汪東坪 李舜酩 魏民祥  于海生

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)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(dòng)力汽車電子換擋手柄的結(jié)構(gòu)和信號(hào)控制邏輯，通過信號(hào)故障處理和策略冗余算法，設(shè)計(jì)了電子換擋手柄信號(hào)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(duì)換擋手柄信號(hào)控制進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證控制的可靠性。測(cè)試結(jié)果表明該控制方法滿足了混合動(dòng)力汽車的換擋需求，并保證了換擋手柄信號(hào)控制的可靠性及車輛行駛安全。

    關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車  電子換擋  手柄可靠性設(shè)計(jì)

    中圖分類號(hào)：U463. 212：U469. 79    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：1000-1298∞12）06-0025 -05

    引言

    混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車通過動(dòng)力合成裝置將來自發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行合成以驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)行，該動(dòng)力合成裝置可作為混合動(dòng)力汽車的變速器，常采用多行星排耦合的形式凹，通過調(diào)節(jié)行星排各元件的轉(zhuǎn)速，使其像無級(jí)變速器一樣工作。因結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車變速器上的機(jī)械式換擋機(jī)構(gòu)已經(jīng)無法匹配和滿足混合動(dòng)力汽車變速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作特性，而來用電子換擋機(jī)構(gòu)可以解決這個(gè)問題。

電子換擋機(jī)構(gòu)不同于機(jī)械式換擋機(jī)構(gòu)，其對(duì)變速器的控制采用信號(hào)識(shí)別、傳輸和發(fā)送指令的模式，與混合動(dòng)力汽車變速器之間沒有直接的機(jī)械連接?；旌蟿?dòng)力汽車通過電控單元ECU采集當(dāng)前電子換擋機(jī)構(gòu)傳感器發(fā)送的擋位位置電壓模擬信號(hào)，經(jīng)分析計(jì)算后，判斷其擋位狀態(tài)，并根據(jù)各擋位下汽車的行駛狀態(tài)發(fā)送指令控制和改變變速器的運(yùn)行模式。  

 由于電子換擋機(jī)構(gòu)采用信號(hào)傳輸而非機(jī)械連接的工作模式，在對(duì)其操作過程中，為控制和保證其擋位狀態(tài)，防止發(fā)生擋位識(shí)別錯(cuò)誤、信號(hào)傳輸錯(cuò)誤、擋位狀態(tài)與當(dāng)前汽車行駛工況不符等故障，需要對(duì)電子換擋機(jī)構(gòu)的工作特性和信號(hào)控制邏輯進(jìn)行研究，保證其換擋的可靠性和準(zhǔn)確性。電子換擋機(jī)構(gòu)已經(jīng)在豐田汽車公司的多款混合動(dòng)力汽車上得到了成熟的應(yīng)用，但在其他汽車制造商的應(yīng)用還未得到普及，國(guó)內(nèi)外對(duì)其信號(hào)控制邏輯以及可靠性控制設(shè)計(jì)方法也少有研究。本文基于電子換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)其信號(hào)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(shù)對(duì)該控制邏輯和可靠性控制方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1  換擋信號(hào)控制邏輯

1.1  擋位結(jié)構(gòu)

    圖1所示為電子換擋手柄位置示意圖，有5個(gè)擋位，分別是：原始擋0擋、空擋N擋、前進(jìn)擋D擋、帶發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖前進(jìn)擋DB擋以及倒車擋R擋。換擋手柄的初始位置處于0擋，當(dāng)撥動(dòng)換擋手柄至除O擋外任意擋位后，手柄都會(huì)自動(dòng)回到O擋位置。電子換擋手柄對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)沒有直接的機(jī)械作用，其擁有4路傳感器信號(hào)，混合動(dòng)力電控單元ECU通過采集和分析各路傳感器信號(hào)，判斷其擋位狀態(tài)，從而控制動(dòng)力總成系統(tǒng)對(duì)外輸出相應(yīng)的扭矩模式。    此外，混合動(dòng)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(tài)下，通過按下駐車按鈕向電控單元發(fā)送駐車請(qǐng)求，系統(tǒng)控制機(jī)械駐車機(jī)構(gòu)鎖止變速器輸出軸，整車進(jìn)入駐車狀態(tài)。

1.2換擋手柄輸出信號(hào)控制邏輯

    電子換擋手柄有2個(gè)傳感器共4路電壓模擬信號(hào)，其中傳感器X的2踣信號(hào)戈，和戈，相等，傳感器Y的2路信號(hào)Yi和y：相等。在各路信號(hào)都沒有故障的情況下，設(shè)定傳感器X的輸出信號(hào)x=x，，傳感器Y的輸出信號(hào)y=Yi，根據(jù)戈和y信號(hào)值不同，通過手柄位置判斷函數(shù)P=f＆，y），判斷當(dāng)前手柄位置。

手柄位置判斷如表1所示。

    表1中，信號(hào)狀態(tài)T表示信號(hào)滿足設(shè)定條件，F表示信號(hào)不滿足設(shè)定條件；對(duì)應(yīng)手柄位置判斷函數(shù)P值0為O擋，1為N擋，2為D擋，3為DB擋，4為R擋。

    換擋信號(hào)控制邏輯應(yīng)能滿足駕駛員正常的換擋需求，簡(jiǎn)化換擋操作過程，降低和消除因誤操作而對(duì)駐車機(jī)構(gòu)和行駛系造成的損壞。換擋信號(hào)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(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入空擋位；在車輛起步時(shí)，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(tǒng)從空擋進(jìn)入任意動(dòng)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(jìn)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(shí)才能夠相互切換，以防止車輛動(dòng)力總成受到車輛運(yùn)動(dòng)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(tǒng)從動(dòng)力擋位進(jìn)入空擋。

    駐車擋Park擋作為輔助擋位，通過駐車機(jī)構(gòu)鎖止變速器輸出軸以保證車輛的靜止?fàn)顟B(tài)。在車輛上電后，為防止駐車機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)和行駛系統(tǒng)的損壞，必須先按下Park擋按鈕，取消駐車機(jī)構(gòu)對(duì)輸出軸的鎖止作用，才能有效操作換擋手柄從空擋進(jìn)入動(dòng)力擋位，否則系統(tǒng)將一直保持空擋，沒有動(dòng)力輸出；車輛在中高速行駛過程中，不會(huì)響應(yīng)Park擋按鈕信號(hào)，系統(tǒng)將保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，只有當(dāng)車速”小于5 km/h時(shí)，按下Park擋按鈕，系統(tǒng)才會(huì)從當(dāng)前動(dòng)力擋位進(jìn)入空擋，動(dòng)力中斷，車輛滑行，直至車速”小于1 km/h時(shí)，系統(tǒng)控制駐車機(jī)構(gòu)鎖止輸出軸，車輛進(jìn)入駐車狀態(tài)；車輛在5 km/h以下Park擋滑行期間，操作換擋手柄進(jìn)入當(dāng)前整車狀態(tài)允許的動(dòng)力擋位，都將取消Park擋信號(hào)，車輛重新獲得動(dòng)力。

2  可靠性控制設(shè)計(jì)

2.1  信號(hào)故障處理

    為了確保電子換擋手柄傳感器信號(hào)傳輸和識(shí)別的可靠性，防止因信號(hào)故障導(dǎo)致?lián)Q擋系統(tǒng)無法正常工作，需對(duì)4路信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，通過4路信號(hào)狀態(tài)組合函數(shù)C=f紐．，戈：，Y．，Y2），對(duì)故障狀態(tài)進(jìn)行分類，并作相應(yīng)處理。傳感器信號(hào)狀態(tài)判斷如表2所示，表中根據(jù)各擋位下對(duì)應(yīng)的信號(hào)值設(shè)定各路信號(hào)的判斷條件，若滿足設(shè)定條件則認(rèn)定該信號(hào)正確，不滿足則認(rèn)定信號(hào)錯(cuò)誤。進(jìn)行擋位狀態(tài)判斷的過程中仍有可能出現(xiàn)異常，從而導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)擋位的錯(cuò)誤判斷，因此需要通過系統(tǒng)控制策略進(jìn)一步對(duì)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(hào)戈和y只要有一個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，經(jīng)手柄位置判斷函數(shù)P=f&，y）計(jì)算輸出P=l，系統(tǒng)即進(jìn)入空擋，整車動(dòng)力中斷。

    此外，在車輛行駛過程中，為防止跳擋導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)受損，影響行車安全，設(shè)定操作手柄換擋需在目標(biāo)擋位停留0.5 s以上，方能進(jìn)入目標(biāo)擋位。若停留時(shí)間小于0.1 s，則認(rèn)定該情況為跳擋，并保持當(dāng)前擋位不變；若停留時(shí)間在0.1—0.5 s之間，則認(rèn)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(shè)定該情況下系統(tǒng)進(jìn)入空擋，整車動(dòng)力中斷，直至重新?lián)Q擋且有效停留時(shí)間超過0.5 s。

3仿真測(cè)試

3.1控制系統(tǒng)

    圖4所示為通過Simulink建立的電子換擋手柄信號(hào)控制模型網(wǎng)。圖中Signal_lnput為信號(hào)輸入模塊，包括剎車踏板開度信號(hào)a.車速信號(hào)”和駐車擋信號(hào)Park，以及4路傳感器信號(hào)戈1、戈2、Y1和Y2;Signal_Processing為信號(hào)故障處理模塊，輸入4路傳感器信號(hào)，經(jīng)故障處理后輸出信號(hào)戈和y；Handle_Position力手柄位置判斷模塊，輸入經(jīng)故障處理后的傳感器信號(hào)戈和y，經(jīng)手柄位置判斷函數(shù)及策略冗余算法輸出當(dāng)前手柄位置P; Control_Logic為換擋信號(hào)控制邏輯模塊，通過該模塊最終輸出擋位狀態(tài)S。在Matlab環(huán)境下，采用MotoTron快速控制原型開發(fā)工具弘閫，將圖4所示的控制模型編譯成代碼，并刷寫進(jìn)ECU中，構(gòu)成快速控制原型測(cè)試系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對(duì)換擋手柄信號(hào)的可靠性控制方法進(jìn)行仿真測(cè)試“u。

3.2測(cè)試及結(jié)果分析

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

    設(shè)定仿真時(shí)間為40 s，系統(tǒng)執(zhí)行周期為50 ms。開始階段，車輛處于駐車狀態(tài)，系統(tǒng)默認(rèn)為空擋，按下Park擋按鈕，系統(tǒng)打開駐車鎖止機(jī)構(gòu)，允許車輛起步；第5秒開始，踩踏剎車踏板至50%開度，同時(shí)操作換擋手柄經(jīng)空擋位置進(jìn)入D擋位置，停留0.6 s后再經(jīng)空擋位置回到原始擋位，系統(tǒng)由空擋進(jìn)入前進(jìn)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(cè)到戈，=0，信號(hào)錯(cuò)誤，而其他3路信號(hào)正常，系統(tǒng)觸發(fā)事件C2，令x=x，，經(jīng)計(jì)算后保持D擋狀態(tài)；在第15~20秒之間，檢測(cè)到傳感器X的2路信號(hào)都為0，觸發(fā)事件Cl，且Cl連續(xù)輸出超過10個(gè)執(zhí)行周期，為保證行車安全，令x=y=0，系統(tǒng)由D擋進(jìn)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(cè)4路傳感器信號(hào)正常，車輛進(jìn)入D擋運(yùn)行狀態(tài)；第25秒開始，操作換擋手柄至DB擋位置，系統(tǒng)由D擋進(jìn)入帶發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖的DB擋，車輛減速運(yùn)行；第30秒開始，按下Park擋按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入空擋，動(dòng)力中斷，同時(shí)踩踏剎車踏板，車輛減速直至靜止，系統(tǒng)控制駐車機(jī)構(gòu)鎖止輸出軸，車輛進(jìn)入駐車狀態(tài)。

4結(jié)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(dǎo)致車輛行駛狀態(tài)的改變及動(dòng)力系統(tǒng)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(hào)故障，可以簡(jiǎn)化處理方法，防止因信號(hào)故障導(dǎo)致?lián)Q擋系統(tǒng)無法正常工作，保證換擋信號(hào)控制的可靠性。

    (3)經(jīng)故障處理的信號(hào)通過策略冗余算法可防止因信號(hào)傳輸和識(shí)別異常導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)擋位的錯(cuò)誤判斷和跳擋的出觀，保證換擋可靠性及車輛行駛安全。