基于LabVIEW的自动变速器测控装置及其测控系统和测控方法

摘要

本发明公开了一种基于LabVIEW的自动变速器测控装置，包括发动机、伺服电机、液力变矩器、变速箱、转速转矩传感器、增速齿轮箱、电涡流测功机和测控仪以及流量传感器和电磁比例溢流阀，该装置的测控系统包括初始化模块、数据处理模块、油门控制模块、加载模块、档位判断模块以及换挡执行模块，此外，本发明还公开了该装置的测控方法。本发明是通过对自动变速器的外界负载变化进行模拟的测控系统，通过设定负载循环可以模拟变速箱的工作循环，检测变速箱在工况转换时负载变化引起的冲击，对于车辆的换挡策略和换挡品质研究具有重要意义。本发明的测控系统人工成本低，设备自动化程度高，具有很强的灵活性与通用性。

说明书

技术领域

本发明属于自动变速器技术领域，具体涉及一种基于LabVIEW的自动变速器测控装置 及其测控系统和测控方法。

背景技术

自动变速器是传统汽车和工程机械的核心零部件之一，它对整车的舒适性、动力性和经 济性等性能有着重要的影响。研究自动变速技术不但可以减轻司机的驾驶疲劳强度，更主要 的是能够让司机把更多的注意力集中在驾驶或作业上，保障驾驶的安全性，提高作业效率和 质量。但是自动变速器为此也牺牲了传动效率，燃油经济性也有所降低。欧美各国从上世纪 40年代开始研制自动变速器，特别是上世纪90年代初，大量的电子技术应用使自动变速器 得到了长足的进步与发展。我国从“九五”阶段开始将自动变速器作为汽车产业的重点突破 方向，通过校企联合的方式进行技术攻关与研究，“十一五”期间，我国自动变速器行业得 到了蓬勃的发展，成为世界自动变速器制造大国，但是中低端机型占绝大比重，产品创新对 国外技术依赖性强。至目前，国内已有一部分企业掌握了自动变速器的关键技术，但是和国 外仍然有很大的差距，中高档自动变速器多为国外进口，或是合资企业生产，没有自主知识 产权。因此对于自动变速技术的研究刻不容缓。

事实上，现如今对于变速器进行自动换挡策略和换挡品质研究都需要进行台架试验，用 来模拟车辆不同工况下的换挡策略，根据换挡时油压、油温的变化研究换挡品质，因此对于 工况的模拟尤为重要。现有的自动变速器测控系统没有提出合理的模拟车轮负载变化的控制 方法，尤其是工程车辆在进行工作时车轮负载的变化情况，大多只能进行数据的采集和存储， 能够对外部设备进行简单的控制。某些高校的自动变速测控系统通过TCUTransmission  Control Unit，(即自动变速器控制单元控制器)对变速器进行控制换挡，但是对于TCU的硬 件和软件开发都需要花费大量的时间、精力及昂贵的费用。硬件返工率高，开发周期长，单 片机抗干扰能力弱，采集数据精度低；控制程序需要编写冗杂的程序代码，需要耗费大量的 精力编写修改程序。而且自动变速测控系统需要采集大量的数据，对于数据的采集精度和采 集速率均有较高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LabVIEW的自动变速器测控装置及其测控 系统和测控方法,以实现对自动变速车轮负载进行模拟的测控。

为了解决以上技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种基于LabVIEW的自动变速器测控装置，主要由发动机1、伺服电机3、液力变矩器 5、变速箱6、输入转速转矩传感器8、输出转速转矩传感器9、增速齿轮箱10、电涡流测功 机11、测控仪12、下位机13、A/D卡22、转矩转速测量卡23、温度与压力传感器24、工 控机25以及流量传感器和电磁比例溢流阀组成；

所述发动机1与液力变矩器5之间连有输入转速转矩传感器8，变速箱6与增速齿轮箱 10之间连有输出转速转矩传感器9，并且增速齿轮箱10另一端与电涡流测功机11相连；

所述流量传感器一端经过电磁比例溢流阀与油泵连接，另一端经过下位机13与工控机 25连接，电磁比例溢流阀经过A/D卡22与工控机25连接，控制油泵流量，模拟车辆油耗 负载，其中，油泵分别为工作油泵16、变速油泵17以及转向油泵41，所述电磁比例溢流 阀与流量传感器分别与所述油泵一一对应设置连接。

所述转速转矩传感器经过转矩转速测量卡23与工控机25相连，变速箱6经过温度与压 力传感器24与工控机25相连，伺服电机3与工控机25相连；

所述测控仪12两端分别与电涡流测功机11和工控机25连接，控制电涡流测功机11的 加载转矩，模拟车辆的外界负载变化。

一种基于LabVIEW的自动变速器测控系统包括初始化模块26，用于为各个串口和转矩 转速测量卡23进行参数配置，使工控机25与A/D卡22、下位机13和测控仪12的波特率、 数据位、停止位和校验位四个参数一致；

数据处理模块27，对数据进行采集和处理，并将处理后的数据传输到加载模块29；

所述数据处理模块27包括数据采集模块35、滤波模块36、数据检测模块37、数据存 储模块38以及波形显示模块39；

其中数据采集模块35，用于采集数据；滤波模块36，对数据采集模块35采集的数据进 行判断滤波；数据检测模块37，对经过滤波后的信号进行检测是否超过警戒值；数据存储 模块38，接收未超过警戒值的信号，并以XML文件的形式存储在目标路径下，然后将数据 同时传输到波形显示模块39和加载模块29；波形显示模块39，显示采集到的数据；

油门控制模块28，用于给伺服电机3发送指令控制油门开度值，并将油门开度数据传 输到档位判断模块30；

加载模块29，用来确定模拟负载的大小，在收到来自数据处理模块27的数据之后，根 据数据处理模块27采集的数据和设定的负载循环加载数据来模拟负载的变化，并将加载数 据和采集的数据输入到档位判断模块30；

档位判断模块30，用于获取数据处理模块27、油门控制模块28和加载模块29的数据， 作为判断换挡的参数，并将判断出来的档位输出，与当前档位进行比较32判断，如不相等， 则数据输入到换挡执行模块31，如相等，则入停止33判断；

一种基于LabVIEW的自动变速器测控方法如下：

第一步：将各测控元件进行连接；

第二步：用所述转速转矩测量卡23对卡号、传感器系数、传感器量程、传感器齿数、 采样周期、扭矩零点进行参数设置；

第三步：所述初始化模块26为各个串口和转矩转速测量卡23进行参数配置，初始化模 块26使工控机25与包括A/D卡22、下位机PLC13和测控仪12的外部设备的波特率、数 据位、停止位和校验位参数一致；

第四步：同时运行数据处理模块27和油门控制模块28，在经过数据采集模块35采集 数据之后，将数据传输到滤波模块36进行程序判断滤波，由于不同的物理量在相邻的采样 值之间的变化有一定的限度，因此设定两次采样信号之间可能出现的最大偏差值为ΔY，若 超出此偏差，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；若小于此偏差值，可将信号作为本 次采样值：

$Y=\left(\begin{array}{cc}Y\left(K\right)& |Y\left(K\right)-Y(K-1)|\le \mathrm{\Delta Y}\\ Y(K-1)& |Y\left(K\right)-Y(K-1)|>\mathrm{\Delta Y}\end{array}\right)$

式中：Y(K)为第K次采样值，Y(K-1)为第K-1次采样值，ΔY为偏差值；

第五步：所述数据监测模块37接受滤波之后的数据，当有转速、温度、压力或转矩超 过警戒值则立刻给油门控制模块发送指令，减小油门开度，停机检查；若未超过警戒值，则 将数据传输到数据存储模块38，以XML文件的形式存储在目标路径下，然后将数据传输到 加载模块29，同时在波形显示模块39将采集的数据显示到前面板上；

第六步：所述加载模块29在收到来自数据处理模块27的数据之后，根据采集的外界数 据的变化来模拟负载的变化，

所述负载包括车辆行驶过程中需要克服油泵的消耗功率和通过车轮传递的外界阻力，

其中，油泵的消耗功率包括工作油泵16、变速油泵17和转向油泵41吸收的功率，并 主要通过以下方式来模拟：

$N=\frac{P·Q}{60\eta }$

式中：N为油泵功率，单位为KW；P为压力，单位为Mpa；Q为流量，单位为L/min； η为油泵效率，无因次量；

车轮传递的外界阻力主要通过以下方式来模拟：

通过工控机调用动态数据链接库，对测控仪12发送指令，从而调节测功机11励磁电流 的大小从而控制负载转矩的大小；

负载转矩的大小通过以下方式来确定：

$M_c=\frac{[F_{\mathrm{fz}}\left(f\right)+F_i\left(\alpha \right)+F_{\mathrm{jz}}\left(v\right)+F_{\mathrm{wz}}\left(v\right)]·r·i_z}{i_s·{\eta }_s}$

式中：M_c为测功机加载转矩，F_fz(f)为滚动阻力、F_i(α)为坡度阻力、F_jz(ν)为加速阻力、 F_wz(ν)为风速阻力，r为车轮的模拟半径，i_z为测控系统增速箱传动比，ν为车速，f为滚动 阻力系数，i_s为变速箱输出至车轮的传动比，η_s为传动系统的效率损失；

根据车辆在行驶过程中不同的路况、坡度变化和车速确定负载的变化，先提前将模拟的 车辆运输道路坡度参数和路况参数以XML文件的形式存储在目标路径下，在当油门开度达 到设定值之后开始进行测功机负载循环；

第七步：将加载模块29输出的加载数据和数据处理模块27采集到的数据输入到档位判 断模块30；

第八步：所述的油门控制模块28，通过给伺服电机3发送指令控制油门开度值，将油 门开度数据传输到档位判断模块30；

第九步：档位判断模块30将判断出来的档位输出，与当前档位进行比较32，如若不相 等，则运行换挡执行模块31，如若相等，则进行停止33判断；

第十步：如果停止33判断为否，则程序回到循环的开始进行下一个循环，直到停止33 判断为是或数据检测模块37检测到数据超过警戒值，程序会跳出循环，程序停止34。

本发明的有益效果：

本发明首次提出了对于自动变速车轮负载进行模拟的测控系统，尤其是工程车辆在进行 作业的时候工作机构负载的模拟，在进行工作时不仅在传动系统有负载的变化也有工作机构 负载的变化。通过设定负载循环可以模拟变速箱的工作循环，检测变速箱在工况转换时负载 变化引起的冲击，对于车辆的换挡策略和换挡品质研究具有重要意义。提高自动变速器的试 验效率，更精准的控制外部设备，并且可以图形化显示，直接生成曲线，具有更强的直观性。 为后续TCU的硬件或软件开发提供参考，降低硬件返工率，缩短开发周期，降低开发时间 成本，节约设备成本，提高TCU的设计质量。而且还提高了实验数据采集的精度，降低人 工劳动强度，提高设备自动化程度，具有很强的灵活性与通用性。基于LabVIEW的图形化 编程方法，避免了编写冗长的程序代码，简洁直观、人机交互性强，模块化封装程序的能够 方便地进行二次开发，同时多种换挡策略为变速器前期得试验与开发提供了便利。

附图说明

图1：自动变速器测控装置示意图

图2：工控机、下位机、传感器的信号传递流程图

图3：自动变速器测控系统模块流程图

图中：

1.发动机2.油门踏板3.伺服电机4.飞轮5.液力变矩器6.变速器7.换挡控制阀8.输入 转速转矩传感器9.输出转速转矩传感器10.增速齿轮箱11.电涡流测功机12.测控仪 13.PLC 14.工作油泵齿轮组15.变速油泵齿轮组16.工作油泵17.变速油泵18.工作油泵流量 传感器19.变速油泵流量传感器20.第一电磁比例溢流阀21.第二电磁比例溢流阀22.A/D 卡23.转矩转速测量卡24.温度与压力传感器模块25.工控机26.初始化模块27.数据处理 模块28.油门控制模块29.加载模块30.档位判断模块31.换挡执行模块32.档位判断33.停 止34.释放串口程序停止35.数据采集模块36.滤波模块37.数据检测模块38.数据存储模 块39.波形显示模块40.转向油泵齿轮组41.转向油泵42.转向油泵流量传感器43.第三电 磁比例溢流阀

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1所示，基于LabVIEW的自动变速器测控装置，包括发动机1、伺服电机3、液力 变矩器5、变速箱6、输入转速转矩传感器8、输出转速转矩传感器9、增速齿轮箱10、电 涡流测功机11、测控仪12、下位机13、A/D卡22、转矩转速测量卡23、温度与压力传感器 24、工控机25以及流量传感器和电磁比例溢流阀。

伺服电机3通过齿轮组配合与油门踏板2连接，发动机1输出轴所联接的飞轮4分别通 过工作油泵齿轮组14、变速油泵齿轮组15和转向油泵齿轮组40与工作油泵16、变速油泵 17以及转向油泵41相连，飞轮4转动带动各油泵运转，各油泵与各与一个电磁比例溢流阀 相连，电磁比例溢流阀输出端经过一个流量传感器将溢出液压油输送至油箱。

其中：工作油泵16、第一电磁比例溢流阀20和工作油泵流量传感器18用来模拟工作 油泵的负载；变速油泵17、第二电磁比例溢流阀21和变速油泵流量传感器19用来模拟变 速油泵的负载；转向油泵41、第三电磁比例溢流阀43和转向油泵流量传感器42用来模拟 转向油泵的负载；

输入转速转矩传感器8的输入端通过法兰盘与发动机飞轮4连接，输出端通过弹性板与 液力变矩器5泵轮连接。液力变矩器5涡轮通过花键与变速箱的输入轴连接。

输出转速转矩传感器9输入端通过十字万向节与变速箱的输出轴连接，输出端也通过十 字万向节与增速齿轮箱10连接。增速齿轮箱10输出端通过联轴器与电涡流测功机11连接。

如图2所示，伺服电机3通过RS232串口线与工控机25连接，通过工控机中油门控制 模块28循环发送的指令，控制油门踏板2的转动角度，从而控制油门开度。下位机PLC与 变速箱6的换挡控制阀7换挡执行机构相连，下位机PLC的模拟量输出端子分别与工作油 泵16、变速油泵17和转向油泵41对应的第一电磁比例溢流阀、第二电磁比例溢流阀和第 三电磁比例溢流阀相连接，下位机PLC通过专用的串口RS232电缆与工控机25相连。流量、 温度、压力传感器通过A/D卡22将流量信号发送给工控机25，其中：流量传感器包括工作 油泵流量传感器18、变速油泵流量传感器42和变速油泵流量传感器19，其获得的信号输出 至A/D卡22；

温度传感器为检测自动变速器内部工作油温的传感器，压力传感器为检测变速箱各个换 挡油压的传感器，将信号通过温度与压力传感器模块24进行调制输出至A/D卡22。

转速转矩传感器应配备相应的PCI总线转矩转速测量卡，用于工控机25读取测量数据。 测功机11配备测控仪12，测控仪通过RS485转RS232模块与工控机通讯，使得工控机25 可以实时控制电涡流测功机11的加载转矩。

具有LabVIEW开发平台的工控机25处理上传的数字信号，并发送相应的指令控制执行 机构运动。

基于LabVIEW的自动变速器测控装置的测控系统主要包括：

如图3所示，初始化模块26，用于为各个串口和转矩转速测量卡23进行参数配置，使 工控机25与A/D卡22、下位机13和测控仪12的波特率、数据位、停止位和校验位四个参 数一致；

数据处理模块27，对数据进行采集和处理，并将处理后的数据传输到加载模块29；

所述数据处理模块27包括数据采集模块35、滤波模块36、数据检测模块37、数据存 储模块38以及波形显示模块39；

其中数据采集模块35，用于采集数据；滤波模块36，对数据采集模块35采集的数据进 行判断滤波；数据检测模块37，对经过滤波后的信号进行检测是否超过警戒值；数据存储 模块38，接收未超过警戒值的信号，并以XML文件的形式存储在目标路径下，然后将数据 同时传输到波形显示模块39和加载模块29；波形显示模块39，显示采集到的数据；

油门控制模块28，用于给伺服电机3发送指令控制油门开度值，并将油门开度数据传 输到档位判断模块30；

加载模块29，用来确定模拟负载的大小，在收到来自数据处理模块27的数据之后，根 据数据处理模块27采集的数据和设定的负载循环加载数据来模拟负载的变化，并将加载数 据和采集的数据输入到档位判断模块30；

档位判断模块30，用于获取数据处理模块27、油门控制模块28和加载模块29的数据， 作为判断换挡的参数，并将判断出来的档位输出，与当前档位进行比较32判断，如不相等， 则数据输入到换挡执行模块31，如相等，则入停止33判断；

如图1、图2和图3所示，该装置的测控方法如下，

第一步：将如前所述的各个测控元件进行连接；

第二步：转速转矩测量卡23需要在测量之前对卡号、传感器系数、传感器量程、传感 器齿数、采样周期进行参数设置，并且进行相应的调零；

第三步：初始化模块26为各个串口和转矩转速测量卡进行参数配置，其中包括：使工 控机25与外部设备的波特率、数据位、停止位和校验位四个参数一致，例如A/D卡22、伺 服电机3、下位机PLC13、测控仪12；

第四步：所述的初始化模块26运行之后，需要同时运行数据处理模块27、油门控制模 块28；

所述的数据处理模块27包括数据采集模块35、滤波模块36、数据检测模块37、数据 存储模块38、波形显示模块39。

数据采集模块35主要对A/D卡22和转速转矩测量卡23检测到的数据进行采集，将其 检测到的数据通过数模变换，转化成数字信号传输到工控机25。

由于设备现场往往存在外部干扰，例如磁场耦合干扰，电磁辐射干扰，静电干扰等，为 了提高采集数据的质量，需要对数据进行滤波，采集的数据通过滤波模块36进行程序判断 滤波，由于不同的物理量在相邻的采样值之间的变化有一定的限度，因此设定两次采样信号 之间可能出现的最大偏差值为ΔY，若超出此偏差，则表明该输入信号是干扰信号，应该去 掉；若小与此偏差值，可将信号作为本次采样值：

$Y=\left(\begin{array}{cc}Y\left(K\right)& |Y\left(K\right)-Y(K-1)|\le \mathrm{\Delta Y}\\ Y(K-1)& |Y\left(K\right)-Y(K-1)|>\mathrm{\Delta Y}\end{array}\right)$

式中：Y(K)为第K次采样值，Y(K-1)为第K-1次采样值，ΔY为偏差值。

第五步：所述的数据监测模块37接受滤波之后的数据，如有转速、温度、压力或转矩 等超过警戒值则立刻给油门控制模块发送指令，减小油门开度，停机检查；如未超过警戒值， 则将数据传输到数据存储模块38，以XML文件的形式存储在目标路径下，然后将数据传输 到加载模块29，同时在波形显示模块39将采集的数据显示到前面板上。

第六步：所述的加载模块29主要用来确定模拟负载的大小，在收到来自数据处理模块 27的数据之后，根据采集的数据和设定的负载循环来模拟负载的变化。

车辆的行驶过程中需要克服两方面的负载：第一，需要克服油泵的消耗的功率；第二， 通过车轮传递的外界阻力。

工作油泵16、变速油泵17和转向油泵41吸收的功率主要通过以下方式来模拟：

根据油泵的功率公式

$N=\frac{P·Q}{60\eta }$

式中：N为油泵功率，单位为KW；P为压力，单位为Mpa；Q为流量，单位为L/min； η为油泵效率，无因次量。

根据上式，改变溢流阀的压力大小，检测各个流量传感器的流量，便可计算出车辆工作 泵消耗的功率。对于各个油泵的负载进行PID反馈控制调节，电磁比例溢流阀为执行器，当 前功率值与设定值进行对比，反馈调节。在程序运行前将模拟工作油泵功率循环的数据以 XML文件的格式存放在目标路径下用于程序运行时读取，当油门开度达到设定值之后开始 读取数据，进行油泵的负载循环。

车轮传递的外界阻力主要通过以下方式来模拟：

通过工控机调用DLLDynamic Link Library动态数据链接库，对测控仪12发送指令，从 而调节测功机11励磁电流的大小从而控制负载转矩的大小。

负载转矩的大小通过以下方式来确定：

$M_c=\frac{[F_{\mathrm{fz}}\left(f\right)+F_i\left(\alpha \right)+F_{\mathrm{jz}}\left(v\right)+F_{\mathrm{wz}}\left(v\right)]·r·i_z}{i_s·{\eta }_s}$

式中：M_c为测功机加载转矩，F_fz(f)为滚动阻力、F_i(α)为坡度阻力、F_jz(ν)为加速阻力、 F_wz(ν)为风速阻力，r为车轮的模拟半径，i_z为测控系统增速箱传动比，ν为车速，f为滚动 阻力系数，i_s为变速器输出至车轮的传动比，η_s为传动系统的效率损失。

根据车辆在行驶过程中不同的路况、坡度变化和车速确定负载的变化。先提前将模拟的 车辆运输道路坡度参数和路况参数以XML文件的形式存储在目标路径下，在当油门开度达 到设定值之后开始进行测功机负载循环；

第七步：所述的档位判断模块30与加载模块29和油门控制模块28连接，将加载模块 29的加载数据和数据处理模块27的采集数据输入到档位判断模块30；

所述的油门控制模块28，通过给伺服电机3发送指令控制油门开度值，将油门开度数 据传输到档位判断模块30；

第八步：所述的档位判断模块30采集数据处理模块27、油门控制模块28和加载模块 的数据，作为判断换挡的参数。汽车和工程机械存在不同的换挡策略，例如两参数、三参数、 四参数或者神经-模糊等换挡策略。对于两参数、三参数、和四参数换挡策略使用一维、二 维和三维三次样条插值计算方法计算出对应的换挡点，对于神经-模糊换挡策略使用Fuzzy  Logic模块控制器并进行参数设置制定换挡策略从而确定对应的换挡点。

第九步：档位判断模块30将判断出来的档位输出，与当前档位进行比较32，如若不相 等，则运行换挡执行模块31，如若相等，则进行停止33判断。

第十步：如果停止33判断为否，则程序回到循环的开始进行下一个循环，直到停止33 判断为是或数据检测模块37检测到数据超过警戒值，程序才会跳出循环，程序停止34。