電動換擋執行機構的動態換擋測量方法

張希

同濟大學，上海 201804

0 引言

近年來，電控換擋執行機構作為汽車電氣化、集成化方向上的重要課題越來越受到業內關注。隨著對其硬件結構、控制算法以及系統能耗方面的深入研究，電控換擋執行機構已被大規模應用到各類車輛的控制系統中，并有望伴隨著汽車智能化的深入發展而發揮更重要的作用。

電動換擋執行機構的動態性能是換擋控制系統標定的重要內容，也是此類機構在應用過程中的難點。通常情況下，電動換擋執行機構的電機主要有永磁同步電機和無刷直流電機兩類，控制器基于電機轉矩與減速機構參數計算機構動態特性。在實際應用中，永磁同步電機和無刷直流電機的轉矩與電樞電流呈近似線性關系[1]，控制器無法通過電樞電流精確獲取電機動態扭矩；對于減速機構，雖然其減速比是固定的，但在多級減速傳動過程中變化的傳動效率以及被放大的輸出扭矩都會導致計算結果與實際出現偏差。

為了解決上述缺陷，實現精準的動態測量。本文針對電動換擋執行機構設計了一款動態換擋測量系統。通過車輛試驗獲取了完整的動態換擋過程。該測量系統能夠有效彌補計算過程的不足，可以為控制系統標定提供準確的試驗數據。

1 電動換擋執行機構的組成

電動換擋執行機構主要包含選、換擋無刷直流電機、內花鍵齒輪、螺紋絲桿、齒條、齒輪、上螺母、下螺母、多頭絲杠、撥指和換擋軸，如圖1所示。當進行換擋動作時，控制器控制換擋無刷直流電機轉動，電機輸出軸通過內花鍵齒輪轉動螺紋絲桿使絲桿上的齒條滑塊沿螺紋絲桿軸向移動。撥指、換擋軸和齒輪為一個整體，當齒條滑塊與換擋軸上端的齒輪嚙合推動齒輪轉動時換擋軸也隨之運動，最終完成撥指轉動。當進行選擋動作時，控制器控制選擋無刷直流電機轉動，電機輸出軸通過花鍵與安裝在保持架內的上、下花鍵齒輪進行傳動。上、下花鍵齒輪中心設計有相反的多線螺紋孔，能夠與多線外螺紋套筒以及保持架配合傳動，將電動機輸出軸的旋轉運動轉化為沿選擋軸的軸向運動。

圖1 換擋執行機構

通過以上對電動換擋執行機構組成的分析，可以發現最終的換擋動作依靠換擋軸實現，設計一套能夠直接測量換擋軸端扭矩的測量系統就能夠對換擋動態過程進行直接測量，進而獲取精確的動態特性曲線。

2 動態換擋測量系統方案設計

2.1 測量系統硬件

測量系統硬件如圖2所示，主要包括工業計算機、采集控制模塊、換擋執行機構控制器、換擋執行機構以及應變片。工業計算機是采集控制模塊的上位機，同時也是采集控制模塊的人機交互平臺；采集控制模塊是測量系統的通信中樞與數據中心，主要負責CAN總線通信以及各類信號的采集；換擋執行機構控制器是換擋執行機構的驅動器，可以按照總線命令驅動執行機構作動；應變片是測量系統的測量元件，負責將受力變形轉化為電壓信號。

圖2 測量系統硬件

2.1.1 應變片

應變片布置在換擋軸上，采用N5K-06-S5103R-350/DG/E4型電阻應變片封裝制作轉矩。單片應變片包含兩根夾角呈90°的敏感柵，其阻值大小為(350±0.002)Ω。單片應變片工作溫度范圍為-75～205 ℃，能夠滿足車載環境工況。敏感柵由高阻金屬絲繞成，用黏合劑粘在兩張基底之中，線柵兩端有銅線作為引線與測量電路連接點。采用全橋模式連接的應變測量具有溫度補償、導線熱效應抵消以及彎曲應變抵消功能[2]，封裝后的應變片如圖3所示。

圖3 應變片封裝示意

2.1.2 采集控制模塊

采集控制模塊使用IMC公司IMC-CS-7008-FD采集設備，該款設備可實現車輛總線通信以及多種類型信號的測量，對車載測試等各種復雜場合具有良好的適應能力，如圖4所示。選用ACC/DSUB-UNI2接口對轉矩傳感器進行電壓模擬量信號測量，應變電路接線定義如圖5所示。設置模擬量通道供電電壓為5 V，采樣頻率為1 kHz。

圖4 采集控制模塊

圖5 應變電路接線定義

2.2 測量系統通信

動態換擋測量系統上位機通過局域網(LAN)與采集控制模塊建立通信。采集控制模塊通過數據庫(DBC)文件與換擋執行機構控制器建立控制器局域網絡(CAN)通信。執行機構控制器使用A4935型集成診斷、通信功能的三相金氧半場效晶體管(MOSFET)驅動器。當系統實現通信后，應變片電壓信號通過采集控制模塊的模擬量通道采集，電機運行數據通過CAN通道采集。至此，測量系統實現了信號的同步采集，并且通過采集總線數據簡化了硬件設置。

2.3 測量系統標定

未經標定的測量系統只能獲得相應的電壓信號，無法實現實際載荷的測量。為此，對測量系統進行靜態標定。按照實際換擋執行機構的受力狀態，將換擋軸水平放置并且將其一端固定，選換擋執行機構標定試驗如圖6所示。根據轉矩等于力與力臂的乘積，通過壓力機將作用力施加到對應撥指的接合點，同時記錄采集的電壓模擬量數據和壓力機載荷數據，作用力和電壓信號的數據見表1。最后，采用最小二乘法確定多項式方程的系數，完成應變電壓信號與載荷信號的關系建立[3]。

圖6 選換擋執行機構標定試驗

表1 作用力和電壓信號的數據

3 試驗結果分析

當車輛在不同道路工況下行駛時，電動換擋執行機構會基于不同策略執行掛擋、摘擋操作。將測量系統安裝到整車，通過道路試驗收集動態換擋數據，整車參數見表2，其中發動機類型為汽油內燃機。

表2 整車參數

各擋位動態換擋實測曲線如圖7所示，各擋位動態換擋計算曲線如圖8所示。

通過對比換擋測量曲線以及計算曲線可以發現，測量曲線有以下3點優勢：

(1)得益于獨立的采樣通道和較高的采樣頻率，測量曲線能夠更好顯示動態特性，測量掛擋力、摘擋力相比計算曲線更精確；

(2)與計算曲線相比，測量曲線避免了電機瞬態大電流的影響，這使得測量曲線剔除了干擾波形;

(3)在換擋極限位置測量曲線由于不受到磁場間隙的影響，所以沒有突變信號，使得極限位置界定更為明確。

圖7 各擋位動態換擋實測曲線

圖8 各擋位動態換擋計算曲線

4 結束語

本文搭建的測量系統通過與整車總線的通信簡化了硬件，使其具有較高的集成性和通用性。該測量系統能夠有效彌補現有計算過程的不足，對優化控制標定過程具有一定應用價值。作為控制系統標定的重要內容，該套測量方案對延長執行機構壽命周期以及優化控制系統可靠性具有指導作用。