采用Woodward控制器的自動離合器應用

胡 蜜，孫 磊，葉二虎，謝佳佳

(1.東風商用車有限公司技術(shù)中心，武漢 430056;2.重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

離合器對搭載自動變速器車輛的燃油性、舒適性及行駛安全性有很大的影響，故研究自動離合器的接合控制規(guī)律是當下急需進行的工作［1－6］。但由于自動離合器控制系統(tǒng)是一個復雜的“人－車－環(huán)境”綜合控制問題，同時汽車又具有復雜的動力學特性，人對車輛的操作意圖會隨著行駛環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這些都給動態(tài)評價接合性能和實現(xiàn)最佳接合帶來較大困難［7－10］。

本文以某款搭載自動變速器的微車為研究對象，以D2P MotoHawk快速原型開發(fā)平臺為基礎，通過搭建仿真系統(tǒng)和控制邏輯的編譯來實現(xiàn)整車自動離合器控制系統(tǒng)的設計與試驗。整個過程以Woodward公司的D2P MotoHawk軟件為基礎，通過Matlab/Simulink/Stateflow來完成。采用快速控制原型方法可以在實時硬件平臺上方便快捷地實現(xiàn)控制算法，使得控制算法中的錯誤和不足之處在設計初期就能夠發(fā)現(xiàn)并得到及時解決。同時，Woodward公司的D2P MotoHawk開發(fā)平臺具有基于產(chǎn)品級的ECU，其代碼成熟度和應用已經(jīng)接近產(chǎn)品化的要求，縮短了從開發(fā)到生產(chǎn)的周期，降低了開發(fā)過程的成本。

1 自動離合器模型建立

自動離合器主要由離合器驅(qū)動機構(gòu)、邏輯判斷控制單元、擋位傳感器、線束等3部分組成。離合器控制器 ECU實時監(jiān)控各傳感器的狀態(tài)。當駕駛員接通點火開關(guān)時，ECU通過分析擋位傳感器等傳感器信號并發(fā)出離合器斷開指令，使發(fā)動機啟動;當按下?lián)Q擋手柄開關(guān)時，ECU立刻發(fā)出信號驅(qū)動離合器電機執(zhí)行機構(gòu)讓離合器快速分離，同時分析離合器位移傳感器信號確定離合器的位置;當松開換擋手柄時，離合器預位，ECU根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速以及油門開度等信號，使離合器快速平穩(wěn)地接合，汽車平穩(wěn)起步。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2是自動離合器執(zhí)行機構(gòu)示意圖。離合器的2個膜片彈簧摩擦片與發(fā)動機和變速箱相連，以此進行扭矩的傳遞。將膜片彈簧簡化為分離軸承和壓盤之間的彈簧、杠桿和阻尼系統(tǒng) K1與C1和彈簧阻尼系統(tǒng) K2與 C2的組合。膜片彈簧是自動離合器中十分重要的結(jié)構(gòu)之一，能同時起到分離杠桿和壓緊彈簧的作用。此外，由于膜片彈簧具有非線性的彈性特性，使得它在從動盤摩擦片已經(jīng)磨損之后仍能可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖1 自動離合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動離合器執(zhí)行機構(gòu)示意圖

由于需要較大轉(zhuǎn)矩才能驅(qū)動離合器分離杠桿，因而采用直流電機來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。通過減速機構(gòu)減速后再拖動負載，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，從而提高其輸出轉(zhuǎn)矩。通過控制電機的端電壓極性的正負和數(shù)值高低來控制離合器接合、分離及接合的速度。

由于膜片彈簧的非線性特性，本文以離合器小端形變量x對其進行描述:

式(1)中Fm為離合器小端作用力。

直流電機輸出角位移θm和離合器小端形變量x間的關(guān)系為

其中:Ltl為傳動臂杠桿長臂長度;Lts為傳動臂杠桿短臂長度;Ksc為絲桿螺母螺距。

按照基爾霍夫電路定律，直流電機回路運動方程經(jīng)過變形可描述為

其中:L為電感;R為電阻;U為電機電壓;J為折算到電機軸上總轉(zhuǎn)動慣量;Tl為阻力矩;Ke為反電動勢常數(shù);Kt為電機的磁力矩常數(shù)。

可以得到直流電機等效轉(zhuǎn)動慣量:

其中:J為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;Jg為螺桿轉(zhuǎn)動慣量;Jt為傳動臂在支點轉(zhuǎn)動慣量;mb為分離軸率質(zhì)量。

根據(jù)自動離合器數(shù)學模型式(1)～(4)和控制算法搭建出自動離合器仿真系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 自動離合器仿真系統(tǒng)

2 開發(fā)平臺搭建

D2P MotoHawk是由美國Woodward公司在產(chǎn)品級的ECU和 Matlab/Simulink軟硬件工作平臺的基礎上所研發(fā)的快速原型開發(fā)平臺，主要由以下幾個部分組成:模型搭建工具——MotoHawk;可將C代碼自動編譯的工具——GCC;模型刷寫、變量在線調(diào)試與實時監(jiān)測軟件——MotoTune;開發(fā)版或產(chǎn)品級ECU、線束、license等附件。D2P MotoHawk圖形化開發(fā)軟件與實時在線的調(diào)試監(jiān)測等功能可以為開發(fā)汽車核心部件的控制系統(tǒng)提供更加便利、準確的技術(shù)支持?？焖僭偷慕⒖蓪刂破鬟M行及時驗證，縮短開發(fā)周期，降低成本。

通過使用Simulink和 MotoHawk的圖形化語言來實現(xiàn)對整個自動離合器原型的開發(fā)。為實現(xiàn)對試驗車自動離合器的控制，使之在汽車其他機構(gòu)(如發(fā)動機、變速器)的配合下滿足車輛平穩(wěn)起步及運行的要求，根據(jù)所采用的自動離合器I/O接口需求，選取1路模擬信號輸入連接角位移傳感器、1路高頻數(shù)字信號輸出、1路PWM自動離合器電機占空比輸出、2路數(shù)字信號輸出來控制離合器電機旋轉(zhuǎn)方向。

在D2P的硬件ECU與自動離合器硬件的線束定義及匹配完成之后，用D2P平臺所提供的CAN通訊接口連接上位機的接口，同時將license也與上位機相連。這樣就基本完成了自動離合器快速控制原型開發(fā)平臺的搭建。

3 控制系統(tǒng)的建立

本控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上由底層和應用層組成。底層主要負責配置系統(tǒng)存儲器的可用資源，設置編譯器參數(shù)，對通訊協(xié)議進行設置等。應用層主要是控制邏輯及算法等。

底層操作系統(tǒng)如圖4所示，由以下幾個部分組成:ECU的型號種類、存儲器資源分配、主繼電器控制、時間觸發(fā)器的管理、CAN通信以及編譯器的定義等。和Simulink的模型搭建方法一樣，可以直接將MotoHawk底層軟件庫中的模塊拖入到工作窗口中，同時對模塊參數(shù)進行設置。

應用層軟件主要由輸入/輸出(Plant)、系統(tǒng)控制策略(Controller)、數(shù)據(jù)標定(Data_calibration)3個子系統(tǒng)組成，如圖5所示。

本次研究中的自動離合器控制系統(tǒng)在控制策略制定時，通過ECU分析駕駛員主觀意向、外部環(huán)境等輸入信號對目標擋位、實際擋位、車輛的實時狀態(tài)、換擋時自動離合器所應加載的壓力、傳動系主壓力的大小、發(fā)動機在換擋過程中扭矩的實時需求等進行分析與計算。利用Stateflow對整車狀態(tài)，如停車、起步、爬行、正常行駛及換擋過程擋位的加減、離合器切換過程等進行判斷，將計算結(jié)果通過ECU轉(zhuǎn)換為輸出指令，傳遞到用執(zhí)行器完成所對應的相關(guān)操作，從而達到車輛平穩(wěn)起步、合理掛擋、平穩(wěn)舒適行駛的目的。

圖4 底層操作系統(tǒng)

圖5 控制系統(tǒng)應用層結(jié)構(gòu)

自動離合器的控制策略如圖6所示。根據(jù)自動離合器的目標接合位置與實際接合位置得到自動離合器電機旋轉(zhuǎn)的方向以及相應的電機占空比，從而調(diào)整離合器電機轉(zhuǎn)速。自動離合器電機在Stateflow中的控制邏輯如圖7所示。

當系統(tǒng)模型建立完成后，首先進行離線調(diào)試，當離線調(diào)試順利通過之后，就可利用MotoHawk中的GCC編譯器將C代碼自動編譯成可刷寫到ECU中的SRZ文件。圖8為將編譯好的SRZ文件刷寫到ECU中的工作平臺。用USB-CAN硬件連接器連接上位機及開發(fā)版ECU，利用D2P MotoHawk的刷寫標定監(jiān)控軟件MotoTune將前面生成的SRZ文件刷寫到ECU中，為接下來的實車在線調(diào)試做準備。

圖6 自動離合器電機控制策略

圖7 自動離合器在Stateflow中控制邏輯

圖8 ECU刷寫工作平臺

4 實車在線調(diào)試

圖9為在D2P的刷寫/標定軟件MotoTune中新建的監(jiān)測和標定模塊窗口，通過MotoTune可以和已刷寫的系統(tǒng)模型進行連接，實時在線地對控制參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，以及對車輛運行時的原始數(shù)據(jù)進行監(jiān)測采集。

圖9 MotoTune監(jiān)測窗口

本文自動離合器控制模型中包括了離合器目標位置曲線、離合器實際位置曲線、離合器電機目標占空比曲線、離合器電機頻率曲線、離合器電機旋轉(zhuǎn)方向曲線等。

圖10為利用MotoTune采集的調(diào)試時的自動離合器的原始數(shù)據(jù)所生成的曲線，主要是以平路正常起步作為典型工況。自動離合器預定理想曲線根據(jù)離合器工作原理設定為“快－慢－快”的接合規(guī)律。可以看出:離合器實際接合位置曲線與離合器目標接合位置曲線具有很好的跟隨性。試驗結(jié)果表明:本研究中所搭建的自動離合器控制模型和所設計的控制邏輯算法與自動離合器的接合規(guī)律相吻合，所采用的控制邏輯能夠有效地跟蹤預定參考曲線。

圖10 平路正常起步自動離合器跟蹤曲線

5 結(jié)論

1)按本文所論述的建模方法，基于產(chǎn)品級硬件快速原型開發(fā)技術(shù)，通過圖形化建模方式，利用D2P平臺，可在短時間內(nèi)較好地完成自動離合器快速原型的開發(fā)。

2)按本文方法，能滿足自動離合器的控制功能，所提出的控制算法理論和采集到的試驗數(shù)據(jù)能為后續(xù)開發(fā)提供一定參考。

3)在本次試驗中，自動離合器的控制策略較為單一，沒有與其他控制方法進行比對，其控制策略中只有故障診斷沒有故障處理邏輯。后續(xù)工作應對自動離合器控制策略作進一步優(yōu)化。

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