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河北華利機械配件有限公司

混合動力汽車電子換擋手柄控制信號可靠性設計

2013/7/11 15:32:47

 

汪東坪 李舜酩 魏民祥  于海生

1.南京航空航天大學能源與動力學院,南京210016;2.上海華普汽車有限公司,上海201501)

    【摘要】基于混合動力汽車電子換擋手柄的結構和信號控制邏輯,通過信號故障處理和策略冗余算法,設計了電子換擋手柄信號的可靠性控制方法,通過建立Simulink控制模型,並采用快速控制原型的方式對換擋手柄信號控制進行仿真測試,驗證控制的可靠性。測試結果表明該控制方法滿足了混合動力汽車的換擋需求,並保證了換擋手柄信號控制的可靠性及車輛行駛安全。

    關鍵詞:混合動力汽車  電子換擋  手柄可靠性設計

    中圖分類號:U463. 212U469. 79    文獻標識碼:A    文章編號:1000-12981206-0025 -05

    引言

    混联式混合动力汽车通过动力合成装置将来自发动机和电动机的动力进行合成以驱动整车运行,该动力合成装置可作爲混合动力汽车的变速器,常采用多行星排耦合的形式凹,通过调节行星排各元件的转速,使其像无级变速器一样工作。因结构和工作原理的不同,应用于传统汽车变速器上的机械式换挡机构已经无法匹配和满足混合动力汽车变速器的机械结构和工作特性,而来用電子換擋机构可以解决这个问题。

電子換擋机构不同于机械式换挡机构,其对变速器的控制采用信号识别、传输和发送指令的模式,与混合动力汽车变速器之间没有直接的机械连接。混合动力汽车通过电控单元ECU采集当前電子換擋机构传感器发送的挡位位置电压模拟信号,经分析计算后,判断其挡位状态,并根据各挡位下汽车的行驶状态发送指令控制和改变变速器的运行模式。  

 由于電子換擋机构采用信号传输而非机械连接的工作模式,在对其操作过程中,爲控制和保证其挡位状态,防止发生挡位识别错误、信号传输错误、挡位状态与当前汽车行驶工况不符等故障,需要对電子換擋机构的工作特性和信号控制逻辑进行研究,保证其换挡的可靠性和准确性。電子換擋机构已经在丰田汽车公司的多款混合动力汽车上得到了成熟的应用,但在其他汽车制造商的应用还未得到普及,国内外对其信号控制逻辑以及可靠性控制設計方法也少有研究。本文基于電子換擋机构的结构和工作原理,设计其信号的控制逻辑及可靠性控制方法,并通过建模仿真日巧3和快速控制原袌D夹g對該控制邏輯和可靠性控制方法進行驗證。

換擋信號控制邏輯

1.1  擋位結構

    1所示爲電子換擋手柄位置示意圖,有5個擋位,分別是:原始擋0擋、空擋N擋、前進擋D擋、帶發動機倒拖前進擋DB擋以及倒車擋R擋。換擋手柄的初始位置處于0擋,當撥動換擋手柄至除O擋外任意擋位後,手柄都會自動回到O挡位置。電子換擋手柄对动力系统没有直接的机械作用,其拥有4路傳感器信號,混合動力電控單元ECU通過采集和分析各路傳感器信號,判斷其擋位狀態,從而控制動力總成系統對外輸出相應的扭矩模式。    此外,混合動力汽車還有由駐車控制按鈕輸入的駐車擋Park擋。在整車允許駐車的狀態下,通過按下駐車按鈕向電控單元發送駐車請求,系統控制機械駐車機構鎖止變速器輸出軸,整車進入駐車狀態。

1.2換擋手柄輸出信號控制邏輯

    電子換擋手柄有2個傳感器共4路電壓模擬信號,其中傳感器X2踣信號戈,和戈,相等,傳感器Y2路信號Yiy:相等。在各路信號都没有故障的情况下,设定传感器X的輸出信號x=x,,傳感器Y的輸出信號y=Yi,根據戈和y信號值不同,通過手柄位置判斷函數P=f&,y),判斷當前手柄位置。

手柄位置判斷如表1所示。

    1中,信號狀態T表示信號滿足設定條件,F表示信號不滿足設定條件;對應手柄位置判斷函數P0O擋,1N擋,2D擋,3DB擋,4R擋。

    換擋信號控制邏輯应能满足驾驶员正常的换挡需求,简化换挡操作过程,降低和消除因误操作而对驻车机构和行驶系造成的损坏。換擋信號控制邏輯如圖2所示,圖中”表示车速,d表示刹車踏板開度。

    車輛上電後系統默認進入空擋位;在車輛起步時,踩踏刹車踏板超過30%的開度,通過操作換擋手柄就可以使系統從空擋進入任意動力擋位;在車輛向前行駛過程中,N擋、D擋和DB擋三者之間可以任意互換;前進擋D擋和DB擋與倒車檔R擋之間禁止直接互換,必須在車速”小于5 km/h且刹車踏板開度d超過30%时才能够相互切换,以防止车辆动力总成受到车辆运动惯性的冲击;此外,车辆在任何情况下,只需通过操作换挡手柄挂空擋,就可以使系统从动力挡位进入空擋。

    駐車擋Park挡作爲辅助挡位,通过驻车机构锁止变速器输出轴以保证车辆的静止状态。在车辆上电后,爲防止驻车机构对动力系统和行驶系统的损坏,必须先按下Park挡按钮,取消驻车机构对输出轴的锁止作用,才能有效操作换挡手柄从空挡进入动力挡位,否则系统将一直保持空擋,没有动力输出;车辆在中高速行驶过程中,不会响应Park擋按鈕信號,系統將保持當前運行狀態,只有當車速”小于5 km/h時,按下Park挡按钮,系统才会从当前动力挡位进入空擋,动力中断,车辆滑行,直至车速”小于1 km/h時,系統控制駐車機構鎖止輸出軸,車輛進入駐車狀態;車輛在5 km/h以下Park擋滑行期間,操作換擋手柄進入當前整車狀態允許的動力擋位,都將取消Park擋信號,車輛重新獲得動力。

可靠性控制設計

2.1  信號故障處理

    爲了确保電子換擋手柄传感器信号传输和识别的可靠性,防止因信号故障导致换挡系统无法正常工作,需对4路信號的状态进行检测,通过4路信號状态组合函数C=f紐.,戈:,Y.,Y2),對故障狀態進行分類,並作相應處理。傳感器信號狀態判斷如表2所示,表中根据各挡位下对应的信号值设定各路信號的判断条件,若满足设定条件则认定该信号正确,不满足则认定信号错误。进行挡位状态判断的过程中仍有可能出现异常,从而导致系统对挡位的错误判断,因此需要通过系统控制策略进一步对该故障做冗余处理。手柄位置判断的冗余处理如表3所示,傳感器信號戈和y只要有一個出現錯誤,經手柄位置判斷函數P=f&y)計算輸出P=l,系统即进入空擋,整车动力中断。

    此外,在车辆行驶过程中,爲防止跳挡导致传动系统受损,影响行车安全,设定操作手柄换挡需在目标挡位停留0.5 s以上,方能進入目標擋位。若停留時間小于0.1 s,则认定该情况爲跳擋,并保持当前挡位不变;若停留时间在0.10.5 s之间,则认定该情况爲换挡过快,爲配合驾驶员换挡意圖并保证行车安全,设定该情况下系统进入空擋,整车动力中断,直至重新换挡且有效停留时间超過0.5 s

3仿真測試

3.1控制系統

    4所示爲通过Simulink建立的電子換擋手柄信号控制模型网。圖中Signal_lnput爲信号输入模块,包括刹车踏板开度信号a.车速信号”和駐車擋信号Park,以及4路傳感器信號戈1、戈2Y1Y2;Signal_Processing爲信號故障處理模块,输入4路傳感器信號,經故障處理後輸出信號戈和yHandle_Position力手柄位置判斷模塊,輸入經故障處理後的傳感器信號戈和y,經手柄位置判斷函數及策略冗余算法輸出當前手柄位置P; Control_Logic爲換擋信號控制邏輯模块,通过该模块最终输出挡位状态S。在Matlab環境下,采用MotoTron快速控制原型开发工具弘阃,将圖4所示的控制模型編譯成代碼,並刷寫進ECU中,构成快速控制原型测试系统,通过该系统对换挡手柄信号的可靠性控制方法进行仿真測試“u

3.2測試及結果分析

    57爲仿真測試的输入信号,其中圖5爲传感器X信号,圖6爲传感器Y信号,圖7爲刹车踏板开度a.车速”和駐車擋信号;圖8爲仿真測試的輸出信號,包括手柄位置P和擋位狀態S

    设定仿真时间爲40 s,系统执行周期爲50 ms。开始阶段,车辆处于驻车状态,系统默认爲空擋,按下Park擋按鈕,系統打開駐車鎖止機構,允許車輛起步;第5秒開始,踩踏刹車踏板至50%開度,同時操作換擋手柄經空擋位置進入D擋位置,停留0.6 s後再經空擋位置回到原始擋位,系統由空擋進入前進擋D擋,松开刹车踏板,车辆起步,车速缓慢增加;在第10~15秒之間,檢測到戈,=0,信號錯誤,而其他3路信號正常,系统触发事件C2,令x=x,,經計算後保持D擋狀態;在第15~20秒之間,檢測到傳感器X2路信號都爲0,觸發事件Cl,且Cl连续输出超過10个执行周期,爲保证行车安全,令x=y=0,系統由D挡进入空擋,车辆滑行降速;第20秒開始,重新操作換擋手柄至D擋位置,檢測4路傳感器信號正常,車輛進入D擋運行狀態;第25秒開始,操作換擋手柄至DB挡位置,系統由D擋進入帶發動機倒拖的DB擋,车辆减速运行;第30秒開始,按下Park挡按钮,系统进入空擋,动力中断,同时踩踏刹车踏板,车辆减速直至静止,系统控制驻车机构锁止输出轴,车辆进入驻车状态。

4結論

    d)該控制方法可以滿足駕駛員正常的換擋需求,防止因換擋誤操作導致車輛行駛狀態的改變及動力系統和行駛系的沖擊和損壞,保證換擋平順。

    Q)采用分類方法處理信號故障,可以簡化處理方法,防止因信號故障導致換擋系統無法正常工作,保證換擋信號控制的可靠性。

    (3)經故障處理的信號通過策略冗余算法可防止因信號傳輸和識別異常導致系統對擋位的錯誤判斷和跳擋的出觀,保證換擋可靠性及車輛行駛安全。

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