作者简介:余春晖(1977—),女(汉族),湖南省长沙市人,深圳职业技术学院副教授.E-mail:yuchunhui@szpt.edu.cn
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1)深圳职业技术学院汽车与交通学院, 深圳 518055; 2)深圳大学机电与控制工程学院, 深圳 518060
Yu Chunhui1 and Huang Hongbin21)School of Automotive and Transportation, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, P.R.China2)College of Mechatronics and Control Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China
highway transportation; automatic mechanical transmission clutch; half joint; fuzzy control; accelerator pedal; transmission
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.06647
Based on fuzzy control theory, the Motorola MC68376 microprocessor and Hall-effect zero-speed sensor were used to measure and control accurately the values of half junction point of automatic mechanical transmission(AMT)clutch used on military vehicles. The experimental results show that the vehicle can automatically respond to the start intents of drivers and road conditions because the start stock of clutch is eliminated on the whole, and the slip fray is abated. Especially,the aim of smooth start is achieved when fast start acts and big resistance exists on road.
军用车辆系统具有惯量大、时变、多输入和多输出的特点,在整体控制方面已取得较好效果,但在起步控制上仍未取得实质性进展.目前使用的磁电式传感器由于本身的特性和转速测量方法的缺陷,在低转速测量上存在盲区,致使离合器发生超调现象,造成离合器过大的冲击.
车辆在行驶过程中,离合器半接合点在起步时的精确预测受到多种因素的影响,特别是军用车辆,受道路状况以及车辆惯量的影响尤为严重,较难实现自动控制.即使采用自动操纵系统,离合器的工作状况也很不稳定,冲击与磨损现象严重,并且乘坐的舒适性难以提高,这是与一般民用车辆变速器控制的不同之处[1-5].
由于大多数电控机械式自动变速器(automatic mechanical transmission,AMT)车辆使用摩擦式离合器,其接合过程的控制一直是车辆传动过程研究中备受关注的问题,不少学者对车辆起步阶段的平顺性做了大量的实验[6-9]与仿真[10-12]研究,将起步阶段离合器接合过程作为一个整体进行分析,改善了离合器的滑磨与冲击.
本研究基于模糊控制方法,采用霍尔零速传感器,针对起步阶段驾驶员的起步意图及不同的路面条件变化,通过精确预测离合器半接合点的值,对某型号军用车辆离合器平稳接合进行试验研究.
离合器的接合过程可分为空行程阶段、滑磨阶段和同步接合阶段.其中,空行程阶段用于消除离合器间隙,此阶段离合器无扭矩输出; 滑磨阶段离合器从动片产生滑磨,扭矩逐渐增大,直到克服最大滚动阻力,车辆开始运动; 同步接合阶段滑磨停止,离合器传递的力矩等于发动机扭矩.离合器的半接合点是指离合器摩擦片开始出现滑磨,产生摩擦力矩,并驱动被动部分开始转动时的离合器行程位移值.
半接合点是离合器接合速度的快慢分界点.对半接合点预测的主要目的是精确控制离合器接合的滑磨阶段.该点位置的精确预测直接影响离合器接合的平稳性.如果测定数值大于实际点的数值,并且离合器在半接合点位置或超过半接合点位置快速接合,将会造成离合器控制超调,产生冲击; 反之,如果测定数值小于实际点数值,并且离合器在位于半接合点较大距离处就放慢接合速度,将会延长离合器接合时间,加大磨损.滑磨阶段的接合速度也需被作为重点来考虑.路面阻力大时起步,若该阶段接合速度小,离合器滑磨时间将过长,导致离合器磨损; 若驾驶员想快速起步,则该阶段也需加快接合速度.具体控制中,因为液力系统存在响应滞后效应,需将离合器快速接合到其位移等于预测出的半接合点减去某个数值处,然后开始慢接合,直到输出轴转速不超过10 r/min,该阶段可称作初始滑磨阶段; 输出轴转速不超过20 r/min时称作第2滑磨阶段,可在循环控制中适当减少离合器保持原位置的时间; 当转速超过30 r/min时,可认为离合器主从动轴转速已非常接近,即可加快后续接合速度.由于速度信号检测、CPU运算及控制信号传送、电磁阀响应及液压系统压力传递等过程需一定时间,因此需要选择合适的离合器接合位置,使之在该点前就降低接合速度.
由于路面阻力是影响半接合点的主要因素之一,因此,在控制策略上采取路面阻力大,半接合点的值相应较大; 路面阻力小,半接合点的值较小的模糊控制原则.
试验用军用车辆取消了离合器的人工操纵,只保留油门踏板由驾驶员控制.驾驶员的起步意图可从油门踏板信号判断:油门踏板踏得深,表示驾驶员希望起步时间较短,尽管此时冲击比较大; 反之,若踏得浅,意味希望车辆起步要平稳,要减缓接合速度.油门踏板位移变化率也是反映驾驶员意图的一个重要参数.油门踏得急,说明驾驶员希望较快起步; 反之,若踏得缓,意味着驾驶员希望以较低的速度起步.因此,选择油门踏板的位移及其变化率作为模糊控制的2个输入参数,认为这2个参数的关系是并列的,但油门踏板位移的重要性略高于油门踏板位移变化率.
图1是控制系统组成示意图.控制系统包括信号传感器、控制器和执行机构.其中,传感器有输出轴转速传感器,用来反映当前车辆行驶速度; 发动机转速传感器,当发动机转速突变说明负荷发生变化,该传感器就反映车辆的动力状况; 油门踏板位移传感器,反映驾驶员的起步意图和对外界环境的认识; 离合器行程位置传感器,其参数表征离合器接合与分离的过程、状态和程度,用作控制器输出的反馈信号.输出轴转速传感器采用霍尔效应零速传感器,可精确测出低于2 r/min的转速,使转速盲区大大减小,提高了半接合点的测量值精度.
控制器以MC68376单片机为核心,包括信号调理电路、缓冲电路、复位电路、扩展存储器及外围电路、显示模块、电源模块和驱动模块.MC68376单片机为32位机,有一个定时处理器(time process unit,TPU),能提高系统执行速度.外围电路要求抗剧烈振动与电磁干扰,并能在高低温环境下正常工作.控制系统的工作原理是通过MC68376实时采集来自各传感器的信号,计算出油门踏板位移率,并将油门踏板位移信号及位移变化率等输入参数做模糊化处理,然后根据模糊规则库确定模糊控制规则,进行规则冲突消解,最后通过反模糊化处理,得出输出量的精确值,控制离合器位移.
执行机构主要由离合器油缸和2只高速响应的电磁阀等组成.
控制系统需要采集与处理的信号包括油门踏板位移信号、 离合器位移信号、 变速箱输出轴转速信号、发动机转速信号及变速箱输入轴转速信号.
1)油门踏板位移信号处理.每隔10 ms由单片机发送中断指令采集1次油门踏板位移信号数值,将传感器发送的模拟信号送入单片机的A/D转换通道,进行A/D转换.
2)离合器位移信号处理.其采集和计算处理原理同1).
3)变速箱输出轴转速信号处理.变速箱输出轴低转速时的转速信号对离合器的控制至关重要.原系统采用的是磁电式转速传感器,能够测得的最低转速为19 r/min,现采用霍尔式零速传感器,同时在采集软件中针对MC68376 TPU模块的特点,采用输入捕捉跳变计数器对转速进行采集,在实验中能测得的最低转速为2 r/min.很好解决了低速信号的采集与处理问题.
4)发动机转速信号处理.其处理方法同3).由于较低转速下的发动机转速信号对离合器起步控制影响不大,故采用每隔100 ms产生1次中断来处理转速信号.
5)变速箱输入轴转速信号处理.其处理方法同4).
图2为油门踏板位移信号和离合器位移信号的中断处理流程图.图3为发动机转速信号、变速箱输入与输出转速信号的中断处理流程图.图4是离合器对应最大与最小路面阻力的半接合点最大与最小值测试流程图.在预测半接合点过程中,由有经验的驾驶员挂1挡起步,
图3 发动机转速、变速箱输入与输出信号中断服务流程
Fig.3 Interrupt service procedure of engine speed and gearbox input/output signal
图4 离合器对应最大、最小路面阻力的半接合点测试流程
Fig.4 Procedure of testing for clutch half junction point corresponding to max/min surface resistance
在接近半接合点时放慢接合速度,同时观察显示器上输出轴的转速,一旦输出轴转速大于零,就记录下此时离合器的位置.将制动踏板行程划分为4个阶段. 其中,第1阶段制动力矩最小,用此阶段的制动力模拟车辆行驶在阻力最小的路面上,起步后如果输出轴有转速显示,此时离合器的位置即为半接合点的最小值; 第4阶段制动力矩最大,用此阶段的制动力模拟车辆行驶在阻力最大的路面上,起步后如果输出轴有转速显示,此时离合器的位置即为半接合点的最大值.
在试验台架上由驾驶员通过油门踏板传递不同的起步意图,用不同的制动力矩模拟不同路况.试验中,通过重点控制半接合点的精度达到车辆平稳起步的目的.
表1与图5—图7体现了驾驶员不同起步意图下离合器接合、油门踏板变化和变速箱输出及离合器半接合点位置情况.图5—图7中lc、lpd和n分别为离合器位移、油门踏板位移和输出轴转速(单位:r/min),lc和lpd为传感器直接读值,单位为任意长度量.在驾驶员表达快起步意图时(图5),油门踏板位移值较大,其变化率也较大,离合器半接合点位于486处.由图5(a)可见,在半接合点附近区域,离合器接合较平顺,冲击较小; 且全部滑磨时间不超过300 ms,变速箱输出轴转速也在300 ms内与输入轴同步, 符合驾驶员快起步意图.
随着起步速度降低,半接合点的值逐渐减小.其变化范围为设计控制程序带来了一定困难.但慢起步意图下要兼顾离合器的冲击和滑磨,否则容易产生接合冲击.由图6(a)和图7(a)可见,离合器的滑磨时间有所增加,但离合器在半接合点附近接合较快起步意图更平顺,冲击更小,符合驾驶员中速与慢速的起步意图.从各组参数看出,离合器的接合过程完全能够顺应驾驶员的起步意图,调整控制参数,可按驾驶员意图顺利起步.
由于本系统采用霍尔式零速传感器替代了原系统不够灵敏的磁电式传感器,同时采用了模糊控制算法,因此不仅能够实现离合器半接合点的控制顺应驾驶员起步意图顺利起步,还能有效改善离合器的滑磨时间.与原系统相比,该系统在快起步、中速起步和慢起步控制中,离合器的滑磨时间分别减少了80、100和130 ms.与原来没有采用霍尔式零速传感器和用传统的控制方法相比,离合器的整体接合时间分别缩短了100、130和150 ms.离合器滑磨的改善和整体接合时间的缩短减少了离合器的滑磨功,提高了离合器的使用寿命.
表2与图8—图 10为不同路面阻力下离合器接合、油门踏板变化、变速箱输出及离合器半接合点位置情况.在路面阻力较大时(图8),油门踏板位移值较大,其变化率也较大; 离合器接合速度较高,半接合点的值也较大,位于508处.并且在半接合点附近区域,离合器接合较为平顺,冲击较小; 全部滑磨时间不超过250 ms,有效防止了离合器冲击和磨损.变速箱输出轴转速在250 ms内与输入轴同步.结果表明,对半接合点的控制符合大阻力路面地起步策略.
对比图8(a)、图9(a)和图 10(a)可见,随着路面阻力减小,半接合点位置也减小.因此在设计控制程序时,既要考虑大路面阻力下的起步要求,又要兼顾小阻力下的起步要求,否则有可能在小路面阻力情况下产生接合冲击.试验发现,在中等路面阻力和较小路面阻力起步时,离合器接合时间较之大路面阻力下有所增加,但接合更平顺,冲击更小.从各组参数看出,离合器的接合过程完全能够适应不同路面条件的变化,调整控制参数,可以获得良好的起步效果.
本研究运用模糊控制原理,重点对离合器半接合点附近区域进行了精确控制.采用霍尔零速传感器,可基本消除变速箱输出轴转速测量的盲区,使可精确测量的最小转速减小到2 r/min,为精确预测半接合点的值提供基础.对半接合点的精确预测,基本消除了离合器起步冲击和滑磨,使车辆能自动适应驾驶员的起步意图与不同的路面阻力.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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