自动变速器电磁阀液压测试的数据采集系统设计

杨利州 谭光兴 钟耀文 杨叙

1.广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州 545000；2.广州花都全球自动变速箱有限公司，广东广州 510000

0 前言

从第一台自动变速器诞生至今，自动变速器技术一直在改进和发展[1]。自动变速器的内部构造非常复杂，如果变速器出现了故障，维修的困难程度很大，而换新设备的价格也非常昂贵，所以变速器的维修一直是需要克服的难题[2]。电磁阀是自动变速器的核心零部件之一，很多变速器的故障都与电磁阀有关[3]，所以在变速器的维修过程中，对电磁阀的检测就会显得尤为重要。

传统的电磁阀检测设备自动化程度低，并且检测设备成本高[4]，检测方法主要是工作人员根据经验总结对可能出现的问题进行判断维修，或者用同类型的电磁阀进行替换。目前，电磁阀主要来自进口，购买的价格比较昂贵，如果在维修的过程中判断错误，那么很可能会带来高额的成本。

现在出现的自动变速器电磁阀检测系统利用系统控制和数字信号处理等理论作为基础，并结合相关的传感器和通讯等技术[5]，能够实时地对电磁阀的性能进行快速及准确地检测，这样不仅降低了工作人员对变速器的维修难度，还提高了对问题诊断的准确性，延长了变速器的使用寿命，减少了资源的浪费。

现在对自动变速器电磁阀检测系统的研究越来越广泛，在此背景下，设计了一个能够稳定输出并实时采集压力信号的数据采集系统。

1 系统硬件设计

自动变速器电磁阀液压测试的数据采集系统主要包括4部分的硬件电路，分别是保护电路、电机驱动电路、电磁阀液压系统电路和数据采集电路。

1.1 保护电路

实验过程中，人身安全是第一位的，所以保护电路中接入了漏电断路器，它能够在人触电的时候迅速切断电源，保障人身安全。在设备调试和实验的过程中，需要频繁地启动硬件电路的电源，所以需要在电路中接入交流接触器，它能够实现远距离频繁地控制交流电动机的启停。保护电路如图1所示。

1.2 电机驱动电路

电机是由变频器进行驱动的，变频器能够将交流电变为频率可调的三相交流电。它的操作面板上有按键和显示屏，通过按键能够进行运行操作或者功能设置，显示屏能够显示运行状态数据和各种参数。电机驱动电路如图2所示。

1.3 电磁阀液压系统电路

电磁阀液压系统原理如图3所示。图中以电机为驱动，使得油箱里的液压油经过液压泵加压后流向直动溢流阀，再经过直动溢流阀定压溢流之后流向压力调节阀，在这里可以通过外接稳压电源来对流过压力调节阀的电流进行调节，以此达到调节其输出端压力大小的作用。在工装台的正确位置装入被测试的电磁阀，在其入口处和出口处分别接有压力传感器，油液最后经过压力传感器流回到油箱中，形成一个完整的回路。

1.4 数据采集电路

实验中，利用数据采集卡来对压力和电流等信号进行采集，并通过串口通信将处理后的结果传输到上位机软件上进行波形显示与数据存储。数据采集电路如图4所示。

2 卡尔曼滤波

实验中测得的数据在采集过程中会有很多的噪声和误差，所以选择卡尔曼滤波算法来对数据进行滤波处理，使得数据更加接近真实值。

卡尔曼滤波算法是由KALMAN R E等人[6]在1960年提出的，它主要进行两个过程，首先，对系统进行预测，包括状态预测和误差协方差预测，然后，根据观测值和预测值对系统的状态进行更新，包括滤波增益、后验估计值和误差协方差更新。

算法的具体步骤如下[7]：

状态预测：

A——系统的矩阵；

B——输入矩阵；

uk-1——k-1时刻的输入；

wk——量测高斯白噪声。

误差协方差预测：

Q——过程噪声协方差矩阵。

滤波增益：

其中，Kk——滤波增益矩阵；

H——状态变量的雅克比矩阵；

R——测量噪声协方差矩阵。

后验估计值：

其中，Zk——k时刻的量测输出变量；

误差协方差更新：

其中，I——单位向量。

3 实验数据分析

因为图3中压力调节阀的输出端压力可视为液压系统的压力，所以，通过对压力调节阀的输出端压力进行采集，可以分析自动变速器电磁阀液压测试数据采集系统的稳定性和可控性。液压系统主要器件实物如图5所示，实验中用到的待测电磁阀如图6所示，待测电磁阀安装位置的工装台如图7所示。

3.1 数据采集系统稳定性分析

因为被测件的要求，并通过实验验证，需要把图3中压力调节阀的输入端压力设为0.9 MPa左右，因为在这个压力值下压力曲线波动比较小，测量的压力更加稳定，实验结果更加准确。压力调节阀的实物安装位置如图8所示。

具体操作步骤是通过调节变频器使机械压力表上的压力值在0.9 MPa左右，用压力传感器采集压力调节阀的输出端压力，连续采样12小时，并通过串口通信将采集到的数据传输到上位机。用卡尔曼滤波算法对采集的压力数据进行滤波处理，得出压力调节阀输出端的压力变化曲线，如图9所示。

从图9可以得出，变速箱在接通电源开始运行的时候，压力调节阀输出端压力会出现衰减的趋势，这可能和图3油箱中油的温度有关，因为随着变速箱运行时间的增加，油箱中的油温会有所提升。刚开始，油的温度比较低，在启动变速箱之后，油温增加的会比较快，所以压力值衰减的速率比较大。但是，当运行一段时间之后，油温增加的越来越缓慢，这就会使得压力曲线逐渐趋于平缓，压力值稳定在0.76 MPa左右。由此对设计的自动变速器电磁阀液压测试的数据采集系统的稳定性进行了证明。

3.2 数据采集系统可控性分析

实验用到多项式拟合的方法来得到图3中压力调节阀输出端压力与流过其电流的P-I曲线，从而建立压力与电流的数学关系式，以此来对自动变速器电磁阀液压测试的数据采集系统的可控性进行分析。

调节变频器，使得压力调节阀的输入端压力在0.9 MPa左右，用压力传感器采集图3中压力调节阀的输出端压力，并通过串口通信将采集到的数据传输到上位机，期间会通过稳压电源每隔5 min以10 mA为单位调节一次流过压力调节阀的电流，电流调节范围是0～1 A。用卡尔曼滤波算法对采集的压力数据进行滤波处理，得出压力调节阀输出端的压力变化曲线，如图10所示。

每个电流值对应52,760个左右采样点，从图10可以得出，随着流过图3中压力调节阀的电流不断增大，其输出端压力逐渐减小，最后电流在0.6 A的时候，压力稳定在0.0023 MPa左右。这说明，流过压力调节阀电流的调节范围是0～0.6 A。

用每个电流值下的压力数据分别绘制曲线，然后在每个曲线上取3个点，其他曲线对应采样点处同样取点，一个采样点处不同电流下的压力值为一组数据，共3组。因为在0.6 A往后，流过压力调节阀电流值的改变对其输出端的压力几乎没有影响，所以每组数据从0.01 A取值到0.6 A，为60个点，3组数据总共180个点。对这3组数据分别进行多项式拟合，得到压力调节阀输出端压力与流过其电流的P-I曲线和数学关系式。

第1组数据压力与电流的P-I曲线如图11所示。

第1组数据压力与电流的数学关系式为：

第2组数据压力与电流的P-I曲线如图12所示。

第2组数据压力与电流的数学关系式为：

第3组数据压力与电流的P-I曲线如图13所示。

第3组数据压力与电流的数学关系式为：

因为流过压力调节阀电流在0.58 A往后，压力的拟合值小于0，所以每组数据从0.01 A取值到0.58 A，求得压力调节阀输出端压力的卡尔曼估计值与多项式拟合值的标准差如表1所示。

表1 卡尔曼估计值与拟合值的标准差

通过对3组数据的拟合结果分析可知，3组压力数据的卡尔曼估计值与拟合值的标准差都在0.0315左右，在可接受的范围之内，并且通过P-I曲线得出了3组数据的压力与电流的数学关系式。由此可知，通过稳压电源改变流过压力调节阀的电流能够稳定地改变其输出端压力，也就是液压系统的压力，证明了自动变速器电磁阀液压测试数据采集系统的可控性以及控制稳定性。

4 结论

实验在液压系统的基础上增加了外部硬件电路，从而完成了对数据采集系统的设计，并且通过实验证明了系统能够利用压力调节阀产生比较稳定的压力信号，同时也能利用外接电源对其进行稳定的控制。后期还可以在此基础上增加其他的控制模块，使得系统具备更多的功能和为电磁阀模拟更多的工作环境。