王 葉， 李志偉， 徐 飛， 劉振杰

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

濕式換擋離合器是大功率液力自動(dòng)變速器(Automatic Transmission,AT)的重要傳動(dòng)部件，近幾年來(lái)也加強(qiáng)了對(duì)濕式換擋離合器優(yōu)化控制的研究.目前，濕式換擋離合器主要采用電液比例控制，通過(guò)控制電信號(hào)來(lái)控制油路的流量、壓力等基本特性，從而控制濕式換擋離合器的結(jié)合與分離.電液比例控制中電液比例驅(qū)動(dòng)電路、比例電磁閥是最為關(guān)鍵的兩個(gè)部分，脈寬調(diào)制是通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比來(lái)改變比例電磁閥中電磁線圈平均電流，并因其具有抗干擾性強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電液比例控制系統(tǒng)中[1].

比例電磁閥的閥心位移與流經(jīng)電磁線圈的平均電流成正比，即當(dāng)比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)PWM占空比固定不變時(shí)，閥心位置也固定.但當(dāng)PWM占空比改變時(shí)，閥心這時(shí)要克服靜摩擦力，從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而變成克服動(dòng)摩擦力，故產(chǎn)生所謂的“粘滯”效應(yīng)，增大了滯后.為此，常給比例電磁閥閥心疊加一個(gè)小幅的振動(dòng)信號(hào)，即所謂的“顫振”信號(hào)，使閥芯始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，始終克服動(dòng)摩擦力，這樣可以減小滯后，從而改善比例電磁閥的響應(yīng)速度[2].

本研究在分析比例電磁閥控制原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用顫振計(jì)算式對(duì)比例電磁閥驅(qū)動(dòng)芯片TLE7242G 進(jìn)行預(yù)設(shè)，實(shí)現(xiàn)比例電磁閥驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)上疊加顫振信號(hào)，減小了滯環(huán)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了比例電磁閥的精確控制.

1 比例電磁閥驅(qū)動(dòng)控制特性

1.1 控制特性分析

比例電磁閥一般采用直流供電，通過(guò)改變PWM占空比來(lái)控制流經(jīng)電磁線圈的平均電流，然而由于比例電磁鐵線圈的電感特性，當(dāng)PWM作用于電磁線圈時(shí)，就會(huì)使流經(jīng)電磁線圈的電流產(chǎn)生滯后和紋波，產(chǎn)生的內(nèi)部紋波即顫振信號(hào)[3]，它有利于比例電磁閥閥芯克服摩擦阻力，使閥芯的位移響應(yīng)變快，比例電磁閥出口壓力響應(yīng)也變快，但同時(shí)壓力脈動(dòng)也會(huì)變大.圖1為比例電磁閥在調(diào)制頻率為f、占空比為D的PWM控制信號(hào)下的電流響應(yīng)特性，可以看出線圈電流i在上升一段時(shí)間后，在調(diào)制頻率f下呈指數(shù)函數(shù)波動(dòng).電磁閥電流在高電平結(jié)束時(shí)刻i(tH)和調(diào)制周期結(jié)束時(shí)刻i(tL)的瞬態(tài)電流分別為i+di和i-di，根據(jù)RL回路暫態(tài)分析法可知[4]，di的大小是隨占空比D或調(diào)制頻率f改變而變化的.當(dāng)比例電磁閥調(diào)制頻率f較高時(shí)，電流波動(dòng)值di接近為零，比例電磁閥線圈電流接近直流.當(dāng)采用低頻PWM控制時(shí)，產(chǎn)生的紋波與平均電流的大小調(diào)節(jié)是耦合的，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使壓力響應(yīng)與壓力脈動(dòng)之間產(chǎn)生需要的平衡.目前廣泛應(yīng)用于比例電磁閥控制中的驅(qū)動(dòng)頻率均為高頻PWM(5～40 kHz)，電流波動(dòng)值幾乎為0.為了充分發(fā)揮紋波克服摩擦阻力的優(yōu)良特性，需要外接紋波信號(hào)發(fā)生器，即顫振信號(hào)發(fā)生器.

圖1 比例電磁閥在PWM控制信號(hào)下的電流響應(yīng)曲線

TLE7242G是Infineon公司的一種專用芯片，該芯片穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，電流的控制精度可達(dá)2%，芯片內(nèi)部具有顫振信號(hào)發(fā)生器模塊[5]，可實(shí)現(xiàn)在比例電磁閥驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)中疊加頻率和幅值均可調(diào)的顫振信號(hào).

1.2 顫振計(jì)算式[6]

國(guó)內(nèi)學(xué)者朱玉田、宮文斌等作者針對(duì)24 V的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)在比例電磁閥驅(qū)動(dòng)控制中的寄生顫振電流進(jìn)行了分析并對(duì)其計(jì)算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，分析了PWM信號(hào)在電液比例控制中電流的計(jì)算公式，并通過(guò)改變PWM頻率的方式實(shí)現(xiàn)了幅度和頻率均獨(dú)立可調(diào)的顫振信號(hào).

采用同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院朱玉田、唐興華的比例電磁閥顫振占空比算法對(duì)顫振算法進(jìn)行驗(yàn)證.

加入正弦顫振后占空比按式(1)計(jì)算，并按此算法得到的結(jié)果對(duì)TLE7242G芯片進(jìn)行預(yù)設(shè).

Dk=D+pDsinω2k+DT/2/2.

(1)

式中：Dk為加入0≤p≤1顫振信號(hào)后的占空比；D為不加顫振時(shí)的占空比；k為正弦波因子；p為顫振調(diào)制比;ω為顫振周期.

2 比例電磁閥試驗(yàn)驗(yàn)證

使用某型號(hào)比例電磁閥，實(shí)測(cè)其直流電阻為20 Ω，電感19.5 mH，設(shè)定PWM頻率為10 kHz，顫振頻率為50 Hz，供電電壓U為24 V，無(wú)顫振時(shí)占空比D為0.4，對(duì)應(yīng)負(fù)載電流I0為0.48 A，取調(diào)制比p為0.2，對(duì)應(yīng)顫振電流峰-峰值為0.1 A.

分別測(cè)試不加顫振與加入50 mA、50 Hz正弦顫振時(shí)比例電磁閥掃頻試驗(yàn)及階躍控制試驗(yàn)，結(jié)果如圖2～圖5所示.

圖2、圖3為掃頻試驗(yàn)曲線，即驅(qū)動(dòng)控制值由0逐漸增至最大值的過(guò)程，其中圖2(a)為無(wú)顫振時(shí)的掃頻試驗(yàn)曲線，從正向(上升)行程和反向(下降)行程對(duì)比中可明顯看出滯環(huán)效應(yīng)，在控制指令為530 mA時(shí)，正向行程和反向行程的壓力值最大可差0.6 bar.對(duì)于濕式離合器的緩沖控制而言，如此大的壓力差值非常容易導(dǎo)致控制偏差，造成充油不足而滑磨，或過(guò)充引起沖擊.圖3為有顫振時(shí)的掃頻試驗(yàn)曲線，可以看出，加入顫振后，線性度有所改善，壓力遲滯明顯減小，控制平均值曲線與各行程壓力曲線基本重合，最大的壓力差值為0.1 Bar，為緩沖控制提供了可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支撐.圖2與圖3左側(cè)圖中上升(正向行程)和下降(反向行程)延時(shí)，反應(yīng)的是從控制指令發(fā)出到系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的時(shí)間.可看出，未加顫振信號(hào)時(shí)延時(shí)大部分在0.1 s以上，加入顫振信號(hào)后延時(shí)均在0.1 s以下，比例電磁閥建壓時(shí)間縮短，響應(yīng)迅速.

圖2 無(wú)顫振的掃頻試驗(yàn)曲線

圖3 有顫振的掃頻試驗(yàn)曲線

圖4、圖5為階躍試驗(yàn)曲線，即驅(qū)動(dòng)控制值由0直接增到某一值的過(guò)程.圖4為無(wú)顫振時(shí)的階躍試驗(yàn)曲線，可看到階躍響應(yīng)時(shí)間最大為0.19 s.圖5為有顫振時(shí)的階躍試驗(yàn)曲線，階躍響應(yīng)時(shí)間明顯減小，最大響應(yīng)時(shí)間為0.11 s.通過(guò)對(duì)比右側(cè)的延時(shí)時(shí)間曲線，加入顫振信號(hào)后的曲線更平緩，即比例電磁閥建壓時(shí)間縮短，響應(yīng)迅速.

圖4 無(wú)顫振的階躍試驗(yàn)曲線

圖5 有顫振的階躍試驗(yàn)曲線

3 濕式離合器試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)比例電磁閥的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證后，將此方法應(yīng)用于大功率AT換擋離合器控制中進(jìn)行試驗(yàn).濕式換擋離合器控制原理框圖如圖6所示.

圖6 濕式換擋離合器控制原理框圖

大功率AT的濕式換擋離合器控制過(guò)程曲線如圖7所示.首先比例電磁閥驅(qū)動(dòng)PWM值為100%，快速充油以消除離合器間隙;然后給比例電磁閥一個(gè)較小的驅(qū)動(dòng)值，使其對(duì)應(yīng)的濕式換擋離合器壓力正好可以克服摩擦力及回位彈簧等的力，達(dá)到初始滑磨點(diǎn)，為后續(xù)的扭矩交替做準(zhǔn)備.當(dāng)比例電磁閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒(méi)有疊加顫振信號(hào)時(shí)，由于滯環(huán)效應(yīng)，使回位壓力值高于期望值，如圖7中紅色圓圈位置所示，造成換擋過(guò)程快充油階段沖擊.從圖8可看出，在比例電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)中疊加顫振信號(hào)后，同樣的驅(qū)動(dòng)值，加入顫振信號(hào)后明顯減小了滯環(huán)效應(yīng)，使回位壓力值達(dá)到期望值，換擋過(guò)程快充油階段油壓變化平緩，柔和過(guò)渡，換擋過(guò)程更平順.

圖7 未疊加顫振信號(hào)的大功率AT起步擋控制過(guò)程曲線

圖8 疊加顫振信號(hào)后的大功率AT起步擋控制過(guò)程曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)分析比例電磁閥的控制原理，可知為了消除滯環(huán)帶來(lái)的行程誤差，需要在PWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)基礎(chǔ)上疊加顫振信號(hào).采用TLE7242G驅(qū)動(dòng)芯片的顫振信號(hào)發(fā)生器模塊，并根據(jù)顫振計(jì)算式計(jì)算出顫振頻率和顫振幅度，生成帶有顫振的高頻PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào).試驗(yàn)結(jié)果表明，加入顫振后，明顯地減小了滯環(huán)和建壓時(shí)間，改善了閥心的動(dòng)態(tài)性能.本方法已經(jīng)應(yīng)用于大功率AT濕式換擋離合器的控制系統(tǒng)中，使系統(tǒng)建壓時(shí)間減少了0.1 s，正向行程與反向行程的壓力差由0.6 bar減小至0.1 bar，行

程壓力差減小了0.5 bar，明顯減小了由于滯環(huán)效應(yīng)造成的換擋沖擊，運(yùn)行效果良好.