黃海波，熊武，盧軍，王志虎，高云，郭瑞松

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車(chē)動(dòng)力零部件有限公司，湖北 十堰 442000）

EMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能模擬簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)的研制

黃海波1，熊武1，盧軍1，王志虎2，高云2，郭瑞松2

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車(chē)動(dòng)力零部件有限公司，湖北 十堰 442000）

為了驗(yàn)證制造的EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否能實(shí)現(xiàn)換擋功能，并且測(cè)定其性能是否達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，設(shè)計(jì)了由模擬負(fù)載、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試控制系統(tǒng)及輔助支撐連接機(jī)構(gòu)構(gòu)成的EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能模擬簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)。結(jié)果表明：該測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)Q擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試和標(biāo)定，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大換擋力、換擋時(shí)間等功能測(cè)試，滿足了對(duì)EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能測(cè)試的要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

EMT；換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)；性能測(cè)試系統(tǒng)；模擬負(fù)載

目前開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)成為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，變速器作為車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如何給電動(dòng)汽車(chē)匹配一個(gè)高性能的自動(dòng)變速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）也成為研究的熱點(diǎn)［1-2］。然而目前市場(chǎng)銷(xiāo)售的小型電動(dòng)汽車(chē)大部分使用固定速比的變速器，這種固定速比的變速器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工、能增加電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)扭矩，但存在嚴(yán)重缺陷，即電動(dòng)汽車(chē)高速行駛時(shí)電機(jī)效率較低，驅(qū)動(dòng)電流大，電能消耗量大，縮短了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程［3］。為了解決上述問(wèn)題，采用2個(gè)擋位的電控變速器（Electronic-controlMechanical Transmission，EMT），讓駕駛者可以根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的不同工況來(lái)選擇相應(yīng)的擋位［4-5］。為了盡快測(cè)試性能并節(jié)省成本，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)易性能模擬測(cè)試系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否能實(shí)現(xiàn)換擋功能，并且測(cè)定機(jī)構(gòu)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

1 EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能測(cè)試實(shí)現(xiàn)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)試系統(tǒng)需對(duì)EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大換擋角度、換擋時(shí)間、最大輸出換擋力進(jìn)行測(cè)試。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由模擬負(fù)載、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試控制系統(tǒng)及輔助支撐連接機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中，模擬負(fù)載由20 N·m磁粉測(cè)功機(jī)擔(dān)任，負(fù)責(zé)給EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)加載；換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)由單片機(jī)負(fù)責(zé)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用H橋驅(qū)動(dòng)電路；測(cè)試控制系統(tǒng)選用PC機(jī)做為上位機(jī)，通過(guò)串口通訊與單片機(jī)和磁粉測(cè)功機(jī)控制器進(jìn)行通信來(lái)完成整個(gè)測(cè)試工作。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)功能框圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高測(cè)試的精確度，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到零件的裝夾狀態(tài)與汽車(chē)上的安裝狀態(tài)一致。零件安裝時(shí)由支架上的2個(gè)定位銷(xiāo)定位，夾緊搖臂由氣缸推動(dòng)將被測(cè)試件壓緊在零件的安裝支架上，安裝快速方便。換擋軸分別連接測(cè)功機(jī)和角度傳感器，零件輸出端與換擋軸連接，模擬實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)安裝圖

1.3 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)以宏晶科技的STC89C52單片機(jī)為核心，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口芯片CH430實(shí)現(xiàn)控制板的供電以及控制板與上位機(jī)之間的通信，換擋位置的檢測(cè)由8位A/D芯片PCF8591負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。

STC89C52是宏晶科技公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4 kB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。由于該單片機(jī)具有以上功能與優(yōu)勢(shì)，完全滿足控制系統(tǒng)使用的需求，所以選用該單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。

CH340具有以下特點(diǎn)：全速USB設(shè)備接口，兼容USB V2.0，外圍元器件簡(jiǎn)單，只需要晶振與電容；仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，用于升級(jí)原串口外圍設(shè)備，或者通過(guò)USB增加額外串口；計(jì)算機(jī)端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容，無(wú)需修改；硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通訊波特率50～2×106b·s-1；通過(guò)外加電平轉(zhuǎn)換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 CH340原理圖

PCF8591是一款單電源、低功耗的8位A/D與D/A轉(zhuǎn)換芯片，具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，它具有以下特點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)供電；PCF8591的操作電壓范圍2.5～6 V；低待機(jī)電流；通過(guò)I2C總線串行輸入/輸出；PCF8591通過(guò)3個(gè)硬件地址引腳尋址；PCF8591的采樣率由I2C總線速率決定；4個(gè)模擬輸入可編程為單端型或差分輸入；自動(dòng)增量頻道選擇；PCF8591的模擬電壓范圍從VSS到VDD；PCF8591內(nèi)置跟蹤保持電路；8-bit逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器；通過(guò)1路模擬輸出實(shí)現(xiàn)DAC增益。本系統(tǒng)中采用AIN0做為傳感器信號(hào)輸入端，PCF8591原理圖如圖4所示。

圖4 PCF8591原理圖

1.3.2 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是直流有刷電機(jī)，非常適合使用PWM來(lái)調(diào)速，用H橋驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋動(dòng)作。所謂H橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見(jiàn)電路，它主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)，其典型電路形式如圖5所示。

圖5 H橋驅(qū)動(dòng)電路

從圖5可知，其形狀類(lèi)似于字母“H”，而作為負(fù)載的直流電機(jī)像“橋”一樣架在上面的，所以稱(chēng)之為“H橋驅(qū)動(dòng)”。4個(gè)開(kāi)關(guān)所在位置就稱(chēng)為“橋臂”。從電路中不難看出，當(dāng)控制信號(hào)CtrlA和CtrlD為高電平，CtrlB和CtrlC為低電平時(shí)，NMOS管A、D接通，B、C截止，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)控制信號(hào)CtrlA和CtrlD為低電平，CtrlB和CtrlC為高電平時(shí)，NMOS管A、D截止，B、C接通，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

借助這4個(gè)開(kāi)關(guān)管還可以產(chǎn)生電機(jī)的另外2個(gè)工作狀態(tài)：將NMOS管A、C接通，并且B、D截止，或者A、C截止，并且B、D導(dǎo)通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢(shì)將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì)，形成“剎車(chē)”作用。將4個(gè)開(kāi)關(guān)管全部斷開(kāi)，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢(shì)將無(wú)法形成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì)，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。

本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用全橋驅(qū)動(dòng)芯片+低內(nèi)阻NMOS管，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，PWM輸入占空比調(diào)節(jié)范圍0～100%，具有瞬間制動(dòng)能力，完全滿足換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)工作的需要。

1.3 .3換擋位置檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用上海沃巴弗電子科技有限公司生產(chǎn)的VS35節(jié)氣門(mén)位置傳感器作為角度位移傳感器來(lái)檢測(cè)換擋位置，該傳感器具有如下特點(diǎn)：電磁干擾屏蔽，可靠性高；高精度陶瓷導(dǎo)電塑料電位計(jì)，性能穩(wěn)定，分辨率高，耐磨性好；高精度結(jié)構(gòu)成型，固定安裝孔，操作簡(jiǎn)便。具體參數(shù)如表1所示。該傳感器與變速箱換擋軸連接后，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，由單片機(jī)實(shí)時(shí)采集換擋位置。

表1 VS35節(jié)氣門(mén)位置傳感器

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要是由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。其中，上位機(jī)軟件采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)，在PC機(jī)上執(zhí)行，主要完成向下位機(jī)傳達(dá)指令及接收下位機(jī)反饋的數(shù)據(jù)并計(jì)算顯示測(cè)試結(jié)果；下位機(jī)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，使用keil C51做為開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，目標(biāo)程序在單片機(jī)上運(yùn)行，主要完成換擋時(shí)間的計(jì)量、換擋位置的檢測(cè)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的產(chǎn)生等功能，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心部分。

2.1 最大換擋角度測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

圖6 最大換擋角度測(cè)試的流程圖

最大換擋角度是指換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能運(yùn)動(dòng)的最大角度。最大換擋角度測(cè)試流程圖如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明，用10 kHz，30%占空比的PWM方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 s后，能確保機(jī)構(gòu)運(yùn)行到1擋或2擋的極限位置，然后通過(guò)A/D采集這2個(gè)位置的值，就可以計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的最大換擋角度。在這之前，需要完成對(duì)角位移傳感器的標(biāo)定，即每一物理角度對(duì)應(yīng)A/D后的數(shù)值。

2.2 換擋時(shí)間測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

換擋時(shí)間是指換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)從1擋位置運(yùn)轉(zhuǎn)到2擋位置所需的時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所需的時(shí)間應(yīng)不大于200ms。在變速箱上實(shí)際裝配測(cè)試，1擋到2擋間的換擋角度是45°，換擋時(shí)所受阻力矩約為2N·m。根據(jù)以上要求，在程序中設(shè)定條件如下：換擋角度50°，用測(cè)功機(jī)給換擋機(jī)構(gòu)施加2N·m的阻力矩，PWM波給定為10 kHz，70%占空比的PWM方波，分別從1擋運(yùn)轉(zhuǎn)到2擋，然后再?gòu)?擋運(yùn)轉(zhuǎn)到1擋，計(jì)算2次換擋所需的時(shí)間，再取其平均值作為換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋時(shí)間值。換擋時(shí)間測(cè)試的流程圖如圖7所示。

圖7 換擋時(shí)間測(cè)試流程圖

2.3 最大換擋輸出力檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

最大換擋輸出力是指給機(jī)構(gòu)施加100%占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，機(jī)構(gòu)所能輸出的最大扭矩，設(shè)計(jì)值要求不小于10 N·m。測(cè)試時(shí)，選用0～30 V，最大輸出電流80 A的直流穩(wěn)壓電源，直接給換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)加12 V直流電壓，同時(shí)用測(cè)功機(jī)給機(jī)構(gòu)施加20 N·m的阻力矩，來(lái)測(cè)試此時(shí)機(jī)構(gòu)所能輸出的最大扭矩，流程圖如圖8所示。

圖8 最大換擋輸出力檢測(cè)的流程圖

3 測(cè)試結(jié)果

目前國(guó)內(nèi)對(duì)選換擋機(jī)構(gòu)測(cè)試通常都是搭載到變速箱、實(shí)車(chē)或臺(tái)架上進(jìn)行的，主要考察的是AMT/ EMT換擋品質(zhì)，從選換擋控制可靠性、控制精度、選換擋速度、沖擊度等方面驗(yàn)證AMT/EMT選換擋機(jī)構(gòu)控制策略的準(zhǔn)確性，未見(jiàn)有專(zhuān)門(mén)對(duì)AMT/EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試的報(bào)道。本測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)EMT/AMT類(lèi)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能測(cè)試而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)EMT/AMT類(lèi)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大換擋角度、換擋時(shí)間、最大輸出換擋力的測(cè)試。

最大換擋角度是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)重要指標(biāo)之一，設(shè)計(jì)要求不小于60°。使用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，最大換擋角度達(dá)到67.38°，測(cè)試結(jié)果表明該換擋執(zhí)行結(jié)構(gòu)的最大換擋角度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

換擋時(shí)間是評(píng)估換擋執(zhí)行結(jié)構(gòu)的第2個(gè)重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)要求換擋時(shí)間不大于200ms。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)換擋時(shí)間測(cè)試結(jié)果為：從1擋換到2擋平均時(shí)間為145ms，從2擋換到1擋平均時(shí)間為134ms，總的平均換擋時(shí)間為139ms，測(cè)試結(jié)果表明該換擋時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

最大換擋力設(shè)計(jì)要求不小于10N·m。測(cè)試系統(tǒng)對(duì)最大換擋力的多次測(cè)試都不小于13N·m，測(cè)試結(jié)果表明該最大換擋力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能測(cè)試平臺(tái)采用測(cè)功機(jī)替代變速箱做為模擬負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝在變速箱上進(jìn)行測(cè)試方式所不能完成的最大換擋力及各種換擋阻力下?lián)Q擋時(shí)間和換擋機(jī)構(gòu)輸入功率的測(cè)試；采用上、下位機(jī)工作方式，方便各種測(cè)試參數(shù)的設(shè)置及測(cè)試結(jié)果的反饋顯示。經(jīng)過(guò)多輪設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化，目前已成功研制出EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能簡(jiǎn)易測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可完成EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大換擋角度、換擋時(shí)間、最大輸出換擋力的測(cè)試，其中換擋角度的測(cè)試精度為0.5°，換擋時(shí)間的測(cè)試精度為1ms，換擋力的測(cè)試精度為0.01 N·m。該測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功，對(duì)EMT換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品性能的最終確定和產(chǎn)品的定型起到了有力的支撐作用，同時(shí)為后續(xù)EMT/ AMT類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)提供了基礎(chǔ)。

［1］高瑋，鄒淵，孫逢春.純電動(dòng)公交車(chē)AMT雙參數(shù)換擋最優(yōu)控制［J］.汽車(chē)工程，2016，28（3）：344-349.

［2］周勝，周云山.純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力匹配及計(jì)算仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2013（2）：135-139.

［3］姬芬竹，高峰，吳志新.電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系和整車(chē)質(zhì)量對(duì)續(xù)駛里程的影響［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25（7）：840-843.

［4］王燕，萬(wàn)媛媛.帶二擋變速功能電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2011，243（10）：27-29.

［5］夏致斌，歐陽(yáng)波儀，張銀平.四輪驅(qū)動(dòng)帶高低擋電動(dòng)汽車(chē)變速裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.汽車(chē)工業(yè)研究，2014（10）：57-60.

Developmentofa Simple Test System for Performance Simulation of EMT Actuator

Huang Haibo1,XiongWu1,Lu Jun1,Wang Zhihu2,Gao Yun2,Guo Ruisong2
（1.Schoolof Electrical&Information Engineering,HubeiUniversity of Automotive Technology,Shiyan 442002,China; 2.Dongfeng Automobile Power Parts Co.Ltd.,Shiyan 442000,China）

In order to verify the shift function of themanufactural EMT shiftactuatorand to testwhether itsperformance reaches the preset targetvalue,the performance testsystem platform of EMTshiftactuator was designed,including simulation load,shift actuator control system,shift actuator drive system, test control system and auxiliary support connectionmechanism.The resultshows that the testplatform can be used for performance testing and calibration of the shift actuator,such as themaximum shift force of the actuator,the shift rate and other function testing.Itmeets the performance testing requirementsofEMT shiftactuator,and hasahigh practicalvalue.

EMT;shiftactuator;performance testing system;simulation load

U463.212；TP216

：A

：1008-5483（2017）01-0033-05

2016-11-17

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014CFB378）；湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015HAA049）；

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（D20131802）；智能駕駛控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）開(kāi)放基金項(xiàng)目（ZDK2201402）

黃海波（1974-），男，湖北十堰人，博士，教授，從事信息處理與智能控制方面的研究。E-mail：huang7855@163.com

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.01.008