自動變速器電磁閥液壓測試的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

楊利州 譚光興 鐘耀文 楊敘

1.廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州 545000；2.廣州花都全球自動變速箱有限公司，廣東廣州 510000

0 前言

從第一臺自動變速器誕生至今，自動變速器技術(shù)一直在改進和發(fā)展[1]。自動變速器的內(nèi)部構(gòu)造非常復(fù)雜，如果變速器出現(xiàn)了故障，維修的困難程度很大，而換新設(shè)備的價格也非常昂貴，所以變速器的維修一直是需要克服的難題[2]。電磁閥是自動變速器的核心零部件之一，很多變速器的故障都與電磁閥有關(guān)[3]，所以在變速器的維修過程中，對電磁閥的檢測就會顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的電磁閥檢測設(shè)備自動化程度低，并且檢測設(shè)備成本高[4]，檢測方法主要是工作人員根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)對可能出現(xiàn)的問題進行判斷維修，或者用同類型的電磁閥進行替換。目前，電磁閥主要來自進口，購買的價格比較昂貴，如果在維修的過程中判斷錯誤，那么很可能會帶來高額的成本。

現(xiàn)在出現(xiàn)的自動變速器電磁閥檢測系統(tǒng)利用系統(tǒng)控制和數(shù)字信號處理等理論作為基礎(chǔ)，并結(jié)合相關(guān)的傳感器和通訊等技術(shù)[5]，能夠?qū)崟r地對電磁閥的性能進行快速及準(zhǔn)確地檢測，這樣不僅降低了工作人員對變速器的維修難度，還提高了對問題診斷的準(zhǔn)確性，延長了變速器的使用壽命，減少了資源的浪費。

現(xiàn)在對自動變速器電磁閥檢測系統(tǒng)的研究越來越廣泛，在此背景下，設(shè)計了一個能夠穩(wěn)定輸出并實時采集壓力信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

自動變速器電磁閥液壓測試的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括4部分的硬件電路，分別是保護電路、電機驅(qū)動電路、電磁閥液壓系統(tǒng)電路和數(shù)據(jù)采集電路。

1.1 保護電路

實驗過程中，人身安全是第一位的，所以保護電路中接入了漏電斷路器，它能夠在人觸電的時候迅速切斷電源，保障人身安全。在設(shè)備調(diào)試和實驗的過程中，需要頻繁地啟動硬件電路的電源，所以需要在電路中接入交流接觸器，它能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離頻繁地控制交流電動機的啟停。保護電路如圖1所示。

1.2 電機驅(qū)動電路

電機是由變頻器進行驅(qū)動的，變頻器能夠?qū)⒔涣麟娮優(yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電。它的操作面板上有按鍵和顯示屏，通過按鍵能夠進行運行操作或者功能設(shè)置，顯示屏能夠顯示運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和各種參數(shù)。電機驅(qū)動電路如圖2所示。

1.3 電磁閥液壓系統(tǒng)電路

電磁閥液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。圖中以電機為驅(qū)動，使得油箱里的液壓油經(jīng)過液壓泵加壓后流向直動溢流閥，再經(jīng)過直動溢流閥定壓溢流之后流向壓力調(diào)節(jié)閥，在這里可以通過外接穩(wěn)壓電源來對流過壓力調(diào)節(jié)閥的電流進行調(diào)節(jié)，以此達到調(diào)節(jié)其輸出端壓力大小的作用。在工裝臺的正確位置裝入被測試的電磁閥，在其入口處和出口處分別接有壓力傳感器，油液最后經(jīng)過壓力傳感器流回到油箱中，形成一個完整的回路。

1.4 數(shù)據(jù)采集電路

實驗中，利用數(shù)據(jù)采集卡來對壓力和電流等信號進行采集，并通過串口通信將處理后的結(jié)果傳輸?shù)缴衔粰C軟件上進行波形顯示與數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

2 卡爾曼濾波

實驗中測得的數(shù)據(jù)在采集過程中會有很多的噪聲和誤差，所以選擇卡爾曼濾波算法來對數(shù)據(jù)進行濾波處理，使得數(shù)據(jù)更加接近真實值。

卡爾曼濾波算法是由KALMAN R E等人[6]在1960年提出的，它主要進行兩個過程，首先，對系統(tǒng)進行預(yù)測，包括狀態(tài)預(yù)測和誤差協(xié)方差預(yù)測，然后，根據(jù)觀測值和預(yù)測值對系統(tǒng)的狀態(tài)進行更新，包括濾波增益、后驗估計值和誤差協(xié)方差更新。

算法的具體步驟如下[7]：

狀態(tài)預(yù)測：

A——系統(tǒng)的矩陣；

B——輸入矩陣；

uk-1——k-1時刻的輸入；

wk——量測高斯白噪聲。

誤差協(xié)方差預(yù)測：

Q——過程噪聲協(xié)方差矩陣。

濾波增益：

其中，Kk——濾波增益矩陣；

H——狀態(tài)變量的雅克比矩陣；

R——測量噪聲協(xié)方差矩陣。

后驗估計值：

其中，Zk——k時刻的量測輸出變量；

誤差協(xié)方差更新：

其中，I——單位向量。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

因為圖3中壓力調(diào)節(jié)閥的輸出端壓力可視為液壓系統(tǒng)的壓力，所以，通過對壓力調(diào)節(jié)閥的輸出端壓力進行采集，可以分析自動變速器電磁閥液壓測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性。液壓系統(tǒng)主要器件實物如圖5所示，實驗中用到的待測電磁閥如圖6所示，待測電磁閥安裝位置的工裝臺如圖7所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

因為被測件的要求，并通過實驗驗證，需要把圖3中壓力調(diào)節(jié)閥的輸入端壓力設(shè)為0.9 MPa左右，因為在這個壓力值下壓力曲線波動比較小，測量的壓力更加穩(wěn)定，實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。壓力調(diào)節(jié)閥的實物安裝位置如圖8所示。

具體操作步驟是通過調(diào)節(jié)變頻器使機械壓力表上的壓力值在0.9 MPa左右，用壓力傳感器采集壓力調(diào)節(jié)閥的輸出端壓力，連續(xù)采樣12小時，并通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。用卡爾曼濾波算法對采集的壓力數(shù)據(jù)進行濾波處理，得出壓力調(diào)節(jié)閥輸出端的壓力變化曲線，如圖9所示。

從圖9可以得出，變速箱在接通電源開始運行的時候，壓力調(diào)節(jié)閥輸出端壓力會出現(xiàn)衰減的趨勢，這可能和圖3油箱中油的溫度有關(guān)，因為隨著變速箱運行時間的增加，油箱中的油溫會有所提升。剛開始，油的溫度比較低，在啟動變速箱之后，油溫增加的會比較快，所以壓力值衰減的速率比較大。但是，當(dāng)運行一段時間之后，油溫增加的越來越緩慢，這就會使得壓力曲線逐漸趨于平緩，壓力值穩(wěn)定在0.76 MPa左右。由此對設(shè)計的自動變速器電磁閥液壓測試的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了證明。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可控性分析

實驗用到多項式擬合的方法來得到圖3中壓力調(diào)節(jié)閥輸出端壓力與流過其電流的P-I曲線，從而建立壓力與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系式，以此來對自動變速器電磁閥液壓測試的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可控性進行分析。

調(diào)節(jié)變頻器，使得壓力調(diào)節(jié)閥的輸入端壓力在0.9 MPa左右，用壓力傳感器采集圖3中壓力調(diào)節(jié)閥的輸出端壓力，并通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，期間會通過穩(wěn)壓電源每隔5 min以10 mA為單位調(diào)節(jié)一次流過壓力調(diào)節(jié)閥的電流，電流調(diào)節(jié)范圍是0～1 A。用卡爾曼濾波算法對采集的壓力數(shù)據(jù)進行濾波處理，得出壓力調(diào)節(jié)閥輸出端的壓力變化曲線，如圖10所示。

每個電流值對應(yīng)52,760個左右采樣點，從圖10可以得出，隨著流過圖3中壓力調(diào)節(jié)閥的電流不斷增大，其輸出端壓力逐漸減小，最后電流在0.6 A的時候，壓力穩(wěn)定在0.0023 MPa左右。這說明，流過壓力調(diào)節(jié)閥電流的調(diào)節(jié)范圍是0～0.6 A。

用每個電流值下的壓力數(shù)據(jù)分別繪制曲線，然后在每個曲線上取3個點，其他曲線對應(yīng)采樣點處同樣取點，一個采樣點處不同電流下的壓力值為一組數(shù)據(jù)，共3組。因為在0.6 A往后，流過壓力調(diào)節(jié)閥電流值的改變對其輸出端的壓力幾乎沒有影響，所以每組數(shù)據(jù)從0.01 A取值到0.6 A，為60個點，3組數(shù)據(jù)總共180個點。對這3組數(shù)據(jù)分別進行多項式擬合，得到壓力調(diào)節(jié)閥輸出端壓力與流過其電流的P-I曲線和數(shù)學(xué)關(guān)系式。

第1組數(shù)據(jù)壓力與電流的P-I曲線如圖11所示。

第1組數(shù)據(jù)壓力與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

第2組數(shù)據(jù)壓力與電流的P-I曲線如圖12所示。

第2組數(shù)據(jù)壓力與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

第3組數(shù)據(jù)壓力與電流的P-I曲線如圖13所示。

第3組數(shù)據(jù)壓力與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

因為流過壓力調(diào)節(jié)閥電流在0.58 A往后，壓力的擬合值小于0，所以每組數(shù)據(jù)從0.01 A取值到0.58 A，求得壓力調(diào)節(jié)閥輸出端壓力的卡爾曼估計值與多項式擬合值的標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 卡爾曼估計值與擬合值的標(biāo)準(zhǔn)差

通過對3組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果分析可知，3組壓力數(shù)據(jù)的卡爾曼估計值與擬合值的標(biāo)準(zhǔn)差都在0.0315左右，在可接受的范圍之內(nèi)，并且通過P-I曲線得出了3組數(shù)據(jù)的壓力與電流的數(shù)學(xué)關(guān)系式。由此可知，通過穩(wěn)壓電源改變流過壓力調(diào)節(jié)閥的電流能夠穩(wěn)定地改變其輸出端壓力，也就是液壓系統(tǒng)的壓力，證明了自動變速器電磁閥液壓測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可控性以及控制穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

實驗在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了外部硬件電路，從而完成了對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，并且通過實驗證明了系統(tǒng)能夠利用壓力調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生比較穩(wěn)定的壓力信號，同時也能利用外接電源對其進行穩(wěn)定的控制。后期還可以在此基礎(chǔ)上增加其他的控制模塊，使得系統(tǒng)具備更多的功能和為電磁閥模擬更多的工作環(huán)境。