（光学工程专业论文）重型商用车机械自动变速传动试验台测控系统研究与开发.pdf

the research and development of testing-controlling system for automatic mechanical transmission test bench of heavy duty commercial vehicle a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zhang zhilong supervisor: prof. .qin datong major: vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university , chongqing, china. april, 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 重型商用车机械自动变速（amt）传动试验台测控系统是一个复杂的多输入 多输出控制系统，在研制重型商用车 amt 的过程中，无论是设计方案的选择，硬 件的调试，还是软件的调整与完善，都依赖于试验台测控系统。因此，试验台测 控系统是重型商用车 amt 系统开发的必要工具和重要组成部分， 它直接关系到开 发出的 amt 系统性能优劣与开发的效率。 本文在认真分析重型商用车 amt 台架试验功能需求和被测对象特性的基础 上，确定了试验台测控系统的采集信号及其通信方式。根据试验台测控系统功能、 测控对象、信号采集和通信方式，进行了试验台 amt 测控系统方案设计。以测控 方案为基础，搭建了试验台数据采集与通信控制总体框架，确定了采集被控对象 信号的传感器类型， 构建起基于can通信和串口通信联合的试验台测控通信系统， 实现了重型商用车 amt 综合性能试验台上各控制器、 数据采集器与上位机之间的 数据互通与共享。在以数据采集器为核心的试验台测控系统下位机软硬件开发中， 提出硬件开发的设计原则和目标，进行了微控制器选型和数据采集器的主要硬件 电路及底层程序设计，并对各电路进行了功能测试。测试试验证明，本课题设计 开发的数据采集器符合目标功能要求。在此基础上，完成了重型商用车 amt 试验 台上、下位机测控软件的开发。 关键词关键词：机械自动变速，试验台，数据采集，测控，软件开发 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii abstract heavy commercial vehicle automatic mechanical transmission (amt) test bench testing-controlling system is a complex multiple-input and multiple-output control system. in the course of development of heavy commercial vehicle amt, whether the choice of design, hardware debugger, and software adjustment and perfect, all depend on test bench testing-controlling system.therefore,the test bench testing-controlling system is a necessary tool and an important part in the research and development of heavy commercial vehicle amt. it will have a direct bearing on the development of the merits of amt system performance and development efficiency. in this paper, on the basis of functional requirement and the characteristic of the testing-controlling objects of amt bench test for heavy commercial vehicle have been analysed seriously,we determined types and their communication means of acquisition signals of amt testing-controlling system.according to testing-controlling system function,testing-controlling objects,signal acquisition and communication means of amt test bench,beginning amt test bench testing -controlling system scheme design.take test control scheme as basis,we built the whole frame of amt test bench data acquisition and communication system, ascertained the types of signal acquisition sensor of amt test bench controlled objects,built amt test bench testing-controlling system of integrating communication means of can and serial communication,have realized data communication and sharing of every controller,data collector and top pc on amt overall performance test bench for heavy commercial vehicle.in the course of hardware and software development of amt test bench testing- controlling system, the crew data collector is the core of the system hardware development.we raised the design principles and objectives of hardware development.accomplished the type selection of microcontroller, designed the main hardware circuit and developed the underlying program for data collector,through the circuit function test.tests have showed that the design and development of data collector satisfied for the target functional requirements.on this basis, we accomplished the software development of amt test bed test control system for heavy commercial vehicle. keywords: amt, test bench, data acquisition, test control , program development 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 目 录 中文摘中文摘要要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 课题学术和实用意义课题学术和实用意义 . 1 1.2 国内外现状综述国内外现状综述 . 2 1.2.1 柴油机调速控制技术 . 2 1.2.2 amt 执行机构控制技术 . 4 1.2.3 模拟加载控制技术 . 6 1.2.4 数据采集系统 . 7 1.2.5 机械传动试验台测控系统的研究现状及发展趋势. 8 1.3 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 . 10 2 测控系统测控系统总体总体方案设计方案设计 .11 2.1 引言引言 .11 2.2 测控系统功能测控系统功能需求分析需求分析 .11 2.3 测控系统方案研究测控系统方案研究 . 12 2.3.1 试验台测控对象特性分析 . 12 2.3.2 数据采集硬件开发分析 . 15 2.3.3 测控软件开发方案 . 18 2.3.4 试验台通信控制方案 . 20 2.3.5 测控系统功能实现 . 20 2.4 本章小结本章小结 . 21 3 数据采集与通信网络设计开发数据采集与通信网络设计开发 . 22 3.1 数据采集与控制系统构成数据采集与控制系统构成 . 22 3.2 数据采集传感器选型数据采集传感器选型 . 22 3.2.1 概述 . 22 3.2.2 采集信号类型 . 23 3.2.3 传感器的确定 . 23 3.3 测控系统通信网络设计测控系统通信网络设计 . 26 3.3.1 can 通信网络设计 . 26 3.3.2 串口通信网络设计 . 27 3.4 本章小结本章小结 . 28 重庆大学硕士学位论文 目 录 vi 4 数据采集器的硬件设计开发数据采集器的硬件设计开发 . 29 4.1 引言引言 . 29 4.2 数据采集器的主要硬件设计数据采集器的主要硬件设计 . 31 4.2.1 数据采集器的主要电路设计 . 31 4.2.2 数据采集器的开发 . 35 4.3 数据采集器主要硬件电路功能测试试验数据采集器主要硬件电路功能测试试验 . 36 4.3.1 串口通信试验 . 37 4.3.2 gpio 通用接口试验 . 40 4.3.3 a/d 转换电路试验 . 41 4.3.4 can 通信测试试验 . 44 4.4 本章小结本章小结 . 46 5 测控系统软件开发测控系统软件开发 . 47 5.1 数据采集控制器软件设计数据采集控制器软件设计 . 47 5.1.1 dsp 引导程序 . 47 5.1.2 数据采集器初始化程序 . 48 5.1.3 采集器嵌入式系统软件主程序设计 . 49 5.2 基于基于 delphi 的的 pc 上位机软件设计上位机软件设计. 50 5.2.1 软件功能结构 . 50 5.2.2 测控系统操作界面 . 50 5.2.3 上位机软件主要功能模块 . 51 5.3 本章小结本章小结 . 56 6 全文总结全文总结 . 57 致致 谢谢 . 58 参考文献参考文献 . 59 附附 录录: a 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录 . 62 b 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目 . 62 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题学术和实用意义 随着世界汽车工业的高速发展，大量的高科技成果在汽车上得到了应用。现 代汽车已经不仅仅是一台复杂的运输机器，而是集电子技术、控制技术、机械技 术、液压技术、通信技术于一身的高科技代表产物。 电子技术主要应用于汽车的发动机、变速系统、安全气囊、制动系统和防盗 系统等。变速系统采用电子自动控制，可以更好的和发动机匹配，可加快车辆换 档速度，提高汽车的动力性能，改善乘坐舒适性；减轻驾驶员疲劳，提高汽车行 驶安全性。同时，自动变速系统还具有稳定发动机工作状态，降低汽车燃油消耗， 减少有害物质排放量的功用，这为汽车达到环保要求提供了保证。目前自动变速 器主要有机械自动变速器 amt（automatic mechanical transmission） 、液力机械自 动变速器 at（automatic transmission）和机械无级自动变速器 cvt（continuously variable transmission） 三种类型。 机械自动变速器是将电子控制技术引入到传统的 手动机械变速器中，使其具有自动变速功能，同时又能充分发挥手动机械变速器 传动效率高、易于制造的长处。由于机械自动变速器自身的特点，在换挡过程中， 不可避免的出现动力中断和冲击等现象，使其在轿车上的应用不能达到完全令人 满意的效果1。 在重型商用车领域中，由于车辆自身质量大，乘坐舒适性要求不高，因此， 它对动力中断和冲击都不十分敏感。并且，重型商用车变速器档位多，操作复杂， 对驾驶员的驾驶技巧和劳动强度都提出了较高的要求。机械自动变速器保留了原 手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单等长处，是适应中国国情的一 种自动变速传动方式。因此，具有方便的变速操作、防止变速错误的电控机械自 动变速箱，将会在大型载货车和自卸车上得到广泛应用。通过自动变速，还可以 优化发动机的工作点，使其具有更加良好动力性能和经济性能，充分发挥车辆的 性能2。 台架试验是重型商用车机械自动变速器开发的一个重要阶段。通过台架试验， 可测试发动机的控制性能，通过整定控制参数，使发动机具有较好的调速性能， 满足起步和换挡的要求；通过调试自动离合器驱动机构，优化执行机构的控制策 略，保证离合器能可靠迅速的分离与结合；也可验证离合器结合规律，并进行参 数修正，使其满足起步品质的要求；同时通过调试换档执行机构及传感器，使其 能迅速准确的换档；优化换档规律，使发动机与变速器匹配具有最佳的动力性和 经济性，为下一步的装车奠定基础3。本课题是国家“863”计划项目和重庆市自 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 然科学基金资助项目研究内容的组成部分， 研究的意义在于为重型商用车 amt 试 验台开发一种有效的台架试验测试控制系统以及为其它各种重型车用新型动力装 置建立一个测试、控制和研究开发的平台。通过对发动机、变速器执行机构以及 加载装置的自动控制和数据的检测，实现 amt 试验工况模拟、采集数据信息、调 节试验台受控单元、记录工作过程、分析测试结果、监控整个测试过程，提高测 试的速度和准确度。 1.2 国内外现状综述 1.2.1 柴油机调速控制技术 在 amt 台架试验过程中，需要对重型商用车的动力源进行控制。重型商用车 的动力源一般采用柴油发动机，柴油机的调控可以通过喷油量的控制来实现。长 期以来，柴油机调速系统主要以机械式调速器和机械液压式调速器为主。机械式 调速器工作性能可靠，但是一般情况下控制精度不够，反映速度也不快，同时对 柴油机参数变化适应性不强。随着电子计算机技术的发展，出现了对传统的机械 式和机械液压式调速器的缺点予以改善的电子调速器，使柴油机的控制参数保持 在最佳状态，大大改善柴油机的性能。 调速器按其感应元件可分为机械式、液压式和气动式。按控制调速范围不同， 机械式调速器可分为单制式、双制式和全制式三种45。 发动机上最早出现的自动调节器是 1784 年 james 发明的离心式机械调速器。 离心式机械调速器是第 1 代产品。它是利用由喷油泵凸轮轴驱动的飞锤产生的离 心力随着转速变化而与调速弹簧平衡于不同位置的原理，由一套随调速弹簧位移 而运动的杠杆机构来改变喷油量调节机构的位置6。 20 世纪 40 年代末 50 年代初出现了间接作用的机械液压式调速器，可以视为 第 2 代产品。它是在感应元件与油量控制机构之间插入一个液压放大元件，使感 应元件的输出信号通过液压放大元件再传到油量调节机构上去。液压机械和液压 式调速器其速度偏差信号测量和放大都是通过机械元件来实现，这就不可避免存 在惯性滞后和摩擦阻力等缺陷，因此用这种调速器很难实现较复杂规律和控制功 能。无法满足进一步降低油耗、减少有害排放、提高调节精度和自动化程度的要 求。 自 50 年代以来，人们尝试用电子器件代替机械器件，用电信号代替机械信号 来设计调速器，并取得了突破，制成了各种雏形的电子调速器。自从 80 年代以来， 由于它的传感器信号、控制信号和执行机构均为电信号，所以电子调速器具有惯 性小、系统响应速度快、容易实现等特点。电子调速器按工作特性被分为两种， 一种是位置式电控喷油系统，一种是时间式电控喷油系统。位置控制式喷油系统 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 保留了传统的喷油结构，在喷油泵上增设了由传感器、执行器、控制器等组成的 基本部件，实现对柴油机基本喷油量的控制。时间控制式结构是在原有的喷油系 统之上，用电磁阀控制取代了柱塞斜槽控制喷油机构，实现了对喷油量、喷油定 时、喷油压力和喷油速率等的直接控制，喷油量由高速电磁阀的喷油时间决定， 电磁阀在很高的油压下频繁开启，这种工作方式对电磁阀的推力和材料耐磨性等 技术指标要求很高，生产工艺不容易达到，因此喷油系统成本高。 实现电控柴油机的途径有很多种，比如位置控制式、时间控制式以及共轨系 统(压力时间控制式)。时间控制式在机械式燃油系统中，利用机械式或油压式提 前器使发动机的驱动轴和喷油泵的凸轮之间产生相位差，或提前，或延迟，从而 控制喷油定时。在机械式提前器中，主要利用飞块的离心力控制喷油定时，喷油 定时只是根据转速的变化而变化，与其他因素无关。利用电子、油压伺服机构代 替机械系统中的飞块，通过控制器的计算结果控制喷油定时，可以使发动机排放、 噪声达到最佳。共轨系统可实现高压喷射，为控制喷油压力的系统,用高速强力电 磁阀来实现供油量和喷油时刻的控制，它抛弃了传统的机械式供油系统，取消了 喷油泵上的齿条、滑套及柱塞上的斜槽等机构，使传统的喷油泵更加简化，是未 来柴油机供油系统的发展方向，在国外已经有成熟的产品，如日本电装公司的 ecd-u2，是世界上最早定型的电控共轨燃油喷射系统7-10。由于电磁阀不仅要求 其响应速度快，而且要密封高压柴油，同时还要有足够的可靠性和寿命，另外由 于电磁阀是安装在喷油泵或喷油器上，因此体积不能大，其制造加工有相当大的 难度，价格昂贵，在相当长的时间内我国还难以形成成熟的产品。而位置式控制 系统不仅保持了传统的泵-管-嘴供油系统，而且还保留了原来喷油泵中的齿条、 控制滑套、柱塞上的控制斜槽等控制油量的机械传统机构，只是用电子执行机构 和微处理器以及传感器所组成的控制系统取代原有的机械控制系统，通过对齿条 或滑套运动位置的连续伺服调节，对喷油过程实现间接控制，这种系统的优点是 只要用电控泵及其控制部件代替原有的机械泵就可转化微电控系统，柴油机的结 构几乎无须改动，故便于对现有机器进行改造。 国内电子调速器的研究应用情况与国外的差距在逐渐缩小，有许多单位、院 校正在开展柴油机电子调速器的研究工作，并取得了很大的成就。80 年代末，交 通部上海船舶运输科学研究所自动化室研制成功了中国第一台 pd-1 型电子调速 器，其功能和性能指标基本上达到了德国同类型的产品水平11。哈尔滨工程大学 动力工程系与山西柴油机厂也共同开发了 dr100 型电子调速器。主要是满足高精 度柴油机发电机组的需要12。一汽集团汽车研究所、吉林工业大学及北京天纬油 泵油嘴有限公司合作对电控可变预行程直列泵进行了实验研究，用两台步进电机 分别控制齿条和柱塞滑套实现了喷油量和喷油定时的电子控制。哈尔滨船舶工程 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 学院进行了“电站柴油机电控调速器”的研究并研制出数字调速器13；兰州电源 车辆研究所从 20 世纪 80 年代就开始研究模拟式调速器；1998 年 6 月兵器总公司 70 研究所研制了用于履带车辆的柴油机数字模拟混合结构调速器14。1997 年大连 铁道研究所和大连理工大学合作，研制开发了用于内燃机的全数字式调速器。北 京理工大学在直列泵上用电磁阀通过液压伺服机构驱动齿条，以实现对喷油量的 控制，并在 12v120 柴油机上进行了实验。上海内燃机研究所针对 6102qa 研制了 电子控制喷油定时系统。无锡油泵油嘴研究所、威孚集团公司和浙江大学合作在 ve 分配泵上进行了用旋转电磁铁控制滑套、高速电磁铁控制提前器活塞的研究， 并进行了台架性能实验15。由于对工程重视不够，国内大部分的研究成果目前仍 停留在原理性的样机或实验室阶段，与世界的先进水平存在着比较大的差距，当 然这也与国内柴油机水平不高、排放法规不健全、不严格有关。 电子调速器与机械式、液压式调速器相比，具有调节精度高，结构简单，维 修方便，易于实现自动化监控等优点。其最大的特点是采用了非接触的电磁测速 元件而去掉传统调速器的飞块弹簧式速敏机构，转速控制采用了电气方式。因此 电子调速器越来越广泛地被应用，成为今后调速器的主流方向。 本课题就是在已有电子调速控制机构的基础上，通过采集柴油机的转速和驾 驶员踏板的位置信号，使利用高压共轨燃油喷射技术对柴油机基本喷油量进行调 节，最后达到控制柴油机转速的目的。 1.2.2 amt 执行机构控制技术 早在 20 世纪 60 年代，欧洲的一些公司就开始对 amt 技术进行研究，20 世 纪 80 年代中期生产出第一代产品并应用于重型车辆上，在 20 世纪 90 年代该技术 得到了进一步的发展，并在轿车上得到应用1617。目前国外主要产品和生产厂家 如表 1.1 所示。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 表 1.1 国外 amt 研究现状 table 1.1 overseas amt research present situation 产品名称 生产商 类型 特点 应用 auto shift eaton（美国） amt 专利“load-based”换档规律、专利 无离合器“datalink”换档；具有 保持档； 集成系统管理和个人信息管 理；现场可编程；减少电子器件和导 线 50；12/24v 供电 中重型商用车辆 as tronic zf(德国) amt 在 edc 之间通过 can 总线进行通 信，换档时无需离合器 中重型商用车辆 eas mercedes-benz （德国） amt 在 eps（electronic power shift）电控 动力换档系统上集成离合器电子控 制 中重型商用车辆 ferraris system ferrari 和 magneti marelli （意大利） 全自动 ascs 换档时间可达到 0.15s 赛车（如 ferrari f355 f1） selespeed magneti marelli （意大利） 全自动 ascs 电控油门，保持换档平顺性 轿车 （如 alfa 156） m-sequenti al bmw（德国） 电控离 合器 价格便宜、体积小，但非全自动，不 如 selesped 动作迅速和平滑 高级轿车 sensonic sabb（瑞典） 电控离 合器 电动，具有自适应能力 轿车 （如 saab） easy system ap（英国） renault（法国） 电控离 合器 液动 普通轿车 acts ap borg gpiomuxregs.gpfmux.all = 0 x0030; edis; /* gpio 口的初始化，把 sci 收发引脚设为外设*/ sciaregs.sciccr.all = 0 x07; / 一个启停位, 空闲模式, 8 bits 数据 sciaregs.scictl1.all = 0 x03; / 使能 tx sciaregs.scictl2.all = 0 x03; / sciaregs.scihbaud = 0 x00; sciaregs.scilbaud = 0 xa2; sciaregs.scictl1.all = 0 x23; piectrl.pieier9.bit.intx1 = 1; piectrl.pieier9.bit.intx2 = 1; 通信主程序 void main(void) initsysctrl(); /*初始化系统*/ dint; /*关中断*/ ier = 0 x0000; ifr = 0 x0000; initpiectrl(); /*初始化 pie 中断*/ initpievecttable(); /*初始化 pie 中断矢量表*/ initgpio(); /*初始化 gpio 实现对 max 的控制*/ initsci(); /*初始化 scia 寄存器*/ for(t = 0; t 100; t+) sci_varrxt = t; for(t = 0; t 4; a01=adcregs.result14; a02=adcregs.result24; a03=adcregs.result34; a04=adcregs.result44; a05=adcregs.result54; a06=adcregs.result64; a07=adcregs.result74; a08=adcregs.result84; a09=adcregs.result94; a010=adcreg