基于dSPACE的EMT臺(tái)架測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜常清，陳永春 ，武冬梅，郭 迪，萬(wàn)四禧

（1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070；2.東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心，武漢 430070）

電驅(qū)動(dòng)機(jī)械式自動(dòng)變速器EMT（electric-drive mechanical transmission）將驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成到自動(dòng)變速器中，機(jī)械同步器由嚙合套代替，傳統(tǒng)離合器承擔(dān)接合、分離驅(qū)動(dòng)力的作用轉(zhuǎn)變?yōu)槌袚?dān)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)動(dòng)力傳遞和耦合的作用，將電機(jī)輸出軸與變速器輸入軸直接相連，EMT電機(jī)除能夠提供驅(qū)動(dòng)力外還起到調(diào)速作用，在換檔時(shí)由傳統(tǒng)的被動(dòng)摩擦改為主動(dòng)摩擦，利用電機(jī)迅速準(zhǔn)確的響應(yīng)特性，調(diào)整其轉(zhuǎn)速即輸入軸轉(zhuǎn)速到滿(mǎn)足換檔條件，從而實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確換檔[1-2]。EMT繼承了AMT的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又避免了AMT換檔中斷、換檔時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。換檔品質(zhì)是EMT系統(tǒng)的關(guān)鍵，為研究EMT換檔情況，建立了EMT測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架，在試驗(yàn)過(guò)程中，需要直觀顯示換檔過(guò)程，采集換檔關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析換檔品質(zhì)，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 EMT臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)

本文所搭建的測(cè)試臺(tái)架包括EMT及其控制系統(tǒng)、負(fù)載電機(jī)及其控制系統(tǒng)、聯(lián)軸器、高壓電池組及BDU、PLC換檔控制器、dSPACE實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、低壓供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。

動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試中，需要使用測(cè)功機(jī)，目前主流的測(cè)功機(jī)成本昂貴，在試驗(yàn)臺(tái)架模擬真實(shí)的換檔過(guò)程中，變速器輸出軸由于沒(méi)有慣性負(fù)載導(dǎo)致?lián)Q檔時(shí)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，這與真實(shí)的換檔過(guò)程相差甚大，因此試驗(yàn)時(shí)采用另一臺(tái)電機(jī)作為負(fù)載電機(jī)（測(cè)功機(jī)），換檔時(shí)，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速不變即保持車(chē)速不變。EMT測(cè)試臺(tái)架對(duì)2個(gè)電機(jī)軸的對(duì)中要求極高，若未嚴(yán)格對(duì)中，試驗(yàn)時(shí)可能發(fā)生聯(lián)軸器甩出等危險(xiǎn)，因此在試驗(yàn)前需嚴(yán)格進(jìn)行電機(jī)軸對(duì)中校準(zhǔn)。EMT測(cè)試臺(tái)架原理如圖1所示。

圖1 EMT測(cè)試臺(tái)架原理Fig.1 Principle diagram of the EMT test bench

2 EMT臺(tái)架測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng)

本文所建立的EMT測(cè)試臺(tái)架使用PLC換檔控制器，PLC控制器不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集功能，使用dSPACE硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)電機(jī)、換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電池等系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷以及換檔數(shù)據(jù)采集等功能，保證EMT臺(tái)架正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)控制和良好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)[3-4]。本文使用dSPACE平臺(tái)的工作步驟為①在Matlab/Simulink中建立監(jiān)控模型；②配置I/O接口，本文使用的是CAN總線接口；③實(shí)時(shí)代碼生成并下載到dSPACE中；④利用Controldesk軟件進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

2.1 dSPACE簡(jiǎn)介

德國(guó)dSPACE公司基于Matlab/Simulink開(kāi)發(fā)的半實(shí)物仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了和Simulink的無(wú)縫連接，該平臺(tái)硬件可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠進(jìn)行高速運(yùn)算處理，平臺(tái)配備有豐富的I/O口，控制軟件界面友好，在Simulink中建立模型，利用自動(dòng)代碼生成將模型下載到dSPACE中即可。dSPACE提供了綜合交互軟件Controldesk，只需在其中搭建簡(jiǎn)單的可視化模型，便可以方便快捷地建立監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)試模型、數(shù)據(jù)采集等交互功能。

2.2 監(jiān)控模型建立

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)利用CAN總線進(jìn)行通信，使用DS1103中的RTI.CAN模塊接收從EMT電機(jī)控制器、負(fù)載電機(jī)控制器、電池BDU、PLC發(fā)出的報(bào)文，實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)容包括EMT電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流、溫度、故障等指標(biāo)；負(fù)載電機(jī)運(yùn)行模式、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、自檢、故障等指標(biāo)；電池SOC、電壓、電流、最高（最低）單體溫度、電壓等指標(biāo)；PLC發(fā)出的檔位位置、4個(gè)電磁閥狀態(tài)、油泵壓力等換檔信號(hào)。

CAN-CONTROLLER SET UP為dSPACE使用CAN通信的配置模塊，設(shè)置波特率250 kb/s，根據(jù)ID不同，共使用8個(gè)RTI.CAN接收模塊，其中負(fù)載電機(jī)4個(gè)，EMT電機(jī)2個(gè)，PLC 1個(gè)，電池BDU 1個(gè)。以負(fù)載電機(jī)為例，需設(shè)置幀格式為擴(kuò)展幀，地址為OX0CFF32F0，在信息配置頁(yè)分別為每個(gè)信號(hào)設(shè)置起始位、分配位長(zhǎng)度、確定比例因子和偏移量，根據(jù)負(fù)載電機(jī)CAN協(xié)議，在Byte layout中需要選擇bid-endian即大端模式 （否則顯示數(shù)據(jù)會(huì)顛倒），具體設(shè)置如圖2所示。同理為其他7個(gè)接收模塊做好配置，其中EMT的Byte layout為小端模式，其余均為大端模式。在Simulink中配置好所有的模塊后利用自動(dòng)代碼生成將模型下載到dSPACE中。

圖2 RTI.CAN設(shè)置Fig.2 Setting of RTI.CAN

2.3 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

本文所述EMT設(shè)計(jì)了4個(gè)前進(jìn)檔（速比分別為3.182、1.895、1.346、1.03），1 個(gè)倒檔 （速比為 3.109）和1個(gè)空檔以便怠速換檔，主減速器速比為4.313，換檔過(guò)程采用單參數(shù)換檔，即以轉(zhuǎn)速作為換檔條件（利用傳感器讀取主減速器轉(zhuǎn)速信號(hào)），換檔品質(zhì)從簡(jiǎn)單實(shí)用的角度出發(fā)，選取了換檔時(shí)間作為換檔品質(zhì)的指標(biāo)。

換檔時(shí)間由退檔時(shí)間、選檔時(shí)間、調(diào)速時(shí)間以及進(jìn)檔時(shí)間4部分構(gòu)成。以一檔換二檔為例，首先換檔電磁閥1、2置位（換檔電磁閥1=1、換檔電磁閥2=1），發(fā)出退檔命令，開(kāi)始計(jì)時(shí)，待檔位傳感器反饋確定為空檔時(shí)，得到退檔時(shí)間T1；進(jìn)入空檔后，根據(jù)目前的轉(zhuǎn)速情況系統(tǒng)進(jìn)行選檔操作（選檔電磁閥1=1，選檔電磁閥2=1），選檔執(zhí)行完得到選檔時(shí)間T2；選檔完成后PLC向EMT電機(jī)控制器發(fā)出調(diào)速指令，電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速目標(biāo)為EMT輸出軸轉(zhuǎn)速在對(duì)應(yīng)檔位下的輸入軸轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足換檔要求（輸入、輸出軸轉(zhuǎn)速差值絕對(duì)值≤50 r/min即視為調(diào)速完成），待調(diào)速完成時(shí)得到調(diào)速時(shí)間T3；最后進(jìn)二檔，控制器發(fā)出換二檔指令（選檔電磁閥1=0、選檔電磁閥2=1、換檔電磁閥1=1、換檔電磁閥2=0），待檔位傳感器確認(rèn)換檔完成得到進(jìn)檔時(shí)間T4。換檔時(shí)間T=T1+T2+T3+T4。換檔邏輯如表1所示，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)檔位關(guān)系如表2所示。

表1 換檔邏輯Tab.1 Shift logic

表2 主減速器轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)檔位關(guān)系Tab.2 Relationship between the main reducer rotation speed and the gear

根據(jù)上述換檔分析，試驗(yàn)過(guò)程中除了監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行外還需要直觀反映出負(fù)載電機(jī)和EMT電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況，以便判斷是否達(dá)到換檔條件。在換檔過(guò)程中，根據(jù)換檔邏輯，需要顯示4個(gè)電磁閥的置位情況以反映不同檔位。而在分析換檔時(shí)間時(shí)，需要分別得出退檔T1、選檔T2、調(diào)速T3、上檔T44部分時(shí)間以便分析換檔規(guī)律，通過(guò)不同檔位下4個(gè)電磁閥的組合位置與傳感器的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)換檔過(guò)程時(shí)間分布的測(cè)量。

換檔試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)需要保證完整監(jiān)控臺(tái)架系統(tǒng)各部分工作狀態(tài)，并且需要直觀地反映換檔過(guò)程，容易計(jì)算出換檔時(shí)各個(gè)階段所用的時(shí)間。使用Controldesk軟件將負(fù)載電機(jī)和EMT電機(jī)轉(zhuǎn)速在與同一個(gè)顯示圖關(guān)聯(lián)顯示，4個(gè)電磁閥組合的狀態(tài)也呈現(xiàn)在顯示圖中，再將dSPACE從PLC、負(fù)載電機(jī)控制器、EMT控制器和電池收到的需要監(jiān)控的量與狀態(tài)塊關(guān)聯(lián)顯示。

3 臺(tái)架測(cè)試試驗(yàn)

利用本文所設(shè)計(jì)的基于dSPACE的EMT臺(tái)架監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)EMT換檔試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試

低壓系統(tǒng)上電時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)便連通工作，系統(tǒng)能夠顯示低壓反饋的信號(hào)，完成高壓上電后，系統(tǒng)能夠顯示高壓系統(tǒng)反饋信號(hào)。在Controldesk軟件中，選擇測(cè)量模式能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，而選擇記錄模式時(shí)能將系統(tǒng)中顯示圖中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整保存下來(lái)，試驗(yàn)結(jié)束后可以回看試驗(yàn)過(guò)程，并可以將保存的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以多種形式導(dǎo)出到其他平臺(tái)中，以便進(jìn)一步分析。在進(jìn)行換檔試驗(yàn)時(shí)，我們通過(guò)監(jiān)控界面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀況，若出現(xiàn)故障，能夠直接找到故障原因并排除故障。通過(guò)轉(zhuǎn)速顯示圖，能夠直觀清晰地看到換檔過(guò)程中EMT電機(jī)和負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速走勢(shì)，直觀地反映了換檔過(guò)程；通過(guò)電磁閥狀態(tài)顯示圖，可以看到換檔操縱機(jī)構(gòu)的執(zhí)行順序。實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與分析

為了進(jìn)一步分析換檔過(guò)程，試驗(yàn)時(shí)選擇記錄模式保存顯示圖中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文將試驗(yàn)數(shù)據(jù)以mat格式導(dǎo)入到Matlab中。

圖4以三檔退二檔、二檔退一檔為例，顯示EMT電機(jī)和負(fù)載電機(jī)在換檔試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變換，從圖中能夠很明顯地看到2次速度的迅速拉升，即在2個(gè)退檔過(guò)程中的EMT的換檔過(guò)程。

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)Fig.3 State diagram of real-time monitoring

圖4 轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Curve of speed change

圖5為以三檔退二檔為例，分析了從三檔退二檔的過(guò)程以及各電磁閥的置位情況：控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到換檔條件時(shí)，首先執(zhí)行退空檔（換檔電磁閥1、2置位）操作，退空檔時(shí)間T1約為100 ms；退檔完成后隨即進(jìn)行選檔操作（從三檔退二檔時(shí)選檔電磁閥1、2置位），選檔時(shí)間非常短，從圖中可看出選檔時(shí)間小于50 ms；選檔完成后EMT電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，即圖4中EMT電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升到滿(mǎn)足換檔條件部分，在該試驗(yàn)條件下調(diào)速時(shí)間約為150 ms；完成調(diào)速后，最后執(zhí)行進(jìn)二檔操作（換檔電磁閥1置位，換檔電磁閥2復(fù)位），進(jìn)檔過(guò)程約100 ms。綜上從三檔退二檔過(guò)程中，經(jīng)歷退空檔、選檔、調(diào)速、進(jìn)檔4個(gè)過(guò)程，本次試驗(yàn)條件下，從三檔退到二檔時(shí)間約為400 ms，從換檔時(shí)間來(lái)看，EMT擁有較好的換檔。

圖5 換檔過(guò)程電磁閥狀態(tài)圖Fig.5 State graph of electromagnetic valve during shifting process

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于dSPACE的EMT臺(tái)架監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)了對(duì)EMT臺(tái)架試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，直觀顯示了換檔過(guò)程，實(shí)時(shí)性好；采集了換檔過(guò)程中負(fù)載電機(jī)和EMT電機(jī)轉(zhuǎn)速變化以及電磁閥狀態(tài)數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、完整；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，得到檔位的各部分以及整個(gè)換檔時(shí)間，所測(cè)EMT具有較好的換檔品質(zhì)。所建立的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有助于EMT臺(tái)架后續(xù)的研究。

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