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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,并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,并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

    混聯式混合動力汽車通過動力合成裝置將來自發動機和電動機的動力進行合成以驅動整車運行,該動力合成裝置可作為混合動力汽車的變速器,常采用多行星排耦合的形式凹,通過調節行星排各元件的轉速,使其像無級變速器一樣工作。因結構和工作原理的不同,應用于傳統汽車變速器上的機械式換擋機構已經無法匹配和滿足混合動力汽車變速器的機械結構和工作特性,而來用電子換擋機構可以解決這個問題。

電子換擋機構不同于機械式換擋機構,其對變速器的控制采用信號識別、傳輸和發送指令的模式,與混合動力汽車變速器之間沒有直接的機械連接?;旌蟿恿ζ囃ㄟ^電控單元ECU采集當前電子換擋機構傳感器發送的擋位位置電壓模擬信號,經分析計算后,判斷其擋位狀態,并根據各擋位下汽車的行駛狀態發送指令控制和改變變速器的運行模式。  

 由于電子換擋機構采用信號傳輸而非機械連接的工作模式,在對其操作過程中,為控制和保證其擋位狀態,防止發生擋位識別錯誤、信號傳輸錯誤、擋位狀態與當前汽車行駛工況不符等故障,需要對電子換擋機構的工作特性和信號控制邏輯進行研究,保證其換擋的可靠性和準確性。電子換擋機構已經在豐田汽車公司的多款混合動力汽車上得到了成熟的應用,但在其他汽車制造商的應用還未得到普及,國內外對其信號控制邏輯以及可靠性控制設計方法也少有研究。本文基于電子換擋機構的結構和工作原理,設計其信號的控制邏輯及可靠性控制方法,并通過建模仿真日巧3和快速控制原型技術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所示為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擋外任意擋位后,手柄都會自動回到O擋位置。電子換擋手柄對動力系統沒有直接的機械作用,其擁有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。在各路信號都沒有故障的情況下,設定傳感器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。

    換擋信號控制邏輯應能滿足駕駛員正常的換擋需求,簡化換擋操作過程,降低和消除因誤操作而對駐車機構和行駛系造成的損壞。換擋信號控制邏輯如圖2所示,圖中”表示車速,d表示剎車踏板開度。

    車輛上電后系統默認進入空擋位;在車輛起步時,踩踏剎車踏板超過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且剎車踏板開度d超過30%時才能夠相互切換,以防止車輛動力總成受到車輛運動慣性的沖擊;此外,車輛在任何情況下,只需通過操作換擋手柄掛空擋,就可以使系統從動力擋位進入空擋。

    駐車擋Park擋作為輔助擋位,通過駐車機構鎖止變速器輸出軸以保證車輛的靜止狀態。在車輛上電后,為防止駐車機構對動力系統和行駛系統的損壞,必須先按下Park擋按鈕,取消駐車機構對輸出軸的鎖止作用,才能有效操作換擋手柄從空擋進入動力擋位,否則系統將一直保持空擋,沒有動力輸出;車輛在中高速行駛過程中,不會響應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擋按鈕,系統才會從當前動力擋位進入空擋,動力中斷,車輛滑行,直至車速”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

    為了確保電子換擋手柄傳感器信號傳輸和識別的可靠性,防止因信號故障導致換擋系統無法正常工作,需對4路信號的狀態進行檢測,通過4路信號狀態組合函數C=f紐.,戈:,Y.,Y2),對故障狀態進行分類,并作相應處理。傳感器信號狀態判斷如表2所示,表中根據各擋位下對應的信號值設定各路信號的判斷條件,若滿足設定條件則認定該信號正確,不滿足則認定信號錯誤。進行擋位狀態判斷的過程中仍有可能出現異常,從而導致系統對擋位的錯誤判斷,因此需要通過系統控制策略進一步對該故障做冗余處理。手柄位置判斷的冗余處理如表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,系統即進入空擋,整車動力中斷。

    此外,在車輛行駛過程中,為防止跳擋導致傳動系統受損,影響行車安全,設定操作手柄換擋需在目標擋位停留0.5 s以上,方能進入目標擋位。若停留時間小于0.1 s,則認定該情況為跳擋,并保持當前擋位不變;若停留時間在0.10.5 s之間,則認定該情況為換擋過快,為配合駕駛員換擋意圖并保證行車安全,設定該情況下系統進入空擋,整車動力中斷,直至重新換擋且有效停留時間超過0.5 s。

3仿真測試

3.1控制系統

    4所示為通過Simulink建立的電子換擋手柄信號控制模型網。圖中Signal_lnput為信號輸入模塊,包括剎車踏板開度信號a.車速信號”和駐車擋信號Park,以及4路傳感器信號戈1、戈2、Y1Y2;Signal_Processing為信號故障處理模塊,輸入4路傳感器信號,經故障處理后輸出信號戈和y;Handle_Position力手柄位置判斷模塊,輸入經故障處理后的傳感器信號戈和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為換擋信號控制邏輯模塊,通過該模塊最終輸出擋位狀態S。在Matlab環境下,采用MotoTron快速控制原型開發工具弘閫,將圖4所示的控制模型編譯成代碼,并刷寫進ECU中,構成快速控制原型測試系統,通過該系統對換擋手柄信號的可靠性控制方法進行仿真測試“u。

3.2測試及結果分析

    57為仿真測試的輸入信號,其中圖5為傳感器X信號,圖6為傳感器Y信號,圖7為剎車踏板開度a.車速”和駐車擋信號;圖8為仿真測試的輸出信號,包括手柄位置P和擋位狀態S。

    設定仿真時間為40 s,系統執行周期為50 ms。開始階段,車輛處于駐車狀態,系統默認為空擋,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,踩踏剎車踏板至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后再經空擋位置回到原始擋位,系統由空擋進入前進擋D擋,松開剎車踏板,車輛起步,車速緩慢增加;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,系統觸發事件C2,令x=x,,經計算后保持D擋狀態;在第15~20秒之間,檢測到傳感器X2路信號都為0,觸發事件Cl,且Cl連續輸出超過10個執行周期,為保證行車安全,令x=y=0,系統由D擋進入空擋,車輛滑行降速;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擋位置,系統由D擋進入帶發動機倒拖的DB擋,車輛減速運行;第30秒開始,按下Park擋按鈕,系統進入空擋,動力中斷,同時踩踏剎車踏板,車輛減速直至靜止,系統控制駐車機構鎖止輸出軸,車輛進入駐車狀態。

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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