混合动力变速箱用调压阀的控制研究

d〇i：10.16576/https://www.wendangku.net/doc/f89689845.html,ki.1007-4414.2016.03.070

混合动力变速箱用调压阀的控制研究*

田飞，向玉德，王晨，于海生，张彤，易显科

(科力远混合动力技术有限公司系统控制部，上海201501)

摘要：为了满足动力切换的实时要求，混合动力变速箱用调压阀要求输出压力稳定、动态响应快。根据电液比例阀驱动的电气原理，建立了闭环控制模型，仿真计算了其闭环控制参数和，优化了它的动态响应特性。根据电液比例阀工作的动态特征方程，结合其在液压环境的工作特征，分析调压阀的控制电流与电磁力、输出压力的关系，得出了 颤振电流与阀芯运行的规律，颤振周期和峰值变化规律。经过试验验证，满足混合动力变速箱对液体压力的要求。

关键词：调压阀；颤振电流；混合动力；电磁力

中图分类号：U463 文献标志码:A文章编号：1007-4414(2016)03-0194-05

Control Research on the Pressure Regulating Valve of the HE Transmission TIAN Fei，X I A N G Y u-de,W A N G Chen,Y U Hai-sheng,Z H A N G Tong,YI Xian-ke (System Control Departmenty CoRun CHS Technology Co., Ltd, Shanghai 201501，China) Abstract：To satisfy the requirement of power switching in real time, the pressure regulating valve of the HE transmission should be stable output pressure and fast dynamic response. According to the electric principle driven by electro-hydraulic proportional valve, the closed-loop control model is established in this paper；the simulation calculation for the closed-loop control parameters and is conducted, and its dynamic response property is optimized. According to the dynamic characteristics equation of electro-hydraulic proportional valve working, combining with the feature of its work in hydraulic conditions, rela-tionship between the control current of the pressure regulating valve with the electromagnetic force and the output pressure is analyzed. Finally the law between the valve core movement and the dither current is obtained, as well as the change rule of the dither cycle and the dither peak. Through the tests, it is verified that it could meet the requirements of the HE transmission to the liquid pressure.

Key words：pressure regulating valve；dither current；HE (hybrid electric) ；electromagnetic force

〇引言

调压阀在乘用车的变速箱控制中已广泛应用，调 节系统压力，使液压元件完成指定动作。混合动力变 速箱用调压阀控制系统压力，实现混合动力模式切 换。电液比例阀的动态响应受驱动电路、驱动电路的 固有频率等因素影响，静态稳定性受线圈温度变化、工作电压波动、驱动方式等因素影响。采用脉宽调制 (P W M,Pulse Width Modulation)方式驱动调压阀，通 过改变占空比来调节驱动电流。P W M的频率小于一 定值时，寄生颤振（电流纹波）使阀芯克服静摩擦力，保持运动状态。比例阀工作电流中的颤振信号的周 期和峰值随占空比变化，主要受目标电流影响，电流 恒定时不能调节。当P W M的频率足够高，大于阀的 固有频率时，寄生颤振很弱，可以采用叠加颤振信 号的方法使阀芯克服静摩擦力，保持运动状态。

颤振电流过大，会使输出压力不稳定，还会增大 阀芯的磨损，引起被控制元件脉动[1]。本文从电液 比例阀的动态响应和静态稳定性等两方着手，研究叠 加独立颤振的混合动力变速用调压阀的理想控制:快速响应，阀芯保持一定振幅的同时输出稳定液体压力[2]。

1调压阀控制原理

混合动力变速箱的液压系统的主要构成有电子 油泵、调压阀、换档阀等。调压阀是系统关键元件，系统要求是快速响应并稳定输出压力，满足换档阀功能 要求。混合动力整车控制器采用集成P W M驱动的 芯片控制调压阀，为了满足系统高可靠性控制的设计 要求，接下来将研究调压阀响应特性和颤振信号周期 与峰值的变化的影响因素。

驱动芯片与调压阀、处理器M C U、供电系统等的 连接逻辑如图1所示。时钟线C L K为M C U、驱动芯 片、串行通信S P I的同步时钟。M C U控制调压阀的 供电开关，通过S P I发送调压阀的目标电流、擅振周 期、颤振峰值、K I增益、K P增益。颤振周期中有多少 个P W M周期，决定了颤振峰值需要执行的步数，结 合颤振峰值，计算出每个P W M周期需要执行的步 长。驱动芯片将每个P W M周期需要变化的步长叠 加到的目标电流，经过KI、K P增益环节，调节P W M

*收稿日期:2016-04-06

作者简介：田飞（1982-)，男，贵州思南人，工程师，研究方向:混合动力整车控制器软件开发。? 194 ?

信号的占空比，控制调压阀的工作电流。同时采集电 流传感电阻^_上的电压，进行模/数转换，反馈给 目标电流，实现了匡标电流控制的硬件闭环系统。调 压阀工作电流闭环控制解决了调压阀线圈内阻A受 温度的变化、供电电压波动等因素导致其工作电流偏 差、输出压力不稳定等问题。

图1调压阀控制原理

1.1 K P和K I的增益模型

调压阀驱动的拉普拉斯模型如图2所示，X T和 沿5'的増益为线性模型增益的重要部分，调压阀的传 函数是工作电压f/B a t t与内阻兄、电感、电流传感电 阻/的线性关系@在实际工作中，传递函数包括 非线性部分，可以用相似的线性函数取代。

图2 XP和A7闭环控制模型

输人电流扒s)为目标电流，包含了擅振电流，单 位是安培。输出电流C(s)为阀工作的平均电流，单 位是安培。由于传递函数中已有1/'、狀'增益部分，所以反馈增益为U实际I：作中，反馈环斤耑求几个 P W D周期才完成，这些延迟在计算时不会考虑，当闭 环系统响应时间远远小于P W M周期时，将被忽略。

模型中开环传递函数见式（1)，调压阀工作的固 有频率见式(2)。

G H{s)^x K P'x

K I'

S H-------

K P f

s x(s + (x)c)(1)

R+ R

(2)

虽然控制系统为丨卜A:iK的低通二阶系统，但是可 用二阶开环传递函数式（3)来估计调压阀响应的（和⑴…。A为控制环节的非阻尼_有频率，（为系统 阻尼。％根据式(4)计算，表示闭环控制瞬态响应时 间是调压阀驱动芯片采样周期的5倍。5倍关系只 是离散时间系统与连续时间系统平衡的最小值s确 定了（和％的值后，X T和的值由式(5)和式(6) 计算：

^gl(;

K

(3)

c〇2

,PWM

(4)

K P'■=(2^…

_ P

x L〇

^B a…

(5)

K I':■Lc Xc

2

(6)

式中的单位，;足的单位的单位H;U B a t t 的单位V的单位A—1;X/'的单位A—1s—1。

考虑到驱动芯片工作的时钟以及电流采样电阻，调H阀的增益参数a t和A7由式(7)和式(8)计算。

K P=-K P

,y 〇-〇4x/C L k

只s ense X7W m

(7)

K I二K I'

y 0.04 x/C L K

^se n se X/p WM

(8)

式中:/ox的单位S^/p胃的单位s_的单位

H o

调压阀的电感为25 m H，内阻为5.67 n，电流传 感电阻为0.2 11，供电电扭13.5 V。根据闭环控制的 柏德图，系统的截止频率小于4倍^,颤振周期应大 于l m s,否则颤振峰值会有明显衰减。圓标电流从0 A跳变1.2 A时，调压阀响应的仿“阐形见图3中(a) 所示，电流达到目标电流95%所用时间小于4 ms.超调量小干114 m A，稳定时间小于9 ms。试验室 测权令戗调压阀的电流响应结果试验结果如图3中(b) 所示，电流达_鐘标电流9 5%所用时间小于14 ms,超调量小于114 m A，稳定財间小于4〇ms..。由于 仿真步长与驱动芯片工作步长不同，所以仿真和试验 测得响应时间不一致实际测得调压阀的超调量与

仿真一致，且实测的时间响应参数已满足系统要求，因此，调压阀的动态响应达到预期结果。

1.2擅振电流

调压阀控制中叠加颤振信号是有必要的，调压阀 |作时，阀芯处于运动状态，将静摩擦转换为动摩擦，改善系统压力的响应的速度和灵敏度，其平均作用还 可以有效在消除S程误差[3<。混合动力变速箱控 制器调压阀工作的间打频韦％为235 H z,低边驱动

?

195 ?

图3 0~1.2 A 的阶跃响应

驱动芯片支持叠加独立的#角擅振，接收M C U 的颤振周期和峰伯:请求，|丨动调-'i V _标电流圍标电

流变化时，驱动p w m 份个:比变化。加人颤振的 瞬态变电流随f 弗波包络线变化，上升段和下降段的 中点均位于颤振包络线上。设第n 个脉冲处的平均 电流为4，卩t 空比为込[5]。实线为加人颤振信号的 电流变化，:最大值为4L ，最小値为C

。虚线为不加

人顧振信号的电流/〇变化，最大值为4#、:最小值为

如图4所示，各电流之间的关系如式(9):

I — I max min 二h

Cin = I,

2D

I 一 /max min

~2D ~

(9)

的P W M 信号频率为3 U 5 H z ，远远高于由于

P W M 的々比决定了调压阀线圈中流过的电流，不

断改变:比形成擅振电流[4]，增加控制的灵敏度、 减少输出压力的丨》丨差。

52.65

52.75

52.85

52.95

T i me/s

图5工作电流带颤振电流与不带颤振电流的区别

0.25

0. 25-0

0-F h 二 b . x

(13)

式中:6为阀芯的摩擦阻尼。

粘滞力计算方程为式（14)，.其大小受液体的 密度、流动系数、进出口的压力损失、流速以及流向与 阀体法向夹角等因素影响。调压阀工作环境一定时， 受影响的因素只温度，因为液体的密度随温度升高而 降低：

F f l = y 2 ? A P ? p * a B ? A a 〇w ? vi n ? cos 6

(14)

式中：A P 为阀进出油01的压力损失;p 为液体的密 度;％为阀的流率系数；进油口的截面积^in进

油口的流速W 为阀体与液体流向的夹角。

调压阀目标电流为1.2 A ，不加颤振，空载试验 时，阀的工作电流如图5所示，当加入周期为23. 2

m s ,峰值为0. 1 m A 的三角颤振后，进行同样的空载

试验，阀的工作电流如图5所示e

1.3调压阀的运动特性与颤振的关系

调压阀的动态特征方程式为式（10)[6]:

?〇〇1 .尤 +

. X + 僉.* = - Ffl ( 10)

式中^

spM l

为阀芯质量;G 为阀芯阻尼系数;A

；为阀

芯的刚度系数为阀芯动移为阀芯移动速度

；Y

为阀芯移动加速度;为线圈；!作产生的电磁力;心

为阀芯移动摩擦力；Fhy 液体油的静态力；F

fl为液厲

油流过阀芯产生的粘滞力

Q

电磁力圪计算方程为式（11 )，大小与阀的：|作 电流成平方关系@]:

式中#〇为真空磁导率;/为电流强度;#为线圈姐 数J 为磁路截面积为气隙长度。

液体的静态力F hy 为式（12)，大小与调压阀的输 出压力和阀芯面积都成正比，而调压阀输出压力与壓 作电流成正比：

F hy^P 〇a t * ^S P 〇〇1

(12)

式中'rat 为调压阀的输入压力；4p (wl 为阀芯截面积。

摩擦力4计算方程为式（13):

斗

d o

2

& S - 4

o b

3

1

0 8 .53

1 1

10.0.0.

<)+J

u 0J J n o -￡o

s

755 0.

o V

E O O

m g

5

5

7o o

.196.

图7

调压阀试验数据

(a)阶跃加颤振

(d)阶跃没加颤振

加入颤振后工作电流会波动，波动在中心为目标 电流，幅值为峰值电流的一半，周期为颤振周期。阀 工作电流在很小范围内做规则波动时，阀芯以一点为 中心，在做往复运动3从中心点，第一次到峰值的时

间为^其计算方程为式(15)。阀芯产生的位移x ，根 据其运动特征，得计算方程为式(16):

4

X = p ?

c i a

2

(15)

(16)

式中:rD 为颤振周期;为阀芯位移与I 作电流的转 换关系。

如果设阀芯移动的平均加速度为《，又有C

与

/I 之差为颤振峰值，根据直线运动规律，得到幅值 与周期关系如式（17)。因此，峰值电流出现时，阀芯 速度为〇，动态方程特征方程式(9)转换为式（18)。

a ? t

h

\6p

(17)

(m smi + b ) ' a + k '

? CL^~

l /x0 ? I 2 ' N 2 ? S

2

82

P

. A

,

out

spool

V 2 ? A P ? p * a D * 4f l o w * % cos 6 (18)

从方程式（18)可以看出，调压阀颤振周期和峰

值受其电气特性、工作电流与输出压力的关系、液体 的流速和流向、液体的密度等因素影响。混合动力变

速箱采用T O S O K 的L F -A 型调压阀，其电气特性、电 流与输出压力特性为定值。在油泵转速僵定，0标电 流不变时，颤振周期随液体密度变化，温度増加而减 小，麗颤振峰值也会随温度的增加而减小。在油泵转 速十I 從，温度不变时，确定了颤振信号的周期时，阀芯 移动的加速度随阀工作电流变化而变化作电流与 电磁力F m 和液体静态力F hy 之差为抛物线关系。因 此，颤振峰值也随工作电流变化呈拋物线。

2试验验证

调压阀|作温度范围为_4〇 ~ M O T 之间，颤振

电流的周期如图6(b )所示，峰值的变化如图6 (a )所示。

100

50

Temperature (deg Celsius)

(a)颤振峰值表图

-10 0 40 80 120Temperatwe丨(cteg Celsius)

(b)颤振周期表图

图6

擅振电流周期和峰值表图

调压阀在0.2 A 以下为I ：作死区，系统压力需要 目标电流工作范围为0.6?1.2 A 。试验选择在混合 动力箱的专用液压台架上进行,车用数据采集卡监控 调压阀的!作电流和阀的输出压力，并以2 m S 周期 发到C A K 总线。

加颤振时，圃标电流阶跃变化的数据如图7 ( a ) 所示，输出压力在S 标流为0.5 A 时，带有规则的颤 动；目标电流阶斜率变化的数据如图7 (b )所示，输出

m 力存:口标流为〇.5 A 时，带有规则的颤动；目标电

流阶跃变化的数据如图7 (c )所示，输出川力存:H 标

流为变化范围0.5?1.2 A 内，都有规则的颤动。没 加带颤振时，目标电流阶跃变化的数据如图7 ( d )所 示，输出压力在目标流为0.6 A 时，带有较小的颤动; 鮮标电流斜率变化的数据如图7 (e )所示，输出压力 在g 标流为0.6 A 时，带有较小的颤动；g 标电流阶 跃变化的数据如图7(f )所示，输出压力在目标流为

54.545振

53.|

(J e g )9J n s

s (u v .a.+J 3d +->n

o

5r .

6 3 0

7 8

9 1

7 4 1 1

.0

.0.

0.-0

<)+J u (u J J

n

o >H O

M

5 6 7 8 9

1 5

6 7 8

9

1

0^3074^

1 . 3

0 7

4

1

. 1.1.0.0.0.-01.1.

0.0.0.-0 (

v )+J u 9t n o ^O M

(v )4J u 9J J n o ^O M

5

,2:, 9.6 .3'. o

(Jeg)(u

Jn ss 9」Q_

5,

6 7 8 9 1

3 0

7 4 1 1.1.0.0.0.-0 <)+-?§

t n o V I J O M

i —r

,5

2(Jeg)

9

J n s s (D J CL

5 6 7

8 9 1

3 0

7 4 1

1.1.

0.0.0.-0 (v )+J u 9J J n o V I J O

3:

.197.

0.6 A 时，带有较小的颤动。从阶跃试验的数据中， 可以看出目标电流变化时，调压阀的工作电流和输出 压力响应都很快。目标电流没有变化时，调压阀的工 作电流和输出压力都稳定。颤振电流增加了调压阀 输出压力的快速响应范围。从斜率试验的数据中，可 以看出目标电流渐渐变化时，调压阀的工作电流和输 出压力跟随都一致。从正弦试验的数据中，可以看出 目标电流正弦变化时，加颤振电后，调压阀的工作电流 和输出压力响应几乎没有失真，说明了调压阀输出压

力在目标电流为0.5?1.2之间时滞环很小。在实车 运行中也取得同样效果。因此，调压阀的颤振电流独 立可控，颤振电流的周期不宜过小，峰值不宜过大。调 压阀的控制中增加颤振电流后，增加输出压力的快速 响应范围，输出压力稳定性、跟随性、滞环等都接近理 想的控制，满足混合动力变速系统对液体压力的要求。

3总结(1) 通过闭环控制模型计算得了调压阀的X /和

奸，能满足混合动力变速箱的压力响应需求，该方法

能够快速准确地找到调压阀的控制参数。

(2) 颤振的峰值与目标电流成抛物线，颤振的周..........................................................................................

(上接第194页）

采纳。首先，导入切片文件，生成它的扫描路径，扫描

策略选择S 型正交，间距设定0. 08 m m ，然后便能生 成出对应的扫描路径。同时，在使用3D 打印机打印 前，还要对打印参数进行设定，打印完成后，扫除表面 覆盖的粉末。如图4所示为膝关节假体3D 打印过 程图。

4结论

膝关节假体的制造设计的过程中也发现了一些

不足之处，比如Magics 的对象捕捉功能弱，对数据的 测量及模型修改带来了不小的影响，人工所设计的膝 关节假体除了与膝关节匹配度的问题外，还存在另一 不容忽视的问题，就是膝关节假体的活动角度，这也 是做膝关节假体替换术中一直存在的普遍问题，活动 角度关系到被植入者术后生活状况，设计出的产品有 115° ~ 120°的活动角度，这会对被植入者在完成下蹲 等动作有一定的困难，这些存在的问题，还需要进行 进一步的研究分析。

期随液体温度增加而减小，峰值与周期以时间-位移 特征方程变化。

(3)根据调压阀的运行环境，试验验证的颤振电 流，能使液压系统输出压力最大地理想化，满足混合 动力变速系统对液体压力的要求。参考文献：

[1] 谢玉东,刘延俊，王勇.基于颤振效应的气动比例阀摩擦力补

偿研究[J ].振动与冲击,2008 ,27(2) :107-109.

[2] 苏岭,柳泉冰，汪映，等.脉宽调制保持电磁阀驱动参数的

研究[】].西安交通大学学报,2005,39(7):689-692.

[3] 周东杰.基于T L E 7242G 的嵌人式电液比例控制系统的研究与

设计[D ].长沙:湖南大学,2〇09

[4] 朱焱锋，王

健，田凯文，等.变速器电磁阀颤振控制研究[J ].

上海汽车,2012(10) :17-22.

[5] 朱玉田，唐兴华.脉宽调制中的擅振算法[J ].机械工程学报2009(4) ：15-18,

[6] Guo W , W ang S. H ,S u C. G ,e t al. M ethod for Precise Controlling of

the at Shift Control Sysytem [ J ]. International Journal of Automotive Technology,2014(4) ：683-698.[7] 娄路亮，王海洲?电磁阀设计中电磁力的工程计算方法[J

]?导

弹与航天运载技术，2007 (1) :40-45.

参考文献：

[1 ]刘恒友.基于CT 图像处理与快速成型技术的义耳制作工艺与 配色技术研究[D ].济南:山东大学，2006.[2] 王

斐

.基于医用CT 图像的三围重建精度及方法研究[D ].济

南：山东大学，2010.[3] 李占利，姚国鹏.面向R P 的骨骼CT 图像处理技术研究[J ].西

北农林科技大学学报（自然科学版），2003(3) :201-204.

[4] 袁圆.基于医用CT 图形的配准方法及精度研究[D ].济南:山

东大学，2014.

[5] 吉红星.数字图形及RP 技术在骨科的临床应用[J ].基础医学

论坛，2015，19(26) :3368-3369.

[6] 黄建国.数字图形及R P 技术在骨科临床应用[D ].昆明：昆明

理工大学，2006.[7] 刘杰，杨永强，苏旭彬，等.多零件选区激光熔化成型效率的

优化[J ]?光学精密工程，2012(4) :609-405.

[8] 张曼慧.膝关节假体优化设计及激光选区融化制造研究[D ].广

州：华南理工大学，2013.

[9] 李一欢.三维打印快速成型激励与工艺研究[D].西安:西安科

技大学，2008.

[10] 肖苏华.三维CAD 实体文件转化STL 文件格式精度研究[J ].

2014,40(9)：12-14,[11] 丘宏扬，陈松茂，刘斌.快速成形系统中STL 文件切片算法

的研究[J] ?锻压技术，2005(4) :35-39.

? 198 ?