电动换挡执行机构的动态换挡测量方法

张希

同济大学，上海 201804

0 引言

近年来，电控换挡执行机构作为汽车电气化、集成化方向上的重要课题越来越受到业内关注。随着对其硬件结构、控制算法以及系统能耗方面的深入研究，电控换挡执行机构已被大规模应用到各类车辆的控制系统中，并有望伴随着汽车智能化的深入发展而发挥更重要的作用。

电动换挡执行机构的动态性能是换挡控制系统标定的重要内容，也是此类机构在应用过程中的难点。通常情况下，电动换挡执行机构的电机主要有永磁同步电机和无刷直流电机两类，控制器基于电机转矩与减速机构参数计算机构动态特性。在实际应用中，永磁同步电机和无刷直流电机的转矩与电枢电流呈近似线性关系[1]，控制器无法通过电枢电流精确获取电机动态扭矩；对于减速机构，虽然其减速比是固定的，但在多级减速传动过程中变化的传动效率以及被放大的输出扭矩都会导致计算结果与实际出现偏差。

为了解决上述缺陷，实现精准的动态测量。本文针对电动换挡执行机构设计了一款动态换挡测量系统。通过车辆试验获取了完整的动态换挡过程。该测量系统能够有效弥补计算过程的不足，可以为控制系统标定提供准确的试验数据。

1 电动换挡执行机构的组成

电动换挡执行机构主要包含选、换挡无刷直流电机、内花键齿轮、螺纹丝杆、齿条、齿轮、上螺母、下螺母、多头丝杠、拨指和换挡轴，如图1所示。当进行换挡动作时，控制器控制换挡无刷直流电机转动，电机输出轴通过内花键齿轮转动螺纹丝杆使丝杆上的齿条滑块沿螺纹丝杆轴向移动。拨指、换挡轴和齿轮为一个整体，当齿条滑块与换挡轴上端的齿轮啮合推动齿轮转动时换挡轴也随之运动，最终完成拨指转动。当进行选挡动作时，控制器控制选挡无刷直流电机转动，电机输出轴通过花键与安装在保持架内的上、下花键齿轮进行传动。上、下花键齿轮中心设计有相反的多线螺纹孔，能够与多线外螺纹套筒以及保持架配合传动，将电动机输出轴的旋转运动转化为沿选挡轴的轴向运动。

图1 换挡执行机构

通过以上对电动换挡执行机构组成的分析，可以发现最终的换挡动作依靠换挡轴实现，设计一套能够直接测量换挡轴端扭矩的测量系统就能够对换挡动态过程进行直接测量，进而获取精确的动态特性曲线。

2 动态换挡测量系统方案设计

2.1 测量系统硬件

测量系统硬件如图2所示，主要包括工业计算机、采集控制模块、换挡执行机构控制器、换挡执行机构以及应变片。工业计算机是采集控制模块的上位机，同时也是采集控制模块的人机交互平台；采集控制模块是测量系统的通信中枢与数据中心，主要负责CAN总线通信以及各类信号的采集；换挡执行机构控制器是换挡执行机构的驱动器，可以按照总线命令驱动执行机构作动；应变片是测量系统的测量元件，负责将受力变形转化为电压信号。

图2 测量系统硬件

2.1.1 应变片

应变片布置在换挡轴上，采用N5K-06-S5103R-350/DG/E4型电阻应变片封装制作转矩。单片应变片包含两根夹角呈90°的敏感栅，其阻值大小为(350±0.002)Ω。单片应变片工作温度范围为-75～205 ℃，能够满足车载环境工况。敏感栅由高阻金属丝绕成，用黏合剂粘在两张基底之中，线栅两端有铜线作为引线与测量电路连接点。采用全桥模式连接的应变测量具有温度补偿、导线热效应抵消以及弯曲应变抵消功能[2]，封装后的应变片如图3所示。

图3 应变片封装示意

2.1.2 采集控制模块

采集控制模块使用IMC公司IMC-CS-7008-FD采集设备，该款设备可实现车辆总线通信以及多种类型信号的测量，对车载测试等各种复杂场合具有良好的适应能力，如图4所示。选用ACC/DSUB-UNI2接口对转矩传感器进行电压模拟量信号测量，应变电路接线定义如图5所示。设置模拟量通道供电电压为5 V，采样频率为1 kHz。

图4 采集控制模块

图5 应变电路接线定义

2.2 测量系统通信

动态换挡测量系统上位机通过局域网(LAN)与采集控制模块建立通信。采集控制模块通过数据库(DBC)文件与换挡执行机构控制器建立控制器局域网络(CAN)通信。执行机构控制器使用A4935型集成诊断、通信功能的三相金氧半场效晶体管(MOSFET)驱动器。当系统实现通信后，应变片电压信号通过采集控制模块的模拟量通道采集，电机运行数据通过CAN通道采集。至此，测量系统实现了信号的同步采集，并且通过采集总线数据简化了硬件设置。

2.3 测量系统标定

未经标定的测量系统只能获得相应的电压信号，无法实现实际载荷的测量。为此，对测量系统进行静态标定。按照实际换挡执行机构的受力状态，将换挡轴水平放置并且将其一端固定，选换挡执行机构标定试验如图6所示。根据转矩等于力与力臂的乘积，通过压力机将作用力施加到对应拨指的接合点，同时记录采集的电压模拟量数据和压力机载荷数据，作用力和电压信号的数据见表1。最后，采用最小二乘法确定多项式方程的系数，完成应变电压信号与载荷信号的关系建立[3]。

图6 选换挡执行机构标定试验

表1 作用力和电压信号的数据

3 试验结果分析

当车辆在不同道路工况下行驶时，电动换挡执行机构会基于不同策略执行挂挡、摘挡操作。将测量系统安装到整车，通过道路试验收集动态换挡数据，整车参数见表2，其中发动机类型为汽油内燃机。

表2 整车参数

各挡位动态换挡实测曲线如图7所示，各挡位动态换挡计算曲线如图8所示。

通过对比换挡测量曲线以及计算曲线可以发现，测量曲线有以下3点优势：

(1)得益于独立的采样通道和较高的采样频率，测量曲线能够更好显示动态特性，测量挂挡力、摘挡力相比计算曲线更精确；

(2)与计算曲线相比，测量曲线避免了电机瞬态大电流的影响，这使得测量曲线剔除了干扰波形;

(3)在换挡极限位置测量曲线由于不受到磁场间隙的影响，所以没有突变信号，使得极限位置界定更为明确。

图7 各挡位动态换挡实测曲线

图8 各挡位动态换挡计算曲线

4 结束语

本文搭建的测量系统通过与整车总线的通信简化了硬件，使其具有较高的集成性和通用性。该测量系统能够有效弥补现有计算过程的不足，对优化控制标定过程具有一定应用价值。作为控制系统标定的重要内容，该套测量方案对延长执行机构寿命周期以及优化控制系统可靠性具有指导作用。