無級變速器電液控制系統研究開發畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 或放油實現控制變速器的速比，使發動機的輸出功率和汽車的行駛阻力功率按經濟性、動力性和排放性要求，實現最佳的動態匹配。離合器控制回路由離合器調壓閥(高速開關閥)控制離合器油缸壓力，經過離合器控制閥，進入到前進離合器或倒檔離合器，實現汽車的起步。主調壓閥的作用是保證系統的安全，防止系統的壓力過大陋3’州。疊窘疆幅tl 鬟絮力擰麟一圖3．3 CVT數字電液控制系統碩士學位論文3．1．3 CVT電控系統CVT控制系統硬件框圖如圖3．4所示。系統主要是由電控單元(ECU)、傳感器、執行機構及各種接口電路構成。ECU輸入信號有壓力或位移模擬信號、轉速數字信號和I／O邏輯信號，其中模擬信號要經過A／D轉換才能被ECu接受。對發動機轉速、CVT主從動盤轉速的測試，我們采用電磁感應式傳感器。它由旋轉的齒圈和固定的電磁感應式傳感器兩部分構成。當齒圈轉動時，齒圈的齒頂與齒隙就交替地與傳感器磁芯端部相對應，傳感器感應線圈周圍的磁場也隨之發生強弱交替變化，在感應線圈中就會產生類似正弦波的交變電壓。這種交變電壓經過整形電路處理后形成方波信號，放大后輸入到計算機的中斷信號端。計算機利用定時器確定兩次中斷的時間間隔，從而計算出回轉速度。加速踏板傳感器和制動踏板傳感器采用位置傳感器，機油溫度傳感器采用熱電偶，通過采樣電路進入控制器o ”。在I／0輸入信號中，檔位信號代表駕駛員掛的檔，其中D一前進檔：N一空擋： R一倒檔；P一鎖止檔；M(保留)。在控制過程中，系統根據得到的檔位，接合相應的離合器，然后對輸入信號采集和處理，根據控制策略計算得到相應的傳動比，然后，ECU輸出相應的數字信號，經接口電路直接驅動速比和夾緊力控制閥來調節離合器或主從動輪油缸的壓力，進而調節夾緊力和速比，使得汽車按照駕駛員的操作模式行駛。霎黧l Ai丑一煮‰l 一篇篇}r Lv錒擁符堰住西l 漿『l Lv_m刪轉理傳毋墨l主動輪缸壓力估燎器L l從動輪虹壓力傳瞎囂L l離合器壓力傳瘟器L 加速踏板傳蓐器}一 一觳臻} 電控單元一慕外制動踏板傳婷器L (ECU) 嵩臺器位置傳感器L一機油溫度怙感器L— l檔位‘。98“”’L] ．|驅筆毳L I動力，經濟模式選擇L_上I／0；路} 圖3．4 CVT控制系統硬件框圖尤級蹙遠器電液控制系統研咒開發3．2 CVT變速控制策略3．2．1夾緊力控制式(2．4)是用最簡單的解析表達式描述金屬帶夾緊力與最大傳遞轉矩的關系， 只是傳動效率偏低。在沒有試驗數據作為支持的情況下，則式(2．4)是較為可靠的估計。當目標夾緊力確定以后，剩下的問題是通過液壓驅動機構實現目標夾緊力的變化規律。在實際應用中，由于所采用的控制閥的不同，其實現也有所不同。本文設計的CVT夾緊力控制系統框圖如圖3．5所示，本系統采用了數字式調壓閥作為夾緊力控制閥。數字調壓閥功率大，抗污染，滯環小，直接可以接受數字脈沖信號，所以使用方便。根據試驗驗證，數字調壓閥可以實現比較精確的開環控制，無需對從動輪油缸壓力進行實測反饋，因此直接發送脈沖信號控制步進電機就可以實現我們需要達到的控制油壓。此外，數字閥的動態響應特性比普通比例電磁閥好，具有較高的開環控制精度，抗干擾能力強、工作可靠性高，不需要非線性補償、反饋控制等輔助控制。“。司蛋曰,Tc 圖3．5夾緊力控制系統框圖在實時控制時，首先根據當前節氣門開度a、發動機轉速Ne、車速及駕駛員選定的運行模式，確定發動機的目標轉矩Te和目標速比i，確定從動帶輪的夾緊力QDⅣ，即QDⅣ=_Te_cosa=f(Te，0 (3．1) Z,UOR／．【DR 此作為目標壓力，轉換為需要的脈沖數N，以脈沖調節(PWM)的方式驅動步進電機，控制數字調壓閥來得到目標壓力。3．2．2速比控制策略發動機的最佳經濟性或動力性工作線代表了穩態或恒功率運行時的匹配策略，通過控制發動機節氣門開度和速比可以控制穩態時發動機沿著駕駛員選定的工作線工作。但在實際車輛行駛過程中，加速踏板瞬態的變化，發動機工作點會偏離穩態工作線，控制發動機跟隨到目標工作點處工作就是速比控制的目標，速頓卜學位論丘比控制的過程：按照駕駛員的意圖，通過調節主動帶輪油缸內的壓力來實現實際速比對目標速比的跟蹤。考慮到無級變速傳動系統的非線性特性、液壓控制系統和速比控制閥特性這三個因素，我們設計了專家PID控制器。專家PID控制是基于受控對象和控制規律的專家知識和經驗，并以智能的方式利用這些專家知識或經驗來設定PID參數和控制規則“”。速比專家PID控制系統如圖3．6所示。目標速比根據車輛的工作模式(動力／經濟模式)、節氣門的開度以及CVT輸出軸轉速確定。CVT的實際速比通過測量發動機轉速和CVT輸出軸轉速可以得到。實際速比與目標速比的偏差值，經過專家PID控制器的處理，輸出到PWM信號產生器形成速比控制閥的控制信號。速比控制閥根據控制信號的變化，調節主動帶輪油缸內的壓力， 實現速比的變化。由于CVT速比可以連續無級地變化，發動機能夠始終處于選定的工作線上工作，從而達到選定的駕駛模式。圖3．6速比專家PID控制系統3．3數字比例控制技術CVT的使用要求是傳動效率高、改善汽車排放、減少廢氣污染、運行平穩無沖擊，能使汽車有較好的燃油經濟性和動力性以及低的使用維護成本。根據CVT 的工作要求，CVT電液控制系統需要高效率、運行平穩、小尺寸和低價格的液壓控制閥。已有的電磁比例閥靠電磁力推動調壓彈簧來調壓，由于閥心上的作用力有瞬態及穩念液動力、閥芯與閥套問的摩擦力和液壓卡緊力等不確定力，導致閥在往復工作過程中有較大的滯環，使得壓力控制精度較低，平穩性差。與電液伺服閥和比例閥相比，數字閥的突出特點是，可直接與計算機接口， 不需D／A轉換器，結構簡單；抗污染能力強，操作維護更簡單；而且數字閥的輸出量準確、叫。靠地由脈沖頻率或脈寬調節控制，抗干擾能力強，呵得到較高的開環控制精度。為此，本文采用步迸電機驅動的增量式數字調壓閥。3．3．1數字比例技術的發展電液伺服控制閥是一種自動控制閻，它既是電液轉換元件，義足功率放大元鬻仨亨} 印_ 同中件，其功用是將小功率的電信號輸入轉換為大功率液壓能輸出，從而實現對液壓系統執行器位移、速度、加速度和力的控制。現有的電液伺服閥具有輸入信號功率{Itd,(通常僅有幾十毫瓦)，功率放大系數高；精度高、響應快，動態響應速度快等優點，但是系統結構復雜，加工精度要求嚴格，對污染敏感，維修困難，使用成本高，因而除了航空航天及航海等領域有所應用外，不宜應用在汽車等一般工業領域。20世紀60年代出現的電液比例控制閥是介于普通液壓閥和電液伺服閥之間的一種液壓控制閥。與電液伺服閥的功能類似，電液比例閥既是電液轉換元件， 又是功率放大元件，其功用是接受電氣信號的指令，連續成比例地控制系統的壓力、流量等參數，使之與輸入電氣信號成比例地變化，從而實現對液壓系統執行器的控制。電液比例閥多用于開環液壓系統中，實現對液壓參數的遙控，也可以作為信號轉換與放大元件用于閉環控制系統。隨著電子技術的發展和計算機技術的廣泛應用，用計算機對液壓系統進行控制是技術發展的必然趨勢。但是傳統的電液比例閥只能接牧連續變化的電壓或電流模擬信號，而計算機只能輸出數字信號。用計算機控制必須進行數．模轉換，是整個系統復雜，成本提高，可靠性降低。在這種技術要求下，20世紀80年代初出現了電液數字控制閥。電液數字控制閥是用數字信號直接控制液流的壓力、流量和方向的閥類。與電液伺服閥和比例閥相比，數字閥的突出特點是，可直接與計算機接口，不需D／A轉換器，結構簡單， 功耗小，控制靈活可靠。其缺點是頻寬及響應速度不如模擬式的比例控制元件。如下表3．1所示為幾種閥的性能比較““圳。表3．1電液數字閥與電液伺服閥、電液比例髑的比較項目電液數字閥電液伺服閥電液比例溷控制功率(w) 5～10 0．05～5 10—之5 線性度較高高較高重復精度(％) o．I 0．5～1 0．51 滯環(％) 0．1卸．5 3 過濾要求(pm) 25 15 25 頻寬(Hz) 5 60^也OO ，0 遮蓋(死區) 有無有執行器開環或執行器閉環控執行器開環或閉應用類型閉環控制制環控制碩士學位論文3．3．2數字閥的分類根據控制方式的不同，電液數字閥可分為增量式數字閥和脈寬調制(PWM)式高速開關數字閥兩大類。(1)增量式數字閥增量式數字閥是采用由脈沖數字調制演變而成的增量控制方式，以步進電機作為電氣機械轉換器，驅動液壓閥芯工作，因此又稱步進式數字閥。增量式數字閥控制系統工作原理框圖如圖3．7所示。計算機發出脈沖序列經驅動器放大后使步進電機工作。步進電機是一個數字元件，根據增量控制方式工作。增量控制方式是由脈沖數字調制法演變而成的一種數字元件，根據增量控制方式工作。增量控制方式由脈沖數字調制法演變而成的一種數字控制方法，是在脈沖數字信號的基礎上，使每個采樣周期的步數在前一采樣周期的步數上，增加或減少一些步數， 而達到需要的幅值；步進電機的轉角或位移與輸入的脈沖數成比例，步進電機每得到一個脈沖信號，便得到與輸入脈沖數成比例的轉角，每個脈沖使步進電機沿給定方向轉動一固定的步距角，再通過機械轉換器使轉角轉換為軸向位移，使閥口獲得一相應開度，從而獲得與輸入脈沖數成比例的壓力、流量。有時，閥中還設置用以提高閥的重復精度的零位子傳感器和用以顯示被控制量的顯示裝置”.。!.|.L一一..一..一一廠一一怛.......一..一圖3．7步進式數字閥控制系統工作原理框圖本文采用的是直線式步進電機，與旋轉式步進電機相比，省去了與液壓閥之間的機械轉換裝置，結構更加緊湊，并且步進電機開環控制系統結構簡單、可靠性高、成本低等優點，而且即使不用費耗能量就可維持穩定位置不變，這樣在液壓系統不要求有流量或壓力方面的變化時就不必消耗能量，在位置控制系統精度要求不高、需控制成本的汽車上更適合使用。(2)脈寬調制式數字閥脈寬調制式數字閥的控制信號是一系列幅值相等、而在每一周期內寬度不同的脈沖信號。脈寬調制式數字閥控制系統的工作原理框圖如下圖3．8所示。計算機輸出的數字信號通過脈寬調制放大器調制放大后使電氣一機械轉換器工作，從而驅動液壓閥工作。由于作用于閥上的信號為一系列脈沖，因此液壓閥只有與之相對應的快速切換的開和關兩種狀態，而以開啟時間的長短來控制流量或壓力。高速開關數字閥中液壓閥的結構與其他閥不同，它是一個快速切換的開關，只有全開和全閉兩種工作狀態：電氣一機械轉換器主要是各種電磁鐵。計算機發出需要的脈沖序列進入到脈寬調制放大器，然后信號到達高速開關閥，通過控制開關閥開啟時間的長短來控制油液壓力或流量。.。圖3．8脈寬調制式數字閥控制系統工作原理框圖3．4高速開關閥在液壓系統中的應用量高速電磁開關閥是液壓控制系統中的新技術，與比例電磁閥相比，具有結構簡單、成本低、工作可靠、控制方便等優點，因此在車輛電子控制系統中(如ABS、AMT、主動懸架等)都得到廣泛應用。由于CVT的離合器控制及變速控制要求響應時間很短，因此采用高頻特性好的高速開關閥非常適合。對離合器進行控制，采用調制脈寬的方式對其進行控制。PWM脈寬調制原理：脈寬調制全稱為脈沖寬度調制PWM(Pluse Width Modulation)，是一種通過調節控制方波信號的占空比大小，即有效脈沖信號的寬度的方法，來實現對輸出開關量導通時間及導通順序的控制，以達到調節輸出的目的”“。由于開關器件具有較高的頻率響應特性，因此， 當控制脈沖的周期頻率達到一定程度時，高頻脈沖輸出信號就可以近似等于模擬輸出量。如圖3．9所示為常用的兩位三通高速開關閥的結構簡圖。當線圈通電時，銜鐵1產生的電磁推力通過導桿5使供油球閥6向右運動，工作油從進油口進入， 經工作油口流出到工作油缸。當線圈斷電時，供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運動，使回油球閥4向左運動打開，進油口關閉，回油口打開，工作油從工作油口進入，經回油口流回油箱”“。1，It i．1Ul，．_器I，lIl_。●謦‘。aJttfl 圖3．9高速開關閥結構原理圖離合器執行機構的高頻響應性能很大程度上取決于高速開關閥的開關特性， 一般高速開關閥采用脈寬調制(PWM)信號控制，其控制參數為占空比。PWM控制信號的脈沖周期T是一個固定的常數值，而每個周期內高、低電平的寬度大小t。、tofr是可變的，如圖3．10所示。一般取高電平信號作為有效開通信號，通常將每個周期內高電平寬度t。占整個脈沖周期寬度T的百分比稱為占空比，即； ， T=乞+toy，f(％)=等x100％ (3，2) 電平圖3．10脈沖信號盡管這樣做會給系統帶來一個與PWM信號頻率相同的壓力脈沖干擾，但通過低通濾波可以消弱此壓力脈動。用脈寬信號對連續信號進行調制，從而將連續信號調制成脈寬信號，以實現對目標壓力的跟蹤。3．5本章小結本章詳細分析了CVT電液控制系統的組成和速比、夾緊力、起步離合器及液力變矩器的技術。針對數字比例技術和傳統的開關閥、伺服閥和電磁比例閥相比較具有的優勢，本文將數字比例技術應用到CVT電液控制系統中，設計了數字電液控制系統。數字比例控制元件能和計算機直接連接，能實現更精確的控制控制并有更高的可靠性，可以滿足CVT的控制要求，采用數字控制技術的優勢還有可以降低CVT的成本。并且闡述了高速開關閥在液壓系統中的應用。第4章數字調壓閥的設計和仿真4．1數字調壓閥的理論基礎4．1．1液阻網絡系統概述大多數液壓控制閥通過改變閥口流量面積來實現對系統壓力或流