（机械电子工程专业论文）重型汽车电控机械式自动变速器amt系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 车辆的自动变速技术是车辆改进和完善传动系统的一个重要方向，是当今急 待开发与推广的更为核心和重要的技术。特别是近代电子技术在车辆上的应用， 使得自动变速技术在车辆上的应用越来越广泛。电控机械式自动变速器能减轻驾 驶员的劳动强度、综合提高车辆动力性和燃油经济性，同时它又具备传统手动变 速器制造简单、价格低廉的优点，因此更适用于重型汽车。 通过研究大量的国内外a m t 技术资料，介绍了a h 7 技术的发展和目前的应用 状况分析了a 姗技术在重型汽车上的意义和应用前景。 深入地分析了中国重型汽车集团有限公司h o w 0 重卡原有的结构系统，针对重 型汽车上主要依靠气压传动的特点，对其发动机单元、离合器单元和选档换档单 元都按照a m t 系统的原理进行了技术改造。明确了系统所需要的输入信号和输出 控制信号。 在硬件设计中，确定了以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制芯片对硬件电路 的抗干扰进行了分析与设计。并对各个电控单元进行了相应的测试。 在软件编程中，在c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 环境里，用c 语言开发了该 a i f r 系统的整套控制程序。软件中嵌入了实时内核uc 0 s - i i 操作系统。使得应用 程序运行的更加实时、稳定、可靠。 ， 在系统调试中，应用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的外设c a n 模块，实现了e ( 珊同上位机 ， 的数据传送。并设计了l a b v i e w 程序可以实时接收系统数据。 关键词：电控机械式自动变速器 町步进电机比例阀电磁阀c a n 总线 pc o s _ i i 操作系统l a b v i e w 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fg e a rs h i f ta u t o m a t i c l yi sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no f i m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ev e h i c l e s ，a n di t i st h ek e m e la n d i m p o r t a n t t e c h n o l o g yw h i c hn e e d st ob ee m p o l d e r e d n o w d a y s t h ea p p li a n c e so fn e o t e r i ce l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e si nv e h i c l e s m a k et h ea p p l i a n c e so ft h et e c h n o l o g yo fg e a rs h i f ta u t o m a t i c l yf a ra n d w i d e t h es y s t e mo fa u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc a na l l e v i a t et h e d r i v e r sf a t i g u ea n dh e i g h t e nt h ei m p e t u sq u a l i t ya n de c o n o m i cq u a l i t y o ff u e lo ft h ev e h i c l e s a tt h es a m et i m e t h es y s t e mo fa m rh a st h ev i r t u e s o fb r i e f n e s so fm a k i n ga n dl o w c l a s sp r i c e ，a n ds oo n t h e n ，t h es y s t e mo f a m ti sp r o p i t i o u st oh e a v yd u t yt r u c k b ys t u d y i n gt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd a t 姗so fa m tt e c h n o l o g y 。t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea c t u a la p p l i a n c es t a t u so fa g r ， a n da n a l y s e st h ea p p l i a n c em e a n i n g sa n df o r e g r o u n dt h a tt h ea m tt e c h n o l o g y w a sa p p l i e do nh e a v yd u t yt r u c k t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n t r i n s i cs t r u c t u r e so fh o w oh e a v yd u t yt r u c k ， w h i c hw a sm a d ei nc h i n an a t i o n a lh e a v yd u t yt r u c kg r o u pc o r p c o n t r a p o s e d t h ec h a r a c t e r i s t i ct h a th e a v yd u t yt r u c kd e p e n d so na i rp r e s s u r et or e a l i z e t h et r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e rm e n d st h et r u c k se n g i n eu n i t 、c l u t c hu n i t a n dg e a r - b o xu n i ti nt e r mo ft h ep r i n c i p i u mo ft h ea m ts y s t e m a n dt h i s p a p e rn a i l e s d o w nt h ei n p u ts i g n a la n do u t p u ts i g n a l s i nt h ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h i sp a p e rn a i l e sd o w nt h a tt h ec o n t r o lc h i p i st ic o m p a n y st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a , a n a l y s e da n dd e s i g n e dt h ea n t i j a m m i n g c i r c u i t a n dt e s t e de a c hc i r c u i tu n i t i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，t h i sp a p e rd e v e l o p e st h ew h o l ec o n t r o l p r o g r e mu s i n gc1 a n g u a g ef o ra m ts y s t e m a n dt h er e a l t i m ek e r n e lu c o s i i 山东大学硕士学位论文 w a se m b e d d e di ni t i tm a k e dt h ea p p li c a t i o n sr l l i lc o r r e c tl ya n ds t e a d i l y i nt h es y s t e m ，t h i sp a p e ra p p l i e st h ec a nm o d u l ei nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ， r e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec p ua n dd i s p l a ym o d u l e a n dt h i s p a p e rd e s i g n st h el a b v i e wp r o g r a mt or e a l i z et h ei n c e p t i n go ft h ed a t aw h i c h w e r et r a n m i t t e df r o mt h ec f ，u ， k e yw o r d s ：a u t o m a t i cm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n , s t e pm o t o r ，p r o p o r t i o nv a l v e ， e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e ，c a nb u s ，pc o s i io p e r a t i n gs y s t e ll a b v i e w i h 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：左酶期：趔 第l 章：绪论 第1 章：绪论 1 1 课题的来源及可行性 本课题是与中国重型汽车集团有限公司技术发展中心共同申请的济南市重大 课题。对于a l 仃技术可行性通过前人做的大量工作得到了充分的肯定。课题组成 员今年来一直从事机电控制及数控系统技术相关的高技术研究课题。在机电控制 与嵌入式控制系统研究方面具有很好的基础和条件。合作单位中国重型汽车集团 有限公司具有四十多年制造重型汽车的历史，是中国最大的重型汽车生产基地。 中国重型汽车集团有限公司技术发展中心具有丰富的重型载货汽车以及底盘的设 计经验，一：。国家级技术中心、国家和山东省汽车质量检测中心，具有雄厚的技 术研发、实验和生产制造经验和实力。凭借双方的研究基础，可以充分发挥利用 合作双方各自的专业优势和经验，实现“专业合作”。凭借对应用对象的深入了解 和机电控制技术的掌握，可以更好的解决核心技术问题，使重型汽车电控机械式 自动变速器a 耵项目能够研究成功。 1 2 电控机械式自动变速器a m t 系统的研究现状 1 2 1a m t 原理 + 传统车辆传动系的组成部件有：离合器、变速器、传动轴、主减速器j 差速 器、驱动桥掣1 2 l 。如图1 1 所示。 传统汽车传动系的优缺点： 其主要优点是：结构简单、制造容易、工作可靠、价格低廉、重量轻等。 但其存在以下缺点唧： 采用人力换挡，换挡时动力要中断。在驾驶汽车时，既要操作变速杆，又 要交替踩离合器踏板，操纵不太方便，特别是在交通复杂、道路不良的情 。 况下，换挡十分频繁，要求驾驶员技术熟练，在上坡或停车起步时，稍有 山东大学硕士学位论文 不慎，发动机就会熄火。这样容易引起驾驶员紧张和劳累，增加驾驶员的 劳动强度。 图i i ：车辆传动系统 传动系受到附加冲击力，动载荷大，使得发动机及传动系零件的使用寿命 降低。 行驶阻力的变化直接改变发动机的工况，为了充分利用发动机的功率，提 高车辆的燃油经济性，要求增加变速器的挡位数，因而使变速器结构复杂， 并增多驾驶员的换挡次数，增加驾驶员的劳动强度。 每次换挡都要离合器分离、接合，在结合过程中离合器摩擦片都要经历一 个滑摩过程，对于换挡频繁的车辆，就会降低离合器摩擦片的使用寿命， 缩短使用周期，增加停车维修时间，从而降低了生产率。 电控机械式自动变速器以其传动效率高、成本低和易于制造等优点在自动变 速器家族占有重要的位置。电控机械自动变速器的主要特点如下“： ( 1 ) 方便灵活，能减轻驾驶员劳动强度，提高行车安全性。这是从手动排档转 变成自动排档后的一个最重要的特点。： ( 2 ) 经济省油，延长车辆的使用寿命。同a t 相比，a m t 效率几乎与机械式变速 器相同，这样也就比目前汽车上使用的其它自动变速器更节约能源，可改善环境 污染程度。 ( 3 ) 结构简单，易于安装，维修保养方便。它的主要缺点有两点，一是汽车不 是无级变速，是有级的，在换档时存在动力的中断；二是在装车和调试时要有专 业的调试员。 电控机械式自动变速器a m t 系统，是在传统的固定轴式变速器和干式离合器 的基础上“1 ，应用电子技术、模糊控制理论和变速理论，以电子控制单元e c u 为核 2 第1 章：绪论 心，通过液压或气压控制系统控制离合器的分离与结合，以及选换档操作，通过 对发动机节气门的调节，由电子控制单元e c u 来实现汽车起步、换档的自动操作。 a m t 控制的基本原理：根据驾驶员的意愿( 油门踏板、制动踏板等) 和车辆的状 态( 发动机转速、输出轴转速、车速、档位等) ，依据一定的规律( 换档规律、离合 器接合规律等) ，借助于相应的执行机构( 供油执行机构、选换档执行机构、离合 器分离和接合执行机构) ，对车辆的动力传动系统( 发动机、离合器、变速器) 进行 联合操纵，实现起步、换档的自动操纵。原理如图1 2 所示。 图1 2 ；a 盯控制基本原理图 1 2 2a n t 系统的国内外研究现状 1 9 8 5 年，日本五十铃公司率先研制成功n a v i - 5 型全自动机械式自动变速器， 并装于飞鸟( a s k a ) 轿车，投放市场取得成功。另外日本的h i n o 公司也开发了e e 一 传动。a m t 的研究从2 0 世纪7 0 年代中期开始，其发展经历了半自动化阶段、全自 动化阶段，现正在向智能化方向迈进m 。j ， 半自动化阶段 ， 瑞典的斯堪尼亚( s c a n i a ) 的电推动系统( e p s ) ，使得换挡实现了自动化。 美国伊顿( e a t o n ) 公司的半自动机械变速器( s a m t ) 系统则更进一步将换挡和发 动机油门的控制纳入系统中，但它们不能取消离合器踏板，起步和换挡时离合器 的自动控制没有得到解决。 ， 全自动化阶段 。 n a v i 一5 型全自动变速器是世界上第一台全自动a m t 。此后，美国福特( f o r d ) 公司，法国的雷诺( r e n a u l t ) 公司，意大利的菲亚特( f i a t ) 都相继开发了这种 3 山东大学硕士学位论文 变速器。全自动a h f r 已经进入产品化和实用化阶段。 智能a m t 阶段 由于自动换挡规律和起步时都受到环境、驾驶员的驾驶水平和车况等因素的 影响，日本的五十铃( i s u z u ) 、尼桑( n i s s a n ) 等开始采用模糊推理的智能化方法 进行此方面的研究，包括模糊换挡策略和离合器结合速度的模糊控制。智能化使 得车辆在复杂多不变的工作条件下，采用正确措施使换挡规律、换挡品质、起步 与变速性能进一步提高。 目前a m t 在载货汽车上的应用也越来越广泛。i v e c o 的s t r a i l s 牵引车装用了 z f 的1 6 挡e u r ot r o n i c 自动变速器。m a n 的t g - a ( 5 1 9 盱) 牵引车装用了t i p m a t i c 1 2 挡自动变速器；v o l v o 公司在f m 和f h 系列载货车上均装用了自行研制的”i ” 型i - s h i f t 自动变速器。s c a n i a 的p i l 4 g a 牵引车装用了该公司自行研制的 o p t i c r u i s e1 2 挡自动变速器。m e r c e d e s 的a c t r o s 牵引车和自卸车系列均采用了 e a s1 2 挡或1 6 挡自动变速器。除上述5 家外，d a f 的d a fl f 也已经完成自动变 速器的匹配实验。 我国a m t 研制工作起步较晚，“九五”期间，a 耵的开发研制和产品化被列 入国家“九五”科技攻关项目，目前开展这方面工作的有上海交通大学、吉林 大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业公司等。鉴于a m t 发展的趋势，我国的 研究超越了半自动化变速器的阶段，直接进入到全自动a m t 的研制。吉林大学研 究的2 参数最佳换挡规律、动态3 参数换挡规律、离合器最佳接合规律等换挡和 起步规律、最佳同步换挡控制，动态闭环换挡控制、离合器模糊起步控制等处于 世界先进水平。吉林大学，重庆东方鸥翔电子有限公司、北京理工大学、大连锦 华汽车传动技术公司、深圳欣源晟实业公司等都先后推出了自己的a m t 技术，但 尚未进入产品应用。而且在针对重型货车上使用的a m t 技术还没有进行研究。 我国a m t 目前需完善的问题【8 】【9 】 1 川： 一 换挡品质问题。 执行机构优化设计问题。 起步控制技术问题。 换挡规律的优化问题。 4 第1 章：绪论 1 3 重型汽车a m t 系统研究的必要性 随着高速公路的发展，运输市场对重型汽车的需求越来越大。我国重型汽车 面临日益强烈的市场竞争，正在全面提高企业核心竞争力、开展质量提升工程、 提高产品的质量与档次。从用户需求和销售情况来看，市场对功率在3 0 0 马力以。 上的卡车及特种专用汽车的需求正在不断扩大。目前，中国重汽的自动变速器只 能靠进口，一台4 0 多万元，比s y t e r 整车还贵。从我们目前的国内市场来看，用 户很难接受这个价格。因而，实现重型卡车电控机械式自动变速器( a 盯) 产业化 是我国重型卡车发展的必然趋势。 自动变速器a m t 基本不需改变机械式变速器本体，并且同时具有传统传动系 结构简单、制造容易、工作可靠、价格低廉、重量轻等优点。并且重型卡车装上 自动变速器后，能减轻驾驶员疲劳强度，并具有良好动力性和燃油经济性，低污 染等优尉1 1 1 珥堋。 国内重型卡车变速器产品的技术多源于美国、德国、日本几个国家，引进技 术多为国外上世纪8 0 _ - 9 0 年代的产品。作为汽车高级技术领域的重型汽车变速器 在国内漫长的引进消化过程中，如今已有长足的进步，能够在原有技术引进的基 础上，通过改型t j 行开发出符合配套要求的新产品，每年重型车变速器行业都能 有十几个新产品推向市场。但从当今重型车变速器的发展情况来看，在新产品开 发上国内重型车变速器仍然走的是一般性的开发过程，没有真正的核心技术产品； 更没有具有自主知识产权的自动变速器的研制、生产和应用。 研究开发具有自主知识产权并与整车高度匹配及其他电控总成联网集成的电 控机械式自动变速器，对提高中国重汽产品技术的含量，增加产品的品种，拓宽 市场，加强竞争力有十分现实和重要的意义，对我国重型汽车技术的发展将产生7 积极促进作用。 1 4 本文的研究内容 本课题是在济南市重大科技项目“重型汽车电控机械式自动变速器研究”资助 下，与中国重型汽车集团有限公司合作对重型汽车电控机械式自动变速器进行研 山东大学硕士学位论文 究的。主要解决以下几个方面的问题： 1 ) ：整体系统的分析；分析重型汽车上原来的操纵机构，得出改装成电控机械 式自动变速器的控制方案。 2 ) ：抗干扰性能和可靠性能较高的硬件电路；以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心c p u ， 制作并调试系统的硬件电路。 3 ) ：编写思路清楚、容易移植的软件程序；该软件中嵌入了实时操作系统 弘c o s i i ，应用程序在操作系统的调度下运行的稳定可靠。 4 ) ：系统的调试。软硬件整体系统的装车调试，发现问题解决问题。 1 5 本章小结 本章p a a m t 产品研制作为本文的研究背景。综述了自动变速器的国内外发展概 况。国内外目前的研究表明，a m t 产品还不完全成熟，尤其是还没有对重型汽车a 盯 系统进行研究。而且，a 册产品的很多技术都是保密的，跟踪国外先进技术，研究 具有自主知识产权的重型汽车a m t 系统具有重大的意义。 6 第2 章重型汽车a m t 控制系统分析 第2 章：重型汽车a m t 控制系统分析 a m t 系统的油门控制分析 本文的研究对象使用柴油发动机。与汽油发动机不同，柴油发动机采用的是“量 调节”，即发动机输出的功率由每个做功循环中泵入汽缸中的柴油数量决定。通过 控制装在柴油泵上的拉杼即可以控制柴油泵泵入汽缸的柴油量1 4 】【1 5 l 【1 6 1 1 7 1 1 司【嘲。油 门操纵机构的结构如图2 1 所示。驾驶员踩下油门踏板时，通过连杆机构和铰接 点4 带动摇杆2 向右摆动，同时带动摇杆l 向右摆动，此与柴油泵调整装置相连 的铰接点l 顺时针转动，柴油泵泵入发动机汽缸内的柴油量增加。反之，驾驶员 松开踏板时，通过连杆机构和铰接点4 带动摇秆2 向左摆动，同时带动摇杆l 向 左摆动，此时铰接点l 逆时针转动，柴油泵泵入发动机汽缸内的柴油量减少。柴 油泵所能提供的最大油量由限位螺钉l 决定，为防止结构损坏，加入限位螺钉2 。 柴油机怠速状态下泵入的油量由怠速螺钉调节。驾驶员熄火时，踩下分离制动开 关，分离制动气缸进气，将摇杆2 顶到限位螺钉2 位置，将摇杆l 逆时针推到底， 关闭柴油泵泵油通路，使柴油发动机熄火。 图2 1 ：柴油发动机油门控制机构 该系统中，设计的电控油门系统为开环控制系统，e c u 根据检测到的指令信 号控制步进电机跟随脚踏传感器运动。指令信号由装在驾驶员油门踏板处的霍尔 型脚踏传感器给出，该传感器是一种非接触式角度传感器，它利用霍尔效应原理， 7 山东大学硕士学位论文 当固定霍尔元件的永磁铁与踏板轴一起旋转时，加在霍尔元件上的磁场强度就会 产生变化，此时利用霍尔效应即可检测出电压的变化，从而测出踏板的旋转角度。 电控油门系统采用步进电机作为驱动元件，为尽可能减少对原有结构的改动，在 铰接点5 处安装步进电机。为了能调整怠速，系统初始化后，如果踏板角度小于 一阔值，步进电机驱动器处于d i s a b l e 状态，此时电机可随意转动，通过调节怠速 调节螺钉即可调整怠速；另一方面，当驾驶员踩下分离制动开关时，为避免倒拖 电机对电机造成伤害并且丢步，此时，步进电极驱动器也应为d i s a b l e ，摇杆2 由 回位弹簧拉动回零位。 电控油门系统中，由于回位弹簧的存在，造成系统负载力较大，当输入给步进 电机的脉冲频率过高时，电机输出转矩迅速下降，此时电机难以克服负载转矩而 造成“失步”。此外，除了静态负载，在电机起步加速或停止减速过程中，惯性的 存在使得系统中存在动态负载，由于未对整个操纵机构进行改造，系统的惯性较 大，动态负载也就较大，这样步进电机可能会在起动时由于启动频率过高而出现 失步，或在停止时由于惯性作用发生过冲而失步在上面两种情况下步进电机运 动角度就不等于输入给电机的脉冲，影响了控制精度。步进电机控制系统通常为 定位控制系统，操作员给定一较长运动距离，控制器计算电机加减速步数进行控 制；与步进电机定位控制系统不同，电控油门系统为随动系统，对于随动系统来 讲，由于采样周期短，在一个采样周期内无法再进行加减速控制，因此有必要对 步进电机做跟随运动的开环控制算法进行研究。 本文采用的步进电机随动控制算法如图2 2 所示。 e c u 在每个采样周期开始时，启动a d 转换采样踏板传感器的电压值，按照相 应的比例关系计算出步迸电机的指令位置c a d ，并计算出当前步进电机的实际位置 a c t u a l ；然后根据指令位置与实际位置的差值计算在这个采样周期内步进电机需 要运动的步数s t e p ，并将s t e p 的绝对值与步进电机带动整个执行机构加减速运动 不失步的最大加减速度a s t e p 比较，如果比a s t e p 大，那么本周期的运动步数s t e p 为+ _ a s t e p ，表明电机的运动方向，否则，s t e p 不变；接着将计算出的s t e p 的 绝对值与步进电机输出力大于负载力的最快运动速度a x 相比较，如果比k s t e p 大，那么本周期的运动步数s t e p 为_ + v m a x ，表明电机的运动方向，否则，s t e p 不变。通过上面的过程可以得到本周期内步进电机运动且不失步的最多的运动步 第2 章重型汽车a m t 挣制系统分析 数，根据此步数给步进电机驱动器发出脉冲信号，从而使步进电机跟随踏板传感 器信号运动。 图2 2 ：步进电机跟随控制算法流程 2 2a n t 系统的气动执行机构分析 ，。 离合器和选档换档执行机构根据驱动方式可分为气动式、液动式和电动式三种 方式。由于中国重汽生产的重型卡车上原来采用的都是气压传动，因此，为h o w o 重卡开发的a m t 系统采用了气动式。该气压操纵系统主要包括：气压源、离合器气 压控制系统和选档换档气压控制系统。其中气压源主要是空气压缩机和储气桶。 离合器气压控制系统主要包括离合器助力缸和比例阀。离合器的分离与结合是靠 d s p 发出占空比各不相同的脉宽调制信号调节比例阀开闭的时间得到不同的离合 器结合速度，实现不同工况下离合器的多种结合模式。选档换档气压控制系统由 六个电磁阀组成，通过电磁阀的通断实现选换档动作。安装结构图如图2 3 所示 9 山东大学硕士学位论文 图2 3 ：离合器和变速箱气压操纵系统安装图 2 2 1 离合器控制分析 1 0 第2 章重型汽车a m t 控制系统分析 驶员应该先踩下离合器踏板，将离合器分离，使发动机与传动系分离，再将变速 器挂档，然后逐渐松开离台器踏板，使离合器逐渐接合在离合器逐渐接合过程 中，发动机所受阻力矩越来越大，所以在松离合器的同时要逐渐踩下油门踏板， 逐渐增加对发动机的燃料供给量，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速以上， 不致熄火。随着离合器的接合紧密程度逐渐增大，发动机经传动系传递给驱动轮 的转矩也逐渐地增大。到汽车的牵引力足以克服地面阻力时，汽车即从静止开始 起步行驶 2 , 6 i z t i ( z s i 。 电控离合器就是在计算机的控制下，+ 根据相应的指令信号，通过电控驱动系统 使离合器克服压紧弹簧的作用运动。若电控离合器作为单独系统使用时，其指令 信号来自装于离合器踏板处的传感器，若电控离合器作为a m t 系统的单元子系统， 其指令信号来自于a m t 综合控制系统根据一定的策略计算出的控制命掣捌d q 。 系统采用s m c 公司的w 1 比例减压阀对操纵系统进行控制。e c u ( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ) 采集安装在驾驶员离合器踏板处的电阻式( 分压器) 脚踏传感器信 号，此信号表示驾驶员希望离合器分离的位置，将此信号与安装在助力气缸活塞 上的电阻式( 分压器) 位置传感器的信号比较，按照一定的算法，计算出v y l 比 例减压阀命令信号( 电压) ，w l 比例减压阀根据此电压信号控制、n f l 比例减压阀 输出口气压，该气压与助力缸内的气压近似相等，通过该气压即可控制离合器操 纵机构的来回动作。 、n f l 电控比例减压阀的工作原理如图2 5 所示。 压力倍感器 图2 5 ：v y l 减压阀工作原理图 l l 山东大学硕士学位论文 a 口出气压力经传感器返回到控制线路与指令电压进行比较，如果指令电压高 于反馈电压则给电磁阀供电，此时a 口与p 进气口接通，a 口压力增加；如果指 令电压低于反馈电压则电磁阀失电，此时a 口与r 排气口接通，a 口压力减小。 通过对v y i 比例减压阀的原理介绍可知，v y i 比例减压阀实际上工作于高速 开关状态。 从静态特性分析整个离合器操纵系统，离合器靠弹簧保持一定的压紧力，当助 力气缸中压力与离合器压紧弹簧压力相等时，离合器位于相应的固定位置。 2 2 2 离合器神经网络控制 在工业过程控制中，9 5 以上的控制回路具有p i d 结构【蜘p i d 控制器被广 泛应用的原因是因为其结构简单、鲁棒性强，在实际中易于被理解和实现等优点。 而且许多高级控制都是以p i d 控制为基础的。但是，传统的p i d 控制方法都是在 获取对象数学模型的基础上，根据某一整定原则来确定p i d 参数嗍。由于离合器系 统具有高度非线性和时变不确定性等特点，因此很难得到精确的数学模型，控制效 果有时也并不理想。在p i d 控制中，应考虑p i d 参数的整定不依赖于对象的数学模 型，而且p i d 参数应能在线调整，以满足实时控制的要求。传统增量式数字p i d 调 节器的控制输出量为 u ( k ) = u ( k - 1 ) + k p 宰 e ( k ) - e ( k - i ) + k i * e ( k ) + k d e e ( k ) 一2 e ( k 1 ) + e ( k 一2 ) 式中：k 为采样序号：u 为控制输出量；e 为控制偏差：k i 、k p 、l ( d 分别表示 比例、积分和微分系数。， ， 近十几年来，人工神经网络迅速的发展起来，所以“人工神经网络”实际上 是以一种简单计算一处理单元( 即神经元) 为节点，采用某种网络拓扑结构构成的 活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统；不仅如此，人工神经网络还具 有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，在不同程度和层次上 模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功能。人工神经网络的魅力在- r 琊, i ： 一：能够充分逼近任意复杂的非线性系统，从而形成非线性动力学系统，以 表示某些被控对象的模型或者控制器的模型； q r i 能够学习和适应不确定性系统的动态特性； 第2 章荤型汽车a m t 控制系统分析 一：所有定量或者定性的信息都分布于网络内的各神经元，从而具有很强的 容错性和鲁棒性； t ：采用信息的分布式并行处理，可以进行快速大量的运算。 学习是神经网络的主要特征之一。学习规则是修正神经元之间的连接强度或 者加权系数的算法，使获得的知识结构适应周围环境的变化。在学习过程中，执 行学习规则，修正加权系数。在工作周期内，由学习所得的连接加权系数参与计 算神经元的输出学习算法可以分为有监督学习和无监督学习两大类嗍。 无监督的h e b b 学习规则的基本思想是：如果两个神经元同时被激活，则他们 之间的连接强度与他们激励的乘积成正比，以o ，表示神经元i 的激活值，以o ，表示 神经元j 的激活值，以w ；_ ，表示神经元i 和神经元j 的连接权值，则无监督的h e b b 学习 规则可表示为： a w i j ( d = r l o j ( k ) o i ( k ) ；玎为学习速率 在h e b b 学习规则中，引入教师信号，即将0 ，换成希望的输出d ，与实际输出o ，之 差，就构成了有监督的d e l t a 学习规则： a w f i ( k ) = e ( d j ( k ) - 0 i ( k ) ) o f ( d ； 将无监督的h e b b 学习规则和有监督的d e l t a 学习规则想结合就构成了有监督 的h e b b 学习规则： a w z i ( k ) = e ( d i c k ) 一o i ( k ) ) o y ( k ) o i ( d ： 基于单神经元的p i d 控制和传统p i d 控制相结合，可以在一定程度上解决传统 p i d 控制不容易在线实时整定参数，难于对一些复杂过程和参数慢时变系统进行有 效控制的不足。单神经元自适应p i d 控制器的结构框图如图2 6 所示。 ； 图2 6 ：单神经元自适应p i d 控制器结构框图 单神经元自适应控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能 。 山东大学硕士学位论文 的，权系数的调整是按照有监督的h e b b 学习规则来实现的。控制算法及学习算法 为： u ( d = u ( k - i ) + 置w i ( k ) x i ( k ) w i ( d = w i ( d 帆七) | ， d w l ( k ) = w l ( k - 1 ) + 叩i z ( k ) u c k ) x l ( k ) w 2 ( d = w 2 ( k 1 1 + r l p z ( k ) u ( k ) x 2 ( k ) w 3 ( k ) = w 3 ( k - 1 ) + r 耐z ( k ) u ( d x 3 ( d 式中： x1 ( k ) = y r ( k ) 一y ( k ) = e ( k ) x2 ( k ) = e ( k ) 一e ( k 一1 ) = e ( k ) x 3 ( k ) = e ( k ) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) = 2e ( k ) 啊猡彬分别为积分、比例、微分的学习速率，k 为神经元的比例系数，k 0 。 对积分i 、比例p 、微分d 分别采用了不同的学习速率，以便于对不同的权系数分别 进行调整。k 值的选择很重要。k 值越大。则快速性就越好，但是超调量就会增大， 甚至可能使系统不稳定。当被控对象时延增大时，k 值必须减小，以保证系统稳定。 k 值选择过小，会使系统的快速性变差。 通过反复实验，p i d 参数的在线学习修正主要与e ( k ) 和血( 七) 有关。因此可以 将单神经元自适应p i d 控制算法中的加权系数学习修正部分进行修改，即将其中的 顶七) 改为e ( k ) + a e ( k ) ，改进后的算法如下： i u ( d = u ( k - 1 ) + k w i ( k ) x i ( k ) 。+ w i ( d = ，故七) f 彬( 七) i 7 j - - 1 w l ( k ) = w l ( k - 1 ) + ，f 2 ( 七) 口( 七) ( p ( 七) + e ( | ) ) w 2 ( d = w 2 ( k - d + r p z ( k ) u ( k ) ( e ( k ) + 血( i ) ) w 3 ( d = w 3 ( k 1 ) + r l d z ( d u ( d ( e ( d - l - & ( i ) ) 式中：a e ( k ) = g ( 七) 一e ( k 1 ) ，z ( ”= e ( d 1 4 第2 章重型汽车a m t 控制系统分析 采用上述改进算法后，权系数的在线休正就不完全是根据神经网络学习原理， 而是参考实际经验制定的输出的控制量为： u - - u + k $ ( w l * e + w 2 * ( e e 一1 ) + _ 0 木( e 一2 * e l + e _ 2 ) ) ： 其中y p ，y i ，y d 分别是比例，积分，微分环节的学习速率，w p ，w i ，砌为学习规 则，育1 ，们，们是加权系数。u 是p i d 控制器输出的控制量。实验中，由c p u 输出p 嘣( u ) 数字脉冲信号，然后经过d a 转换，得到比例阀所需要的模拟量，助力缸外接直线位 移传感器，求得控制偏差后，经过转换器得p i d 控制器的输入量，经过p i d 控制后， 把输出量u 给p 删( u ) ，来调整系统的输出，实现良好的控制。 2 2 3 选换档控制分析 为了确定该a g r 系统中选换档的控制策略，先考察一下常用的经典控制规律， 以便选择合适的控制方法。经典控制方法中的控制器，常常采用比例、微分、积 分等基本控制规律，或者采用这些基本控制规律的某些组合，如比例一微分、比 例一积分、比例一积分一微分等组合控制规律，以实现对被控对象的有效控制f 赫- 3 - 1 设计开始的时候，选换档控制中用的方法是简单的开环控制。在开环控制中没 有使用档位传感器，所以就相应的没有反馈信号。形不成闭合回路。要想换档时， 由电子控制单元e c u 发出换档指令，输出档位信号到电磁阀，电磁阀执行换档动 作。虽然开环控制中，换档迅速，但是由于没有位置检测，所以经常换档不到位， 不能实现档位的精确控制，所以一般a 町选换档控制中不再使用开环控制。 如图2 7 所示，本文研究对象的变速箱具有l o 个档位，它与普通汽车一样采 ， 用双h 型结构，由换档杆、选档杆控制档位的选择与切换，选档杆与换档耔部有 三个位置，通过它们的组合可以选择6 个档位，此外，通过一个高低档切换装置 扩展到1 0 个档位。本章设计的双气缸选换档机构如图2 8 所示：首先分析选档气 缸的动作，当选档气缸的进气口l 与2 都排气时，选档汽缸活塞在回位弹簧1 与2 的共同作用下处于位置1 ，当进气口1 进气、进气口2 排气时，活塞克服回复弹簧 2 的作用力运动到位置2 ，当进气口2 进气、进气口1 排气时，活塞克服回复弹簧 1 的作用力运动到位置3 ；下面分析换档气缸的动作，换档气缸的进气口2 常接大 气，设换档气缸进气1 、3 、4 都排气，并且气缸处于初始位置1 ，此时若进气口i 山东大学硕士学位论文 p l l 日i ! j | e 目目! e e = e g e 目e ! ! ! 目e ! ! ! 自! ! ! e ! ! ! s e e e ! g 目! | | e ! e ! e ! e g | 目! 自e 日e e i 进气，进气口3 、4 排气，则活塞1 与活塞2 一起被推到位置2 ，接着若进气口3 进气，迸气i i4 排气，则活塞2 继续运动到位置3 ，然后若进气1 ：31 、4 进气、迸 气口3 排气，活塞2 回到中间位置，最后若进气口4 进气，进气口l 、3 排气，则 活塞2 推动活塞l 一起回到位置l 。 气缸1 气缸2 换档气缸 位置l 位置2 位置3 2 3 该a m t 的系统结构 图2 7 ：挡位布置示意图 进气口l 接电磁阀l 迸气口2 接电磁阔2 进气体口3 接大气 耋嚣品，厂- 接电磁阀3i 接高低档阀4 差詈昙差鼍苎高6 垂上嚣 位置3 位置1 位置2回位弹葶l 图2 8 ： 双气缸选、换档机构 根据上面的分析，该项目中，h o w o 重卡a l f r 电控自动变速器系统主要有两大部 分组成：电控系统和执行机构。在电控制系统中，电子控制单元e c u 通过接收传感 器信号和开关信号，从而获取车辆的运行状态和司机的意图，然后e c 【i 再发出命令 去控制电机和相应气压操纵系统动作实现换档过程的自动化。它是集发动机、离 第2 章重型汽车a m t 控制系统分析 合器、变速器控制为一体的综合控制系统。a m r 系统总体结构如图2 9 所示： 图2 9 ：h o w o 重卡a m t 系统总体结构图 2 4 该a m t 系统的工作原理 该系统的设计思想是：采用各种传感器代替人的感觉器官，从而获取车辆当前 的运行状态、路面情况以及驾驶员的意图，用电控系统来模仿优秀驾驶员的思维 过程、以电机的运转和比例阀、电磁阀等的开闭来控制执行机构代替手脚动作， 完成发动机供油、离合器分离与结合和变速箱选档换档的自动控制。驾驶员通过 选择开关，将起步、停车、倒车、强制档等意图以电信号的方式传递给电控单元 e c u 。e c u 收到信号后发出控制命令给执行机构完成相应的动作。汽车在行驶过程 中，驾驶员对加速踏板的控制通过油门位传感器传递给e c u 。e c u 通过所测油门踏 板的位置以及当前车辆行驶的速度、加速度，再根据程序中设定的换档规律判断 车辆应处的最佳档位，决定升档、降档或保持原档位不变，从而达到加速或减速 ， 的目的。在车辆运行时如果驾驶员想降速或急停车，则可通过踩刹车踏板。7 将刹 车的开关信号传送给e c u ，e c u 再控制执行结构执行刹车动作。由于a m t 系统实现了 离合器分离、结合以及换档过程的自动化。 2 5 该a m t 电控系统的组成 h o w 0 重卡a h t 的电控系统主要由传感器、电子控制单元e c u 和输出控制信号组 成。该系统中便用了十多个传感器，a m t 系统正是通过这些传感器及时准确的获知 车辆的运行状态的，并根据所获得的信号输出对步盘进电机、比例阀和电磁阀等 1 7 山东大学硕士学位论文 的控制信号该系统中所用到的传感器输入信号和e c u 的输出控制信号如表2 1 所 不 表2 1 ：系统中所用到的传感器输入信号和e c u 的输出控制信号 类别作用 信号特性c p u 接口 模拟离合嚣踏板电位器1 0 - s v l o 位a d d s p a d o 输入离合器执行气缸位置传 0 - 5 7 l o 位a d d s p a d l 感器( 电位器) 2 油门踏板电位器3 p 5 v l o 位a dd s p a d 2 油门执行机构位置传摩 p l o 位a d d s p a d 3 器( 电位器) 4 换档, t m t j 位移传感器 ( 2 3 个) 换档手柄位移传摩器 ( 1 2 十) 油温传感器5 0 - 5 v l o 位a d d s p a d 4 气压传感器( 0 - s m p a ) 6 0 - 5 v l o 位a d d s p a d 5 加速度。倾角传黪器( 2 们 电流传感器( 1 2 个) 2 路模拟量备用7 - 8 0 - 5 、， 1 0 位a dd s p a d 6 7 总和 1 6 个 模拟离合器比例阀控制9 o _ l a 、， 由d s p 的p w mp w m 0