变速控制系统（共12篇）
变速控制系统 篇1
变速箱是车辆的关键核心部件,其性能的优劣直接影响到车辆的舒适性、经济性和动力性能。随着市场竞争越来越激烈,也不断促使对变速箱的质量以及性能参数的要求大幅度提高。同时,随着社会上环保意识、节能意识的提高,用调速电机来代替实车上的发动机作为动力输入,用电力测功机来代替电涡流测功机、水力测功机的试验方式也得到认可和应用。该试验台利用变频电机、DTC变频器、采用全数字化、全网络化多CPU集散控制技术和电功率封闭技术,用于输入功率在600 kW以下,输入转矩3 000 N·m,输入转速3 600 r/min以内、输出转矩8 500 N·m,输出转速3 000 r/min以内的变速箱综合试验台。本试验台的程序化控制和数据自动采集实现了整个试验过程由单人操作完成,降低了人员成本同时也缩短了试验时间。
1 试验台性能
1)模拟发动机性能:功率600 kW,最高转速3 600 r/min,最大转矩3 000 N·m,调速范围30～3 600r/min。
2)模拟负载性能:最高转速3 000 r/min,最大转矩8 500 N·m,调速范围30～3 000 r/min。
3)系统稳速精度为0.05%FS,动态速降为0.2%,稳定调节时间<3 s。
4)转矩响应时间<5 ms,转矩控制精度<±0.5%FS,PID调整至稳定状态时间≤1 s。
5)电机正反转双向运行。
6)可以在全功率和全速度范围内任意转速转矩点连续运转。
7)通过软件控制具有模拟发动机特性曲线的功能。
8)控制系统可以模拟同功率发动机性能曲线运转,具有电子惯量系统。
9)控制系统具有控制台操作、计算机操作两种操作方式。
10)控制台操作通过操作按钮和电位器实现电机控制。
11)计算机操作具有通过计算机键盘鼠标实现电机的随机控制和电机按程序预设的工作点和工作时间自动完成试验过程。
12)动力电机控制方式。模拟发动机油门控制方式(开环),P=f(v) ;定转速控制方式(闭环),v=f(t);定转矩控制方式(闭环),M=f(t)。动力电机控制系统可实现电子惯量控制系统功能,使动力电机在试验过程中能更接近发动机性能。
13)加载测功机控制方式。定转速控制方式(闭环),v=f(t);定转矩控制方式(闭环),M=f(t);M(n)方式加载,M=f(n),n=f(t);左右差速加载控制方式,n1-n2=f(t);左右差转矩加载控制方式,M1-M2=f(t);道路载荷谱输入加载,M=f(n,t);程序加载。实现连续加减速试验。从1档连续不间断地加速到6档,测试试验件从零速到最高速的时间。可实现大半径转向试验。
14)主要试验项目。①自定义的开发研究试验,设备可以单独控制,控制方式可以合理自由组合,实现试验目的。②传动系统工作状态模拟试验,加速性能试验(电机P=f(v),测功机M=C),制动性能模拟试验(电机P=0,测功机M=f(t)),自动换挡模拟试验(电机P=f(v),测功机M=f(t))。③预定义的程序试验。简单程序循环;简单程序多重循环;高级程序循环 (换挡)。
控制系统具有自定义的开发研究试验功能,控制设备可以单独控制,控制方式可以合理自由组合,实现试验目的。
2 控制系统构成
变速箱换档试验台控制系统主要由动力驱动系统、加载控制系统、测控系统、液压系统、辅助机械等系统组成。
动力电机为1台ABB电机,额定电压 AC 690 V,额定功率620 kW,额定转速2 251 r/min,额定频率37.9 Hz,最高转速3 600 r/min。
力矩测量:HBM公司T10F转矩传感器,3 kN。
加载电机为2台ABB电机,额定电压 AC 690 V,额定功率1 200 kW,额定转速2 200 r/min,额定频率37.1 Hz,最高转速3 000 r/min。
力矩测量:HBM公司T10F转矩传感器,10 kN。
变频电机驱动系统由ABB公司ACS800多传动模块组成,ISU整流器型号为:ACS800-207-0940-7,额定功率928 kW,额定电压AC 690 V。动力电机逆变器型号为:ACS800-107-1160-7,额定输出功率900 kW,额定电压AC 690 V。加载电机逆变器型号为:ACS800-107-1760-7,额定输出功率1 400 kW。电机、逆变器的选型基于按重载应用考虑,具有5 min工作周期内1 min 150%过载能力。
试验台的自动化控制系统设计成3级网络控制,传动为零级,通过传输速率10 Mb/s的光纤连接与ABB公司高性能控制器AC80连接。基础自动化级为1级,采用西门子公司带有Profibus-DP通讯接口的S7-300可编程控制器。上位监控计算机为2级,采用西门子Wincc监控软件完成对整个控制系统的监控、操作、设定,操作界面全汉化方便使用。为了便于维护、提高可靠性和减少电缆敷设量,操作台设有ET200M远程站,基础自动化级和传动级远程I/O站以及AC80之间通过Profibus-DP进行数据通讯,上位机和基础自动化级之间的通讯采用Ethernet TCP/IP通讯。
西门子公司的S7-300系列高性能PLC完成整个试验台的启动、运转、连锁控制,试验程序的执行由ABB公司高性能控制器AC80完成。由于采用高性能的AC80控制器和PLC控制器,系统具有很快的数据处理能力和较大的程序存储能力,可完成复杂的试验控制。系统可存储试验件在不同工况下的转速、转矩等的函数,通过人机接口选择试验工况并输入相关试验参数使试验自动运行;系统还可存储不同发动机的特性曲线,可以控制动力电机按照发动机特性运行。监控计算机具有整个试验台控制系统的监控功能、故障诊断功能。
PLC作为上位监控微机的接口,主要完成对试验台的动力系统和辅助系统的顺序逻辑控制、故障信号处理以及PROFIBUS DP、Ethernet TCP/IP网络通讯。监控系统除完成电气系统的诊断、报警和存储、监控电气系统外,还完成试验程序的编制及调用、原始数据输入、画面显示、生产报表打印等工作。并对整个电气系统各监控状态画面进行显示,实时显示给定转速、给定转矩、实测转速和转矩的变化曲线,并实现动力输出、测功机加载、数据采集的操作控制。并具有远程计算机监控、远程计算机权限内操作的功能。PLC控制系统还具有换档控制输出,按试验要求编制程序,控制10路换档控制器的通断,控制信号指令发出的时间可以由软件控制并可以通过监控画面进行修改。系统构成见图1。
3 控制功能实现
3.1 加载方案
根据试验台要求,选择电力测功机加载。采用电力测功机方案是因为电力测功机和其它测功机加载相比具有以下特点:1)优异的加载特性。具有额定转速以下(直至零转速)恒转矩特性。电涡流测功机、水力测功机等加载器的低速性能不好,在一个相对低转速下甚至无法加上转矩(负载)。电力测功机非常理想地解决了这一问题,这对于电机、变频器和低速变速箱性能测试来说至关重要。2)具有正反转向同样的加载特性。一些加载器只能一个方向加载,例如水力测功机等,而电力测功机可以方便地改变加载方向,对于那些需要频繁改变转向的试验是非常必须的。3)节能环保。采用电力回馈,大大节约能源消耗。 一般可以节能80%以上(主要取决于被测系统损耗),对于需要长时间工作的试验系统,节能效益非常可观(例如内燃机、变速箱出厂试验)。4)正向加载(发电机运转)、反转倒拖(电动机运转),无环流任意切换。这对于那些既需要加载又需要倒拖的试验(例如内燃机试验、变速箱转向试验)非常方便。5)全数字化调节,精度高、稳定性及可靠性好、响应快。6)使用方便。无需水冷、油冷装置;调节方便;设备简单,占地少。7)具有消除电机惯量的功能即电子惯量功能。各种不同加载器的性能特点见表1。
考虑试验台的先进性、合理性以及扩展性要求,试验台动力和加载部分控制均采用变频器直接驱动变频电机,电机驱动采用ABB公司的ACS800系列多传动模块,整流器选用由IGBT组成的具有能量回馈功能的ISU整流器。其中1台变频电机作电动运行(或发电运行),作为试验台的动力;2台变频电机作发电运行或电动运行,用作变速箱的加载力矩即加载系统,由于采用直流公共母线运行方式,驱动部分和加载部分组成电功率闭环,加载电机将产生的电能回馈到直流母线乃至电网,达到较好节能效果,实现电能循环。这样整个系统消耗较小的电功率,整个试验台系统装机容量可以降低。
电力测功机的加载电机共由2台交流变频电机组成,单边为1台交流变频电机,试验变速箱与电力测功机之间直接连接,没有变速箱。由于没有变速箱,在做加速试验时连续无间断从零速到最高转速运行。采用电力加载系统可以实现零转速满转矩控制,而这是采用其它加载形式无法做到的。
试验台动力和加载电机均有独立的相同系列的逆变器控制,具有整体一致性的设计结构,每台电机的工作状况可以独立控制,无论电动和发电还是转速和转矩控制,可根据不同试验内容,自由设定或转换。ACS800系列高性能的4象限传动模块整流器允许以电动模式和发电模式进行整个功率范围的能量转换,两种模式之间的转换是非常快的,这基于DTC技术的快速控制性能,从电动功率模式(Pn)到发电功率模式(-Pn)的转换仅需要几个ms,且转换过程连续无滞后。这种性能可以满足复杂的试验控制要求,如在转向试验中加载电机从发电工作状态快速转变为电动工作状态作为动力电机使用。
3.2 恒转矩控制
控制系统的转矩控制采用DTC控制,在额定转矩下,转矩阶跃响应时间<5 ms。在额定转矩时,非线性度为±1%。控制系统转矩控制采用转矩直接和间接混合控制系统,在转矩DTC控制环上,增加直接转矩控制作为转矩控制微调,使转矩控制达到控制精度要求。直接转矩检测选用HBM公司的T10F转矩传感器。试验台转矩控制精度优于±0.5%。其中转矩控制部分框图见图2。
3.3 模拟发动机油门控制方式
根据试验科目,预先设定一个恒定的加载转矩,根据油门开度信号,AC80按照预知的发动机特性曲线,实时计算出驱动电机的转速给定,在实际输出转矩小于发动机输出转矩时,拖动电机按照恒转速方式运行,当实际输出转矩大于发动机输出转矩时,拖动电机按照发动机转矩曲线方式运行,并根据实际情况实施“熄火停车”。该试验科目用来模拟变速箱从1档连续升到最高档,车辆从零速连续加速到最高速的换档状态,检测换档时间是否紧凑、转速(车速)有无冲击等。
3.4 电惯量模拟功能
电惯量模拟和机械惯量模拟问题,应该说机械模拟更精确,没有时间滞后。但是,机械模拟存在范围限制和级差限制,因此现在采用较少。电动加载控制系统除要根据试验要求调节加载力矩外,更重要的一项功能是根据不同的车重通过电惯量模拟的方法对加载系统的能量进行补充。计算出加载电机的加速度dn/dt,
Td =π·M·R2/30·η×(dn/dt) (1)
根据式(1),当加速时,加载电机自动增加负荷(转矩),而当减速时加载电机自动减小负荷(转矩)。可实现电惯量模拟的目的。
采用专用软件包,快速精确地计算加载电机实际加速度,完成惯量模拟。电惯量模拟控制原理见图3。
4 结束语
该试验台已于2006年5月成功使用在某车辆研究所变速箱试验台,试验台功能、数采精度完全满足要求,各种指标均达到设计要求,工作稳定。
摘要：采用全数字化、全网络化集散控制技术和电功率封闭技术模拟变速箱的全部工作状态、过程:驱动—发动机制动—反拖—换档—离合器结合驱动等,完成正拖换档、正拖加载、反拖加载和反拖换档等。检验自动变速箱换档动作时序及各种因素对变速器换档时的影响。用于控制和测量变速箱的转速、转矩、功率、传动效率、温度等各种参数。动力系统的驱动、加载电机采用单独变频器驱动,驱动部分和加载部分组成电功率闭环,加载电机将产生的电能回馈到直流母线乃至电网,达到较好节能效果,实现电能循环。
关键词：变速箱,电力测功机,电功率封闭,自动控制
参考文献
[1]ABB电气传动系统有限公司.ACS800系统软件7.X固件手册[Z].北京:北京ABB电气传动系统有限公司,2005.
[2]ABB电气传动系统有限公司.ACS800 IGBT供电控制程序7.X固件手册[Z].北京:北京ABB电气传动系统有限公司,2005.
[3]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].第2版.北京:机械工业出版社,2005.
变速控制系统 篇2
无级变速器PID速比控制器设计
文中在分析金属带式无级变速器速比PID算法的基础上.对经典PID控制算法进行了改进,并将改进后的算法运用于Simulink环境下建立的CVT整车模型中,在设定工况下进行仿真实验.仿真结果显示,改进后的.控制算法可以使实际速比较好地跟踪目标速比的变化.
作 者：文明 黄妙华 作者单位：武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉,430070刊 名：北京汽车英文刊名：BEIJING AUTOMOTIVE ENGINEERING年，卷(期)：“”(2)分类号：U463.212.02关键词：无级变速器 PID 速比控制
发动机和变速箱的CAN总线控制 篇3
【关键词】CAN总线；变速箱；发动机；J1939
【中图分类号】S219.031 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0153-01
一、现有系统介绍
主动式铲运车是动力系统主要包括发动机、变速箱，其协调控制是基于CAN总线通讯来实现，现已通过CAN总线实现了发动机与变速箱的协同控制，摆脱了以往依靠机械式或电气输口的输入控制方式。依托CAN总线发动机及ZF变速箱全开放J1939通信协议标准，根据发动机和变速箱的特性进行集中控制，使各方面专家的成熟控制方案得以实施，在控制其节能和功率控制方面创国内领先水平。该设备于2010年由欧洲引入国内，经过2年的试制研发，其电气控制系统完全由国内专家协作开发，已达到国内工程设备先进水平。
目前这在国内实用两年的成熟动力CAN总线控制系统在采用04排放的发动机的最新铲运机型上得到了继续沿用，并于2012年8月瑞士试机成功。
二、J1939协议简介
J1939是运用于移动车辆的一种支持闭环控制的多个组成部件控制器之间的高速通信网络协议，它CAN2.0为核心，一个J1939的CAN数据帧由标识符（ID）、数据度、最长8字节的数据内容组成。其中标识符信息包含了以下信息：优先权（P）、保留位（R）、数据页位（DP）、协议数据单元（PDU formamt）和源地址（sourceaddress）。
三、发动机J1939部分
通过发动机CAN总线J1939协议可以实现发动机诊断、状态监视、油门控制等多方面信息传递。发动机的状态和控制是通过数据长度为8字节不同的CAN数据包来进行传送，这些数据据包通过各自不同的ID号来加以区别，每个数据包在J1939协议中以不同的名字来命名。其中较常用的如是反映发动机当前故障点的故障号（DM1、DM2、DM5），发动机工作总时间，当前电池电压，燃油经济性，燃油温度和冷却液温度（EET），当前发动机转速及转矩（EEC1）、載荷百分比（EEC2）、冷却液位及机油压力（EFL/P），空压温度；用来控制的CAN数据包发动机转速＼转矩控制（TSC1），发动机软启停和最重要的修改发动机工作曲线的CAN指令等。
对于04排放发动机J1939部分新增了冷却水位，后处理器（DPF）选择开关及DPF灯等需要强制安装的开关和灯等元器件相关协议，这样就只需要对虚拟仪表和PLC程序略加改动就能从以往旧有程序升级到适用于04排放发动机的程序。
四、变速箱CAN数据部分
变速箱与发动机和控制器通过CAN总线来进行联系，从发动机和变速箱所发出的CAN数据中可以获得足够的控制信息来协调整个电气系统工作在合理的工作范围内，实现功率分配的最优化和节能的最大化。在发动机所发出的CAN数据中，最常用的包括下列主要状态数据：发动机输入转速、输出转速、变档范围、当前档位、档位方向、OP模式等（TCU1）；AEB模式及其子代码、各电气输入输出点的IO状态、油底壳温度等（TCU2）等。对于变速箱，将从总线上获取EEC1、EEC2、EEC3、ERC1、CCVS等各帧CAN数据作为变速箱运行的参考，同时发出TSC1、ETC1、ETC2数据放到CAN总线上供发动机和设备控制器使用。
依据变速箱的相关CAN总线指令协议，在控制方面变速箱可以摆脱电气物理控制接口，实现全CAN通讯控制，这也为生产厂家降低了相关硬件成本，并尽可能减少了维修故障点提供了可能性。
五、设备控制器
设备控制器接收以上发动机和控制器所发出的讯息，采集液压系统等传感器的电气讯号，将信息汇总分析后对设备执行机构发出操作指令，并依据协议规定的CAN数据对发动机转速和扭矩进行控制以及对变速箱的当前档位、采用的工作模式进行操作，并进行协同工作，同时将采集的信息如故障代码、状态信息发送到人机界面，并由人机界面给出相关提示信息和诊断讯息指导操作人员和维护人员进行相关操作或提供信息参考，另外可由专业技术人员通过人机界面来对发动机工作曲线、变速箱工作模式，对整台设备的功率分配方式及节能制式进行简单的配置。
六、前景探讨
整车控制系统通过J1939协议获取发动机和变速箱的转速及转矩信息，加上设备控制器从液压系统采集的液压信息，和通过电磁阀芯反馈电流值大小可控制液压回路的输出排量，合理估算出各子系统的功率分配，通过人工输入的当前工况，根据设备不同的工作特性，采用适当的发动机工作曲线和设置变速箱的不同变档工作曲线，使设备工作得以顺畅的工作在最经济的工作状态下。
现在如何节能已经成为全球面临的普遍问题，越来越多工程设备面临着如何更多地降低油耗的问题，设备各种组成部件由不同的专业厂家制造，而CAN总线通讯技术使得各组成部件按照预设的工作方式协调工作成为可能，基于开放式总线通讯技术的动力控制系统在节能这一方面具备不可比拟的优势，而基于CAN的J1939控制为实现这一最经济的工作方式铺平了道路，不难想像将来在这一基础之上，更先进的节能技术将会不断推陈出新，被开发出来并应用于不同的设备平台。
参考文献
[1]饶运涛，邹继军，郑勇芸S现场总线CAN原理与应用技术[M]北京：北京航空航天大学出版社，2003：18
[2]阳宪惠，现场总线技术及其应用。北京：清华大学出版社，1999
汽车变速系统分析 篇4
1、汽车变速系统的工作原理
目前, 汽车上广泛采用的是活塞式内燃机, 其转矩变化范围较小, 而汽车实际行驶的道路条件非常复杂, 要求汽车的牵引力和行驶速度必须能够在相当大的范围内变化。另外, 任何发动机的曲轴始终是向同一方向转动, 而汽车实际行驶过程中常常需要倒车行驶。为此, 在汽车传动系中设置变速系统, 其具体功用是:
(1) 改变传动比, 扩大汽车牵引力和速度的变化范围, 以适应汽车不同条件下的需要;
(2) 在发动机曲轴旋转方向不变的条件下, 使汽车能够倒向行驶;
(3) 利用空挡中断发动机向驱动轮的动力传递, 以使发动机能够启动和怠速运转, 并满足汽车暂时停车和滑行的需要;
(4) 利用变速系统作为动力输出装置驱动其他机构, 如自卸车的液压举升装置等。
2、汽车变速系统性能分析内容及分析平台构建
随着汽车工业的迅猛发展, 车型的多样化、个性化已经成为汽车发展的趋势。而汽车变速系统的设计是汽车设计中重要的环节之一。它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速, 目的是在各种行驶工况下, 使汽车获得不同的牵引力和速度, 同时使发动机在最有利的工况范围内工作。因此, 汽车变速系统的性能影响到汽车的动力性和经济性指标。所以, 汽车变速系统必须具备良好的性能以满足汽车设计的需要, 汽车变速系统应该满足的性能有以下几个方面:
(1) 稳定的工作性能。
(2) 良好的结构性能。结构方式的不同, 对功能的保证措施也不同, 随之带来的是产品特性的不同, 好的结构性能, 可以提高整体性能, 提高安全可靠性;
(3) 良好的经济性能。好的经济性能可以帮助产品占领开阔的市场空间, 对经营的发展大有裨益。
二、汽车变速系统的静力学分析
1、汽车变速系统静力学分析理论
静力学分析是有限元分析最常见的分析类型, 被广泛应用在工程设计。齿轮和轴是汽车变速系统的关键零部件, 所以很有必要对齿轮和轴的受力情况进行分析。本章以汽车变速系统处于第二速传动为例, 对系统的关键零部件, 如第二速齿轮和输出轴做结构线性静力学分析, 在分析中, 由于只是分析那些不包含惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力, 因此一般都假定载荷和响应是固定不变的, 即假定它们不随时间变化。静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力、位移载荷和温度载荷等。
三、汽车变速系统的动力学分析
1、动力学分析概述
动力学分析就是用来确定惯性 (质量效应) 和阻尼起重要作用时候结构或者构件动力学特性的技术, 一般动力学特性主要指以下几个方面中的一种或者多种类型:振动特性, 即结构的振动方式和振动频率;随周期性变化载荷的效应, 即施加周期性变化载荷时结构的位移和应力的响应情况;周期振动或者随机载荷的效应, 主要指结构受周期性载荷或者随机载荷时的变化规律。在汽车变速系统的结构设计工作中, 动力学设计和分析是必不可少的一部分。在汽车变速系统中, 我们会接触到大量的旋转结构 (例如:轴、齿轮等结构) 。这些结构的损坏大部分都是由于共振引起较大振动应力引起的, 同时, 由于处于旋转状态, 它们所受外界激振力比较复杂, 更要求对这些关键部分进行完整的动力学设计和分析。
四、汽车变速系统性能分析评价
1、汽车变速系统性能评价概述
汽车变速系统在其生命周期内, 要经历产品需要、产品定义、工艺设计与制造、装配以及使用、维护与回收等基本阶段。在汽车变速系统生命周期的这几个基本阶段, 性能评价起着至关重要的作用。
汽车变速系统性能评价是将评价决策理论运用到工程实际, 利用多指标综合评价方法, 来解决汽车变速系统性能评价问题;是产品监督、提高产品安全可靠性、增加产品稳定性的必要组成部分;也是提高生产率的重要保障。在汽车变速系统设计阶段, 对其进行性能评价可以保证优良的产品设计, 也可以对设计方法以及设计效果进行全面衡量。由于并行设计的复杂性、多变性以及相互关系的复杂性, 对汽车变速系统设计的J下确与否, 评价决策的影响是很大的。因此, 及时全面评价汽车变速系统性能, 反馈信息, 改进产品设计, 可以得到使得汽车变速系统设计、工艺设计与制造的一次成功, 达到降低成本、提高设计质量和缩短开发周期的目的。
那么, 在汽车变速系统性能评价过程中, 会涉及各种复杂的决策问题, 因此, 选择合适的评价步骤和方法, 建立一个适用于变速系统开发周期的各个阶段、从不同的层次和角度对变速系统进行综合评价的决策模型, 以及在模型中反映产品主要的决策目标, 对提高汽车变速系统设计的整体综合效益有重要的意义。
汽车变速系统综合评价的依据就是指标, 而指标按照不同的标志可以分为价值指标和实物指标, 相对指标和绝对指标, 单项指标和综合指标。为了对变速系统做出全面的评价, 本论文研究中采用多级指标综合评价方法, 既把反映被评价汽车变速系统的多个指标的要素综合起来, 得到一个综合性指标, 以此来反映被评价汽车变速系统的整体情况, 并且进行横向和纵向的比较。
参考文献
[1]黄玮:《汽车变速系统结构与维修》, 国防出版社, 1999年。
[2]阮忠唐:《机械无级变速系统》, 机械工业出版社, 2003年。
变速控制系统 篇5
1系统介绍
具体说来，该试验台系统具有以下优点：可进行五种不同型号变速器及其扩展类型变速器的性能测试;自动测试过程可智能控制;短时间内可完成综合性能(换档、加载、同步器)测试;运行参数可实时显示;可进行故障的自动检测、报警及处理等。
1.1系统硬件介绍
本系统采用双变频电机模拟汽车变速器实现工况，从而实现对变速器性能的真实检测。电机的控制通过西门子6SE70系列变频器来实现。该系统变频器采用交流矢量控制技术，对大功率交流电机实现了精确控制。因为该系统中变频器数量不多、数据传输量不大，采用RS485总线来实现工控机与变频器之间的通讯，满足了实时性要求。由于PLC控制稳定、可靠，所以自动换档执行机构(机械手)采用PLC控制器来实现不同型号变速器的自动换档动作。
图1系统结构图
1.2系统软件开发环境
工业过程控制软件往往需要具有很强的通讯能力、现场数据的实时检测能力及强大的数据库、良好的图形界面。组态王6.01采用全新中文Explorer界面并拥有丰富的绘图工具和庞大的图形库(包括大量的工业标准元件)，支持多媒体和ODBC数据库提供的功能、具有强大的控件和控制语言，使用灵活、方便，提供给用户一方便的集成开发环境，使开发者可快速构造应用系统。它还具有强大的通讯能力和良好的开放性。本系统控制软件基于组态王6.01二次开发，实现了测试过程的控制、测试数据的实时显示，而且缩短了开发时间。
2系统体系结构
2.1系统要求
厂方要求试验台系统能够在线检测变速器的综合性能，包括以下试验：①各档换档试验;②变速器加载能力测试;③变速器操纵(同步器)性能的测试;④跳档检测;⑤变速器的疲功寿命试验;⑥传动效率试验。
工作性能要求为：
(1)系统运行稳定、安全可靠;
(2)测试数据报表和测试及故障诊断的界面友好;
(3)台架试验方法科室、规范，达到汽车机械式变速器台架试验方法国家标准;
(4)在同一台架上对不同种变速器完成测试功能。
2.2系统体系结构
系统整体结构如图1所示。
系统分为三大模块：①控制部分;②换档机械手部分;③试验台机电部分。控制部分以计算机为中心，控制软件根据现场数据和当前工作状态控制系统的流程、任伤分配、指令发送、故障检测等;通过板卡通讯向PLC机械手发送换档控制指令、通过RS485总线变频器发送测试所需的转速和加载扭矩信号。控制部分还包括变频器、现场数据采集卡(PCL818L)、PLC控制器。变频器可以实现三相交流异步电动机的无级调速。变频器选用西门子6SE70系列变频器，该系列变频器采用交流电机的矢量控制技术对电机进行控制。矢量控制也叫磁场定向控制。它的基本思路是利用d-q旋转坐标变换，将定子电流分成励磁电流id1和转矩电流iq1，在调速过程中保持转子磁链不变，即id1为常数，此时交流电机调速原理与直流电机相同。现场数据采集卡将现场采集的数据传输到计算机。PLD控制器根据计算机发送的指令完成将换档信号转换为换机械手的执行命令。
换档机械手部分是控制部分的执行机构，机械手根据PLD发送的换档指令完成指公平的换档动作。
试验台机电部分是本系统是最终执行机构，完成将变速器驱动到相应转速和加载扭矩，以达到特定测试工况。机械部分包括两个功率比较大的变频电机和试验台架。本系统中电机的性能对整体性能影响很大，因而选用交流变频电机。该电机能满足高精度的扭矩、转速控制，而且功率足够大，可以满足本系统试验工况要求。工作时，加载电机工作在发电状态下，能量回馈到电网，大大节约了能源。试验台架包括离合器、传动机构和汽车变速器。因为试验时要达到高转速、高扭矩的工作状态，所以机械部分加精度要高。汽车变速器是本系统测试对象，为
了使装卸变速器的时间短，本试验台变速器的夹紧松开操作是通过油缸4轴连动压板来实现的。
2.3系统工作原理
系统采用双电机模拟汽车工况，其中驱动电机通过变频器的速度闭环控制模拟汽车的驱动机构，加载电机通过变频器的扭矩闭环控制模拟汽车加载。机械手根据计算机发出的指令信号完成对不同型号变速器的换档动作，从而能控制变速器换档到指定档位。在测试过程中，控制软件对系统的运行参数实时记录显示，并对温度、转速、扭矩、电流、完全罩到位信号等实时监控，遇到故障自动报警、自动分析。
3系统软件的开发与实现
本系统控制软件是基于组态王6.01二次开发的、功能结构如图2所示。
本系统从功能上完成了自动试验、手动试验、单独换档试验、疲劳试验和效率试验。计算机自动试验是本系统的主要部分，在这种状态下计算机控制变速器的测试过程，包括：试验流程、试验过程中换档顺序、各个档位的转速给定、加载扭矩给定、系统协调、信号检测及处理等。在自动试验控制下，完成从空档到最高档位的换档和加载交替过程，接着完成从最高档位降低到最低档位的降档换档，最后完成倒档测试。手动试验是由人操作手动操作台的.扭钮完成的，其程序主要完成监测、报警功能。单独换档是应厂家要求对某一指定档位进行试验。疲劳试验和效率试验分别对变速器的耐久性和传动效率进行测试。组态王6.01有丰富的画面制作系统，支持无限色和二十四种过滤色，并具有丰富的图库和图库精灵、丰富的动画连接向导。利用组态王6.01界面开发系统可给各种控制模式开发生动的界面，非常形象、美观。由于自动试验过程是本软件系统的关键，故以下仅对自动试验进行讨论。
3.1接口通讯参数
组态王与I/O设备之间的通讯很方便，主要通过以下几种方式进行通讯：串口通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口方式。组态王有丰富的数据类型，使用起来特别方便。
接口通讯参数如图3所示。
计算机通过检测现场数据，根据任务规划状态向PLC和变频器发送相应的控制指令。
现场数据包括：变速器当前档位、转速、扭矩、通过拉压力传感所测得的挂档力、离合器开关信号、变速器夹紧信号、轴承温度等。其中与PLC的通讯利用组态王的板卡通讯方式，组态王与变频器通讯采用组态王的串口通讯方式，组态王与现场数据通讯通过PCL818L扩展板卡来实现。现场数据用于检测工作状态是否到位和故障报警等，如机械手是否换档到位是根据现场采集的速度之比和配方中的速比是否一致来判断的，而温度、转速等指标又是故障报警的依据。
3.2自动换档过程的实现
3.2.1自动换档过程流程图
自动换档过程流程图如图4所示。
自动换档过程要完成松开离合器、换档、闭合离合器的动作和定时加载以及档位的自动更替。由于松开离合器、换档、闭合离合器都是在电机运转的情况下工作的，因而每一动作命令的发出都要先检验其条件是否严格满足以保证安全。离合器松开的条件为：电机的转速必须在预设的范围内;档档的条件为：必须检测到离合器已松开;离合器闭合条件为：换档到位。如果条件不满足就等待条件满足，但是等待时间也是有限制的，故采用定时器计时的方法来控制顺序动作等待时间。当档位换到位时，按该档位的测试参数加载，加载一段时间就可以测得变速器的加载能力，因而加载的定时也采用定时器来完成。加载计时完毕，将进行下一档位的测试，在程序中进入换档准备过程。在换档准备过程中，当前档位标志更替为下一个测试档位的标志，档位参数(变比、档位、加载扭矩、加载转速)更改为下一测试档位的参数。
3.2.2基于组态王编程实现自动档换过程
组态王事件命令语言可以规定在事件发生、存在和消失时分别执行的程序。离散变量名或表达式都可以作为事件。当该事件刚刚发生时，该单元的程序只执行一次;当该事件存在时，按照设定的时间间隔反复执行该单元程序;当该事件消失时，该单元程序只执行一次。事件命令语言存在时的循环执行程序与普通程序的while循环类似，但不完全相同。事件命令语言在事件存在条件下可以控制和调节系统循环执行的时间，因而有利于过程控制的定时操作。事件命令语言可以完成普通程序的if、while条件，同时可以达到定时功能。而且工业控制中很多都是通过离散状态变更来激发程序的流程。组态王命令语言形式很适合开发这种过程。
自动换档过程建立了多种工作状态：“换档准备”、“换档开始”、“换档成功”、“加载”、“运行”、“试验完成”等。以这些工作状态和计算机检测到的现场数据组合构成不同的事件，再以这些不同的事件之间相互激发、转换的逻辑关系实现自动换档过程的逻辑关系。
这里采用了组态王事件命令语言中事件存在时循环的定时功能。当程序进入定时器状态时，
采用计数器进行倒计时，事件存在时命令语言其它的程序都处于不被激发状态。在这种状态下，通过设定计数器起始计数值n和事件命令语言存在时循环执行一次的时间t，可以设定定时器的定时T(T=n×t)。
组态王还具有配方功能。在制造领域，配方用来描述生产一件产品所用的不同配料之间的比例关系，具生产过程中一些变量对应的参数设定值的集合。不同型号变速器和不同档位的测试参数(转速、加载扭矩等)数据结构类型是一致的，只是比例关系不同，因而采用配方功能比例方便。
该软件系统具有连网功能，可以远程检测现场工作状态，可并入企业的CIMS系统。
变速控制系统 篇6
1987年宝马推出的第一款匹配220kW V12发动机的750i时，匹配了当时最先进的4AT变速器，斗转星移，时隔20多年之后，BMW从新7系开始逐步普及了8AT变速器，变速器的挡位数实现了翻倍。回想10多年前，匹配3AT的家轿对于普通家庭来说都是奢侈之选，而今天，宝马已经把8AT变速器推广到国产宝马X1上，国产奔驰新C级也采用了7AT，使平民也有了贵族体验。放眼世界，通用和福特已经签约联手开发10AT，再回到国内，已经开发出8AT的盛瑞也已经放出豪言要推出13AT，难道步进式自动变速器的“大跃进”时代已经来临？那将是消费者的福音。
AT挡位和功能逐渐增多
步进式AT变速器的产生比手动变速器晚了19年的时间，1908年福特T型汽车最早应用了一种只有两个速率比的AT变速器，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速和改变扭矩。福特T型车可谓改写汽车历史的一款车型，不但使汽车走向了普及，还使汽车更容易驾驶了。而真正意义上的AT变速器是在1940年由美国通用开发生产，这种AT变速器使用液力耦合器和三排行星齿轮提供四个前进挡和一个倒挡。
随着发动机燃油喷射与点火装置的不断完善，AT变速器也有新的花样，如设置了“运动模式”或“雪地行驶模式”等不同的操控方式。当按下换挡杆附近的“S”按键（运动模式）后，就可以使加速时变得格外迅捷；当在冰雪路面行驶时，就可以按下印有雪花图案的按键，以采用雪地驾驶模式，可避免在冰雪路面起步时打滑。更有甚者，新一代“随机应变式”AT变速器还可以学习驾驶者的驾驶习惯，以达到更快的反应，使驾驶变得更加得心应手。
在1990年，德国保时捷公司率先在911车型上使用了Tiptronic手自一体变速器。这种变速器实际上是以AT变速器为基础增加了手动换挡程序，结果以既保持了轻松驾驶又能保证一定的驾驶乐趣使之逐步发展成了主流，几乎成了今天AT变速器的标配。而此时在节能减排和提高驾驶舒适性的要求下，4个前进挡的AT变速器已经不能再满足消费者需求。到了1989年奔驰6缸发动机车型才用上了5挡自动变速器，1995年新一代5AT才用在V12、V8发动机上。在1999年ZF公司终于推出了带6个前进挡的6AT变速器并将其安装在宝马7系轿车上，随之也引发了豪华轿车的挡位之争，在之后的几年里，先有奔驰在2003年推出了世界第一款7挡7G-TRONIC自动变速器，接着是雷克萨斯宣布在LS460h豪华轿车上装备8AT变速器，使AT变速器正式进入“8”的年代。随之宝马也加入到“8挡”行列，奥迪也以配8AT的新A8入队，就连推崇DSG的大众也在混合动力途锐上采用了8挡变速器，还有克莱斯勒，一时间8AT已经满天飞。
步进AT变速器的工作原理
AT通常由液力变扭器、行星齿轮组、换挡执行机构、控制阀体和控制电脑等主要部件组成。发动机的动力通过与飞轮相连的液力变扭器将动力传递到变速器的输入轴，再通过一系列的行星齿轮机构、离合器单元、差速器将所需求的动力传递到车轮。
AT变速器的具体换挡又是怎样来完成的呢？原来是由电子控制单元收集车辆行驶速度、发动机转速、油门踏板位置等各种信息，加以分析后再向变速器控制阀体发出指令，通过阀体单元的各种电磁阀实现相应部位油压的变化以控制换挡执行机构实现指令的实行。各控制阀不同的工作状态将控制变速齿轮机构中离合器的分离与结合和制动器的制动与释放，并改变变速齿轮机构的动力传递路线，实现变速器挡位的变换。
8AT具有更强大优势
想当年ZF推出的全球首款8AT对它原有的6AT进行了大量的改进，以便提升它在发动机加速过程中的燃油经济性和效率，并降低它的制造成本。宝马这台8AT科技含量更高，可以快速加速和减速，其过渡如天鹅绒般平滑，相较于双离合变速器，这款8AT的特点是更轻的质量、更高的效率、更低廉的成本。全新的8AT配合汽油发动机在同样的路况条件下可以比目前6AT提高3%的燃油经济性，工作效率提升8%；而配合柴油发动机则燃油经济性提高了7%。虽然增加了2个更低的传动比，但它的体积仍然很紧凑，因此它所占用的车内空间与原来的6AT相当，但8AT可以传递出更大的扭矩。在提高经济性和环保性的同时，新的8AT更多的挡位、更加合理的齿比、更快的换挡时间、更平顺的挡位切换和更先进的电子管理系统将进一步提高车辆的舒适性和运动能力，这些变化对于顶级豪华车来说至关重要。
7AT、8AT成为了新起点
2013年成都车展上，新一代E级车在华上市，其4MATIC系统与7G-TRONIC PLUS完美结合使驾驶者在各种路况下得到了最充分的驾驭感。2014年上市的国产全新C180 L同样搭载了7G-TRONIC PLUS，7个前进挡的各挡位之间可以在低发动机转速增量下实现范围较广的传动比，从而以轻松平稳的转换实现具有快速响应性和燃油经济性的换挡操作。7G-TRONIC PLUS可以达到惊人的燃油效率，全新上市的C 180L的百公里油耗仅为6.1L，较前代车型大为降低。从2003年到2014年这10年间，7AT在奔驰得到了普及。
对于BMW来说，宝马为所有2012年发布的新7系车型配备了新一代8挡自动变速器，通过智能控制技术，这款8挡变速器可以实现快速换挡，并且反应时间极短，还可以直接减挡。电子变速器控制器还能根据要求改变换挡特性，选择更具运动感的模式或更舒适经济的模式。尽管整体速比范围跨距较大，但8个挡位的设置使得各挡传动比之间的距离较小，因此能够在各种情况下确保最佳传动比。密齿比能够以平顺、省油的低转速方式配合精确和强劲的加速。总之，新款8挡自动变速器既能提供凌厉的动态加速和顺畅换挡，还能让驾驶者获得非常经济的油耗。
对于北美生产厂家来说，在2014年初，通用发布的2015款Corvette Stingray和Corvette Z06上搭载了通用自己设计的全新8L90 8挡自动变速器。通用表示其换挡速度完全可以媲美最出色的双离合变速器，变速器控制单元以每秒160次的速度分析并执行换挡指令。全油门时，比保时捷911上的双离合变速器的升挡速度要快8/100s。比起上一代的6AT来虽然齿轮更小了，可传递的扭矩和效率都更高了，通过方向盘上的手动换挡拨片带来了完全手动控制的驾驶快感。采用了4组齿轮和5套离合器，紧凑的结构使其在体积上只相当于上代6AT。更多铝制材料的应用使其重量比6AT还要轻了4kg。降低摩擦设计使其比前一代6AT的效率提升了5%。全新高性能8挡自动变速器也使科尔维特车型的卓越性能拉升到了全新的高度。
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奔驰9AT走上前台
2014年3月，梅赛德斯一奔驰宣布了E 350BlueTEC将匹配全新一代9G-TRONIC 9挡变速器，并在2014年4月，举行了一个小型的庆祝会，以庆祝9G-TRONIC 9挡自动变速器的诞生。这是汽车界的第一款9挡步进式变速器，使E 350 BlueTEC成为同级别6缸柴油发动机车辆中燃油效率最高的车型，在欧洲NEDC循环下，185kW柴油发动机每100km油耗只有5.3L。而这款9AT带来的驾驶平顺性是超出想象的，其中噪声要下降4dB。从1挡到9挡的传动比变化范围达到了9.15，可以使发动机的工作转速降到更低，使能力效率更高，驾驶更舒适。在手动模式和运动S模式下，带来了更显著的驾驶激情。如挂9挡在120km/h行驶时，发动机转速只有1350rpm。尽管增加了两套齿轮，且最大传递扭矩可以达到1000Nm，可变速器体积并没有增加，重量反而比7G-TRONIC还要轻。在结构上也采取了最简化，只有4组行星齿轮和6组换挡单元。3个转速传感器在监视着变速器的运转以提升变速器效率。
为了适应新能源车型的发展，变速器配备了两个油泵，一个很小的机械式高效叶轮主油泵，就在主轴附近，并采取链条驱动，还有一个电子辅助油泵，使这款9AT也适合于起/停系统和滑行功能。当等红灯，发动机停止时电子油泵就会启动，以保证变速器内的基本油压和必要的润滑。当变速器温度过高时电子油泵也会启动以增加降温效果。相比于上一代始于2003年的7G-TRONIC的变扭器效率只有85%，9AT高效的变扭器效率达到了92%，对提升效率起了很大帮助。第二代低阻力润滑油的采用使这款9AT即使是在北极圈内也可顺利启动工作。高效油泵和低阻润滑油大大提升了效率。扭振阻尼器和变扭器锁止离合器提升了舒适性。电磁阀直接驱动液压换挡，速度更快、效率更高，奔驰强调9G-TRONIC的换挡速度完全可以与DCT双离合变速器匹敌。在这款堪称完美的9G-TRONIC变速器身后也蕴藏着舍弗勒工程师们的汗水，变速器中的液力变扭器减振器和轴承都是舍弗勒的杰作。
在2015年6月，这款9G-TRONIC 9挡自动变速器首先安装在了针对BMW X6的GLE跨界跑车上，190kW柴油发动机（GLE 350d 4MATIC）和245kW汽油发动机（GLE 4004MATIC）与9G-TRONIC相配合带来了更灵敏的响应。这款9G-TRONIC 9挡自动变速器还适合于后轮驱动和四轮驱动的混合动力、插电混合动力系统，必将成为今后几年奔驰的主力。近两年除了奔驰外，变速器主机厂ZF推出的9AT变速器也已经应用在揽胜极光和JEEP自由光上。
通用与福特联手打造10AT
早在2013年，通用和福特签署协议，将联合开发新系列节油传动系统，包括9挡和10挡自动变速器，提高旗下车型的燃油经济性和动力性能。在协议下，通用和福特将共同研发新一代先进技术9挡和10挡自动变速器。根据福特和通用的产能预测，到2018年通用和福特合作开发的9挡与10挡变速器将各自达到100万台的年产销量。在2013年底通用汽车宣布向美国五家工厂投资近13亿美元，其中部分资金为投产全新10挡自动变速器准备。在2015年，福特向世人宣布申请了11AT变速器的专利，眼看变速器的竞争已经进入白热化。
面对未来的AT
在2012年底中国上市的第二代BMW高效混合动力7系（ActiveHybrid7）以双涡管单涡轮增压直列6缸汽油发动机加40kW同步电机，配8挡Steptronic自动变速器形成了高效动力系统。混合动力7系提供了出色的动态特性，并且出色地平衡了高性能和低油耗。电动机通过助力功能为6缸发动机额外提供210Nm的扭矩，使其从静止加速到100km/h仅需5.7s。在2014年，BMW又推出了插电混合动力版X5，在2015年上海国际车展上这款BMW X5 xDrive 40e也来到了国内消费者面前。像混合动力7系一样，同步电机集成于8挡自动变速器中。插电混动X5的0～100km/h加速时间仅为6.8s，其最高时速由电子限速限制在210km/h，而在纯电动模式下，车辆的最高时速为120km/h，可行驶31km。
在2010年奔驰开发的第六代变速器7G-TRONIC PLUS在2013年被安装在了E300 BlueTEC HYBRID上，20kW电机被安装在变扭器壳内开启了传统变速器的新能源之旅。在2015年上海车展上我们也看到了奔驰展出的S500eL插电式混合动力轿车，以6缸汽油发动机（245kW/480Nm）匹配传统7G-TRONIC PLUS变速器，85kW/340Nm电机协助发力，使系统扭矩达到650Nm，从静止加速到100km/h只用时5.2s。在电机的转子中心装有一个湿式离合器，在纯电动行驶或刹车状态下，湿式离合器能切断汽油发动机和传动系统之间的拖拽效应。在纯电动行驶模式和高速公路滑行时，离合器的切断是很有必要的，在这种情况下，车辆几乎没有传动系统阻力，只有电动机偶尔短促的推动作用。电机内部还包含一个线控停车锁和一个电子辅助油泵，电子辅助油泵在起/停模式下和电动运行状态下为变速器提供油压。
在2015年，伴随着新一代奥迪Q7的面世，Q7 e-tron quattro也走上了市场，它是奥迪第一款带quattro四驱系统柴油发动机的插电式混合动力SUV，3.0L TDI柴油发动机在8挡Tiptronic和电机的配合下，也就是说275kW和700Nm扭矩的系统输出在8AT配合下，在6s内完成0～100km/h的冲刺，最高车速达到225km/h。当电池充满电后可以纯电动行驶56km。纯电动行驶时，从静止加速到60km/h用时6.1s。对于大马力豪华轿车来说，发展混合动力系统依然需要大马力变速器的配合，于是步进式自动变速器同样在混合动力车型中扮演着重要角色。
2014年中国的盛瑞公司宣布了在盛瑞8AT的技术基础上将开发横置布局的13AT计划，让人们深深感到步进式自动变速器的“大跃进”时代已经来临。
变速控制系统 篇7
步进电机作为控制系统的主要执行机构,在成本敏感的控制系统中有广泛应用。利用步进电机组成的开环控制系统具有成本低,维护容易的优点。但在步进电机运行过程中,存在失步或停止过冲的现象。
对步进电机控制的传统方法是利用PLC或单片机进行控制,控制灵活性差,不便于系统移植。针对这些问题,利用FPGA进行步进电机变速控制系统设计,可以提高系统灵活性。
1 步进电机工作原理
步进电机根据输入的脉冲信号,输出相应的角位移。在步进电机控制器的控制下,步进电机接收方向控制信号和速度控制信号,按一定的控制规律运动。步进电机的方向控制比较容易,通过改变控制信号的高低电平状态实现。步进电机的转速控制比较困难,如果控制不恰当,会引起步进电机失步或过冲现象,达不到精确定位控制要求。步进电机速度与输入的脉冲频率有一定的规律。步进电机输出输出转矩随着脉冲频率的增加而快速下降。如果对步进电机的转速控制不好,会导致失步或过冲现象。
在理想状态下,步进电机的电磁转矩M电与负载转矩满足以下关系 :
式中,Ua和Ub表示步进电机的相电压,L表示电感,ia和ib表示电流 ;转子平衡方程为式(3):
根据数学模型,给步进电机一个脉冲,就输出一个角位移,设目标角为, 实际运行角度为, 则步进电机的传递函数为式(6)所示 :
设步进电机为两相,令=0,联合式(1)至(6)并进行拉普拉期变换,得出传递函数如下 :
式中,Zr为步进电机的齿数。
2 步进电机变速控制方法
由步进电机原理可知,如果加给步进电机的脉冲频率控制不好,就会造成步进电机失步或过冲,使系统不能精确控制。因此设计合理的变速曲线是保证控制系统在一定精度下快速反应的主要方法。
目前国内外主要使用的变速曲线控制方法有三种。第一种是直线加减速控制方法,它实现简单,节省资源。但它在变速和匀速过程中不能实现平滑过渡,影响电机运行质量和控制系统的寿命,只适用于处理速度慢,变速要求不高的场合。种方第二法是指数型变速曲线控制方法,与直线加减速控制曲线相比,平滑性好,控制的CPU资源,对处理器平台要求高。第三种方法是S型变速曲线实现,其运动过程复杂,主要包括加加速阶段、加速阶段、减加速阶段、匀速阶段、加减速阶段、减速阶段、减减速阶段。采用该曲线控制步进电机的变速,从启动阶段到停止阶段全过程加速度变化连续,速度平滑性好,主要适用于变速平稳性要求很高的场合,但算法比较复杂,不利于电路设计。
在工程应用中,为了方便电路实现,考虑对直线加减速控制方法进行改进,提高速度的平滑性,且能达到一定的控制精度,用FPGA实现难度较小,是一个理想的控制方法。设步进电机以f1的频率启动,加速度为a实现加速,恒定速度为fc。因此,连续变化的步进频率f可以用式(8)表示 :
当t1=∆t1/2时,f=f1代入式 (8) 可得初化频率f0,如式(10)所示 .
图1中两个时间间隔之间的面积等效于步进电机的一个步距角 , 从t1到tn共n-1步,面积用式(11)表示。
3 变速控制电路的 FPGA 实现
用FPGA实现步进电机变速控制,主要包括变速曲线实现解算模块、信息交换模块、脉冲分配处理模块、功率放大模块等构成,结构图如图2所示 。
对步进电机的变速控制采用Xilinx公司的Spartan-3E系列FPGA实现。同时借助CPU内核Microblaze来实现图1的控制方法。Microblaze软核作为一种针对Xilinx公司FPGA优化的32位微处理器,采用RISC架构和哈佛结构的32位指令和数据总线 , 有32个通用寄存器R0 ~ R3、2个特殊寄存器指针和处理器状态寄存器、一个ALU单元和两级中断响应单元等基本模块,还具有3级流水线、 浮点处理单元和异常处理等高级特性,扩展了Microblaze的应用范围。
利用Microblaze处理器软核实时计算控制参数tn,fn和 。由这些参数产生相应的控制脉冲输出给脉冲分配处理模块。 脉冲分配处理模块对一路脉冲进行分配控制,合理分配给步进电机的每一相控制脉冲。经过分配后的脉冲通过功率放大电路进行功率放大电路进行信号放大,再送给步进电机。
利用FPGA对系统中的各个模块工作状态、故障检测信息进行收集处理,提高系统的可靠性。故障检测处理模块监测各模块的工作状态,及时提供给Microblaze处理器,方便控制算法的及时改进,实现精确实时控制目标。信息交换模块增加了与外部设备通信的功能。变速控制系统可以根据外部设备传输入的控制要求定制相应的控制方案,同时对控制电路内部的信息状态进行实时输出。通过信息交换设备,控制电路可以很方便地实现分布网络控制。
4结论
通过分析步进电机工作原理,设计相应的变速控制方法,利用FPGA设计步进电机变速控制电路,实现步进电机高精度的变速控制。另一方面,采用FPGA实现, 利用不同功能的IP核可以方便地改变硬件电路结构,扩大应用范围,提高系统灵活性 , 降低了控制系统的成本。
通过对线性变速曲线控制方法进行改进,并用FPGA实现相应的控制算法, 提高了变速控制精度,在工程中有一定应用价值。今后对步进电机的运行平稳性需要进一步研究,提高系统的可靠性和适用性。
摘要：介绍了步进电机工作原理,建立步进电机的数学模型,研究步进电机变速控制方法。根据变速控制方法,采用FPGA实现步进电机变速控制电路设计。实际测试证明该控制电路精度高,可靠性好,明显改善了失步和过冲现象,增加了步机电机寿命,在工程中有较好的应用前景。
自动变速箱换挡控制系统性能分析 篇8
关键词：自动变速箱,动力性,燃油经济性,MATLAB
0 引言
20世纪初期, 我国的轿车上配置的还是手动变速箱MT (Manual Transmission简称MT) , 手动变速箱起动与换挡卡顿、发动机转速改变过于频繁、发动机工作状态不稳定、对传动系统造成冲击较大等缺点, 无法满足人们对于舒适性需求, 因而自动变速箱得以兴起[1,4]。自动变速箱AT (Automatic Transmission简称AT) 能够根据路面状况自动变速变矩, 减轻了驾驶者的劳动量, 提高驾车的注意力, 从而使驾车变得更轻松和安全。自动变速箱已经在变速箱市场占据主导地位。
文中以01V型液力自动变速箱为研究对象, 分析汽车行驶过程中的驱动力和燃油经济性特性的变化, 从而为自动变速箱的设计者和使用者提供一定的参考价值。
1 变速箱的发展历程
轿车的自动变速技术发展历程历时100多年, 发展至今已经有了智能化的开端, 回顾发展历史可以看到由机械控制到电子控制的转变:
第一阶段20世纪初, 用离合器与制动器等摩擦元件的配合来进行变速, 这就是自动变速的萌芽;第二阶段20世纪30年代, 由于液压的普遍应用, 开始出现以液力自动变速为辅助的自动变速箱, 称为自动液力变速箱, 今天看到的液力变速箱就是在那时得到应用并发展起来的。如1938年在通用Oldsmobile车上Hydromantic的使用;第三阶段20世纪末, 随着电子技术的兴起, 电子控制的变速箱随之兴起, 汽车变速箱开始进入电控自动变速阶段[4,5]。
2 自动变速箱的性能分析
文中以大众车系如奥迪A6、捷达、帕萨特B5等搭载的01V自动变速箱为研究对象, 进行其性能分析, 其中主要分析动力性、驱动力、行驶阻力和燃油经济性。
2.1 动力性分析
影响汽车动力性的指标主要有最高车速、加速性能和爬坡能力[2]。在汽车行驶过程中, 如何在保证其较高车速的情况下又满足良好的加速性和爬坡能力, 是文中进行动力性分析需要研究的重点。
2.2 驱动力和行驶阻力分析
汽车在行驶过程中所受力主要有来自于发动机的驱动力和外界的各种阻力。
1) 驱动力。汽车发动机产生的转矩Me, 经传动系统使驱动轮上获得的转矩为Mt, 在此转矩作用下, 地面与驱动轮之间产生一向前的行驶驱动力Ft, 因驱动力产生过程受诸多因素的影响, 因此驱动力计算式[7,8]为
式中:Me为有效转矩, N·m;ik为变速箱的传动比;i0为主减速器的传动比;ηT为传动系的效率;r为驱动轮半径, m。
2) 行驶阻力。汽车在正常行驶时须克服来自自身、地面和空气等的阻力, 其阻力计算式[7,8]为:
式中:Ff为地面滚动阻力;Fw为空气阻力;Fi为上坡阻力;Fj为加速阻力。在进行阻力分析时, 因Ff和Fw时刻存在, 所以重点考虑这二者。
a.滚动阻力Ff。在进行汽车行驶阻力分析时, 依据行驶速度不同滚动阻力系数f有不同取值[7,8]。当va<50 km/h时, f=0.0165, 当va>50 km/h时,
式中:m为整车质量, kg;g为重力加速度, 取9.8;f为滚动阻力系数。
b.空气阻力。在汽车行驶过程中, Fw计算式[7,8]为
式中:CD为空气阻力系数;A为汽车迎风面积, m2;ρ为空气密度, ρ=1.2258N·s2·m-4;vr为汽车与空气的相对速度。
如果汽车在无风的情况下以va的速度行驶, 则式 (4) 转化为
2.3 实验数据采集
在进行变速箱性能分析时, 实验数据的获取以实验室现有的搭载01V自动变速箱的某一大众车型为研究对象, 该车型的具体参数见表1和表2。
实测发动机的参数见表3。
2.4数据分析
1) 转矩特性。采用MATLAB软件对发动机参数进行4阶拟合, 拟合结果如图1所示。
由图1可知, 发动机输出转矩随转速的增大而增大;当达到峰值后又随着转速增大而减小。因此, 对于发动机调校应尽可能使其在峰值附近输出, 即能有较好的输出转矩。
2) 驱动力特性。以车速va为横坐标、驱动力Ft为纵坐标建立直角坐标系。在发动机输出转矩特性曲线上每隔200r/min取一点 (Me、n) , 并计算对应的Ft和va。利用MATLAB将这一系列驱动力和速度进行多项式拟合, 得到该挡位下的Ft-va曲线, 拟合曲线见图2所示。
图2为变速箱在各挡位下Ft-va关系曲线, 该曲线表明:
1) Ⅰ挡在低速时可以获得较高的驱动力, 当路况突变时及时切换;Ⅱ挡调速范围较狭窄, 与Ⅰ挡、Ⅲ挡有重复区间, 若情况允许, 可以直接挂至Ⅲ挡位;Ⅳ挡、Ⅴ挡调速范围大, 但是驱动力相对较低, 可以在路况良好的路面上行驶, 获得较高的速度, 一般常用于高速行驶。
2) Ⅰ挡在20 km/h左右获得一个峰值即最大驱动力, 此时可获得较大的加速度, 随后驱动力降低。Ⅱ挡在40 km/h时获得一个较大驱动力, 常用于过渡, 使用Ⅰ挡时, 若直接切换Ⅲ挡驱动力相差大易出现卡顿等情况, 若过渡Ⅱ挡至Ⅲ挡卡顿明显降低, 同时平稳性也得到改善。
3 燃油经济性分析
燃油经济性是汽车消费群体十分关注的问题, 其优劣直接决定其在销售市场的占有率。同时燃油经济性分析也是汽车制造厂商密切关注的问题, 燃油经济性的提高就意味着汽车使用成本的下降和市场占有率的提高。
3.1 燃油经济性的评价标准
1) 比耗油ge。燃油经济性常采用比耗油来衡量, 其单位是g (/km·h) 。燃油消耗率还可用每小时耗油量G (tkg/h) 和每公里耗油量G (mL/km) 表示[4,7]。
2) 百公里油耗。百公里耗油量Q是燃油经济性的又一衡量指标, 其单位是 (L/100km) [4,5]。
3.2 汽车燃油经济性的计算
1) 等速行驶燃油消耗率计算。等速行驶燃油消耗率计算式[4,5]为
式中:P为发动机的功率, k W;ge为燃油消耗率, g (/k W·h) ;va为汽车行驶速度, km/h。
若燃油以升计算, 里程以百千米计, 则式 (6) 转化为
式中:γ为燃油比重, γ汽=0.74 kg/L, γ柴=0.830 kg/L。
此时发动机发出的功率为
代入式 (8) 可得
将变速箱参数和轿车参数代入式 (9) , 通过高阶拟合可得到各挡位等速百公里油耗曲线, 拟合流程图如图3所示。
由等速百里油耗图4可知:1) 不同挡位的油耗相差很大, 速度越高油耗越大。2) 对于挡位有交集的速度区域有最优挡位选择区域;如在Ⅰ挡与Ⅱ挡速度交集区域8~28km/h, 其中在20 km/h以下区域要保证较大的驱动力, 只能牺牲燃油经济性;在20~28 km/h速度范围内, 驱动力变化均匀, 此时应满足燃油经济性的要求, 切换至Ⅱ挡, 这样既能保证速度、驱动力, 也可以省油。3) 对于Ⅳ、Ⅴ两个挡在70 km/h以上燃油量会急剧增加, 相比较而言Ⅳ挡比Ⅴ挡有更高的性价比, 尤其当速度在90 km/h以上时。如在高速公路上行驶尽可能在Ⅳ、Ⅴ两挡位之间切换。
4 结论
本研究以01V自动变速箱为研究对象, 通过对其动力性、驱动力和速度等影响因素进行分析, 依据实验数据采用MATLAB软件进行计算拟合, 获得该自动变速箱的输出转矩特性、各挡位上Ft-va曲线以及燃油经济性曲线。通过对变速箱不同挡位下动力性曲线和燃油经济性曲线进行分析, 获得具体操控时不同挡位下驱动力、速度和油耗的取舍依据, 为液力自动变速箱的设计者和使用者在操控舒适性、经济性和安全性等方面提供一定的参考价值。
参考文献
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变速控制系统 篇9
1. 原变速风扇结构及原理
(1)结构
挖掘机液压变速风扇液压系统主要由变量泵1、伺服阀(2、3)、节流阀4、电比例溢流电磁阀5、换向电磁阀6、风扇马达7、联轴器8、风扇9等组成,如图1所示。
风扇电控系统由风扇控制器、液压油温度传感器、冷却液温度传感器、进气歧管温度传感器等组成,如图2所示。
1.变量泵2、3.伺服阀4.节流阀5.电比例溢流电磁阀6.换向电磁阀7.风扇马达8.联轴器9.风扇
(2)原理
风扇马达7的转速由变量泵1的流量决定,变量泵1输出的流量由伺服阀2出口溢流压力确定。伺服阀2阀芯左侧与变量泵1出口压力油接通;阀芯右侧设有弹簧,弹簧的预紧力在挖掘机厂家出厂时按照相关规定调定。当伺服阀2左侧的压力油与右侧的弹簧处于平衡状态时,伺服阀2溢流压力可限制风扇马达7的最高转速。
电比例溢流阀5控制节流阀4出口的压力,当节流阀4出口压力为零时,伺服阀3的弹簧力与节流阀4出口压力共同决定了伺服阀2进口的压力,该压力决定了风扇的最低转速。控制电比例溢流阀5的电流就可控制节流阀4出口的压力,从而控制风扇转速。
风扇控制器从冷却液温度传感器、液压油温传感器、进气歧管温度传感器采集散热冷却介质的温度信号,并以此温度作为控制电比例溢流阀5电流大小的依据。正常情况下,风扇控制器控制电比例溢流阀5的输入电流为零,风扇以最高转速运转。
换向电磁阀6用于控制风扇旋转方向。当需要清理散热器上的灰尘时,闭合反转开关,换向电磁阀6得电,使风扇反转,将清理散热器上的灰尘吹净。
当发动机出现高温或遇紧急情况时,断开应急开关,风扇控制器断电,电比例溢流阀5的电流为0,风扇转速最大。
2. 原变速风扇控制系统的缺点
该种液压驱动变速风扇存在以下4项缺陷:
一是该种液压驱动变速风扇依赖的风扇控制器成本较高,电气控制原理比较复杂,维修难度较大。
二是风扇控制器一般是定型产品,不能根据挖掘机厂家要求更改硬件和软件,不能匹配挖掘机上已有的温度传感器,也不能从挖掘机主控制器获取温度信号,需重新对温度传感器进行选型,重新设计安装孔,这样会使系统复杂,容易出现故障。
三是风扇控制器无法向挖掘机显示器发送故障和诊断信息,诊断维护需要使用专用的适配器,造成维修技术门槛太高。
四是如果司机在挖掘机工作中误操作反转开关,风扇从正转突然变成反转,其冲击力容易造成风扇联轴器断裂。
1.变量泵2、3.伺服阀4.节流阀5.电比例溢流阀6.换向电磁阀7.风扇马达8.联轴器9.风扇10.冷却液温度传感器11.液压油温传感器12.进气歧管温度传感器
3. 变速风扇控制系统的改进
(1)改进后的控制原理
改进后将风扇控制器去掉,用挖掘机主控制器代替风扇控制器。挖掘机主控制器根据已获取的温度信号控制电比例溢流阀5和换向电磁阀6,通过CAN总线与显示器进行信息交换。其控制原理如图3所示。
发动机运转前,驾驶员可以在显示器中找到使风扇反转指令模拟按钮。按动该模拟按钮,发送反转指令给挖掘机主控制器,挖掘机主控制器输出24V电压给换向电磁阀6,风扇马达即可反转。风扇马达也可自动反转,当驾驶员启动发动机时,风扇首先全速反转,清理散热器灰尘。发动机运转后显示器中的反转指令菜单的颜色变成灰色,此时司机无法通过菜单选择正转。当挖掘机正常运转后,主控制器会自动将反转变为正转。主控制器根据温度信号输出给电比例溢流阀5合适电流,使风扇转速根据温度比例运转。
当检测到温度传感器断路或短路时,挖掘机主控制器输至电比例溢流阀5电压为0,使风扇全速运转,确保温度传感器异常时散热系统不会出现过热现象。
当风扇在转动时换向电磁阀出现故障,挖掘机主控制器立刻控制电比例溢流阀5使风扇从最高速变成最低速运转。
(2)测试
电比例溢流阀产品手册中规定的输入电流与压力关系曲线如图4所示。原风扇控制器是根据该曲线设定控制参数的。但是由于挖掘机厂家对风扇的最高转速和最低转速有要求,已对伺服阀2和伺服阀3弹簧进行调整,以确保风扇转速在规定范围内。
根据挖掘机厂家规范要求调整伺服阀2和伺服阀3弹簧后,在发动机额定转速下实测电流、风扇转速、压力关系,如图5所示。对比图4和图5,电流与压力成比例部分的电流由18%～65%变成28%～55%。
由于风扇控制器已设定在一定温度区间内输出电流变化范围是18%～65%,在18%～28%和55%～65%这2个电流区段风扇转速没有任何变化,造成风扇转速实际变化部分的温度范围缩小,导致挖掘机主控制器对风扇转速变化和对应温度比例变化的控制能力降低。
(3)配备自适应控制程序
为了解决挖掘机主控制器不能使冷却介质温度工作在最佳温度范围的问题,我们在挖掘机主控制器中设置比例自适应控制程序。该程序可对风扇控制百分比随温度进行调整,调整比例如图6所示。挖掘机主控制器根据所检测的冷却介质温度,按比例由自适应控制程序输出相应的风扇控制百分比信号。
挖掘机主控制器根据比例自适应控制程序判断冷却介质工作热平衡点温度,挖掘机主控制器将此时冷却介质热平衡点温度与预先设定的最佳温度范围对比,挖掘机主控制器判断冷却介质热平衡点温度若低于最佳温度,挖掘机主控制器通过采用另一条温度和风扇控制百分比比例曲线调整风扇控制百分比信号的输出,以使冷却介质工作在新的热平衡点温度。通过采用不断调整的温度和风扇马达控制百分比比例曲线,风扇马达按百分比信号控制,直到冷却介质热平衡点温度在最佳温度范围。
4. 改进效果
变速控制系统 篇10
重载自动变速箱在国外卡车和客车上已经得到了广泛的应用, 但是国内却没有这方面的研发和生产, 其主要难点之一就是液压控制系统的设计。液压控制系统在ECU的控制下对自动变速箱各离合器进行结合和分离操作, 从而实现车辆的不同档位。一个良好的液压控制系统主要设计要求如下:在换档过程中具有良好的换档品质;具有失电保护功能;要求功能齐全而又简单, 以便有良好的可靠性和维护性。本文将对Allison变速箱液压控制系统的这些方面进行研究, 以供大家学习参考。
1动力传递路线
图1为该六速自动变速器的动力传递路线图, 其主要由液力变矩器、闭锁离合器CL、旋转离合器C1和C2、制动离合器C3～C5和三排行星齿轮组成。动力从输入端输入, 当闭锁离合器CL不工作时动力直接经过液力变矩器传至C1和C2旋转离合器输入端口;而当闭锁离合器CL工作时动力完全经其传递至C1和C2旋转离合器输入端口。变速器共有5个活塞缸, 分别控制5个离合器的结合和分离, 如表1所示, 在不同档位不同的离合器工作以实现动力路线的传递。在1档和倒档闭锁离合器不工作时液力变矩器参与工作, 目的是为了给车辆提供较大的启动扭矩;而在2～6档为了提高传递效率, CL闭锁离合器工作, 液力变矩器退出工作;在空档至倒档以及空档至前进档的依次结合换档中, 始终保持一个离合器不变、另外一个离合器变化。
2液压控制系统分析
图2为液压控制系统, 其由油泵、滤清器、卸压阀、主调压阀、主控制油压调节阀、变扭器、变扭器导流阀、变扭器调压阀、冷却器、润滑油压调节阀、蓄能器、换档阀、排油背压阀、C1锁定阀、C2锁定阀、CL闭锁离合器、C1离合器、C2离合器、C3制动器、C4制动器、C5制动器、电磁阀等组成。各电磁阀中, TCC和MAIN MOD电磁阀为常闭开关电磁阀, PCS1和PCS2电磁阀为常开比例电磁阀, PCS3和PCS4电磁阀为常闭比例电磁阀, SS1为两位三通电磁阀。在此系统中油泵提供随转速而变化的流量, 系统最高压力由卸压阀来限制, 而正常情况下其压力由主调压阀来控制。主调压阀有4个反馈油路, 即出油口油路、闭锁离合器反馈油路、C1锁定阀反馈油路和常闭电磁阀 (MAIN MOD) 出口油路, 使得主调压阀调节出来的油压能满足车辆在空档、倒档、低档和高档所需的各种压力。油液经主调压阀后有3个走向:油路1经过主控制油压调节阀二次调压至各个电磁阀, 电磁阀动作后控制油液作用于换档阀使其也随之动作, 为使换档阀换档平顺, 免受液压冲击的影响, 控制支路上加设了微小蓄能器, 另外此油路也为锁定阀、诊断阀和MAIN MOD电磁阀提供控制油液;油路2至各换档阀, 当换档阀受电磁阀控制而工作时此油路将作用于离合器油缸实现离合器的接合;油路3是流向液力变矩器, 经变扭器导流阀、变扭器调压阀和冷却器后润滑变速器内部零件。
变扭器导流阀和变扭器调压阀是用来调节液力变矩器进、出口压力和流量的, 其中变扭器导流阀又由TCC常闭开关阀控制。当变速器处于1档时, TCC常闭开关阀不工作, 因此其对应的换档阀出口压力为零, 变扭器导流阀上端因不受压力而处在上部完全打开的位置, 其入口压力因此而变小, 使得变扭器调压阀阀芯处于上部, 最终致使油液完全经导流阀流入到液力变矩器内工作。由于1档需要液力变矩器工作, 但是其有功率损失, 在工作的过程中有大量的热产生, 完全流入的油液把这热量带出经冷却后至润滑系统。当车辆在2档以上行驶时, 为了提高效率, TCC常闭开关阀通电工作, 促使闭锁换档阀工作进而推动闭锁离合器接合工作, 由输入轴传递的扭矩通过闭锁离合器传递出去, 而变矩器退出工作, 其发热量也随之减少, 几乎处于不发热状态, 因此只需少量液流进入液力变矩器工作带出热量, 大部分的油液因此直接经变扭器调压阀流至热交换器后流入润滑系统。
为了控制换档阀和锁定阀直至控制各个离合器的结合与分离以实现不同档位的变化, ECU (电子控制单元) 通过程序直接控制PCS1、PCS2、PCS3、PCS4、TCC、SS1电磁阀的通断, 表2列出了不同档位下电磁阀的工作状态。PCS1、PCS2、PCS3、PCS4 4个压力控制电磁阀可由电流比例控制得出低于二次调压后的任意控制压力, 此控制压力作用在换档阀阀芯上可以得到阀的不同开度, 使得经换档阀控制后至各离合器的压力变化可调节, 另外兼有蓄能器的作用, 最终使得车辆在行进换档过程中平稳无冲击, 有良好的舒适性。C1和C2锁定阀由SS1控制, 其作用不但配合换档阀控制以实现不同档位, 而且还起失电保护的作用。也就是说当电磁阀均断电时, 两个常开压力控制阀控制出来的油液经C1和C2锁定阀当时锁定的油路通道控制某两个离合器的工作而仍能让车辆继续行驶。
针对失电保护, 以6档为例来讲述, 其他档位的失电保护读者可自行推断。当车辆以自动档6档高速正常行驶时, 常开比例电磁阀PCS1、常闭比例电磁阀阀PCS4、常闭开关电磁阀TCC通电, 使得PCS2和PCS4所控制的换档阀工作;此时SS1关闭, 作用在C1和C2锁定阀阀芯上部液压油泄压, C1锁定阀在弹簧力的作用下向上移动, 而C2锁定阀阀芯由于存在面积差, 由PCS2所控制的换档阀出口油压作用在C2阀芯上而使其保持在下部, 根据油路走向C2和C4离合器工作实现6档。当所有电磁阀失电时, PCS4所控制的C4离合器退出工作, C2离合器仍然工作, 常通比例电磁阀PCS1因失电使其控制的换档阀工作, 此时C1锁定阀仍处在上部, C2锁定阀仍处在下部, 由PCS1控制的换档阀出来的油液经过C1和C2锁定阀后作用至C3离合器, C2和C3离合器工作实现5档, TCC也断电, 那么此时的5档为由液力变扭器参与工作的5档, 车辆仍能继续行驶。
3结论
本文论述了Allison 6速自动变速箱液压控制系统的工作原理和控制规律, 并且分析了其失电保护, 为以后的研究工作打下了坚实的基础。
参考文献
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变速器烦恼 篇11
对雪佛兰科鲁兹的1262件投诉中，以制动系统异响（435件）、变速器电脑板故障（389件）、变速器漏油（292件）、变速器无法换挡（146件）等问题为主要故障，其中的三大主要问题都与变速器有关，这似乎成了科鲁兹的通病。来自变速器的电脑板故障，让不少科鲁兹车主伤透了脑筋。
2011年就买了1.6SL自动挡科鲁兹的贾先生一直对爱车保养得不错，今年5月13日，贾先生在下雨天开车时，发现变速器顿挫变得极为严重，随后故障灯亮起，发动机空转无法换挡，转速超过3000转时速也只有40公里，接着车辆失速，靠拖车拉回。贾先生在4S店检测后，故障码显示为P0700，变速器模块损坏，而更换模块加上工时一共需要5700元，车辆已过保的贾先生需自费更换。贾先生在了解到不少人有同样问题后，怀疑变速器模块或变速器内部机械损坏属于厂家设计缺陷，应由厂家免费更换。
和贾先生遇到相同问题的车主有不少，但在科鲁兹车主们就变速器故障问题和4S店以及雪佛兰客服等相关方面沟通后，对方却仍以过保、未在4S店做保养、无法保修等为由拒绝免费更换。
变速器故障成通病遭投诉
记者通过调查发现，除上述变速器电脑板故障外，还有变速器机械故障，造成车辆行驶途中无法换挡、发动机空转、失速等问题发生。
来自陕西汉中的车主李先生2012年8月购买雪佛兰科鲁兹1.6SEMT手动挡汽车，当汽车行驶到37000公里时，正常行驶中突然发生挡位卡死在2挡，无法换挡或退挡。经网上查询后，李先生发现很多同类品牌汽车都出现过类似问题。随后到熟人的汽车修理厂检查，被告知换挡机构总成（一个塑料件）需更换，李先生询问4S店，得到答复是“没有遇到过此情况，需到店里检查（检查费用200元）”。
李先生认为，科鲁兹手动挡挡位卡死这个问题并非个案，应该是个设计缺陷，并非人为操作不当引起的故障。如果确实是设计缺陷，估计更换一段时间后，故障迟早也会重现，问题始终不能得到彻底解决。
认定后可向质检部门投诉
值得一提的是，针对雪佛兰科鲁兹故障中的制动系统问题，今年2月，上海通用汽车有限公司根据《缺陷汽车产品召回管理条例》的要求，向国家质检总局备案了召回计划，决定自2015年2月13日起，召回2014年4月16日至2014年12月12日期间生产的部分2015年款雪佛兰新科鲁兹汽车，共计22508辆。但此次召回并未涉及变速器问题，记者随即致电雪佛兰客服中心和部分4S店方面了解相关情况，得到的回复是“该故障尚处在调查研究当中，暂时无法召回，也无法免费更换变速器”。然而，记者经过调查整理发现，通用曾经两次在北美地区的召回都涉及科鲁兹变速器故障问题，但中国的科鲁兹车主们，目前却尚未接到上海通用因科鲁兹变速器故障而发起的任何一起召回。
在处理质量问题时，相比庞大的车企和经销商集团来说，消费者总是较为弱势的一方，集体反映出现的问题更容易获得媒体和厂家的关注和重视。有关专家表示：出现问题的科鲁兹车主可以向具有相关资质的第三方检测机构，最好是质检部门认定的检测机构提出检测申请，再将问题车的检测报告交给质检部门，集体对4S店或汽车厂商提起投诉。
截至发稿前，家用汽车3.15合作平台车质网的数据显示：雪佛兰科鲁兹用户的满意度评分仅为2.6分，而厂家回复率则低至15.3%。变速器问题频发危及消费者的行车安全，这样的服务态度伤害的不仅是消费者的心，更是让科鲁兹这一经典车型臭名昭著。
变速控制系统 篇12
直流电机简言之就是以直流电压供电的电机, 它是指能将直流电能转换成机械能或将机械能转换成直流电能的旋转电机。直流电机是能实现直流电能和机械能互相转换的电机, 当机械能转换为电能时它是直流发电机;当电能转换为机械能时它是直流电动机。其工作原理是把电枢线圈中感应的交变电动势, 利用电刷的换向作用, 使之从电刷端引出, 从而变为直流电动势。
直流电机的优势是具有调速范围广、过载能力强、操作方便等优良调速特性。但直流电机也有其缺陷即电流的换向问题, 电流换向消耗有色金属多, 成本高, 其维护检修也较为繁琐。因此, 控制或改变直流电机的调速性能是电机制造业发展的趋势。由于直流电机在运行过程中需要承受频繁的冲击负载, 进而实现频繁的无极快速起动、制动和反转, 这对直流电机提出了更高的要求, 因此要想满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求, 就要改变直流电机的调速系统, 而传统的调速系统是通过改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术来实现的, 但其有一定的缺陷即对噪声较为敏感, 在模拟电路时随着时间的增加会产生一些不必要的热损耗, 因此通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
PWM控制即脉冲宽度调制技术, 该项技术能很好地降低成本和大幅度减少功耗, 它具有低速特性好的优点, 只靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流;由于PWM调速系统开关频率较高, 可获得很宽的频带术, 抗干扰能力强, 主电路损耗小, 能达到降低成本的目的, 因此其应用十分广泛。
本文以构成直流电机PWM调速控制器的单片机AT89S52、PIC16F877A为蓝本, 通过双闭环直流脉宽调速系统进行改进设计, 来调节控制参数, 以达到用户标准的要求。
2 系统组成
PWM技术它是对模拟信号进行数字编码的过程, 其PWM信号仍然是数字的, 它是利用脉冲宽度或占空比进行调压, 利用改变脉冲周期进行调频, 进而控制电动机转速。
双闭环直流脉宽调速系统结构包括电流调节环在里面和转速调节环两部分, 从而形成了转速、电流双闭环调速系统, 这就可以实现转速和电流两种负反馈分别起作用。
3 直流PWM脉宽控制调制器的设计
3.1 系统结构原理
由于本设计采用的双闭环调速系统, 因此可充分利用电机的允许过载能力, 使系统用最大的加速度起动, 到平稳转速后能让电流迅速降低下来, 使电流呈方形波, 使之能获得良好的静态和动态性能。
本文所述的直流电机变速设计, 其主处理器由AT89S52负责人机界面的信息交互;从处理器由PIC16F877A对主处理器信号和反馈信号进行处理。其工作原理是:当新的采样周期到来时, 由光电编码器先测量电机速度, 然后把此信号由PSP接口反馈到PIC16F877A从处理器, 然后得到主处理器的给定速度, 这时单片机系统根据给定速度与速度的反馈信号相比得出偏差, 通过计算得出控制量后以PWM的形式输出驱动直流电机, 这一过程就此结束。
采用双闭环转速电流调节方法能保证系统的可靠性能, 满足生产工艺的要求。在启动过程的主要阶段, 只有电流负反馈, 没有转速负反馈, 不让电流负反馈发挥主要作用, 既能控制转速, 实现转速无静差调节, 又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程, 很好地满足了生产需求。
本直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是整个系统运行的基础, 它为软件运行提供一个基本的平台。软件部分则是把硬件系统传送的信号进行采集、加工与处理, 最终实现控制器所要实现的各项功能, 达到控制器自动对电机速度的有效控制。
3.2 系统硬件设计
在系统的硬件设计中, 主处理器AT89S52负责人机界面的信息交互, 其结构由显示屏、键盘、数据通路三部分组成。显示部分由AT89S52的P1和P2两个口组成;键盘部分由INT0、INT1、CT0、CT1部分组成;系统有确认、退出、微调加和微调减四个按键组成;数据通路的PSP控制由8位数据线组成, 可由AT89S52。
在硬件设计中, 单片机硬件尽可能采用功能强的芯片, 这样可以简化电路, 同时在设计硬件电路时, 要留有余地, 以方便今后修改或扩展。
直流电机驱动电路设计时, 需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机, 同时还需要在电机的两端加四个二极管, 避免电机反转时产生的强大冲击电流烧坏电机。
3.3 系统软件设计
3.3.1 总体程序
本调速控制系统软件在设计上采用模块设计方法, 其下属的子块功能独立, 既利于扩展, 也利于正常调节。其过程是先进行数据采集, 然后用PID调节规律进行运算, 根据得出的偏差数据进行调节和修改, 使系统达到最优化。本系统结构主要由主程序和中断服务程序构成, 通过转速给定、反馈、转换、调节等过程进行整个系统的操作。
具体讲, 首先是对系统进行初始化并设定中断优先级;其次是检测上位机是否有命令发出, 并根据情况进行处理;再次是检测交流电压是否同步, 如果交流电压在上升则用单片机启动PWM信号;第四是检测电流是否过载, 如果电流符合规定标准则进行入电流闭环调节模块;最后是检测当前电机转速是否达到设定值, 如果达不到要求则进入速度闭环调节模块行调节。
在本调速控制系统软件中, 单片机是整个系统的中枢, 各个软件程序就是组成交通中枢的条条大道, 每个部分的模块化程序就是整个系统的重要组成部分。在整个系统中, 硬件配置再高, 软件编程不完善, 也会直接影响单片机的工作效率。因此, 只有软硬件相互匹配, 参数配置合适, 才能使整个程序在系统中能更好地运行, 也会大大提高单片机的工作效率。
3.3.2 设计要求
在设计双闭环直流调速系统时, 要遵循一定的技术要求, 这些技术要求是保证控制直流电机变速的重要参数。
该系统的技术要求是:额定电压Ue=220V, 额定电流Ie=94A;额定功率Pe=18k W;额定转速en=1000r/min;电枢回路总电阻R=0.45Ω;电磁时间常数T=0.0297s;机电时间常数Tm=0.427s;电动势系数e C=0.2059V*min/r;转速过滤时间常数s Ton01.0=;电流反馈存储系数1133-=AKβ;转速反馈存储系数r Kmin/17=∂;转速调节器采样周期s Tsam01.0=;调速范围0-1000r/min;电流过载倍数:1.5倍;电流超调量%5≤iσ, 运算放大器Ω=k R40, 电流反馈系数AV/904.0=β晶体管PWM功率放大器:工作频率:2k Hz;工作方式:H型双极性;
3.3.3 系统控制小结
在本调速控制系统中, 软件设计采用的中模块化设计思想, 根据流程编写各程序, 然后把各个模块组成一个完整的主程序。这种设计模式, 使得无论是硬件还是软件, 每一个模块都相对独立, 使复杂的工作得以简化, 也有利于今后调试和修改, 实用性强。在该系统中, PWM软件实现方式采用的是软件延时方式, 尽管在精度上有一定的误差, 但基于不占用定时器资源这一优势, 且误差在允许范围内, 故其性能仍较好;PWM调速工作方式采用的是双极性工作制和定频调宽模式, 因此电动机在运转时比较稳定, 调速特性优良、调整平滑、调速范围广, 具有可行性。
4 结语
通过对双闭环直流调速系统的重新设计, 使得脉冲宽度调制直流调速系统PWM技术与其他系统相比, 有着许多无可比拟的优点, 使控制精度大为提高, 可达10位PWM精度, 而且主辅处理器功能全面, 既具有在线编程功能, 亦能满足未来系统的升级要求, 其应用性强, 有着相当广阔的发展前景。
摘要：在电机自动化控制中, 许多场合需要单片机控制直流电机进行变速, 直流电机具有调速精度高、过载能力大等优点。基于此, 本文从分析直流电机的特点入手, 介绍了双闭环直流脉宽调速系统的方法及相关知识, 结合直流电机变速原理, 可实现电机调速、在线监测、显示等多种功能, 经实践证明, 该变速控制系统运行稳定可靠, 具有良好的工作性能, 为直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径, 也具有一定的现实意义和可行性。
关键词：直流电机,单片机,调速,PWM
参考文献
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