王景霞，韓宇石，李志偉，衣 超

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

AT電控系統(tǒng)主要用于液力機(jī)械自動(dòng)變速箱(簡稱AT)的換擋控制，它由換擋選擇器、控制單元(TCU)、顯示裝置和裝在傳動(dòng)裝置上的輸入信息傳感器(壓力、轉(zhuǎn)速、溫度傳感器等)等裝置組成.當(dāng)駕駛員通過換擋選擇器進(jìn)行工況選擇時(shí)，TCU根據(jù)各種傳感器的信號(hào)判斷當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)，并向電磁閥組中相應(yīng)比例電磁閥發(fā)出控制信號(hào)，控制比例電磁閥按一定的規(guī)律變化，使電磁閥組的輸出壓力按需求規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)變化，從而操縱換擋離合器或制動(dòng)器結(jié)合或分離，使變速箱獲得不同的傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)車輛擋位的切換.

AT電控系統(tǒng)通過6個(gè)比例電磁閥來調(diào)節(jié)相應(yīng)操縱油缸的油壓，6個(gè)比例電磁閥不同的組合使變速箱獲得不同的擋位.若電控系統(tǒng)發(fā)生電纜短路或電磁閥故障，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)比例電磁閥同時(shí)導(dǎo)通工作，進(jìn)而導(dǎo)致變速箱出現(xiàn)掛雙擋或多擋現(xiàn)象，最終導(dǎo)致自動(dòng)變速箱出現(xiàn)不可恢復(fù)性的損壞.比例電磁閥的啟動(dòng)電流一般在200 mA左右，此時(shí)比例電磁閥已經(jīng)有電流通過，但是，液壓油缸內(nèi)還沒有建立起油壓.如果此時(shí)TCU能夠檢測到比例電磁閥內(nèi)的電流，發(fā)現(xiàn)不應(yīng)導(dǎo)通的電磁閥有電流通過，AT電控系統(tǒng)立刻進(jìn)行保護(hù)，切斷所有比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使自動(dòng)變速箱處于空擋狀態(tài)，并報(bào)警顯示，這樣就可以防止自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋，避免變速箱機(jī)械部件的損壞，將故障損失降低到最小.因此，設(shè)計(jì)了電磁閥組狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測方案來解決此問題.

1 閥組狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測電磁閥組的工作狀態(tài)，主要是監(jiān)測各個(gè)比例電磁閥的工作電流，在本方案中將比例電磁閥的工作電流作為反饋信號(hào)，進(jìn)行閉環(huán)控制.對(duì)于比例電磁閥內(nèi)電流的提取，有兩種方案，一是可以在電磁閥的控制導(dǎo)線上串聯(lián)電流傳感器，通過電流傳感器內(nèi)的反饋電流進(jìn)行狀態(tài)檢測.但電流傳感器體積較大、成本高、安裝不方便，而且電流傳感器檢測出的信號(hào)還需要進(jìn)行處理.因此，在本方案中沒有采用電流傳感器，而是在比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路上串聯(lián)低電阻值的高精密采樣電阻，這樣通過采樣電阻的電流變化就可以判斷比例電磁閥的工作電流變化，既節(jié)約了成本又減小了體積.采樣電阻的電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理、隔離，再接入中央處理單元的A/D端口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.AT電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示，監(jiān)測方案框圖如圖2所示.

圖1 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 方案框圖

電流信號(hào)的采集、處理、隔離分別通過電流信號(hào)采集電路、電流信號(hào)處理電路、保護(hù)點(diǎn)電路來實(shí)現(xiàn).

1.1 電流信號(hào)采集電路

電流信號(hào)采集電路如圖3所示.在比例電磁閥驅(qū)動(dòng)電路中串聯(lián)采樣電阻R11來提取比例電磁閥的工作電流，采樣電阻選R11用0.1 Ω的高精密電阻.采樣電阻的電阻值很小，比例電磁閥的感抗為30 Ω左右，因而對(duì)于電磁閥的工作不會(huì)產(chǎn)生影響.

在圖3中，采樣電阻R11與電磁閥串聯(lián)，因而R11中流過的電流可以實(shí)時(shí)反映電磁閥內(nèi)的電流，用示波器測量R11兩端的電壓波形為幅值50 mV左右的隨占空比變化的方波.

圖3 電流信號(hào)采集

1.2 電流信號(hào)處理電路

電流信號(hào)處理電路如圖4所示.圖3中采樣電阻R11兩端的電流信號(hào)通過圖4中U1進(jìn)行差動(dòng)轉(zhuǎn)換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào).用示波器測量U1的引腳6對(duì)地電壓，該電壓為平均值在0～130 mV之間變化的正弦波，正弦波的頻率為1 kHz，幅值為27 mV左右，平均值的變化是隨控制信號(hào)占空比的改變而改變的.當(dāng)占空比為0時(shí)，反饋電壓為0;當(dāng)占空比為100%時(shí)，反饋電壓為峰-峰值27 mV、電壓平均值為130 mV的正弦波.反饋電壓的大小與負(fù)載有關(guān)系，不同的負(fù)載電壓會(huì)有一些變化.

圖4 電流信號(hào)處理電路

由于經(jīng)過U1的反饋電壓幅值很小，因此要進(jìn)行放大后才能進(jìn)行控制，電阻R7、R13、R19與運(yùn)算放大器U7構(gòu)成比例放大器［2］，通過調(diào)節(jié)電阻R7、R13、R19的電阻值來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，以產(chǎn)生需要的電壓.在實(shí)際調(diào)試過程中，選取1 kΩ、20 kΩ、390 kΩ的電阻，放大倍數(shù)為20倍.U7的輸出電壓按公式(1)計(jì)算.

這樣，反饋電壓經(jīng)過放大后，測量U7的引腳1點(diǎn)對(duì)地電壓UO為平均值在0～2.6 V之間變化的正弦波，該正弦波的頻率為1 kHz，峰-峰值500 mV左右，正弦波波形如圖5所示.

圖5 反饋電壓波形圖

1.3 保護(hù)點(diǎn)電路

通過對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)操縱油缸油壓大于0.6 MPa時(shí)，相應(yīng)的操縱件才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作響應(yīng)，此時(shí)電磁閥電流為209 mA，圖3中采樣電阻R11上的電壓為20.9 mV，經(jīng)過圖4的電壓轉(zhuǎn)換、放大后中央處理器輸入端的電壓為418 mV.因此保護(hù)點(diǎn)電路的保護(hù)電壓應(yīng)設(shè)置在該點(diǎn)之內(nèi).當(dāng)檢測到不應(yīng)導(dǎo)通的電磁閥中反饋電壓超出此電壓閾值418 mV，控制系統(tǒng)就會(huì)切斷所有輸出，并報(bào)警顯示.

由于反饋電壓不是一個(gè)線性變化的信號(hào)，而是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的信號(hào)，因而在集成運(yùn)算放大器的同向端引入正反饋.采用滯回比較器［1］的優(yōu)點(diǎn)是正向和反向的閾值電壓不同，在兩個(gè)電壓之間的信號(hào)狀態(tài)唯一，電路原理如圖6所示.電壓傳輸特性如圖7所示.

圖6 保護(hù)點(diǎn)電路

圖7 電壓傳輸特性

UT1和UT2為閾值電壓，當(dāng)電磁閥反饋信號(hào)電壓大于UT2時(shí)，輸出UO翻轉(zhuǎn)為－5 V;當(dāng)電磁閥反饋信號(hào)電壓小于UT1時(shí)，輸出UO翻轉(zhuǎn)為+5 V.在實(shí)際調(diào)試過程中，首先確定UT1和UT2的大小，然后計(jì)算圖4中各個(gè)電阻的取值，計(jì)算方法如下:

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在臺(tái)架試驗(yàn)中將AT電控系統(tǒng)與被控電磁閥組連接好，操縱換擋選擇器，使AT自動(dòng)變速箱工作在1擋，電磁閥組中對(duì)應(yīng)的電磁閥B2和B3導(dǎo)通.電磁閥組與擋位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示.為了模擬自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋試驗(yàn)，將C1電磁閥的電纜短路(C1電磁閥非正常充油的現(xiàn)象)，C1電磁閥導(dǎo)通，此時(shí)C1、B2、B3電磁閥同時(shí)導(dǎo)通，從表1可以看出，C1與B2結(jié)合變速箱工作在3擋，C1與B3結(jié)合變速箱工作在4擋，所以自動(dòng)變速箱會(huì)出現(xiàn)同時(shí)掛1擋、3擋、4擋的現(xiàn)象.

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):電控系統(tǒng)通過對(duì)電磁閥組電流監(jiān)測和判斷，當(dāng)檢測到C1的電流大于209 mA時(shí)立即切斷所有比例電磁閥的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并報(bào)警顯示，使變速箱工作在空擋狀態(tài)，防止了自動(dòng)變速箱同時(shí)掛1擋、3擋和4擋的現(xiàn)象.通過臺(tái)架試驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電磁閥組的工作狀態(tài)，并防止因電磁閥工作不正常而引起的變速箱故障.

表1 電磁閥組與擋位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

為了解決由于電纜短路或電磁閥故障等原因引起的AT自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋的問題，設(shè)計(jì)了AT電控系統(tǒng)電磁閥組工作狀態(tài)的監(jiān)測方案.該方案由電流信號(hào)采集電路、電流信號(hào)處理電路、保護(hù)點(diǎn)電路組成，本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了電流監(jiān)測保護(hù)點(diǎn)電路，當(dāng)電控系統(tǒng)TCU檢測到不應(yīng)導(dǎo)通的比例電磁閥的電流大于209 mA時(shí)，即保護(hù)電路的電壓域值超過418 mA時(shí)，TCU立即切斷所有輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)并報(bào)警顯示，實(shí)現(xiàn)了電流實(shí)時(shí)監(jiān)測功能.本方案兼具體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn).通過在臺(tái)架上通過對(duì)自動(dòng)變速箱掛雙擋故障現(xiàn)象的模擬，驗(yàn)證了本方案對(duì)電磁閥組工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，確保比例電磁閥能夠進(jìn)行正確的擋位切換，從而使換擋離合器或制動(dòng)器正確的結(jié)合或分離，避免了AT自動(dòng)變速箱掛雙擋或多擋的問題.該方案的設(shè)計(jì)成功，為AT變速箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高了AT控制系統(tǒng)的可靠性.

［1］童詩白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) ［M］.北京:高等教育出版社，2001.

［2］威廉斯 (英)(Tim Williams).電路設(shè)計(jì)技術(shù)與技巧 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.