变速器电液系统分析及颤振电流控制

肖文颖，姜立标

(广东科学技术职业学院，广东珠海 519090)

变速器电液系统分析及颤振电流控制

肖文颖，姜立标

(广东科学技术职业学院，广东珠海 519090)

电液系统是自动变速器的最重要组成部分，它主要由电磁阀、换挡阀、离合器三部分组成，涉及到电子、机械、液压多个物理领域。从动力学的角度分析该系统的动态特性可以提高离合器的控制精度。通过对电液系统的结构进行建模和仿真分析，得到了电液系统的压力与电流的特性曲线，并发现了压力滞环效应。通过分析滞环产生的原因，提出了电磁阀电流的颤振控制，并分析了电磁阀颤振控制的原理。并进行压力滞环实验，验证了颤振电流可以明显减小压力滞缓、提高离合器的压力控制精度。

自动变速器;电液系统;电磁阀;压力滞环;颤振电流

液力自动变速器是集机械、液压、控制于一体的复杂系统，是整车的最为关键的零部件。其性能直接影响着整车的换挡舒适性和经济型。而电液系统又是自动变速器的核心关键技术，随着自动变速器的轻量化、智能化［1－3］的发展趋势，对其电液控制系统的要求也越来越高。不仅要求液压系统的结构简单，而且还需要较高的控制稳定性和较快的响应速度，这样就对控制系统提出了更高的要求。文中通过对变速器的电液系统的结构进行建模分析，得到了压力电流特性。滞环效应是变速器电液系统不可避免的一个特性，它影响着电流和压力的精确控制。文中从电磁阀的电流控制角度，分析了颤振电流实现原理，并通过实验验证颤振电流可以非常明显地减小离合器压力滞环的影响，从而提高离合器压力控制精度。

1 变速器电液系统结构原理图

图1为自动变速器液压系统中离合器控制部分。通过电磁阀的电流控制换挡阀B口的先导油压来调节其阀芯的位置，从而改变P口阀边缘开度来实现离合器压力的调节。A口与系统的主油压相连，油压在0.8～2 MPa之间，与发动机的转速相关。T口为离合器的卸油口，油通过单向阀流向油底壳。C口压力由跛行回家阀控制，正常模式下压力为0，在跛行回家模式下，不依靠电磁阀的先导油压［4］，而直接通过跛行回家油压手动控制可实现离合器的接合和分离。

图1 离合器控制系统结构

2 电磁阀建模

电磁阀是离合器压力控制的起源，从图2可知，离合器控制过程是从电磁阀的先导压力到换挡阀的出口压力，最后再到离合器压力。因此分析电磁阀的压力响应特性是优化离合器充油过程的前提。图2为一款高速比例电磁阀结构图，主要用于各种要求高精度压力控制场合。它是一种常开阀，主要由线圈、衔铁、弹簧、阀芯等组成。其工作原理是通过调节线圈的电流，改变通过衔铁的磁场强度，在电磁力和弹簧力的合作用力下改变衔铁的位移。衔铁可以推动阀芯移动，从而调节电磁阀阀口的开度，实现压力的调节［5－6］。

图2 可变力电磁阀结构图

可变力电磁阀的动力学特性可以以阀芯为受力对象并描述为方程 (1)的形式:

其中:AV_f为电磁阀反馈压力截面积;pV_O为电磁阀输出压力。

3 离合器换挡阀建模

图3为离合器换挡阀的结构图。它为双阀芯结构，m1为先导阀芯，m2为主阀芯。采用双阀芯结构是为了能够在电控系统失效而无法控制B口的先导压力时，通过C口的安全压力控制主阀芯m2，保证A口的正常离合器压力。

图3 换挡阀结构图

可以分别以先导阀芯和主阀芯为受力对象建立动力学方程:

其中:s为阀芯与阀体的安装间隙，η为流体的运动黏度。

4 离合器动态系统建模

根据图1的离合器结构图，在充油过程中，ATF油经过变速器油道从B口进入到活塞缸内，推动活塞右移并最终压紧离合器片。该过程可以用如下的动力学方程描述:

其中:m为活塞缸质量;Ap为活塞截面积;pc为离合器组件旋转时产生的ATF油平均压力;pp为ATF油压;kp，bp分别为膜片弹簧的刚度和阻尼;FApp为离合器摩擦片之间压力;Fseal为O形密封圈的摩擦力。

图4 离合器的压力电流特性仿真结果

图4为电磁阀电流从0到1 300 mA之间RAMP上升和下降过程的压力仿真结果。可以看出:离合器压力的开启点Io在300 mA附近，它表示电磁阀需要300 mA的电流产生的电磁阀力来克服电磁阀的阻力，并使先导压力克服换挡阀的阻力打开阀口P。在电流上升和下降的过程中，压力存在滞环效应，相同的控制电流，上升过程与下降过程存在压力差phy，这将影响液压系统的压力控制精度。

5 电磁阀电流控制

电磁阀的电气特性可以看成一个电感和电阻的串联，因此工程中比例电磁阀一般采用直流电源供电，通过低端驱动方式控制PWM波的占空比，来实现电流的控制。PWM是控制器最基本的功能之一，可以通过芯片的PWM模块的寄存器设置来改变PWM波形的占空比和频率特性;另外也可以通过芯片的IO端口，配合定时模块也能够实现PWM波的输出。但是该控制方式没有电流反馈，难以实现电流的闭环控制。采用如图5所示的恒流控制模式实现电流的闭环控制。它有一个电流采样电阻用来检测电流，并与目标电流进行PI控制。另外它还可以设定KP和KI参数，来优化电磁阀的电流控制，提高响应速度和稳定速度。

图5 电磁阀恒流控制工作流程

5.1 PWM占空比的自动调节

在电流的PI闭环控制下，根据设置的电流与反馈的电流值，PWM波的占空比可以自动调节。如图6所示为控制电流的瞬态模式状态图，电磁阀电流在稳定状态下，PWM的占空比保持不变。从稳态电流Ⅰ到稳态电流Ⅱ的这个过程，PWM波形主要经历3个阶段:

A阶段。芯片接收到新的电流指令Ⅱ后，如果当前OUT引脚的PWM周期没有结束，则需要等到直到下一个周期开始，则进入B阶段。

B阶段。在该阶段，为了能够让电磁阀电流迅速达到目标值CurrentⅡ，将图5中的OUT引脚直接设置为高电平，当电流值达到目标值时进入C阶段。

C阶段。C阶段的主要作用是为了保证在下一个周期到来之前，电磁阀的电流能够保持在目标值电流指令Ⅱ附近。

图6 电流闭环控制原理

5.2 颤振电流的实现原理

当改变电流时，阀芯要先克服静摩擦，从静止状态开始动作，即产生“黏滞”效应，阀芯的响应速度和灵敏度会有所降低;给阀芯施加小幅振动信号，使其始终处于运动状态，将静摩擦转换为动摩擦，从而改善其响应速度和灵敏度，减小滞后。这个小幅振动即“颤振”。

影响颤振电流的主要参数有颤振幅值和频率，颤振电流控制的实现依赖于图5所示的控制原理。颤振电流的波形为正弦波。根据设置颤振电流的频率和幅值 (50 Hz，50 mA)，在每个颤振周期内，分别计算各个PWM周期的目标电流值Ik如图7所示，从而控制图5的OUT引脚PWM波的占空比，实现颤振电流的控制。从图7可以看出:虽然目标电流值是固定的，但是由于颤振控制的影响，PWM的占空比在一个颤振周期内均是变化的。

图7 颤振电流实现原理

5.3 电磁阀颤振电流控制测试

图8为电磁阀的颤振电流控制实验，目标控制电流为650 mA。

图8 电磁阀颤振电流实验

在无颤振控制时，OUT引脚的PWM的占空比为固定值，电磁阀实际测得的电流值与目标值相等。在颤振控制使能后，OUT引脚的PWM的占空比将不再固定，电磁阀的电流将在650 mA附近做正弦振动，同时由于占空比的不断变化，使得电磁阀电流在局部范围内不断抖动，这可以使得电磁阀阀芯一直处于微小动摩擦阶段，可以很大程度上提高电磁阀的响应速度。

6 颤振对变速器液压系统影响实验

图9为电磁阀在有无颤振电流的控制下离合器的压力滞环实验。实验过程采用图4所示的电流控制方式。在电流上升过程中的离合器压力比电流下降过程中的离合器压力要大，而且离合器的滞环压力存在一个“双峰”现象。这是因为离合器活塞在运动过程中，从图3中P口到离合器活塞缸的ATF油发生变化，导致离合器压力随着活塞的运动而发送变化。对比有无颤振电流下的滞环压力曲线，容易看出有颤振电流可以非常明显地减小滞环压力的大小，从而可以提高电磁阀对离合器压力的控制精度。

图9 颤振电流对滞环效应的影响

7 结论

(1)从电液系统的结构角度，建立了液压系统及电磁阀的动力学模型，并通过仿真得到了电液系统的压力电流特性曲线。

(2)分析了电磁阀的低端恒流控制及颤振电流控制原理，并通过实验获得了颤振电流特性。

(3)通过有无颤振电流的离合器压力滞环实验，验证了颤振电流对减小滞环效应的作用，可以提高离合器压力控制精度。

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Transm ission Electro-hydraulic System Analysis and Current Dither Control

XIAOWenying，JIANG Libiao
(Guangdong Institute of Science and Technology，Zhuhai Guangdong 519090，China)

The electro-hydraulic system is one of themost important parts of automatic transmission.Itmainly includes solenoid valve，shift valve and clutch which，involving in electronic，mechanical，and hydraulic fields.The accuracy of clutch pressure control can be improved by analyzing the dynamic characteristics of this the electro-hydraulic system.Throughmodeling and simulation analysis，the characteristic curves of current and pressure were obtained.Simultaneously，the effect of pressure hysteresis was found.After analyzing the reason of pressure hysteresis，the dither current control of solenoid value was put forward，and the principle of dither current controlwas introduced.Finally，the result that the dither current control can reduce the effect of pressure hysteresis is verified by the pressure hysteresis test.Itmeans the dither current control can improve the accuracy of pressure control.

Automatic transmission;Electro-hydraulic system;Solenoid valve;Pressure hysteresis;Dither current

U463.22

A

1001－3881(2014)10－140－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.043

2014－02－21

肖文颖 (1980—)，工学硕士，讲师，研究方向为汽车检测技术、汽车电控技术。E－mail:376750@qq.com。