基于CompactRIO的后橋冷卻系統

葛宗強，尹良杰，劉佃濤，劉春峰，師愿

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CompactRIO的后橋冷卻系統

葛宗強，尹良杰，劉佃濤，劉春峰，師愿

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在開發某型號縱置DCT自動變速箱的開發過程中，利用整車后橋搭建試驗臺架進行耐久試驗。試驗過程發現后橋發熱厲害，影響其壽命，難以完成對變速箱耐久性考核。針對上述情況，基于 NI公司的嵌入式測控平臺CompactRIO，搭建一個后橋潤滑油冷卻系統，提高后橋壽命，從而滿足變速箱的試驗需求。

縱置DCT；CompactRIO；潤滑油冷卻系統；后橋

引言

變速箱綜合性能臺架是變速箱開發過程中不可缺少的試驗臺架，其靈活的設計可以滿足多種類型（MT、AT、DCT等）和多種布置形式（FF：前置前驅，FR：前置后驅）變速箱試驗需求。在產品開發前期，可以用電機來模擬發動機驅動，進行變速箱性能和耐久試驗；產品開發中后期，可以用發動機直接驅動，并模擬實車的載荷譜，進行各種性能和可靠性試驗，從而節省產品開發周期。

臺架試驗前需要根據不同變速箱的布置形式進行試驗臺的搭建，搭建過程中需要解決相關具體問題，比如后橋冷卻問題。本文就介紹一種基于 NI公司的 CompactRIO（簡稱CRIO）測控系統搭建的一個小巧，靈活，安全可靠的冷卻控制系統。

1 硬件系統介紹

1.1 總體設計思想

試驗過程中，后橋潤滑油溫度需要維持在一定范圍，才能使后橋工作在最佳狀態。因此冷卻系統必須設計閉環控制。

油泵把潤滑油從后橋齒輪箱的放油口吸入風冷式冷卻器，然后通過風扇的轉速來控制冷卻功率，再將冷卻后的油通過后橋加油口排回后橋齒輪箱。風扇選用 PWM（脈寬調制）控制信號的調速風扇；CRIO采集出口油溫信號，并將該信號值作為PID調節反饋輸入端，通過CRIO內部運算處理，與設定值對比，進行PID調節，然后輸出控制信號控制風扇驅動器的 PWM 信號占空比值來調節風扇的轉速和啟停。整個系統通過PID閉環控制，達到穩定后橋潤滑油溫的目的。系統原理圖如下。

圖1 系統原理圖

1.2 主要硬件簡介

1.2.1 測控系統NI CRIO-9076

NI CRIO-9076提供了一個開放的嵌入式結構，包括內置的嵌入式控制器，實時操作系統（RT）、可編程現場可編程門陣列（FPGA）以及工業I/O模塊，可以快速實現測控系統設計。借助可重配置FPGA技術，用戶可實現高速信號處理，I/O同步和自定義觸發，針對于控制系統，用戶還可以直接在FPGA芯片上運行高級控制算法，實現最低延遲和最高循環速率。

具有400MHZ工業處理器；LX45 FPGA；4個C系列I/O模塊插槽；工作溫度-20-50℃；輸入電壓 9-30VDC；256MB DRAM；512M存儲器。

1.2.2 風扇驅動器LMD18200

可以根據輸入的 PWM 信號調制驅動電壓。工作電壓10-30V；最大輸出功率75W；PWM信號電壓4.5-5.5V。

1.2.3 油泵SP-P50

額定電壓：DC12V；額定功率50W；流量最大25L/min；類型：自吸泵；使用介質溫度：-40-150℃。

1.2.4 冷卻風扇SANYO電機San Ace120

選用兩個風扇配合風冷式冷卻器對后橋潤滑油進行冷卻。額定電壓：DC12V；額定功率30W；空氣流量：180.08 CFM；風葉數量：7葉。

圖2 主要硬件

2 控制系統軟件設計

2.1 控制系統簡介

采用CRIO-9076搭建控制系統，并存儲和運行程序。程序分為RT程序（實時處理采集與控制命令）和FPGA程序（采集和觸出）。工作時可將RT和FPGA程序直接刷入CRIO控制器中，就可自動運行。RT中運行主程序和PID控制函數，并將 PID輸出的控制信號轉換成脈沖信號數組；FPGA中運行溫度采集程序，并控制輸出板卡根據脈沖數組生成實際的物理脈沖信號。

圖3 PID控制邏輯示意圖

2.2 PID控制簡介

工程應用最為廣泛的調節控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。其原理是基于下面的算式：輸出u(t)是比例項，積分項和微分項的函數。

式中，Kp為比例控制增益、Ki為積分控制增益，Kd為微分控制增益，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。Kp,Ti,Td三個參數一旦確定，PID控制器的性能也隨之確定。每一套系統此三個參數都不一樣，需要經現場調試整定才能確定。

2.3 PWM 簡介

PWM全稱為脈寬調制變換器（Pulse Width Modulation），可把恒定的電流、電壓調制成可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小。常被用于直流負載回路中直流電機的調速或燈具調光等。平均電壓的計算方法為：

式中，Ud為輸出平均電壓；

ton為正電平的持續時間；

T為脈沖信號的周期；

P為占空比；US為最大幅值電壓。

圖4 PWM 信號

2.4 軟件詳細設計

軟件基于NI公司圖形化開發平臺LabVIEW軟件開發。采用LabVIEW自帶的PID調節工具包來實現，以NI 9211板卡采集的溫度作PID系統的被調量，反饋至PID系統，被調量與設定值之差為系統輸入偏差；輸出控制量的值作為脈沖信號的占空比。系統設定值可按要求更改，當反饋溫度比設定溫度小2度（暫定）時，占空比輸出為0，完全關閉風扇，后橋溫度上升； 當反饋溫度大于設定溫度時，PID調節系統會輸出一定數值的占空比，增加風扇轉速，使后橋溫度下降。

圖5 PID調節的程序代碼

PID系統的溫度反饋信號來自于 FPGA中溫度采集程序，從FPGA中得到的信號并不是實際的溫度信號，僅為電壓值，需要上傳至RT程序中，經過轉換得出實際溫度值。

圖6 溫度采集程序代碼

經過PID系統調節后輸出的控制量為占空比值，將此數值連接至 RT程序中方波生成器的“占空比”接線端，產生0、1的脈沖信號數組。然后FPGA程序讀取該數組，控制數字信號輸出板卡NI9401的輸出，當0時輸出為0，當1時輸出5V電壓的脈沖信號。為保證系統時間同步，設置發送間隔為方波發生器的采樣頻率。

圖7 脈沖信號生成程序代碼

3 實際應用

通過在某型號縱置DCT自動變速箱試驗臺架上的應用，調節選擇合適的PID參數，冷卻效果良好，可以將后橋油穩定在85-105℃范圍內，符合后橋的最佳工作溫度范圍。

使用過程發現自吸油泵的壽命是個問題，一般連續工作200小時容易出現損壞。因此為了防止因油泵損壞導致后橋潤滑油溫過高，需要同時將出口油溫信號接入臺架報警系統，一旦出現溫度過高，臺架報警停機，檢查更換油泵。

圖4 冷卻系統實物及實際搭建的臺架照片

4 總結

本文討論了基于 NI公司 CompactRIO測控系統和LabVIEW圖形化軟件開發平臺構建的自動化冷卻控制系統。利用CompactRIO卓越的性能和LabVIEW強大的數據處理能力和數學計算能力，很好地解決了實際工程應用中問題。整套系統小巧、靈活、可靠性高、且開發周期短、可移植性高。

[1] 陶永華.新型 PID 控制及其應用-第二版[M].機械工業出版社.2002.

[2] LabVIEW寶典.電子工業出版社.

[3] 李軍政.永磁同步電機磁場定向矢量控制[J].船舶技術.2005.

Based on the CompactRIO rear axle cooling system

Ge Zongqiang, Yin Liangjie, Liu Diantao, Liu Chunfeng, Shi Yuan
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

in the development of a certain type of automatic transmission of DCT, the test bed of the bridge is used for endurance test. The testing process found that the rear axle was hot and affected its life, and the durability of the gearbox was difficult to complete. Based on the above situation, NI CompactRIO embedded measurement and control platform, to build a rear axle oil cooling system, improve the life of rear axle, so as to meet the testing requirements of transmission.< class="emphasis_bold">Keywords: vertical DCT; CompactRIO; Oil cooling system; Rear axle

vertical DCT; CompactRIO; Oil cooling system; Rear axle

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-18-03

U467.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-18-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.007

葛宗強，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。