胡 蜜，孫 磊，葉二虎，謝佳佳

(1.東風(fēng)商用車(chē)有限公司技術(shù)中心，武漢 430056;2.重慶理工大學(xué)車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400054)

離合器對(duì)搭載自動(dòng)變速器車(chē)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(dòng)離合器的接合控制規(guī)律是當(dāng)下急需進(jìn)行的工作［1－6］。但由于自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的“人－車(chē)－環(huán)境”綜合控制問(wèn)題，同時(shí)汽車(chē)又具有復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，人對(duì)車(chē)輛的操作意圖會(huì)隨著行駛環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這些都給動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)接合性能和實(shí)現(xiàn)最佳接合帶來(lái)較大困難［7－10］。

本文以某款搭載自動(dòng)變速器的微車(chē)為研究對(duì)象，以D2P MotoHawk快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)搭建仿真系統(tǒng)和控制邏輯的編譯來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。整個(gè)過(guò)程以Woodward公司的D2P MotoHawk軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)Matlab/Simulink/Stateflow來(lái)完成。采用快速控制原型方法可以在實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)上方便快捷地實(shí)現(xiàn)控制算法，使得控制算法中的錯(cuò)誤和不足之處在設(shè)計(jì)初期就能夠發(fā)現(xiàn)并得到及時(shí)解決。同時(shí)，Woodward公司的D2P MotoHawk開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有基于產(chǎn)品級(jí)的ECU，其代碼成熟度和應(yīng)用已經(jīng)接近產(chǎn)品化的要求，縮短了從開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)的周期，降低了開(kāi)發(fā)過(guò)程的成本。

1 自動(dòng)離合器模型建立

自動(dòng)離合器主要由離合器驅(qū)動(dòng)機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)控各傳感器的狀態(tài)。當(dāng)駕駛員接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)時(shí)，ECU通過(guò)分析擋位傳感器等傳感器信號(hào)并發(fā)出離合器斷開(kāi)指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng);當(dāng)按下?lián)Q擋手柄開(kāi)關(guān)時(shí)，ECU立刻發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)離合器電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)讓離合器快速分離，同時(shí)分析離合器位移傳感器信號(hào)確定離合器的位置;當(dāng)松開(kāi)換擋手柄時(shí)，離合器預(yù)位，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速以及油門(mén)開(kāi)度等信號(hào)，使離合器快速平穩(wěn)地接合，汽車(chē)平穩(wěn)起步。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2是自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖。離合器的2個(gè)膜片彈簧摩擦片與發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱相連，以此進(jìn)行扭矩的傳遞。將膜片彈簧簡(jiǎn)化為分離軸承和壓盤(pán)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(dòng)離合器中十分重要的結(jié)構(gòu)之一，能同時(shí)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(dòng)盤(pán)摩擦片已經(jīng)磨損之后仍能可靠地傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖1 自動(dòng)離合器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動(dòng)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖

由于需要較大轉(zhuǎn)矩才能驅(qū)動(dòng)離合器分離杠桿，因而采用直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后再拖動(dòng)負(fù)載，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，從而提高其輸出轉(zhuǎn)矩。通過(guò)控制電機(jī)的端電壓極性的正負(fù)和數(shù)值高低來(lái)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(duì)其進(jìn)行描述:

式(1)中Fm為離合器小端作用力。

直流電機(jī)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(dòng)臂杠桿長(zhǎng)臂長(zhǎng)度;Lts為傳動(dòng)臂杠桿短臂長(zhǎng)度;Ksc為絲桿螺母螺距。

按照基爾霍夫電路定律，直流電機(jī)回路運(yùn)動(dòng)方程經(jīng)過(guò)變形可描述為

其中:L為電感;R為電阻;U為電機(jī)電壓;J為折算到電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Tl為阻力矩;Ke為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù);Kt為電機(jī)的磁力矩常數(shù)。

可以得到直流電機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:

其中:J為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jg為螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jt為傳動(dòng)臂在支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;mb為分離軸率質(zhì)量。

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

圖3 自動(dòng)離合器仿真系統(tǒng)

2 開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建

D2P MotoHawk是由美國(guó)Woodward公司在產(chǎn)品級(jí)的ECU和 Matlab/Simulink軟硬件工作平臺(tái)的基礎(chǔ)上所研發(fā)的快速原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要由以下幾個(gè)部分組成:模型搭建工具——MotoHawk;可將C代碼自動(dòng)編譯的工具——GCC;模型刷寫(xiě)、變量在線調(diào)試與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件——MotoTune;開(kāi)發(fā)版或產(chǎn)品級(jí)ECU、線束、license等附件。D2P MotoHawk圖形化開(kāi)發(fā)軟件與實(shí)時(shí)在線的調(diào)試監(jiān)測(cè)等功能可以為開(kāi)發(fā)汽車(chē)核心部件的控制系統(tǒng)提供更加便利、準(zhǔn)確的技術(shù)支持?？焖僭偷慕⒖蓪?duì)控制器進(jìn)行及時(shí)驗(yàn)證，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本。

通過(guò)使用Simulink和 MotoHawk的圖形化語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)離合器原型的開(kāi)發(fā)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)車(chē)自動(dòng)離合器的控制，使之在汽車(chē)其他機(jī)構(gòu)(如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器)的配合下滿足車(chē)輛平穩(wěn)起步及運(yùn)行的要求，根據(jù)所采用的自動(dòng)離合器I/O接口需求，選取1路模擬信號(hào)輸入連接角位移傳感器、1路高頻數(shù)字信號(hào)輸出、1路PWM自動(dòng)離合器電機(jī)占空比輸出、2路數(shù)字信號(hào)輸出來(lái)控制離合器電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。

在D2P的硬件ECU與自動(dòng)離合器硬件的線束定義及匹配完成之后，用D2P平臺(tái)所提供的CAN通訊接口連接上位機(jī)的接口，同時(shí)將license也與上位機(jī)相連。這樣就基本完成了自動(dòng)離合器快速控制原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(yīng)用層組成。底層主要負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)存儲(chǔ)器的可用資源，設(shè)置編譯器參數(shù)，對(duì)通訊協(xié)議進(jìn)行設(shè)置等。應(yīng)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(gè)部分組成:ECU的型號(hào)種類、存儲(chǔ)器資源分配、主繼電器控制、時(shí)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(kù)中的模塊拖入到工作窗口中，同時(shí)對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

應(yīng)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(biāo)定(Data_calibration)3個(gè)子系統(tǒng)組成，如圖5所示。

本次研究中的自動(dòng)離合器控制系統(tǒng)在控制策略制定時(shí)，通過(guò)ECU分析駕駛員主觀意向、外部環(huán)境等輸入信號(hào)對(duì)目標(biāo)擋位、實(shí)際擋位、車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)、換擋時(shí)自動(dòng)離合器所應(yīng)加載的壓力、傳動(dòng)系主壓力的大小、發(fā)動(dòng)機(jī)在換擋過(guò)程中扭矩的實(shí)時(shí)需求等進(jìn)行分析與計(jì)算。利用Stateflow對(duì)整車(chē)狀態(tài)，如停車(chē)、起步、爬行、正常行駛及換擋過(guò)程擋位的加減、離合器切換過(guò)程等進(jìn)行判斷，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)ECU轉(zhuǎn)換為輸出指令，傳遞到用執(zhí)行器完成所對(duì)應(yīng)的相關(guān)操作，從而達(dá)到車(chē)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(yīng)用層結(jié)構(gòu)

自動(dòng)離合器的控制策略如圖6所示。根據(jù)自動(dòng)離合器的目標(biāo)接合位置與實(shí)際接合位置得到自動(dòng)離合器電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向以及相應(yīng)的電機(jī)占空比，從而調(diào)整離合器電機(jī)轉(zhuǎn)速。自動(dòng)離合器電機(jī)在Stateflow中的控制邏輯如圖7所示。

當(dāng)系統(tǒng)模型建立完成后，首先進(jìn)行離線調(diào)試，當(dāng)離線調(diào)試順利通過(guò)之后，就可利用MotoHawk中的GCC編譯器將C代碼自動(dòng)編譯成可刷寫(xiě)到ECU中的SRZ文件。圖8為將編譯好的SRZ文件刷寫(xiě)到ECU中的工作平臺(tái)。用USB-CAN硬件連接器連接上位機(jī)及開(kāi)發(fā)版ECU，利用D2P MotoHawk的刷寫(xiě)標(biāo)定監(jiān)控軟件MotoTune將前面生成的SRZ文件刷寫(xiě)到ECU中，為接下來(lái)的實(shí)車(chē)在線調(diào)試做準(zhǔn)備。

圖6 自動(dòng)離合器電機(jī)控制策略

圖7 自動(dòng)離合器在Stateflow中控制邏輯

圖8 ECU刷寫(xiě)工作平臺(tái)

4 實(shí)車(chē)在線調(diào)試

圖9為在D2P的刷寫(xiě)/標(biāo)定軟件MotoTune中新建的監(jiān)測(cè)和標(biāo)定模塊窗口，通過(guò)MotoTune可以和已刷寫(xiě)的系統(tǒng)模型進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)在線地對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以及對(duì)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集。

圖9 MotoTune監(jiān)測(cè)窗口

本文自動(dòng)離合器控制模型中包括了離合器目標(biāo)位置曲線、離合器實(shí)際位置曲線、離合器電機(jī)目標(biāo)占空比曲線、離合器電機(jī)頻率曲線、離合器電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向曲線等。

圖10為利用MotoTune采集的調(diào)試時(shí)的自動(dòng)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(dòng)離合器預(yù)定理想曲線根據(jù)離合器工作原理設(shè)定為“快－慢－快”的接合規(guī)律?？梢钥闯?離合器實(shí)際接合位置曲線與離合器目標(biāo)接合位置曲線具有很好的跟隨性。試驗(yàn)結(jié)果表明:本研究中所搭建的自動(dòng)離合器控制模型和所設(shè)計(jì)的控制邏輯算法與自動(dòng)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(yù)定參考曲線。

圖10 平路正常起步自動(dòng)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(jí)硬件快速原型開(kāi)發(fā)技術(shù)，通過(guò)圖形化建模方式，利用D2P平臺(tái)，可在短時(shí)間內(nèi)較好地完成自動(dòng)離合器快速原型的開(kāi)發(fā)。

2)按本文方法，能滿足自動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)能為后續(xù)開(kāi)發(fā)提供一定參考。

3)在本次試驗(yàn)中，自動(dòng)離合器的控制策略較為單一，沒(méi)有與其他控制方法進(jìn)行比對(duì)，其控制策略中只有故障診斷沒(méi)有故障處理邏輯。后續(xù)工作應(yīng)對(duì)自動(dòng)離合器控制策略作進(jìn)一步優(yōu)化。

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