吳亞渝，鄭 建，孟 勇，符 亭，趙江波，羅 小

(重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是輪式車輛動(dòng)力的核心關(guān)鍵部件，其工作正常性與可靠性決定了整車的運(yùn)行性能。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓、電器、控制器等部件構(gòu)成，各部件的功能性能、部件裝配過程中的人為因素等，都會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)的工作可靠性[1]；另外，當(dāng)車輛在非結(jié)構(gòu)化的越野地形下行駛時(shí)，會(huì)受到振動(dòng)、高溫、濕熱等因素的影響，從而影響動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在正常工作時(shí)需要和外部的油、水、電系統(tǒng)連接，在整車動(dòng)力艙的裝配非常復(fù)雜，一旦在車輛裝配完成后出現(xiàn)問題，需要繁瑣的工序進(jìn)行吊艙檢查[2]。因此，在裝車前對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行功能及性能測(cè)試十分有必要[3]。

在目前生產(chǎn)的車輛中，有相當(dāng)一部分是手動(dòng)檔操作，相比自動(dòng)檔車輛，手動(dòng)檔動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在裝車前的臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試中，需要測(cè)試人員在傳動(dòng)系統(tǒng)旁邊人工操控離合器并切換檔位，以檢查系統(tǒng)的工作正常性及可靠性。尤其是可靠性檢查中，需要試驗(yàn)人員重復(fù)不斷地進(jìn)行踩離合、選檔、換檔操作，不僅測(cè)試效率低且工作量繁重[4]；而且在人工操控過程中，無法準(zhǔn)確測(cè)得選檔、換檔的操縱力，僅憑測(cè)試人員的直觀感受進(jìn)行檔位操控順暢性的判斷，測(cè)試結(jié)果不具備客觀性和一致性。

為解決手動(dòng)檔動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試中存在的上述問題，提高測(cè)試效率及準(zhǔn)確性，不少試驗(yàn)測(cè)試機(jī)構(gòu)都提出了自己的方案，如兵器201所設(shè)計(jì)了一種多檔位自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)末端直接和換檔手柄進(jìn)行連接，機(jī)構(gòu)具有空間X、Y、Z等3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)換檔手柄的選檔與換檔操縱，但是該機(jī)構(gòu)不能測(cè)量換檔與選檔力[5]；北汽新能源則設(shè)計(jì)了一款專用的操縱機(jī)器人，但是該機(jī)器人是用于車輛裝配完成后的操縱測(cè)試，需要安裝到駕駛?cè)斯の簧线M(jìn)行測(cè)試[6]。

綜合現(xiàn)有的研究情況，本文設(shè)計(jì)了一種離合、換檔自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，并提出一種自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)控制策略。主要從傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，提出驅(qū)動(dòng)電流與機(jī)構(gòu)輸出力數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)輸出力的檢測(cè)。同時(shí)，為避免輸出力對(duì)被測(cè)試產(chǎn)品造成機(jī)械上的損傷，提出一種基于位置的阻抗控制策略，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸柔順控制。并基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，提出一種自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)控制策略，實(shí)現(xiàn)檔位的自動(dòng)操縱控制。實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試表明，在手動(dòng)檔動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在裝車前的臺(tái)架試驗(yàn)中，該操縱機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操縱離合、換檔的基礎(chǔ)上能夠準(zhǔn)確地測(cè)得換檔及選檔的操縱力，能在一定程度上提高測(cè)試效率及準(zhǔn)確性。

1 操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

手動(dòng)檔動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)一共需要3個(gè)自由度，分別是選檔操縱自由度、換檔操縱自由度、離合操縱自由度。各個(gè)自由度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別為一個(gè)帶有力傳感器的電動(dòng)缸[7]。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的操縱機(jī)構(gòu)未另外安裝力傳感器。其實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

從圖1可以看出，3個(gè)操縱自由度之間沒有任何機(jī)械耦合。該操縱機(jī)構(gòu)以電動(dòng)缸為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電動(dòng)缸由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過絲桿將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)缸桿的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而拉動(dòng)軟軸或推動(dòng)離合腳踏板。

其中，每一個(gè)電動(dòng)缸都配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器，該驅(qū)動(dòng)控制器接收測(cè)試裝置發(fā)送的動(dòng)作指令(伸出或縮回一定的位移)，然后控制電動(dòng)缸上的交流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在每一個(gè)電動(dòng)缸的后端都集成了一個(gè)角位移傳感器，可以測(cè)得電動(dòng)缸在拉軟軸或壓下離合器踏板時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，然后再根據(jù)電動(dòng)缸絲桿的螺距，可以將電動(dòng)機(jī)的角度轉(zhuǎn)換成電動(dòng)缸桿的位移。

對(duì)于檔位的操縱而言，該機(jī)構(gòu)直接操縱軟軸而不是換檔手柄，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了換檔與選檔2個(gè)操縱機(jī)構(gòu)的解耦，二者不存在機(jī)械耦合，且該執(zhí)行機(jī)構(gòu)上自帶有力傳感器，可以直接測(cè)量操縱軟軸的力，再通過換檔手柄的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以將該操縱力換算到手柄的操縱力。

2 基于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的電動(dòng)缸輸出力檢測(cè)

由于本文設(shè)計(jì)的操縱機(jī)構(gòu)是直接采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流來計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而只需要根據(jù)傳動(dòng)鏈關(guān)系計(jì)算出電動(dòng)缸的輸出，即可實(shí)現(xiàn)輸出力檢測(cè)。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用PWM方式控制，驅(qū)動(dòng)電流存在大量的高次諧波干擾，使得電流數(shù)據(jù)無法直接使用，必須對(duì)其進(jìn)行去噪濾波處理[8]。在d-q坐標(biāo)系下，伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：

(1)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ld、Lq分別為電動(dòng)機(jī)d-q軸電感；id、iq別為電動(dòng)機(jī)d-q軸電流。

對(duì)于中小功率的伺服電動(dòng)機(jī)，多采用id=0的矢量控制策略，此時(shí)轉(zhuǎn)矩方程(式1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

即電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩只與電流iq相關(guān)，也就是說只需要通過Park變換，將電動(dòng)機(jī)的三相電流從a-b-c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為d-q坐標(biāo)系中，然后對(duì)電流iq進(jìn)行濾波處理即可，而無需對(duì)電動(dòng)機(jī)的每一相驅(qū)動(dòng)電流都分別進(jìn)行濾波。

電動(dòng)機(jī)的q軸電流iq可以表示為：

(3)

可見，電流iq除了包含有直流分量iq1外，還包含有幅值為I5及I7的6次諧波分量。

圖2 自適應(yīng)FIR濾波器結(jié)構(gòu)

濾波器的輸出為：

(4)

式中，W(n)=[w(n),w(n-1),...,w(n-N+1)]為FIR濾波器的參數(shù)。圖2中參數(shù)自適應(yīng)模塊的作用是自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)W(n)，以取得優(yōu)化的濾波效果。

電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)過絲杠螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力，而電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩又由電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流決定，所以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力的轉(zhuǎn)換可通過如下方式實(shí)現(xiàn)。

步驟1：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流與輸出轉(zhuǎn)矩的建模。

Te=Keiq

(5)

式中，系數(shù)Ke由電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，一般為常量。

步驟2：電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的建模。

電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

(6)

式中，J為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為電動(dòng)機(jī)的粘滯摩擦因數(shù)；Fl為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力；Kf為力與電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換系數(shù)；fl為執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中存在的非線性摩擦力。聯(lián)立式5和式6即可獲得電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流iq與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力Fl之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系為：

(7)

式中，Kf與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)，是一個(gè)確定性參數(shù)；J與負(fù)載的結(jié)構(gòu)參數(shù)及質(zhì)量相關(guān)，也可以精確計(jì)算得到；在非線性摩擦fl中也包含了與速度相關(guān)的粘滯摩擦，因此可將式7中的Bω項(xiàng)隱去，而統(tǒng)一到fl中，故而只需要處理參數(shù)fl即可。一般摩擦力可通過金屬之間的滾動(dòng)摩擦經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行確定。當(dāng)電流iq已知后，還需要確定參數(shù)Ke、Kf、J、B、fl，才可以計(jì)算得到Fl。

3 一種電動(dòng)缸力/位移的柔順操縱控制方法

電動(dòng)缸是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)電動(dòng)缸按照傳統(tǒng)方式拉動(dòng)軟軸或推動(dòng)離合器踏板時(shí)，會(huì)造成動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)卡滯，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)受限[9]。在自動(dòng)換檔過程中，由電動(dòng)缸拉動(dòng)軟軸，控制軟軸的位移實(shí)現(xiàn)換檔和選檔。在控制過程中，既要精準(zhǔn)控制軟軸產(chǎn)生一定的位移，又不能產(chǎn)生劇烈的力沖擊，對(duì)換檔機(jī)構(gòu)造成破壞。因此，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力/位移雙閉環(huán)的阻抗控制策略，提出一種電動(dòng)缸利用力/位移柔順控制方式實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。其柔順操縱控制框架如圖3所示。

圖3 具有逆動(dòng)力學(xué)前饋的力/位移復(fù)合柔順控制框架

執(zhí)行器的位置控制指令是由阻抗模型輸出的位置修正位移添加到參考位移Xr中得到，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與軟軸間的拉力很小時(shí)，二者的作用力近似為零，阻抗模型產(chǎn)生的位置修正量也近似為零；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與軟軸間的拉力很大時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大的修正指令，減緩電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)，使其變得更為柔和[10]。當(dāng)軟軸接近所需的換檔及選檔位置時(shí)，電動(dòng)缸的力會(huì)逐漸減小，從而電動(dòng)缸繼續(xù)帶動(dòng)軟軸運(yùn)動(dòng)至所需位置。

通過上述策略可以實(shí)現(xiàn)軟軸的精確位移控制，進(jìn)而平順地實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的換檔與選檔。在圖3所示的控制框架中，虛框內(nèi)部分為電動(dòng)機(jī)電流環(huán)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力一體化控制器，該部分功能由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，不再贅述。

力控制器的參考輸入Fr是該控制框架的關(guān)鍵，其由3部分組成：

Fr=Fr1+Fr2+Fr3

(8)

在圖3所示的控制框架中，位置環(huán)控制器的作用是確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠按照期望的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。該控制器的算法設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，本文中設(shè)計(jì)了分?jǐn)?shù)階PD控制器實(shí)現(xiàn)位置控制。

考慮到位置環(huán)控制器最終的控制對(duì)象也是伺服電動(dòng)機(jī)，而電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型可建立為分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)。因此本文中，將位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)為分?jǐn)?shù)階PD控制器，其數(shù)學(xué)描述為：

Gp(s)=kpp+kdpsμp(μp>0)

(9)

式中，kpp、kdp分別為比例和微分項(xiàng)的系數(shù)；μp為微分項(xiàng)的階次。整數(shù)解的微積分由于具有明確的物理含義，很容易在數(shù)字控制器中進(jìn)行離散化實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于非整數(shù)階次微積分，由于物理含義不明顯，其數(shù)字實(shí)現(xiàn)成為了應(yīng)用該控制算法需要解決的問題，本文采用了應(yīng)用最為廣泛的Oustaloup方法進(jìn)行數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

4 基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)換檔操縱實(shí)現(xiàn)

前述研究工作主要解決的每一個(gè)電動(dòng)缸的精確位移控制策略以及軟軸或腳踏板位移及驅(qū)動(dòng)力的檢測(cè)問題。對(duì)于自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)還在于其控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力[11]。在實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試中，還需要根據(jù)被試產(chǎn)品的具體指標(biāo)，確定每一個(gè)檔位操縱下，選檔及換檔軟軸對(duì)應(yīng)的位移，以及離合腳踏板需要的位移；另外這3個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行還有一定的時(shí)序關(guān)系。為此本文結(jié)合實(shí)際測(cè)試需求，提出了一種基于知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)換檔操縱實(shí)現(xiàn)方案。簡(jiǎn)要功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)換檔簡(jiǎn)要功能架構(gòu)

該方案的核心在于要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的信息包括被試產(chǎn)品型號(hào)、檔位數(shù)量、自動(dòng)尋檔控制策略、每一檔位對(duì)應(yīng)的換檔軟軸的位移、選檔軟軸位移、離合踏板位移、最大操縱力。將數(shù)據(jù)庫(kù)作為測(cè)試系統(tǒng)理論支撐，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試人員只需要輸入被試產(chǎn)品的型號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中尋檔控制策略，控制自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)進(jìn)行尋檔。尋檔完成后將對(duì)應(yīng)檔位的位置/力信息轉(zhuǎn)化成各個(gè)電動(dòng)缸的指令，促使自動(dòng)換檔操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)檔位的自動(dòng)操縱控制。該方案的成功實(shí)施，能夠有效提升測(cè)試效率，同時(shí)能夠準(zhǔn)確獲得換檔和選檔操縱力，進(jìn)而科學(xué)地進(jìn)行檔位操控順暢性判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)手動(dòng)檔傳動(dòng)系統(tǒng)在試驗(yàn)測(cè)試中存在的諸多問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)換檔操縱機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)易方便，各機(jī)構(gòu)控制程序合理，柔性控制能夠在極大程度上避免對(duì)測(cè)試產(chǎn)品造成機(jī)械損傷，測(cè)試系統(tǒng)通過產(chǎn)品型號(hào)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)檔位控制。最終在臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)試驗(yàn)證了該自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)的可行性，結(jié)果表明：其不僅可以實(shí)現(xiàn)檔位的自動(dòng)切換，還可以檢測(cè)換檔的操縱力，極大地提高了測(cè)試的自動(dòng)化程度，為后續(xù)進(jìn)一步提高測(cè)試效率和準(zhǔn)確性打下了良好基礎(chǔ)。