陈平

(广西产品质量检验研究院，广西 南宁 530007)



矿用车变速器控制系统的研究

陈平

(广西产品质量检验研究院，广西 南宁 530007)

摘要：在研究矿用车变速器换挡控制技术的基础上，针对矿用车传动系统的特点，制定了换挡控制规则，完成了矿用车变速器控制系统的硬件和软件设计。控制系统经测试后，在满足换挡要求的基础上，还具有抗干扰能力强，可靠性高等特点。对矿用车变速器控制系统的设计和研发提供科学参考。

关键词：矿用车；变速器；换挡规则；控制系统

0引言

矿用车又称为矿用自卸车，属于非公路用车，主要用于矿山的露天开采运输，常与电铲等挖掘机械组合作业，是矿山施工的主力运输设备，其特点是运程短、承载重。近年来，因其广阔的市场前景以及丰厚的利润空间，国内外企业纷纷加大矿用车的研发力度。国外的矿用车以大吨位为主，卡特彼勒已经研制出有效载重量达360t的矿用车，国外主要生产厂家有卡特彼勒、小松、别拉斯、沃尔沃等。但我国的矿用车还正处于起步阶段，主要以发展中小型矿用车(<100t)为主，国内比较有名的生产厂家有北方重汽、北京重型车辆、湘潭机电等。随着国家资源的整合以及相关技术的不断成熟，为我国发展大吨位矿用车奠定了基础。

矿用车变速器按传动方式可分为电传动和机械传动，对于载重吨位100t以下的车型，采用液力机械式变速器配合传统的后驱动桥的传动方式，而100t以上的车型，均采用电传动技术。矿用车控制系统的好坏直接影响矿用车的使用性能。目前国内矿用车变速器总成基本采用全套进口的方式，主要为美国的艾利逊和德国的采埃孚两大公司。根据我国矿用车的现状，研发了100t以内矿用车国产变速箱的控制系统。该系统在满足功能要求的前提下，具有换挡平顺性好，换挡冲击小，可靠性高等特点。

1控制系统功能分析

矿用车变速器控制系统是通过电子控制系统与换档执行机构的有机协调配合，高品质地实现工程车辆换挡过程自动化，从而提高矿用车的作业效率、动力性和经济性。矿用车变速器控制系统的优劣对整车的动力性、经济性等各种性能的影响较大。文中主要考虑矿用车变速器换挡功能的实现和换挡品质的提高两方面入手，对控制系统的功能提出以下要求：

a) 空挡启动保护功能

与普通汽车一样，车辆发动前，确保操纵手柄在空挡“N”位置，只有变速箱处于空挡时，发动机才能启动。

b) 换挡限制功能

矿用车的换挡操作的好坏决定了矿用车的使用寿命，不合理的换挡方式甚至会带来安全隐患，例如：前后挡不能直接切换，在前后挡切换期间，车辆只有在低速或停止后才可以换向；升档操作时对变速箱输出速度没有限制，但是降档和变向换档的操作，则对变速箱输出速度有限制；达到输出速度标定值(预设)之前，手动降档不起作用。

c) 换挡过程控制功能

矿用车在行驶过程中换挡操作应严格按顺序进行，即逐级升挡或者逐级降挡，而不能越级变挡。如果驾驶员在升挡或降挡过程中不小心越级变挡，通过控制程序设置，在中间挡位做适当的时间停留以避免换挡冲击和发动机过速。矿用车只能在停止时可换入倒挡。负载爬坡时，控制系统应设定挡位的最高行驶速度，避免频繁换挡。

d) 闭锁控制功能

闭锁控制功能依据挡位、涡轮转速和泵轮转速确定液力变矩器选择是否闭锁。在解锁的工况下，液力传动能吸收振动，增大输出扭矩，同时使换挡更平稳柔和，在提高变速器寿命的同时也增加了发动机的使用寿命；闭锁能提高变速器的传动效率，提高矿用车的燃油经济性。

e) 自诊断功能

控制系统应具有自诊断和显示异常的功能。如果变速器出现异常，错误代码将通过网络显示在仪表盘上，同时发出警告，如报警指示灯亮、警告蜂鸣器响等。

2控制系统方案

矿用车变速器电控系统是变速器的核心，而且工作环境恶劣，因此对控制系统要求较高，必须具备以下特点：

a) 实时性

考虑变速器电控系统运算量大，实时性要求高，因此主控芯片应选择高速CPU，以满足系统对实时性的要求。

b) 功能性

控制系统需提供多种输入和输出量接口，并能处理各种输入信号，输出端能直接驱动电磁阀；集成CAN2.0B总线接口，实现与发动机控制单元或其他控制器通讯功能，同时集成RS232通信接口，方便ECU软件升级和程序下载；可配置诊断装置，并可远程配置参数和调试程序。

c) 安全性

系统具备防误接和反接功能，具备过压、过载和过热保护功能；工作电压范围为9-32V DC、工作温度范围为-40 ℃-125 ℃，保证系统在正常的电压和温度范围；输出端口同时具备短路保护和开路诊断功能。

d) 性价比

在保障系统功能等条件下，应尽量控制成本，使控制系统具有较高的性价比。

通过变速器输入输出参数的分析和研究，最后拟定出控制系统的系统框图，如图1所示。

图1　矿用车变速器电控系统框图

3控制系统硬件设计

3.1控制系统处理器选型

嵌入式处理器作为变速器控制系统的核心，其选型直接影响系统的功能、稳定性和开发周期等。文中将成本、处理能力、功耗等作为选型指标，选择性能较高和开发环境比较熟悉的TMS320F2812。

3.2模拟量输入通道设计

矿用车控制系统模拟量输入通道主要完成变速器、液力变矩器、缓行器的油温信号，油门开度和油压等模拟量信号的采集。

传感器将变速器有关的油温、油压等信号转换为电信号，通过A/D转换，将模拟信号转换为数字信号以供TMS320F2812处理。TMS320F2812具有两个8通道12位A/D转换器，可对同一通道进行多次采样，从而得到比单采样更精确的采样结果。并可工作于单序列和双序列两种发生器模式[2]。

矿用车变速器的外界干扰强烈，对输入的模拟信号设计了Sallen—Key型二阶低通滤波器，防止外界干扰高频干扰信号，如图2所示。

图2　模拟量输入通道原理图

由于传感器输入的模拟电压信号为0~5 V，而TMS320F2812的A/D转换模块电压输入范围为0~3 V，所以在滤波前需要对信号分压。为了保护TMS320F2812的A/D模块，在滤波前设计了钳位电路。输入电压Vin经过分压和两级RC低通电路后，再接到LM324的同向输入端。高频信号的幅频特性下降速度为-40dB/十倍频，比一阶低通滤波器提高一倍。

3.3数字量输入通道设计

数字量输入通道包括频率信号和开关量信号通道的设计，频率信号主要为发动机的转速信号、涡轮转速信号和变速器输出轴转速等转速信号。开关量信号主要为挡位信号、模式选择等信号。

a) 频率信号输入模块

转速信号由转速传感器提供，该信号为一系列脉冲信号，由于车辆工作环境恶劣，脉冲信号中常伴有高频干扰，使脉冲波形出现毛刺或瞬时尖脉冲，引起捕获单元计数误差。由于TMS320F2812的事件管理器具有6捕获单元，每个捕获单元对应一个捕获输入引脚。因此简化了电路设计，在硬件上无需增加专门的定时/计数芯片，就能完成对脉冲信号的采集。

矿用车变速器的转速传感器采用霍尔式转速传感器，频率范围为0~1000Hz，在频率信号调理电路的设计时，只需通过光电耦合器件将信号进行光电隔离。选择PS2801作为光电耦合器件，原理图如图3所示。

图3　频率信号驱动电路

b) 开关量信号输入模块

矿用车变速器控制系统中输入的开关量信号较多，在设计电路时主要考虑输入模块抗干扰措施和输入信号与TMS320F2812的电平匹配[4]。电路原理图如图4所示。

图4　开关量输入模块

c) 输出驱动电路设计

由于微处理器输出的控制信号较弱，无法直接驱动执行器，因此需对输出电路设计功率驱动电路。输出驱动电路主要包括3部分，1) 用于驱动换挡电磁阀、锁止电磁阀、定时电磁阀和调压电磁阀等；2)用于指示灯、继电器等开关量的驱动控制；3)用于PWM信号的驱动控制。3部分用相同的驱动电路，如图5所示。

图5　功率输出驱动通路

4控制系统软件设计

软件设计采用车速和油门开度两参数换挡规律作为控制系统的换挡策略，其软件流程图如图6所示[5]。编程软件采用TI专用DSP开发环境CCS，并采用模块化编程方式。

图6　换挡软件流程图

5结语

对矿用车变速器控制系统作了较深入的研究，完成了矿用车变速器控制系统的设计，硬件采用TMS320F2812作为控制芯片，并设计了相应输入输出通路。软件部分采用车速和油门作为换挡控制参数，并采用模块化设计思路。实验表明，控制系统在满足控制功能的前提下，稳定性较好。该系统对矿用车变速器自动化和智能化的研究具有一定参考作用。

参考文献:

[1] 唐奎. 52吨自卸矿用车自动变速器换挡规律研究[D]. 长春：吉林大学硕士学位论文，2011.

[2] 孙丽明. TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M]. 北京:清华大学出版社，2011.

[3] 陈是知，姜蕊辉. TMS320F2812原理与开发实践[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[4] 陈仁金，任德均，代成刚，等. 基于TMS320F2812的工程车辆自动变速器控制系统设计[J]. 机电工程技术，2012，(9)：27-29.

[5] 陈仁金，任德均，张中刚. 工程车辆自动变速器电液控制系统研究[J]. 工程机械，2012，(5)：13-17.

Study of Transmission Control System of Mine Truck

CHEN Ping

(Guangxi Institute of Supervision & Testing on Product Quality Nanning 530007,China)

Abstract:Based on the research on shift control system of transmission of mine truck, this article lays down the rules of the shift control system according to the characteristics of the drive system of the mine truck, and completes the hardware and software design of its transmission control systems. After the control system is tested, it not only ments the requirement of the shift, but also has some advantages, such as strong anti-interference ability and high reliability. The scientific reference is given to its design and research.

Keywords:mine truck; transmission; shift control system; control system

收稿日期：2014-11-26

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)03-0178-03

作者简介：陈平(1964-)，男，广西南宁人，高级工程师，工学学士，研究方向：机械制造工艺与设备。