（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320lf2407a的汽车无级变速器的故障诊断.pdf

哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 f a u l t d i a g n o s i so fc v t b a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a b s t r a c t t h ee l e c t r i cc o n t r o lo fa u t o m o b i l e i m p r o v e s i t s s a f e t y , d y n a m i ca n d e c o n o m y , b u ti t a l s ob r i n g sa b o u tn e wp r o b l e m s o n eh a n d ，t h ec o m p l e x i t yo f e l e c t r i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) m a k e st h ec a rm a i n t e n a n c em o r ea n dm o r ed i f f i c u l t o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef a u l t so fe c uo f t e nr e s u l ti nm a l f u n c t i o na n ds e v e r e f a i l u r eo fc a r s a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，i t se s s e n t i a lt om o n i t o ra n dd i a g n o s e t h ef a u l t so fc a r s o na c c o u n to ff a u l td i a g n o s i s ，t h eo p e r a t i o nb e c o m e ss a f ea n d t h em a i n t e n a n c eb e c o m e ss i m p l e a st h ei d e a lt r a n s m i s s i o nm o d ef o rv e h i c l e ， c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ( c h a st h ef e a t u r eo fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ， c o n v e n i e n to p e r a t i o na n dg o o dp e r f o r m a n c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e mo fc v t h a sb e e np u tf o r w a r dw i t ht h es t u d yo fa d v a n c e df a u l t d i a g n o s i sm e t h o d s ，a n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fc v ta r ea n a l y z e d a n dt h ec a t e g o r y a n dc h a r a c t e r i s t i c so fa u t of a u l t sa r es t u d i e d t h ep r i m a r yt h e o r i e sa n dm e t h o d s o ff a u l td i a g n o s i sa r ea l s oe x p a t i a t e d t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fc v tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t h t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h ec o r ec h i p t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i g n a l so fc v t s y s t e m ， p r o p e rs e n s o r sa r ec h o s e nt oi m p l e m e n td a t aa c q u i s i t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i t s a r cd e v i s e d ，i n c l u d i n gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c i r c u i t ，c a nc o n t r o l l e rd r i v ei n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t i nt h el o w e rc o m p u t e r , t h e d e s i g no fs o f t w a r em a i nf r a m ea n de a c h f u n c t i o n a lm o d u l ei sp r e s e n t e d d s ps o f t w a r ei sc o m p i l e da n dd e b u g g e du n d e r i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tc c s 2 0 ，a n dd a t aa c q u i s i t i o ni sa c h i e v e d t h ep r o g r a mo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sb u i l da sw e l l ，s od a t ae x c h a n g eb e t w e e n l o w e rc o m p u t e ra n du p p e rc o m p u t e ri sr e a l i z e d o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h eb a s i ct h e o r i e so fn e u r a ln e t w o r k ，t h es t r u c t u r e ， l e a r n i n gp r o c e s sa n dd e s i g nf a c t o r so fb pn e u r a ln e t w o r ka r ea n a l y z e df r o mt h e v i e wo fa p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h es t r u c t u r ea n da l g o r i t h mo fb pn e u r a ln e t w o r ka r e d e v e l o p e dt om e e tt h en e e do fa u t of a u l td i a g n o s i s ；t h es i m u l a t i o no fb pn e u r a l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 n e t w o r kt h a tp r o p o s e di sa c c o m p l i s h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e f a u l td i a g n o s i ss y s t e mb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r kw i t hm o m e n t u ma n ds e l f - a d a p t i v el e a r n i n gr a t ea l g o r i t h mi se f f e c t i v e k e y w o r d sc o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，f a u l td i a g n o s i s ，n e u r a ln e t w o r k ， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的 汽车无级变速器的故障诊断，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签名：弦增闲日期：加孑年3 月i , l - 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的汽车无级变速器的故障诊断系本人在哈尔 滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义 发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公 布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保蕴y 。 ( 请在以上相应方框内打) 1 7 1 期：2 寸心年3 月f l 日 f 1 期：抽孥年弓j 弓l h t t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源与意义 第1 章绪论 本课题来自国家重点科技攻关项目“汽车无级变速箱c v t 控制器的研 究 ，项目编号：2 0 0 3 b a 4 3 5 a 。课题的主要研究目的是从无级变速器的结构、 工作原理及汽车故障的特点入手，选择适当的诊断方法进行汽车无级变速器故 障诊断系统的设计。 汽车变速器是为解决发动机输出转速和转矩与车辆所需转速和转矩之间的 矛盾而设立的。车辆行驶性能的好坏，不仅取决于发动机，而且在很大程度上 还依赖于变速器及变速器与发动机匹配的好坏。随着电子技术和自动控制技术 的迅速发展，发动机控制技术日趋成熟。自动变速器技术越来越完善，在越来 越多的车辆上得到应用，成为现代汽车工业发展的标志之一n 1 。 汽车上使用的自动变速器大致有三类：液力自动变速器( a u t o m a t i c t r a n s m i s s i o n , a t ) 、电子控制机械自动变速器( a u t o m a t i cm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n ，删和无级变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n , 删，前 两种变速器都是有级或分段无级自动变速拉1 。无级变速传动作为汽车理想的传 动方式，自汽车诞生以来一直是人们追求的目标，与常规变速传动相比，它可 以显著提高汽车的燃油经济性，改善汽车的动力性，降低发动机的排放污染， 减少汽车的行驶冲击，提高驾驶舒适性随悯。 由于汽车控制的电子化，使得汽车各方面性能有了质的飞跃，汽车的安全 性、动力性、经济性等都得到了很大的提高。然而，汽车控制电子化的同时也 带来了新的问题。一方面，汽车电控系统日趋复杂，给汽车维修工作带来了越 来越多的困难，对汽车维修技术人员的要求越来越高；另一方面，电子控制系 统应具有安全容错处理功能，不能因为电子控制系统的突发故障导致汽车失控 和不能运行，。针对这种情况，汽车电控技术设计人员，在进行汽车电子控制 系统设计的同时，增加了故障诊断功能模块。它能够在汽车运行过程中不断监 测电子控制系统各组成部分的工作情况，如有异常，根据特定的算法判断出具 体的故障，并以代码形式存储下来，同时启动相应故障运行模块功能，使有故 障的汽车能够被驾驶到修理厂进行维修，维修人员可以利用汽车故障诊断功能 调出故障码，快速对故障进行定位和修复。因此，从安全性和维修便利的角度 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 来看，汽车电控系统都应配备故障诊断功能m 。 汽车故障诊断技术在国终己经有很长的发展时间，许多进口车都带有完善 的故障诊断系统。国外汽车敲障诊断系统己经发展到了相对成熟的地步，尤其 是高速度处理器的应用使故障诊断有了很大的进步。但是在我国，汽车故障诊 断技术起步的时间还不长，与国外的差距还缀大，虽然研制出了一些故障诊断 系统，但相对都不够完善。结合下位机检测单元与上位机诊断程序的使用，可 以对整个无级变速器( 删系统进行故障监控、记录和诊断处理，保护驾驶人 员的安全并且为汽车的后期维护提供依据。嚣此，对汽车无级变速器故障诊断 的研究与开发具有十分重要的意义阻们 1 2 无级变速器的应用现况及发展趋势 无级变速器技术的发展，已经有了一百多年熬历史。旱在1 8 8 6 年德国奔 驰公司就将v 型橡胶带式c v t 安装在该公司生产的汽车上。发展历程可分为 三个阶段： 第一阶段( 1 8 8 6 年一1 9 5 8 年) ：c v t 技术的探索阶段。其标志产品是荷兰 的d a f 公司h v a n d o o m e 博士研制成功的名为v a r i o m a t i c 的双v 型橡胶带 式c v t ，并装备予d a f 公司铡造的d a f f o d i l 轿车上，其销量超过了1 0 0 万辆。但是此阶段c v t 采用橡胶带传动，存在较多的缺陷，主要表现在：传 递功率有限( 输出转矩局限予1 3 5 n m 以下) ，离合器工作不稳定，液压泵、传动 带和夹紧极构的能量损失较大，因而没有被汽车行韭普遍接受，反而是适合大 功率的有级齿轮变速器占据了主导地位。 第二阶段( 1 9 5 8 年一1 9 8 7 年_ ：c v t 技术的发展阶段。其标志产晶是1 9 8 7 年富士重i ( s u b a r u ) 用于j u s t y 轿车的金属带式无级变速器e c v t 。为克服 c v t 采用橡胶带传动带来的性能缺陷，汽车技术人员对提高传动带性能和 c v t 传递功率极限进行研究，将液力变矩器集成到c v t 系统中，主、锬动 轮的夹紧力实现电子化控制，在c v中采用节能泵，以及代替传统橡胶带的 金属带。新的技术克服了c v t 系统原有的技术缺陷，加速了传递转矩容量更 大，性能更优良的第二代c v t 的面世，汽车无级变速器的应用才取得实质性 突破。 第三阶段( 1 9 8 7 年至今) ：c v t 技术的逐渐成熟除段。进入世纪 年代，汽车界对c v t 技术的研究歼发日益重视，特别是在微型车中，c v t 被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技术 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 不断被采用到c v t 中。 1 9 9 7 年上半年，日本日产公司开发了使用在2 0l 汽车上的c v t 。在 此基础上，日产公司又在1 9 9 8 年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动 换挡模式的c v t 。新型。c v t 采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液 压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩传递能力，日产公司 研究开发c v t 的电子控制技术，传动比的改变实行了电子控制，汽车在下坡 时可以一直根据车速控制发动机制动，而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比 来防止打滑。 1 9 9 9 年，美国福特公司和德国z f 公司合作为福特公司的轿车和轻型载 货车生产c v t 。从2 0 0 1 年生产为福特公司设计的、带有电子管理功能的 c f t 2 3 型c v t 。z f 公司设计的c v t 是一种变矩器式变速器，使用为安装 横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。实验表明，与四元件自动变速器相比， c v t 系统能够将加速性能提高1 0 ，燃油经济性能提高1 0 1 5 。 当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行c 订的 研发工作。现在n i s s a n 、t o y o t a 、f o r d 、g m 、a u d i 等著名汽车品牌 中，都有配备c v t 变速器的轿车销售，全世界c v t 轿车的年产量已达到近 5 0 万辆。还有一点值得注意的是，装备有c v t 的汽车市场，由最初的日本、 欧洲，已经渗透到北美市场，因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。 对于c v t 产品的发展，新一代c v产品在研究和设计中将在多个方面 会有重大改进，在研制方面，计算机仿真技术将贯穿整个研究过程，精确的指 导产品机构和控制系统的设计，极大的降低开发费用和开发周期；在控制理论 方面，新的控制策略( 如模糊控制) 会应用到实际中去，使控制效果更好；在执 行方式上，电机将取代液压机构作为驱动机构，这可以大大简化机构，提高效 率，并且可以使控制更加精确、迅速；在实现方式上，转为全电子化控制( ，即 e c v t ) ，包括电子传动控制，电子发动机控制及电子油门控制，采用全电子调 速控制，使控制系统能够根据目前的交通和驾驶情况得到传动比、速度、压力 和转矩的更快的、更精确的控制，保证发动机和变速器更好的调节，提供不同 的行驶模式，例如运动型、舒适型和巡航控制。并且c v t 将与发动机控制一 起集成到整个传动系统管理系统中，实现更精确、更宽的c v t 控制，使得油 耗和排放进一步降低，显著提高车辆的综合性能。带有集成发动机管理单元的 c v t 传动系原型已经进行了行驶循环测试。目前c v t 正朝着大功率、高效 率、全电子化方向迅速发展j 引钉。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 3 汽车故障诊断技术的现状与发展趋势 1 3 1 国外汽车诊断技术发展概况 自2 0 世纪7 0 年代初以来，在汽车工业发达的西方国家，汽车新结构新 技术层出不穷，这就导致汽车诊断内容的复杂化；随着汽车保有量的急剧增 加，熟练维修人员相对短缺；各国有关安全、排放的严格法规相继出台，对诊 断检测提出了更精确更可靠的要求。 目前，汽车诊断设备分车载诊断装置与非车载诊断仪器。前者是利用所有 装在车上的诊断装置进行诊断，而后者是利用独立于车辆的诊断设备进行诊 断。 在汽车诊断设备的发展过程中，首先出现的是一些专用的检测仪器，如正 时提前角测试仪、闭合角测试仪等，它们是故障诊断的辅助工具，而真正的故 障判断仍凭借机理分析和人工经验来完成。与此同时，国际汽车工程界开始注 意汽车诊断的标准问题。1 9 7 2 年，在美国旧金山召开的第一次国家汽车安全 会议就讨论了汽车诊断标准化问题。在本次会议上，德国大众汽车公司首先开 发了使用微机的诊断仪器，它利用汽车装设的诊断用传感器和联接器与车外微 机相连，能检查8 8 个项目该仪器一经展出便在汽车制造业和维修业产生了 巨大的震动。随后，各国相继推出类似诊断装置，如1 9 7 5 年美国哈米尔顿标 准公司推出汽车自动读出诊断仪。由于这类装置数据存贮量小，缺乏对检测数 据的综合分析能力，对故障部位的推断能力有限，使用成本高，因此带有微机 的车上实时监测与控制装置占了汽车故障诊断设备的主流。 进入8 0 年代后，车内诊断主要是在发动机e c u 内部设有简单的故障自 诊断程序，可以将汽车的故障状态以故障码的方式记录在e c u 的r o m 中， 并用相应的故障指示灯进行提示。汽车维修人员可按规定程序读取故障码，并 据此确定故障部位与原因，进而进行维修。但是自诊断系统设在e c l i 内部， 其诊断程序仅限于与传感器有关的问题，特别是只停留在与线路相关的短路、 断路的故障诊断上，而且考虑成本问题，e c l i 中数据输出也很难。因此，发 展车外诊断技术势在必行。1 9 8 6 年美国美国通用汽车公司推出t e c h 1 型汽 车诊断仪，能显示车内诊断装置的诊断结果，并向e c u 输入控制参数，还可 以进行运行状态监测；1 9 8 7 年，日本丰田汽车公司和三菱汽车公司分别推出 了诊断监测仪和多用途故障诊断试验仪：1 9 8 9 年日本日产公司也推出了故障 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 阅读仪。车外诊断的主要技术是采用串行通讯方式与车内e c u 进行数据交 换，即应用能进行串行通讯的诊断仪器，读出e c u 中数据流和故障码。 8 0 年代中期。国外各大汽车公司还开始采用向汽车维修厂提供诊断、对 策等信息的系统，如通用汽车公司建立了为客户服务的信息中心和为销售店技 工服务的技术支援中心。随着计算机的普及以及人工智能技术的发展，开始探 讨用于汽车诊断的专家系统，如美国雷迪安公司设计了一个实验性汽修专家系 统；加拿大太平洋铁路公司利用多年积累的润滑油光谱分析数据和经验，于 1 9 8 7 年开发了一个用于利用发动机油液分析来进行故障诊断的专家系统。这 些系统己获初步成功，显示了专家系统的巨大潜力。但是也应看到，基于知识 的诊断系统的发展也面临许多问题，主要原因是来自传统的基于知识诊断理论 的限制和对深层次诊断知识的获取的困难n 射。 另外，许多学者还对各种汽车状态参数检测方法与测试技术在故障诊断中 的应用进行了深入的研究，如迪琼( r g - d e j o n g ) 利用振动信号进行发动机监 控；绍伯( h s h a u b ) 用于测量气门机构磨损的实时放射性标记技术；比安齐 ( b i a n c h i ) 对发动机压力信号波形分析；穆尔( g e m a u e r ) 的动能测量内燃机性能 的诊断学；迪米特鲁( d g 。d i m i t d u ) 对柴油机燃油点火延时时间测量的研究等。 1 3 2 国内汽车诊断技术发展概况 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研究汽车检测技术，当时由交通部门主持研 制了一些简单的诊断设备。7 0 年代末，我国开始研究第一个关于汽车维修方 面的国家级课题“汽车不解体检测技术一。从此，汽车检测与诊断技术在 我国掀开了一个新篇章。进入8 0 年代后，随着国民经济的发展，在交通部门 的统筹规划下，汽车检测诊断技术得到了迅速发展。目前，我国汽车检测设备 生产厂家已超过9 0 0 家，产品种类达1 2 0 0 0 个，年产值4 0 多亿元，全国已 建立各类汽车诊断站1 5 0 0 个。一批具有高新技术的诊断仪器研制成功并投入 使用，如发动机故障诊断仪、汽车底盘测功机、四轮定位仪、制动检测台、全 自动转向角检测仪等均达到了较高的水平。就发动机检测仪器而言，发动机无 负载加速测功仪、点火系检测仪、数字转速表、油耗仪、发动机漏气量分析 仪、异响诊断仪、润滑油分析仪等专用检测设备在技术上已相当成熟。至于发 动机综合测试仪，最初的功能主要对点火系统和异响进行检测，在微机控制 下，实现自动检测，具有显示、打印功能，如济南无线电六厂开发的w f j 1 型和天津汽车检测仪器厂生产的y t - 4 1 6 型发动机测试仪就是目前国内保有量 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 最大的发动机综合检测设备。近几年来，发动机综合测试仪的检测项目逐渐增 多，功能更强大，如深圳元征、深圳威宁达、天津奥通等国内知名的汽车检测 设备生产厂家相继推出了各自的产品。同时，各科研院所及高等学校也纷纷对 发动机诊断技术从不同角度进行研究，如西安交通大学开展了发动机燃烧过程 优化控制的研究；武汉理工大学利用内燃机气缸盖的振动信号识别缸内气体压 力；北京理工大学对发动机油料进行光谱分析；华中科技大学开发了汽车发动 机诊断专家系统等。 尽管如此，我国汽车诊断技术水平与国外还存在很大差距，这主要表现 为：汽车诊断理论的基础研究不完善、不系统、不深入；汽车检测仪器产品可 靠性差；自动化水平低；品种不齐全，更新慢，技术含量低，附加值低；产品 性价比低；智能化水平低；某些高性能产品无独立知识产权，等等。入世后， 进口产品大量进入我国，使我国汽车保修设备业的竞争处于不利的境地。但 是，我国的汽车市场是巨大的：目前全国汽车保有量为2 1 0 0 万辆，2 0 1 0 年 将达到4 5 0 0 万辆；全国现有汽车维修企业3 2 万家，大多分布在大中城市， 其中能做大修的一类企业约1 5 万家，能做二级维护的二类企业5 5 万家，其 余2 0 万家是从事专项修理的企业：根据市场预测，随着我国汽车保有量的高 速增长，汽车维修企业今后每年将会以1 0 一1 5 的速度发展，各种类型的汽 车安全检测站和综合检测站将在各地陆续建立，预计2 0 1 0 年约建成 2 4 0 0 - - 2 5 0 0 个，若按每条检测线配备2 0 台计算，则用在汽车检测线上的检测 仪器，就可达到4 8 0 0 0 - - 5 0 0 0 0 台，再加上全国几十万家汽车维修企业的需求 量，其数字是可观的。由此推测，我国汽车检测与维修设备的发展前景非常广 阔。为此，今后我国汽车诊断技术应向以下三个方面发展： 1 ) 完善与硬件配套的软件建设，制定统一的检测标准。 2 ) 大型检测诊断设备研制方面，向声、光、电等自动化技术方向发展， 进一步提高诊断系统的智能化水平。 3 ) 汽车检测诊断实现网络化，提高信息资源共享、硬件共享、软件共享 水平n 6 1 。 1 4 论文的主要研究内容 为了实现汽车无级变速器的故障诊断，本论文针对汽车无级变速器( 呷 及故障诊断技术和方法进行了研究，具体内容如下： 1 分析汽车无级变速器的结构、工作原理并对汽车故障的种类与特点进 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 行分析和总结，阐述故障诊断的主要理论与方法。 2 建立无级变速器故障诊断系统的硬件结构，对无级变速器系统进行信 号分析并选择相应的传感器，并完成相应的接口电路的设计。 3 设计下位机软件的总体结构，完成各模块软件的编制和调试，实现汽 车故障诊断系统下位机的数据采集功能。编写串行通信程序，实现下位机与上 位机之间的通信。 4 研究神经网络模型，阐述b p 神经网络理论，分析b p 神经网络的结 构、学习过程和设计要点，利用b p 神经网络进行汽车无级变速器故障诊断的 结构与算法设计并对所建立的b p 网络进行仿真。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 第2 章无级变速器的工作原理及故障诊断分析 2 1 无级变速器的结构及工作原理 金属带式无级变速器的基本结构如图2 - 1 所示。c v t 系统主要包括主动轮 组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。主动轮组和从动轮组都由可动盘 和固定盘组成，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。可动 盘与固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成v 型槽来与v 型金属传动带啮 合。发动机输出的动力首先传递到c v t 的主动轮，然后通过v 型传动带传递 到从动轮，最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作时通过主动轮 与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与v 型传动带啮合的 工作半径，从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控 制系统调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。由于主动轮和从动轮的 工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级变速n 。1 。 l 发动机飞轮；2 离合器；3 主动轮液压控制缸；4 主动轮可动盘；4 a 主动轮被动盘： 5 油泵；6 从动轮可动盘；6 a 从动轮被动盘；7 被动轮液压控制缸；8 中间减速器： 9 主减速器与差速器；1 0 金属传动带 图2 - 1 金属带式无级变速器c v t 传动系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fm e t a lv - b e l tc v t t r a n s m i s s i o ns y s t e m 8 哈尔滨理工大学工学硕j 二学位论文 v 型金属带的结构如图2 2 所示，它由金属片和两组金属环组成。每个金 属片的厚度约为1 4m m 。在两侧工作轮的挤压力作用下传递动力。每组金属 环由数条厚度为0 1 8m m 的薄环带组成，在动力传递过程中，主要被用来把金 属片约束在一起，并f 确引导金属片的运动。 图2 - 2 金属传动带结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fm e t a lv - b e l t 无级变速传动的速比f 可由主、从动带轮的工作半径确定，定义为 i = 恐r = 碍n ： ( 2 1 ) 式中：兄、足分别为主、从动带轮的工作半径；n l 、分别为主、从动带轮 的转速。速比取值范围受机械结构所限制，一般为0 4 5 2 6 。 当足处于最小半径( 两个半轮之间的距离最宽) ，b 处于最大半径( 两个半 轮之问的距离最窄) ，传动系所形成的传动比最大，相当于汽车低挡状态；当 兄逐渐增大，由于两个带轮轴之间的距离和传动带的周长是固定的，为了保证 正常传动而应使足的值减小，则传动比也相应减小，直至足达到最大值而尼 达到最小值时，传动比达到最小，相当于汽车高挡行驶状态”9 2 。川。 2 2 汽车故障的分析与诊断方法 2 2 1 汽车故障的种类与特点 汽车故障足指汽车中的零部件或总成部分或完全地丧失了汽车原设计规定 功能的现象。 按影响汽车性能的情况，汽车故障分为功能故障和参数故障。功能故障是 、llll霍l 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 指汽车不能继续完成本身的功能，如行驶跑偏、转向失灵、发动机不能起动 等；参数故障是指汽车的性能参数达不到规定的指标，如发动机功率下降、百 公里油耗异常、排放超标等。 按造成后果的严重程度，汽车故障又可分为轻微故障、一般故障、严重故 障、致命故障： 1 1 轻微故障 一般不会导致汽车停车或性能下降，不需要更换零件，用随车工具作适当 调整即可排除。如气门异响、点火不正、喷油不正、怠速过高等。 一般故障 导致汽车停车或性能下降，但一般不会导致主要部件和总成的严重损坏， 可更换易损零件或用随车工具在短时间内排除。如来油不畅、滤清器堵塞、个 别传感器损坏等。 3 ) 严重故障 可能导致主要零件的严重损坏，必须停车，并且不能用更换零件或用随车 工具在短时间内排除。如发动机拉缸、气缸裂纹等。 致命故障 可能引起车毁人亡的恶性重大事故。如连杆螺栓断裂、活塞破裂、制动系 统失效等。 按故障发生的频率又可分为间歇性故障、持续性故障、突发性故障、渐发 性故障嗡踟。 。 2 2 2 汽车故障的诊断方法 2 2 2 1 故障诊断的主要理论与方法故障诊断技术发展至今，已提出了大量的 方法，大致可以分为三类：基于数学模型的方法、基于信号处理的方法和基于 人工智能的方法旺俩捌。 1 基于数学模型的方法基于数学模型的方法又可分为参数估计法、状态 估计方法和等价空间方法。这三种方法虽然是独立发展起来的，但彼此之间并 不是独立的，而是存在一定的关系。其实已证明等价空间方法与观测器方法在 结构上是等价。而参数估计方法得到的残差包含在观测器方法得到的残差中， 这两者本质上是互补的。 1 ) 参数估计法 基本思想是当故障由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计方 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 法来检测故障信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的 故障情况。它要求找出模型参数和物理参数之间的一一对应关系，且被控过程 充分激励。因此将参数估计方法和其他基于模型的方法结合起来使用，可以获 得更好的故障检测和分离性能。 2 ) 状态估计法 通过被控过程的状态直接反映系统的运行状态并结合适当的模型则可进行 故障诊断。首先重构被控过程的状态，并构造残差序列，残差序列中包含各种 故障信息及基本残差序列，然后通过构造适当的模型并采用统计检测法，把故 障从中检测出来，并作进一步分离、估计及决策。通常可用l u e n b e r g e r 观测 器及卡尔曼滤波器进行状态估计。在能够获得系统的精确数学模型的情况百， 状态估计法是最直接有效的方法。然而在实际情况中，这往往很难实现，所以 目前对于状态估计法的研究主要集中在提高检测系统对于建模误差、扰动、噪 声等未知输入的鲁棒性及系统对于早期故障的灵敏度。通常来说，这两个指标 是相互矛盾的，只能在二者之间根据具体的设计要求进行折衷。 3 ) 等价空间法 其基本思想是利用系统的输入输出的实际测量值检验系统数学模型的等价 性以检测和分离故障。与基于观测器的状态估计法等价。其常用的有基于约束 优化的等价方程方法、广义残差产生器方案和基于方向性的残差系列。 2 基于信号处理的方法基于信号处理的方法通常利用信号模型，如相关 函数、频谱、自回归滑动平均等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、 频率等特征值，近些年来出现了一些新的基于信号处理的故障诊断方法。 1 ) 直接测量系统的输入输出方法 在正常情况下，被控过程的输入与输出在正常范围内变化，当超出此范围 时，可以认为故障已经发生或将要发生。另外，还可以通过测量输入输出的变 化率是否超出范围来判别故障是否发生。此方法简单易行，但容易出现故障的 误判和漏判。 2 ) 小波变换的方法 其基本思路是，首先对系统的输入输出信号进行小波变换，利用该变换求 出输入输出信号的奇异点。然后除去由于输入突变引起的极值点，则其余的极 值点对应于系统的故障。基于小波变换的故障诊断方法不需要建立对象的数学 模型，且对于输入信号的要求较低，计算量不大，可以进行在线实时故障检 测，灵敏度高，克服噪声能力强，是一种很有前途的故障诊断方法。 3 ) 输出信号处理法 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 系统的输出在幅值、相位、频率及相关性上与故障源之间会存在一定的联 系，这些联系可以用一定的数学形式( 如输出量的频谱) 表示。在发生故障时， 则可利用这些量进行分析与处理，来判断故障源的所在，常用的方法有谱分析 法、概率密度法、相关分析法及功率谱分析法等。 舢信息匹配的方法 此方法引入类似矢量、类似矢量空间、一致性等概念，将系统的输出序列 在类似空间中划分成一系列的子集，分析各子集的一致性，并按一致性强弱进 行排列，一致性最强的一组子集的鲁棒性也最强，而一致性最差的子集则可能 已发生故障，通常类似矢量值很小，而当故障发生时，类似矢量将在此故障相 应的方向上增大，因此类似矢量的增加表明了故障的发生，而其方向给出了故 障传感器的位置。 5 ) 信息融合的方法 故障诊断实际上是根据检测量所获得的某些故障表征以及系统故障源与故 障表征之间的映射关系，找出系统故障源的过程。为了充分利用检测量所提供 的信息，在可能的情况下，可以对每个检测量采用多种诊断方法进行诊断，这 一过程称为局部诊断，将各诊断方法所得结果加以综合，得到系统故障诊断的 总体结果称为全局诊断融合，对局部全局融合方案的实现，可用模糊推理的 方法进行决策。 d 信息校核的方法 在许多控制系统的故障诊断中，都没有考虑信息校核的方法。实际上，系 统的信息校核是进行故障诊断的比较简单有效的方法，因为信息是进行系统过 程检测的依据，利用错误的信息去进行计算和推理是徒劳无益的，而且会得出 错误的结论。可依据物料平衡与能量守恒定律等物理化学规律及数理统计知识 来进行信息的校核。信息的矛盾一般意味着信号获取上的故障或矛盾。 3 基于人工智能的方法在实际情况中，常常无法获得对象的精确数学模 型，这就大大限制了定量方法的使用范围。基于人工智能的方法不需要对象的 精确数学模型，主要可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。基于症 状的方法有神经元网络方法、专家系统方法、模糊推理方法和模式识别方法 等。基于定性模型的方法有知识观测器方法等。 。 1 ) 专家系统的方法 专家系统是人工智能领域中最活跃的一个分支，已广泛应用于过程监测系 统。这种方法不依赖于系统的数学模型，而是根据人们长期的实践经验和大量 的故障信息知识，设计出一套智能计算机程序，以此来解决复杂的故障诊断问 哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 题。 神经网络的方法 由于神经网络具有处理复杂多模式及进行联想、推测和记忆功能，它非常 适合应用予故障诊断系统。它具有自组织自学习能力，能克服传统专家系统当 盛发式规则未考虑到时就无法工作的缺陷。而定性知识具有表达不确定、不准 确知识的能力，所以近年来人们在应用神经元网络解决故障问题时，有一明显 的趋势就是希望能够在神经元网络的框架下集成定性知识。为此，模糊神经将 成为研究的一个热点。 3 ) 图论的模型推理方法 基于隧络图论方法的故障诊断技术，实质上是根据一个实际系统孛各个元 件之间所存在的非常普遍的故障传递关系，构成故障诊断网络，利用搜索和测 试技术进行故障定位。这种方法已在大型工业生产过程和空间飞行器等领域得 到了应用。 4 ) 模糊数学的方法 。 其本质是在分析系统异常现象的基础上，由故障症状推断缝故障原因。模 糊数学方法适用于测量值较少且无法获得精确模型的系统。 5 1 定性模型的方法 它用表示物理参数的定性变量和表示各参数阆相互关系的定性微分方程构 成约束模型，描述并模仿系统的结构，以确定从给定的初始状态出发得到系统 状态。它内四部分组成：定性模型，差异检测器，候选人发生器和诊断策略， 其中模型是知识观测器的核心。这种基于定性模型的故障诊断方法比起基于专 家系统的方法，大大简化了知识获取的过程。 2 。2 2 2 利用神经网络进行故障诊断一般面言，凡能用逻辑和数学关系摧述的 故障诊断问题以传统方法解决为宜。而现代汽车是由若干个独立系统组成的复 杂系统，其故障诊断有其自身特点： 1 1 对于有些故障的内部规律不甚了解，对其故障体系准确建模比较困 难。而建立的数学模型又依赖于被诊断系统的结构，而很多故障会造成系统结 构的变化，必须采集现场数据建立新的数学模型，即需要大量的状态模型和进 行冗长的计算。 由于系统经常处于不同的环境工况，以及各系统之间具有耦合性使得 信号的传递具有很强的被干扰性。因此，其故障诊断应具有较强的容错能力。 3 ) 虽然现代汽车新技术应用较多，但人们已在过去的汽车发展过程中积 累了大量的数据和经验，有效的利嗣历史数据资源和已有经验将是故障智能诊 哈尔滨理工大学_ t 学硕士学位论文 断的前提。 根据汽车故障的特点，将神经网络作为一种人工智能技术方法引入汽车故 障诊断，给汽车故障诊断带来了全新的、有前景的发展临l 巩驯： 1 1 ) 神经网络具有分辨原因及故障类型的能力。故障诊断的过程就是根据 诊断对象出现的异常征兆查明对象发生了什么故障和引起这些故障的可能原因 的过程。 2 ) 神经网络是从本质上模拟专家直觉且通过量化过程来解决知识中的不 确定性问题，由于具有自学习能力，从而避免了复杂的数学建模。神经网络能 学习和存储大量的输入一输出模式映射关系，而无需事先揭示描述这种映射关 系的数学方程。为此，只需用足够多的模式对网络进行训练即可。经过训练的 网络便提取了蕴藏在样本集中的非线性映射关系。在运行阶段，当向网络输入 训练时未曾见过的样本时，它便能完成由输入的刀维空间到输出的册维空 间的任意非线性的正确映射。 更重要的是神经网络还允许样本中带有较大的误差，甚至有个别错误。因 为在从大量样本中提取统计特性时，这些误差或错误由于对权值矩阵的修改作 用不大而被自动剔除。 基于人工神经网络的故障诊断技术，就是通过对故障信息和诊断经验的训 练学习，用分布在网络内部的连接权值来表达所学习的故障诊断知识，所以它 具有对故障模式的联想记忆、模式匹配和相似归纳能力，实现故障与征兆之间 复杂的非线性映射关系。 3 ) 神经网络具有滤除噪声及在有噪声情况下得出正确结论的能力，可以 训练神经网络来识别故障信息。特别是对那些要求较高容错性的场合，人工神 经网络是最合适的处理技术。因为它善于处理带有噪声、失真、畸变乃至破坏 不全的信息，使其能在噪声环境下有效的工作，这种滤除噪声的能力使得神经 网络适合在线故障检测和诊断。 4 ) 神经网络的一个成功的应用就是根据先前知识对所研究的系统的学习 来实现正确分类。训练过的神经网络能存储有关过程的知识，能直接从定量 的、历史故障信息中学习。可以根据对象的正常历史数据与当前测量数据进行 比较以确定故障。 从以上的分析可以看出根据汽车故障的特点，相比传统的故障诊断方法， 采用神经网络的故障诊断的方法是一种更有效、更有发展的诊断方法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章首先对无级变速器的结构及工作原理进行了研究，然后对汽车故障的 种类与特点进行了分析，为汽车故障诊断系统的研究提供了必要的基础：同 时，本章详细阐述了故障诊断的主要理论与方法，最后提出了利用神经网络进 行汽车故障诊断的方法。 第3 章无级变速器故障诊断系统的硬件设计 3 1 无级变速器故障诊断系统的硬件结构 系统的硬件主要由以下几个部分组成：传感器、输入输出接口电路、电源 电路、下位机、通信接口电路、上位机，以及一些必要的外围电路，如图3 1 所示。下位机微处理器采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片3 图3 - 1c v t 故障诊断系统结构图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo fc v t f a u l td i a g n o s i ss y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 2 无级变速器故障诊断系统的电子控制单元 c v t 故障诊断系统的核心是电子控制单元( e c o ) ，其设计的好坏直接关系 到整个系统的品质与效能。e c u 的主要作用是对输入信号进行检测、处理，形 成决策，并输出相应的信号对输入信号进行响应。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列数字信号处理器是t i 公司基于电机的控制应用而设 计的，它将高性能的d s p 内核和丰富的微控制器外设功能集于一个芯片中， 为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。 在t m