裝載機平臺的自動變速電控系統(tǒng)設計與試驗

李興忠， 陳雪梅， 苗麗穎， 王彬宇， 宋 斌

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130022；2.杭州前進齒輪箱集團股份有限公司，杭州311203）

0 引 言

自動變速器可以降低駕駛員勞動強度，提高勞動生產率，降低燃油消耗，延長整機壽命，在越來越多的工程機械中得到應用［1］。隨著電子控制技術的進步和對駕駛舒適性要求的提高，基于發(fā)動機、變速箱整體的換檔控制已成為新的發(fā)展趨勢［2-5］，有關換檔品質控制中的離合器控制研究在乘用車領域已經取得了大量的研究成果。換檔品質控制對象由原來的變速箱系統(tǒng)逐漸向整個動力傳動系轉變，控制器設計要求越來越復雜。同時，隨著微處理器技術的發(fā)展，更加智能的控制策略，如模糊控制、神經網絡也應用于自動變速箱的換檔品質研究［6-10］。

工程機械自動變速技術雖然在國外已相當成熟并得到廣泛應用［11］，但在國內，由于產品成本和技術壁壘等因素，工程機械自動變速技術仍為空白。隨著大功率工程機械的迅速發(fā)展，工程機械整機品質提升，控制技術向智能化、自動化發(fā)展越來越迫切，是工程機械變速器技術轉型升級的重點方向。文獻［12-14］中雖也做過自動變速箱電控系統(tǒng)的研究，但僅限于臺架試驗；文獻［15-19］中也只是在半實物實驗臺上做了相關的仿真研究，實驗環(huán)境比較理想。由于實車所處的行駛工況和道路條件的復雜多樣性，其所設計開發(fā)的電控系統(tǒng)并不一定滿足實車的需要。

本文基于裝載機實車平臺設計了裝載機自動變速器用電控系統(tǒng)（TCU），其匹配了最新國三標準電控柴油機，可以實現(xiàn)發(fā)動機電控系統(tǒng)與自動變速電控系統(tǒng)信號的實時通訊。設計了電控系統(tǒng)的基本構成、信號原理、控制策略、換檔規(guī)律，開發(fā)了基于分模塊層次的電控系統(tǒng)控制軟件，制定了輪式裝載機用兩參數(shù)自動換檔規(guī)律及控制策略，將電控系統(tǒng)與整車集成后進行了整車驗證試驗，為該輪式裝載機下一步實現(xiàn)產業(yè)化發(fā)展提供了技術基礎。

1 自動變速器電控系統(tǒng)設計

1.1 電控系統(tǒng)整體方案

電控系統(tǒng)是整個裝載機自動變速系統(tǒng)的核心部件，其性能及功能的好壞對整車的整體性能具有關鍵性作用。為了明確控制系統(tǒng)的需求，需要對研究對象裝載機的自動變速技術進行系統(tǒng)化的研究。圖1為裝載機整車機-電-液系統(tǒng)原理結構。根據整車電控系統(tǒng)總體結構設計要求，基于國際通信協(xié)議（SAE J1939）和道路車輛功能安全（ISO26262）等標準設計規(guī)范，結合裝載機實際工作特點以及環(huán)境條件，考慮狀態(tài)信息設計了輪式裝載機整車自動控制系統(tǒng)配置原理，如圖2所示。

1.2 電控系統(tǒng)硬件設計

電控系統(tǒng)中的硬件主要由變速箱電子TCU、信號采集裝置和執(zhí)行機構三部分組成。設計方案如圖3所示。信號采集裝置主要是傳感器器將物理信號轉變成TCU可識別到的電信號，執(zhí)行機構主要是電磁閥和繼電器等功率元件，考慮TCU是整個電控系統(tǒng)的核心元件，本文重點對TCU的設計進行描述。TCU硬件原理如圖4所示。

圖1 裝載機整車系統(tǒng)結構原理

圖2 裝載機自動控制系統(tǒng)配置圖

圖3 裝載機電控系統(tǒng)硬件原理

圖4 電控系統(tǒng)（TCU）硬件原理

TCU安裝在車輛的底盤并能適應一定的環(huán)境溫度和振動，其使用環(huán)境溫度40～＋95℃。考慮到實際使用情況，裝載機變速器TCU選用產品級控制器主流核心硬件芯片MPC5674F，其具有高達264 MHz主頻和超大內存空間，可以儲存并流暢運行各種復雜的控制軟件，是目前硬件接口資源最豐富的產品級原型控制器，滿足ISO26262ASIL-D汽車電子安全標準，抗干擾能力強，堅固耐用，性能穩(wěn)定可靠，適應裝載機惡劣的工作環(huán)境。

TCU固化了軟件中的所有程序，以便實現(xiàn)對變速箱的控制。本電控系統(tǒng)中TCU除了采用MPC5674F作為主控制芯片，在外圍方面采用多種高度集成化芯片，能實現(xiàn)多路CAN通信、功率驅動、PWM頻率采集、PWM信號輸出、AD采集轉換、DI采集、DO輸出、電磁閥驅動控制等功能。該控制板資源豐富，可以實現(xiàn)多路信號發(fā)生或處理，具體信息如表1所示。

表1 TCU模塊列表

（1）最小系統(tǒng)設計。處理器的最小系統(tǒng)是由保證微處理器可靠工作所必須的基本電路組成，包括MPC芯片、電源電路、晶振電路、復位電路和JTAG接口電路［20-21］。它們之間的連接關系如圖5所示。

圖5 最小系統(tǒng)結構框圖

（2）電源模塊。TCU由車載電瓶提供＋24 V直流電源，該電源模塊的功能是將外部電源輸入轉換為穩(wěn)定的電壓輸出，為MCU及相關模塊芯片提供供電電壓。其簡化電路原理如圖6所示。

圖6 電源模塊簡化原理圖

TCU工作需要外部提供兩路電壓輸入，分別稱其為VBAT、VKEY。VBAT功能是為TCU板上功率器件提供電源，可通過MCU的對應引腳控制主繼電器BTS6143D的開啟或關斷，完成功率器件電源開關控制，圖6中DRIVEPOWER為功率器件供電電壓。VKEY給電壓轉換電路提供電源。VKEY經過LM2596-ADJ模塊將電壓降到7.5 V左右，完成第1級電平轉換；最終可實現(xiàn)5V穩(wěn)壓輸出，VCC用于給TCU板內部芯片供電，＋5 V OUT可用于給外部傳感器5 V供電。

（3）頻率采集模塊。頻率采集模塊主要是采集裝載機換檔控制系統(tǒng)中的轉速信號，采集元件都是使用磁電式轉速傳感器，其輸出信號波形為尖峰脈沖，信號頻率與轉速成正比，幅值隨轉速升高而增加，即低速時信號幅值小而高速時信號幅值大，其原理如圖7所示。

圖7 頻率采集模塊簡化原理圖

（4）模擬信號轉換模塊。TCU需要采集的模擬信號主要包括油壓和油溫信號，該信號用于監(jiān)控變速箱系統(tǒng)當前的狀態(tài)，并為控制系統(tǒng)決策提供輸入條件，通過相應通道可實現(xiàn)0～5 V的AD轉換，其原理如圖8所示。

圖8 模數(shù)轉換模塊簡化原理圖

（5）CAN收發(fā)模塊。變速箱TCU通過CAN通信模塊與其他控制單元之間實現(xiàn)數(shù)據的有效傳輸，主要用于發(fā)動機ECU及檔顯器ECU與TCU之間的通訊，如圖9所示。

（6）功率驅動模塊。功率驅動模塊在控制器中主要是實現(xiàn)對電磁閥及繼電器的控制，保證執(zhí)行機構按照設定的程序完成動作。考慮所研究對象的需求，功率驅動硬件設計包括高邊驅動和低邊驅動，其中高邊驅動電路原理如圖10所示。

圖9 CAN模塊簡化原理圖

圖10 高邊驅動電路簡化原理圖

考慮到以后變速箱液壓系統(tǒng)的升級優(yōu)化，在控制器的設計過程中將比例電磁閥的功率驅動模塊電路加入到控制器中，實現(xiàn)比例閥驅動的恒流控制，其簡化原理如圖11所示。TLE7242-2G是一款可以實現(xiàn)恒流控制的驅動芯片，MCU接收到比例閥驅動控制信息后，控制比例閥產生恒流輸出。

圖11 比例電磁閥驅動電路簡化原理圖

1.3 電控系統(tǒng)軟件設計

電控系統(tǒng)軟件是整個控制系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，裝載機電控軟件是由很多子程序組成，可分為應用層和底層硬件驅動軟件，軟件整體架構如圖12所示。

圖12 裝載機自動變速控制軟件架構

自動控制軟件的編寫采用Matlab／Simulink軟件開發(fā)出具有多層次結構化模塊特點的軟件。整個軟件分成幾個層次，由多個模塊組合而成，包括通用計算子程序、信號檢測與處理模塊以及各項單功能軟件模塊等。不同的模塊只能完成設定的功能，通過控制邏輯要求進行不同的組合，進而實現(xiàn)所需要的功能。

（1）換檔規(guī)律的制定。本文所設計的換檔規(guī)律采用雙參數(shù)（油門開度α、車速v）設計方法，即裝載機根據油門開度和車速的不同組合來變換檔位。考慮到裝載機實際工作特點，為了更好地發(fā)揮發(fā)動機的有效特性，以提升整車的動力性和經濟性為出發(fā)點，基于不同工況設計了不同的換檔規(guī)律，作業(yè)裝置驅動泵是否工作兩種不同工況。

在設計裝載機降檔規(guī)律時需要經過大量的整車試驗數(shù)據分析才能進一步確認，后面整車標定試驗中會進行修正。裝載機屬于重型車輛，故采用收斂型換檔規(guī)律，即降檔速差隨著油門開度的增大而減小。圖13和14分別是驅動泵空循環(huán)和作業(yè)工況下計算設計的理論換檔規(guī)律。

圖13 裝載機自動換檔規(guī)律（驅動泵空循環(huán)）

圖14 裝載機自動換檔規(guī)律（驅動泵作業(yè)）

（2）基于不同工況需求的綜合換檔策略。換檔策略的合理設計就是為了改善車輛的動力性和經濟性，駕駛員操作油門踏板、制動踏板和換檔手柄，在合適的時機實現(xiàn)車輛換檔，改變車輛運行狀態(tài)去滿足裝載機不同工況下對動力性和經濟性的需求。

由于裝載機實際工作處于復雜多變的工況環(huán)境中，因此，本文針對主要循環(huán)作業(yè)功能和運輸轉場工況設計了裝載機的綜合換檔策略，如圖15所示。至于裝載機作業(yè)工況和行駛工況識別技術，考慮到整車實際使用情況，采用人機協(xié)同配合控制方式，即駕駛員根據實際工作環(huán)境的判斷主動切換兩種工作工況，控制軟件通過不同的控制策略和換檔規(guī)律來保證整車在不同工況下獲得滿意的整車動力性和經濟性，這樣不僅發(fā)揮了駕駛員的主觀能動性，而且有效地簡化了駕駛員的操作強度，提高了作業(yè)效率。

圖15 裝載機綜合換檔策略

2 試驗方案

基于某型裝備自動變速器的輪式裝載機對所設計的電控系統(tǒng)進行試驗，將試驗樣機裝車集成后進行整車道路試驗，驗證控制系統(tǒng)的可行性和控制算法、控制策略的正確性和有效性。通過整車標定試驗對不同工況下的換檔規(guī)律做出進一步的優(yōu)化和完善。

試驗設備主要包括數(shù)據監(jiān)測、程序儲存上位機筆記本電腦、測量標定工具CANAPE、程序下載器USBCAN和裝有自動變速器的裝載機整車樣機，試驗在正常路面上，包括作業(yè)場地用的物料等。整車試驗如圖16所示。

圖16 整車道路試驗

3 試驗結果與分析

3.1 換檔規(guī)律標定優(yōu)化

換檔規(guī)律標定試驗經過不斷重復逐一去標定、修正、驗證不同檔位下的換檔點。基于前面1.3匹配計算得到的各檔位理論換檔規(guī)律數(shù)據，在不同工況條件下，通過采集整車道路試驗換檔規(guī)律相關數(shù)據，通過數(shù)據處理分析、修正、優(yōu)化等步驟，在降檔規(guī)律方面尋找最佳降檔速差，最終得到了換檔效果良好的裝載機不同工況下的換檔規(guī)律，如圖17和18所示。

圖17 前進換檔規(guī)律（轉場工況）

圖18 前進換檔規(guī)律（鏟掘工況）

從圖17、18試驗結果與圖13、14理論計算結果對比可以看出，理論計算換檔規(guī)律需要經過實車試驗不斷優(yōu)化和完善才可以達到理想的效果。理論計算換檔規(guī)律只是給技術人員提供一個參考的依據，實際所開發(fā)的控制系統(tǒng)軟硬件需要與整車進行適應性匹配才可滿足整車的需求。基于不同工況下所設計的控制策略及算法得到了驗證優(yōu)化，在不同工況下得到不同的效果。在油門開度達到50%以上，轉場行駛工況下較低車速就可以實現(xiàn)自動升檔，充分發(fā)揮了整車對經濟性需求的優(yōu)勢。同樣油門開度下，鏟掘作業(yè)工況下車速較高才實現(xiàn)自動升檔，充分保證了整車對動力性的需求。基于不同工況下的綜合控制策略在實際控制試驗中達到了良好的控制效果，減小了升檔過程的換檔沖擊，極大地提高了車輛的換檔品質和效率。

3.2 動力換檔過程驗證

輪式裝載機在自動模式下，為了驗證換檔控制邏輯和離合器工作狀態(tài)是否符合設計要求，在試驗場地上進行了N-1-2-3-4和4-3-2-1-N的轉場工況循環(huán)換檔測試，并用Vector CANape全程實時采集各離合器的油壓變化、車速、油門開度等曲線，進一步分析整車動力換檔的合理性。

圖19和圖20分別為空檔（N）升1檔和3升4檔的離合器壓力變化曲線。由圖19和圖20試驗曲線可以看出，本文設計的電控系統(tǒng)軟硬件可實現(xiàn)對自動變速箱的綜合控制，TCU控制器可正常工作，電磁閥的開和關滿足邏輯要求。整車可按照標定后的換檔策略在多種道路上準確無誤地進行選換檔，上坡不存在換檔循環(huán)，下坡也沒有出現(xiàn)升檔的情況。由于采用電磁閥占空比控制，使得油壓在上升過程中存在緩沖過程，大大減小了換檔時的沖擊，使換檔過程平穩(wěn)，無動力中斷。

圖20 3升4檔離合器油壓曲線

4 結 語

本文基于輪式裝載機平臺對自動變速器電控系統(tǒng)進行設計，基于整車機-電-液系統(tǒng)原理完成了整車自動變速電控系統(tǒng)的方案設計，為進一步軟硬件設計奠定技術基礎。

考慮裝載機使用工況特點，開發(fā)了裝載機自動變速器電控系統(tǒng)的核心部件TCU，基于功能模塊設計了TCU的硬件電路，提出了基于模塊化結構的軟件設計思想。以提升整車的動力性和經濟性為出發(fā)點，基于不同工況下設計了不同的理論換檔規(guī)律，針對主要循環(huán)作業(yè)功能和運輸轉場工況制定了裝載機的綜合換檔策略，完成了電控系統(tǒng)的軟硬件設計。

通過整車道路試驗進一步驗證了控制系統(tǒng)軟件、硬件方案的可行性，優(yōu)化了不同工況下的整車換擋規(guī)律參數(shù)，完善了軟件的控制策略，優(yōu)化了控制算法。試驗結果表明，該車的電控系統(tǒng)可以有效地完成整車對不同工況需求的狀態(tài)轉換，整車的換擋品質和工作效率得到了提升，減輕了駕駛員的操作強度。

圖19 N升1檔離合器油壓曲線