液力机械传动车辆自动换挡控制系统.docx

液力机械传动车辆自动换挡控制系统袁超 车辆1001班 20102246【摘要】 为实现液力机械传动车辆换挡过程的自动控制，研究了自动换挡控制系统的硬件和软件。描述了系统软硬件的构成和设计方法，研究了输入（包括脉冲量输入、模拟量输入、开关量输入）模块和输出模块的设计原则。在控制软件设计中，采用模块化的设计思想，应用实时多任务软件控制技术，以中断控制为核心，保证了软件的可扩充性与重组性；为便于对系统的监测和控制，设计了PC机监控软件。为了验证系统设计的正确性，进行了模拟试验，结果表明，自动换挡控制系统的原理正确，技术可行，PC机监控软件能够实现所要求的功能。关键词：车辆 液力机械传动 自动换挡 控制Study on Automatic-shift Control System of a Vehicle Equipped with Hydro-mechanical TransmissionAbstract An automatic-shift control system,including hardware and software has been developed in this paper for the purpose of realizing automatic control of a vehicle equipped with hydromechanical transmission during shifting.The configuration and the design method of the system were described.Design principle of the input module ,such as pulse data ,analog signals and onoff value,and the output module were investigated .Utilizing the idea of modularizing deesign and the control technology of real-time and multi-task,the control software was designed,which can be extended and regrouped easily due to its focus on the interrupt control.PC monitor software has been designed to inspect and control the system.To validate the design a simulation test was tried out.The testing results showed that the principle of automatic-shift control system was correct and the technology available.Key words Vehicles,Hydro-mechanicaltransmission,Automatic-shift, Control引言 车辆自动换挡控制技术是实现车辆自动操纵的核心和关键技术,对车辆动力性和舒适性起着决定性的作用。本文根据液力机械传动车辆换挡过程的实际需要研究相应的控制系统，用以实现所要求的功能。车辆自动换挡控制系统（以下简称电控系统）是实现车辆自动操纵的决策者，电控单元（ECU）则是电控系统的核心，在控制软件的管理下，它能实现各种参数信号的实时采集和数据处理，并根据数据处理所得结果进行挡位决策，产生控制信息，驱动执行机构完成相应的操作。电控系统通过与PC机监控系统的实时通信，接受监控系统的控制指令，并将系统运行状态参数传递给监控系统供监控系统实时显示，记录并储存重要的状态参数。1.系统构成 所研究的液力机械传动车辆电控系统主要包括电子控制单元（ECU）、各种输入信号传感器和驱动操纵机构的执行元件（各电磁阀）3个部分（见图1）。 液力机械传动车辆控制系统所需要的输入信号传感器有多功能手柄传感器,这是驾驶员向控制系统传达驾驶意图的重要部件;油门开度传感器用来检测油门位置,表征驾驶员对发动机功率需求的大小;发动机转速传感器用来反映动力-传动系统内部工况的主要参数;制动踏板开度传感器用来指示制动踏板是否已经踩下;油温、油压传感器用来指示工作油液的温度和压力。针对系统复杂、实时性要求较高的特点和要求，综合考虑单片机的软硬件资源、性能以及性价比等因素，选用Intel公司的80C196KC16位单片机。2 控制系统硬件设计 系统硬件按功能可分为电源模块、输入模块、微控制系统模块、输出模块、通信模块和显示及键盘模块。电源模块的作用是进行DC/DC变换,用以将车载电源变换为控制系统所需要的电源;微控制系统模块由80C196KC单片机、存储器扩展电路、时钟电路、复位电路组成；通信模块主要是通过80C196KC的TxD和RxD两个引脚用于发送数据和接收数据，由于PC机的串行接口使用RS232接口，所以单片机和PC机间要实现通信必须进行电平转换，MAX232芯片可以实现这一功能；显示及键盘模块完成电控系统的人机对话功能，操作者通过键盘向电控系统发出各种对话指令和输入必要的数据信息，显示器则可根据软件要求显示各种输入、输出状态，并可显示数据及故障信息。 下面着重研究输入、输出模块的设计原则。2.1 输入模块设计2.1.1脉冲量输入通道 发动机转速、液力变矩器涡轮转速和输出轴转速（车速）采用便于安装的磁电式转速传感器进行测量，其输出信号为正弦信号，信号频率与轴的转速成正比。该正弦信号经调理电路整形为脉冲信号，调理的原理如图2所示。信号幅值随转速而变化，低速信号幅值小，故采用运算放大器（LM2902）对小幅值信号进行放大；高速信号幅值大，因而采用二极管限幅。由于干扰信号可能窜入传感器信号中，电路中设计了RC滤波器。通常干扰信号幅值较大而脉冲宽度较窄，干扰信号通过RC电路后，其输出波形的面积大大减小，脉冲幅度也大为下降，当再通过后一级比较器（LM399）时，只要比较器的参考电压选得合适，干扰信号便无法通过，从而起到滤波作用。 上述经过放大整形和滤波之后的信号通过光电耦合器（光耦)引入单片机的高速输入脚（HSI）。2.1.2 模拟量输入通道 系统输入的模拟信号共有4路，即油门开度信号、制动踏板开度信号、油温信号和油压信号。其中，油压信号只作监视用。油门开度和制动踏板开度采用角位移传感器进行检测，通过电缆引入电控系统。信号在传输过程中易受到干扰，为了提高信号的可靠性，在信号引入A/D转换模块的模拟输入引脚之前，须进行滤波、放大和限幅处理，本文对输入信号进行了二阶有源滤波。油温、油压信号采用自带变送器的温度和压力传感器进行检测!变送器输出信号能被电控系统直接接受。 为了给单片机内的A/D转换电路提供精确的参考电压，设计了基准电压电路，其输入为12V输出电压为5V。2.1.3 开关量输入通道 控制系统所检测的开关量主要有：选择开关信号、启动开关信号以及选挡位置信号等。选择开关的作用是驾驶员可自行选择是否让电控系统对液力变矩器的闭锁离合器起控制作用，闭锁电磁阀的控制就是选择开关信号与闭锁电磁阀控制信号相“与”的结果。由于干扰信号和线路分布电容的存在，需要检测的开关量的边沿有抖动并伴有尖峰存在，在电路中设计了RC吸收电路和施密特触发器，以将脉冲边沿整形。2.2 输出模块设计 输出模块主要是电磁阀驱动电路，包括闭锁电磁阀驱动电路、液压缓冲电磁阀驱动电路和换挡电磁阀驱动电路。其电路原理如图3所示。控制信号来自于数据总线，每一位对应一个被控电磁阀（共使用8位)。电路中采用74HC343锁存器的目的是保证电磁阀一直处于目前的工作状态直到下一次改变，非门（两级)的作用是提高控制信号的驱动能力，使其能够驱动光耦正常工作。使用光耦的目的是隔离电控系统和被控设备（电磁阀)两个系统的地线，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响；使输入输出信号在电气上隔离，防止被控设备各种干扰向电控系统的反馈。电磁阀的功率驱动采用达林顿管，续流二极管的作用是保护功率驱动管。电磁阀的控制逻辑为：当P3口的某端口输出电平为低电平时，相对应的电磁阀动作；输出高电平时，电磁阀释放。采用这种控制逻辑可以使电磁阀在上电复位或单片机受控复位时不动作。 为了及时掌握当前所处的挡位及液力变矩器所处的状态，设计了电磁阀状态检测电路（实质上是开关量检测)，其信号是标准的TTL电平信号，经总线驱动器（74HC245）驱动后与数据总线相连。通过读取相应字节单元中的内容，就可以查询到各电磁阀的状态。3 控制系统软件设计控制系统软件包括电控系统的控制软件和PC机的监控软件两部分。其中，控制软件是电控系统的核心，它将控制规律、控制算法以及整个硬件系统资源联结在一起实现控制功能，PC机监控软件是开发完善控制软件及进行数据采集与分析的重要工具。对于液力机械传动车辆自动换挡这种结构复杂、实时多任务系统的电控系统软件，必须采用正确的设计方法才能保证软件的实时控制功能，从而保证对系统内部的中断、任务调度等进行实时优化管理，以及对硬件的直接操作。本文采用模块化软件设计方法进行电控系统软件的设计，根据这一方法设计的控制系统软件组成如图4所示。3.1控制软件设计 控制软件的总体结构如图5所示，根据模块化设计的思想，将控制软件分为基本控制模块（即程序，下同)和中断控制模块。中断控制模块中包括信号检测模块和串行通信模块，基本控制模块包括参数计算模块、控制决策（挡位决策)模块、换挡及闭锁控制模块等，控制软件主要特点是：采用实时多任务软件控制技术，采用开放式模块化结构，以中断控制为核心，具有多个模块接口#可扩充性与重组性好。 在进行各模块的具体设计时，需要对总体结构细化，以确定各个模块的内部特征，即每个模块完成其功能的程序代码和仅供该模块内部使用的数据。 3.1.1 系统初始化模块 系统初始化模块即系统主程序，它负责系统的基本设置和任务管理，其主要功能是: 初始化寄存器和存储单元,设定高速输入通道(HSI)的工作模式,检测和初始化串行通信端口(SCI)设定软件定时器,初始化键盘/显示等.3.1.2 信号检测模块 信号检测模块包括脉冲量检测模块、模拟量检测模块以及开关量检测模块。脉冲量输入采用中断方式检测。80C196KC的高速输入通道（HSI）用于记录某一外部事件发生的时间，时间基准由定时器1提供。每一通道上产生的外部事件的形式靠事件形式寄存器选择，共有4种可能的形式，可通过软件设置。在HSI中断处理模块中，只读取状态寄存器和时间寄存器中的内容，而将转速的计算放在参数计算模块中进行。这样，前者只需极少的时间即可完成，而后者根据实时时钟信号进行调用，避免了转速检测时占用过多的CPU时间。 模拟量的检测包括A/D转换和数字滤波，A/D转换由软件定时器启动#采用查询方式。由于A/D转换的时间很快，因此将数字滤波也放在同一中断服务程序中进行。对A/D转换的暂存值采用算术平均滤波法来计算A/D转换的结果，即把5次采样值相加，然后取其平均值作为本次有效的采样值。 开关量的检测较简单，只需到相应的数据存储寄存器取出即可。3.1.3 参数计算模块 参数计算模块主要是计算脉冲的频率，以期得到对应的转速。在计算过程中，将极值判别法和中值滤波法相结合进行数字滤波。极值判别法的原理如下：由于电控系统采集数据的大小、范围已知，故可利用程序判别采样值是否超出正常值范围，若超出此范围，则认为是干扰值#并进行重新采集。如由转速传感器测得的转速信号经调理后其脉冲量的频率范围在实际工作中为503000Hz,由于50Hz以下所对应的车速已经很低，而对应发动机（柴油机）最高转速的脉冲频率不会超过3000Hz。因此，转速信号如果超出此范围即作为干扰信号处理。 中值滤波法是将连续3次的信号采样值进行排序，取其中值作为本次采集的准确值。3.1.4 变速控制模块 控制决策模块根据参数计算模块所得到的系统参数，利用事先设定的控制算法，实现不同的控制策略。决策结果输出模块则根据控制决策模块的计算结果，确定各电磁阀的控制信号。变速控制模块的各种输入信号已由信号检测模块和参数计算模块完成，只需直接取用。变速控制模块的控制对象是电磁阀（液力变矩器闭锁电磁阀、液压缓冲电磁阀以及换挡电磁阀），控制内容主要有起步控制、换挡控制和停车控制。（1）起步控制模块 车辆起步是在发动机已经启动的前提下进行的，发动机必须在空挡及闭锁离合器解锁的状态下才能启动。（2）换挡控制模块 换挡控制包括挡位决策和闭锁离合器控制。挡位决策采用模糊推理的方法，闭锁离合器在1挡、2挡时不闭锁，且换挡前应解锁，换挡后重新闭锁，是否真正发出闭锁信号是根据闭锁条件决定的。一般来说，换挡后不会立即闭锁，因此，设计了单独的闭锁离合器闭锁控制模块。（3）停车控制模块 停车控制模块主要是对发动机、各电磁阀的状态以及驾驶员操作意图进行识别，从而决定车辆是否应当处于停车状态，即保持换挡电磁阀和闭锁电磁阀都断电。3.1.5串行通信模块 串行通信模块的主要任务有两个：一是将各种有用数据通过单片机的串行口发送给PC机，二是接收从PC机发来的控制参数，并根据PC机的要求执行相应的操作。其主要内容包括串行口设置、数据发送和数据接收。 80C196KC设有独立的接收和发送两个中断向量，在程序中可有各自的中断服务程序。单片机共有4种操作模式，本文采用模式1，即标准异步通信模式，波特率为9600bps。 单片机在完成初始化后，即开放串行接收中断，可接收来自PC机的数据（即控制参数或控制命令），并根据需要对即将运行的程序进行调度。当PC机数据传来时，则按默认的方式运行。 数据以帧发送，每帧数据16个字节，包括1个标志字节和15个数据字节，15个数据字节中有6个字节的转速信号（包含3个转速）、8个字节的模拟信号（包含4个模拟量）和1个字节的电磁阀状态信号。数据帧采用定时发送方式，当一帧数据传输结束以后关闭发送器。 由于电控系统与PC机之间为短距离有线传输，出错的概率很小，而且传输过程中允许一定的误码率，因此，为了确保定时信号的正确传输和提高数据传输速率，在传输过程中不对出错数据进行重发，但可以丢弃出错的数据帧。3.2 监控软件设计 PC机监控软件主要用来实现两个功能：一是监测功能，用于数据的采集、处理和显示：二是控制功能，用于控制参数的实时修改和对单片机的运行进行调度。使用监控软件的控制功能时，可与使用监测功能一样对相应的参数进行设置。限于篇幅，不再详述。 为了保证电控系统稳定、可靠地工作，在进行电控系统的硬件和软件设计的同时，还考虑并解决了系统的抗干扰问题。4 模拟试验 为了验证电控系统硬件和软件设计的正确性，进行了模拟试验。车速信号，即磁电式传感器所测得的正弦信号用信号发生器产生，油门开度等模拟信号用电位器产生。车辆在最大油门开度，以1挡起步连续换挡加速的模拟试验曲线及数据如图6所示。 图中左边部分的3个图形框从上至下依次为转速（车速）、油门及制动踏板开度、挡位；右边部分的数据框内为对应于每一采样时刻的各个变量的数值。从图中可以看出，在油门保持一定的情况下，随着车速的升高和降低，挡位也作相应的变化。由于50Hz的脉冲信号所对应的车速很低，在软件设计中将其作为传感器信号的下限值，所以图6中的车速信号在开始有一突变。 5 结论 模拟试验的结果表明，自动换挡控制系统的原理正确，技术可行，PC机监控软件能够实现所要求的功能。进行了液力机械传动车辆自动换挡控制系统的硬件和软件设计，并对硬件电路中的输入、输出模块设计原则进行了研究。件设计采用模块化的结构设计方法