電阻值很小，比例電磁閥的感抗為30 Ω左右，因而對(duì)于電磁閥的工作不會(huì)產(chǎn)生影響.

在圖3中，采樣電阻R11與電磁閥串聯(lián)，因而R11中流過(guò)的電流可以實(shí)時(shí)反映電磁閥內(nèi)的電流，用示波器測(cè)量R11兩端的電壓波形為幅值50 mV左右的隨占空比變化的方波.

圖3 電流信號(hào)采集

1.2 電流信號(hào)處理電路

電流信號(hào)處理電路如圖4所示.圖3中采樣電阻R11兩端的電流信號(hào)通過(guò)圖4中U1進(jìn)行差動(dòng)轉(zhuǎn)換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào).用示波器測(cè)量U1的引腳6對(duì)地電壓，該電壓為平均值在0～130 mV之間變化的正弦波，正弦波的頻率為1 kHz，幅值為27 mV左右，平均值的變化是隨控制信號(hào)占空比的改變而改變的.當(dāng)占空比為0時(shí)，反饋電壓為0;當(dāng)占空比為100%時(shí)，反饋電壓為峰-峰值27 mV、電壓平均值為130 mV的正弦波.反饋電壓的大小與負(fù)載有關(guān)系，不同的負(fù)載電壓會(huì)有一些變化.

圖4 電流信號(hào)處理電路

由于經(jīng)過(guò)U1的反饋電壓幅值很小，因此要進(jìn)行放大后才能進(jìn)行控制，電阻R7、R13、R19與運(yùn)算放大器U7構(gòu)成比例放大器［2］，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R7、R13、R19的電阻值來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，以產(chǎn)生需要的電壓.在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，選取1 kΩ、20 kΩ、390 kΩ的電阻，放大倍數(shù)為20倍.U7的輸出電壓按公式(1)計(jì)算.

這樣，反饋電壓經(jīng)過(guò)放大后，測(cè)量U7的引腳1點(diǎn)對(duì)地電壓UO為平均值在0～2.6 V之間變化的正弦波，該正弦波的頻率為1 kHz，峰-峰值500 mV左右，正弦波波形如圖5所示.

圖5 反饋電壓波形圖

1.3 保護(hù)點(diǎn)電路

通過(guò)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)操縱油缸油壓大于0.6 MPa時(shí)，相應(yīng)的操縱件才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作響應(yīng)，此時(shí)電磁閥電流為209 mA，圖3中采樣電阻R11上的電壓為20.9 mV，經(jīng)過(guò)圖4的電壓轉(zhuǎn)換、放大后中央處理器輸入端的電壓為418 mV.因此保護(hù)點(diǎn)電路的保護(hù)電壓應(yīng)設(shè)置在該點(diǎn)之內(nèi).當(dāng)檢測(cè)到不應(yīng)導(dǎo)通的電磁閥中反饋電壓超出此電壓閾值418 mV，控制系統(tǒng)就會(huì)切斷所有輸出，并報(bào)警顯示.

由于反饋電壓不是一個(gè)線性變化的信號(hào)，而是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的信號(hào)，因而在集成運(yùn)算放大器的同向端引入正反饋.采用滯回比較器［1］的優(yōu)點(diǎn)是正向和反向的閾值電壓不同，在兩個(gè)電壓之間的信號(hào)狀態(tài)唯一，電路原理如圖6所示.電壓傳輸特性如圖7所示.

圖6 保護(hù)點(diǎn)電路

圖7 電壓傳輸特性

UT1和UT2為閾值電壓，當(dāng)電磁閥反饋信號(hào)電壓大于UT2時(shí)，輸出UO翻轉(zhuǎn)為－5 V;當(dāng)電磁閥反饋信號(hào)電壓小于UT1時(shí)，輸出UO翻轉(zhuǎn)為+5 V.在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，首先確定UT1和UT2的大小，然后計(jì)算圖4中各個(gè)電阻的取值，計(jì)算方法如下:

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在臺(tái)架試驗(yàn)中將AT電控系統(tǒng)與被控電磁閥組連接好，操縱換擋選擇器，使AT自動(dòng)變速箱工作在1擋，電磁閥組中對(duì)應(yīng)的電磁閥B2和B3導(dǎo)通.電磁閥組與擋位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.為了模擬自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋試驗(yàn)，將C1電磁閥的電纜短路(C1電磁閥非正常充油的現(xiàn)象)，C1電磁閥導(dǎo)通，此時(shí)C1、B2、B3電磁閥同時(shí)導(dǎo)通，從表1可以看出，C1與B2結(jié)合變速箱工作在3擋，C1與B3結(jié)合變速箱工作在4擋，所以自動(dòng)變速箱會(huì)出現(xiàn)同時(shí)掛1擋、3擋、4擋的現(xiàn)象.

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):電控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電磁閥組電流監(jiān)測(cè)和判斷，當(dāng)檢測(cè)到C1的電流大于209 mA時(shí)立即切斷所有比例電磁閥的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并報(bào)警顯示，使變速箱工作在空擋狀態(tài)，防止了自動(dòng)變速箱同時(shí)掛1擋、3擋和4擋的現(xiàn)象.通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電磁閥組的工作狀態(tài)，并防止因電磁閥工作不正常而引起的變速箱故障.

表1 電磁閥組與擋位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

為了解決由于電纜短路或電磁閥故障等原因引起的AT自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了AT電控系統(tǒng)電磁閥組工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方案.該方案由電流信號(hào)采集電路、電流信號(hào)處理電路、保護(hù)點(diǎn)電路組成，本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了電流監(jiān)測(cè)保護(hù)點(diǎn)電路，當(dāng)電控系統(tǒng)TCU檢測(cè)到不應(yīng)導(dǎo)通的比例電磁閥的電流大于209 mA時(shí)，即保護(hù)電路的電壓域值超過(guò)418 mA時(shí)，TCU立即切斷所有輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并報(bào)警顯示，實(shí)現(xiàn)了電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能.本方案兼具體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn).通過(guò)在臺(tái)架上通過(guò)對(duì)自動(dòng)變速箱掛雙擋故障現(xiàn)象的模擬，驗(yàn)證了本方案對(duì)電磁閥組工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，確保比例電磁閥能夠進(jìn)行正確的擋位切換，從而使換擋離合器或制動(dòng)器正確的結(jié)合或分離，避免了AT自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋的問(wèn)題.該方案的設(shè)計(jì)成功，為AT變速箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高了AT控制系統(tǒng)的可靠性.

［1］童詩(shī)白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) ［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］威廉斯 (英)(Tim Williams).電路設(shè)計(jì)技術(shù)與技巧 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.