CN109519531B - 一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，属于汽车技术领域，包括在MCU中标定各个档位槽的测量位置、MCU计算各个档位的初始位置值和设定直流电机驱动电路的PWM驱动信号占空比为δ，提出一种自学习的方法，来规避变速箱内部换挡码盘的设计及其加工中出现的误差或者公差，按照学习到的挡位置，通过精准控制执行器输出扁口14旋转到学习角度，从而带动变速箱扁口17，可实现换挡码盘19精确落入到相应档位，满足选换挡角度精度。

Description

一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，特别涉及一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法。
背景技术
如图1、图2和图3所示在汽车执行器中包括汽车执行部件和控制单元，而直流电机被广泛应用在位置控制；现有的汽车执行部件由直流电机12搭配减速齿轮16，带动输出扁口14转动，从而带动变速箱旋轴扁口17，连动换挡码盘19，实现P、R、N、D档位切换；现有的控制单元1通过PWM外设2发出PWM驱动信号3，经驱动桥4，来实现对直流电机5(同直流电机12)的驱动，执行器输出扁口14转动，会使得磁铁霍尔传感器7感应到旋转角度变化，同时将位置信号9，经AD外设11反馈至控制单元1。
另外，驱动桥4的驱动电流经电流采集10，经AD外设11反馈至控制单元1。
直流电机5的输出功率，按照欧姆定律，计算如下，
Pout(t)＝Iout(t)2·R；
其中Iout(t)为驱动电机电流，R为电机线圈内阻。
另外，一般地(对于低电感直流电机，或PWM信号周期远大于电机时间常数的较高电感直流电机)，驱动电机电流的平均值与PWM驱动信号3的占空比δ，近似存在以下关系，
Iout(t)＝KI·δ；
其中，KI为常数。
所以可以通过控制δ来控制驱动电机电流，继而控制输出功率，从而达到调整电机转速，使得执行器输出扭力可控。
基于图4变速箱内部换挡码盘尺寸图，P-R角度差为15.66°，R-N角度差为12.13°，N-D角度差为12.51°，结构设计公差为±0.3°。另外，执行器的输出扁口14与变速箱旋轴扁口17存在0.1mm的配合间隙，从而理论上存在1.28°的晃动角度，加上加工公差，实际测量得出存在2.5°左右的晃动角度。
实际变速箱选换挡的角度精度为±0.5°。
发明内容
本发明的目的是提供一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，解决了满足选换挡角度精度的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，包括如下步骤：
步骤1：建立汽车执行部件和控制单元，汽车执行部件包括直流电机12、减速齿轮16、输出扁口14、变速箱旋轴扁口17和换挡码盘19，控制单元包括MCU、直流电机驱动电路和磁铁霍尔传感器；
步骤2：在MCU中标定各个档位槽的测量位置，其步骤如下：
步骤S1：通过旋转换挡码盘，找到换挡码盘的P档机械死点位置和D档机械死点位置，磁铁霍尔传感器采集电机在P档机械死点位置的位置信号值A，磁铁霍尔传感器采集电机在D档机械死点位置的位置信号值B，磁铁霍尔传感器将位置信号值A和位置信号值B反馈给MCU进行处理；
设定一个角度值为factor，MCU通过以下公式计算factor的值：
Figure GDA0002479023640000021
其中FullAngle是换挡码盘的满行程角度；
步骤S2：MCU计算各个档位的初始位置值：
P档的初始位置值为Pthory：Pthory＝A+fachor·2；
R档的初始位置值为Rthory：Rthory＝A+fachor·15.66；
N档的初始位置值为Nthory：Nthory＝A+factor·(15.66+12.13)；
D档的初始位置值为Dthory：Dthory＝B-fachor·2；
步骤3：设定直流电机驱动电路的PWM驱动信号占空比为δ；MCU控制输出的占空比δ的大小，使其驱动换挡码盘到达想要学习档的初始位置，即±1°，学习顺序为D档->N档->R档->P档；之后MCU设定占空比δ的一个比较小的值δ1，并以δ1来驱动直流电机正转动作，设定时间t，MCU计时到达时间t后，以δ1来驱动直流电机反转动作，使得换挡码盘在一定的范围内摆动，从而得出一个确定的行程S，MCU不断的调整δ值从而使得到的稳定的行程S满足如下关系：SMIN≤S≤SMAX≤fachor·Scopeangle；其中SMIN为最小摆动行程，SMAX为最大摆动行程，Scopeangle为某一档位槽角度范围；
当行程S满足以上条件后，即行程S是刻画了单一档位槽的行程，MCU记录此时的δ值，并通过磁铁霍尔传感器采集行程S中的最大位置值MAX和最小位置值MIN，MAX-MIN＝S≤factor·Scopeangle；
步骤4：MCU计算档位值，其包括如下步骤：
步骤S3：以换挡码盘的圆心为极点，以半径r为极轴，则曲线弧的极坐标方程为:
r＝r(θ)，α≤θ≤β；
其中，为P档机械死点位置极角，为D档机械死点位置极角；
则写成参数方程形式为：
Figure GDA0002479023640000031
可得：
Figure GDA0002479023640000032
故可得：
Figure GDA0002479023640000033
即可得出角度与行程S存在正相关特性；
步骤S4：档位槽底的位置反馈POS为：
Figure GDA0002479023640000034
其中l1,l2分别为单一档位槽的以槽底点分开的两段弧长；
步骤S5：若，学习到的新档位值POS与步骤S2中的学习档位的初始位置值相差不大，即绝对角度差小于5°，则认为当前学习档位成功，则按照学习档位顺序D档->N档->R档->P档，重新执行步骤3到步骤4，直到按照学习档位顺序，所有档位都学习成功则认为自学习完成；若相差很大，即绝对角度差大于5°，则认为当前学习档位不成功，则修正学习档位的初始值，其修正方法为学习值大于初始值2°，则减少初始值，反之则增大初始值2°，不改变学习档位顺序，重新执行步骤3到步骤4学习当前未成功学习的档位，直到3次都学习错误，判定学习失败，跳出自学习。
在执行步骤3时，所述档位槽角包括P档、R档、N档和D档。
所述各档位的以槽底点分开的两段弧长l1和l2可根据换挡码盘的3D尺寸量出。
本发明所述的一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，提出一种自学习的方法，来规避变速箱内部换挡码盘的设计及其加工中出现的误差或者公差，按照学习到的挡位置，通过精准控制执行器输出扁口14旋转到学习角度，从而带动变速箱扁口17，可实现换挡码盘19精确落入到相应档位，满足选换挡角度精度。
附图说明
图1是控制单元示意图；
图2是汽车执行部件的选档执行器示意图；
图3是汽车执行部件中的变速箱内部换挡码盘示意图；
图4是变速箱内部换挡码盘尺寸图；
图5是学习方法示意图；
图中：MCU1、PWM外设2、PWM驱动信号3、驱动桥4、直流电机5、负载6、磁铁霍尔传感器7、位置信号图示8、位置信号9、电流采集10、AD外设11、直流电机12、蜗杆13、输出扁口14、磁铁15、减速齿轮16、变速箱旋轴扁口17、连杆18、换挡码盘19、板簧20、档位槽21、换挡珠22。
具体实施方式
如图5所示的一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，包括如下步骤：
步骤1：建立汽车执行部件和控制单元，汽车执行部件包括直流电机12、减速齿轮16、输出扁口14、变速箱旋轴扁口17和换挡码盘19，控制单元包括MCU、直流电机驱动电路和磁铁霍尔传感器；
步骤2：在MCU中标定各个档位槽的测量位置，其步骤如下：
步骤S1：通过旋转换挡码盘，找到换挡码盘的P档机械死点位置和D档机械死点位置，磁铁霍尔传感器采集电机在P档机械死点位置的位置信号值A，磁铁霍尔传感器采集电机在D档机械死点位置的位置信号值B，磁铁霍尔传感器将位置信号值A和位置信号值B反馈给MCU进行处理；
设定一个角度值为factor，MCU通过以下公式计算factor的值：
Figure GDA0002479023640000051
其中FullAngle是换挡码盘的满行程角度；
步骤S2：MCU计算各个档位的初始位置值：
P档的初始位置值为Pthory：Pthory＝A+factor·2；
R档的初始位置值为Rthory：Rthory＝A+factor·15.66；
N档的初始位置值为Nthory：Nthory＝A+fachor·(15.66+12.13)；
D档的初始位置值为Dthory：Dthory＝B-factor·2；
可以认为，执行器带动的变速箱扁口转动的力需要克服板簧作用在换挡码盘上的滚动摩擦力，才能使得换挡码盘不断转动，即
f·l≥N·σ；其中f为作用力，L为作用距离，N为支持力，σ为支持力作用距离，随着档位槽转动到上坡时，σ不断变大，只有不断加大f才能使得码盘转动。
步骤3：设定直流电机驱动电路的PWM驱动信号占空比为δ；MCU控制输出的占空比δ的大小，使其驱动换挡码盘到达想要学习档的初始位置，即±1°，学习顺序为D档->N档->R档->P档；之后MCU设定占空比δ的一个比较小的值δ1，并以δ1来驱动直流电机正转动作，设定时间t，MCU计时到达时间t后，以δ1来驱动直流电机反转动作，使得换挡码盘在一定的范围内摆动，如图5-1与5-2所示，从而得出一个确定的行程S，MCU不断的调整δ值(如图5-3,5-4,5-5所示)从而使得到的稳定的行程S满足如下关系：SMIN≤S≤SMAX≤factor·Scopeangle；其中SMIN为最小摆动行程，SMAX为最大摆动行程，Scopeangle为某一档位槽角度范围；
Scopeangle可根据具体的换挡码盘确定每个档位槽角度范围，本实施例取7°；Scopeangle＝factor·7；
SMIN，SMAX可根据实施效果确定，保证换挡码盘存在晃动且不换动出档位槽。即：
Figure GDA0002479023640000061
当行程S满足以上条件后，即行程S是刻画了单一档位槽的行程，MCU记录此时的δ值，并通过磁铁霍尔传感器采集行程S中的最大位置值MAX和最小位置值MIN，MAX-MIN＝S≤factor·Scopeangle；
步骤4：MCU计算档位值，其包括如下步骤：
步骤S3：以换挡码盘的圆心为极点，以半径r为极轴，则曲线弧的极坐标方程为:
r＝r(θ)，α≤θ≤β；
其中，为P档机械死点位置极角，为D档机械死点位置极角；
则写成参数方程形式为：
Figure GDA0002479023640000062
可得：
Figure GDA0002479023640000063
故可得：
Figure GDA0002479023640000064
即可得出角度与行程S存在正相关特性；
步骤S4：档位槽底的位置反馈POS为：
Figure GDA0002479023640000065
其中l1,l2分别为单一档位槽的以槽底点分开的两段弧长；
步骤S5：若，学习到的新档位值POS与步骤S2中的学习档位的初始位置值相差不大，即绝对角度差小于5°，则认为当前学习档位成功，则按照学习档位顺序D档->N档->R档->P档，重新执行步骤3到步骤4，直到按照学习档位顺序，所有档位都学习成功则认为自学习完成；若相差很大，即绝对角度差大于5°，则认为当前学习档位不成功，则修正学习档位的初始值，其修正方法为学习值大于初始值2°，则减少初始值，反之则增大初始值2°，不改变学习档位顺序，重新执行步骤3到步骤4学习当前未成功学习的档位，直到3次都学习错误，判定学习失败，跳出自学习。
本实施例中，跳档的角度判断差值为16°，同档的角度判断差值为3.5°。
在执行步骤3是，所述档位槽角包括P档、R档、N档和D档。
所述各档位的以槽底点分开的两段弧长l1和l2可根据换挡码盘的3D尺寸量出。
调整PWM驱动信号3的占空比δ，可以正比例调节驱动电机电流，从而控制执行器的输出扭力。因选档执行器为蜗杆13结构，只能实现正向传动，存在自锁特性(此种设计是为防止非预期的脱档)。
可以观察到换挡码盘19为类似山坡形结构，各档位点位于坡底。如果执行器输出扁口14带动变速箱旋轴扁口17旋转角度不到位，因执行器的自锁特性，完全是有可能出现图5-1所示情况，根本达不到变速箱选换挡角度精度，从而使得变速箱内部换挡油路无法导通或者部分导通，出现较强的顿挫感。所以，如何找到换挡码盘落入槽底时，执行器输出扁口对应的磁铁霍尔传感器7采集到的位置信号9是此技术问题的关键。
本发明中，通过理论和实验分析，结合自身执行器的自锁特性，提出了一种摆程式位置学习方法，来获取磁铁霍尔传感器7采集到的各档位位置信号9。
本发明所述的一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，提出一种自学习的方法，来规避变速箱内部换挡码盘的设计及其加工中出现的误差或者公差，按照学习到的挡位置，通过精准控制执行器输出扁口14旋转到学习角度，从而带动变速箱扁口17，可实现换挡码盘19精确落入到相应档位，满足选换挡角度精度。

Claims (3)

1.一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立汽车执行部件和控制单元，汽车执行部件包括直流电机12、减速齿轮16、输出扁口14、变速箱旋轴扁口17和换挡码盘19，控制单元包括MCU、直流电机驱动电路和磁铁霍尔传感器；
步骤2：在MCU中标定各个档位槽的测量位置，其步骤如下：
步骤S1：通过旋转换挡码盘，找到换挡码盘的P档机械死点位置和D档机械死点位置，磁铁霍尔传感器采集电机在P档机械死点位置的位置信号值A，磁铁霍尔传感器采集电机在D档机械死点位置的位置信号值B，磁铁霍尔传感器将位置信号值A和位置信号值B反馈给MCU进行处理；
设定一个角度值为factor，MCU通过以下公式计算factor的值：
Figure FDA0002479023630000011
其中Full Angle是换挡码盘的满行程角度；
步骤S2：MCU计算各个档位的初始位置值：
P档的初始位置值为Pthory：Pthory＝A+factor·2；
R档的初始位置值为Rthory：Rthory＝A+factor·15.66；
N档的初始位置值为Nthort：Nthory＝A+factor·(15.66+12.13)；
D档的初始位置值为Dthory：Dthory＝B-factor.2；
步骤3：设定直流电机驱动电路的PWM驱动信号占空比为δ；MCU控制输出的占空比δ的大小，使其驱动换挡码盘到达想要学习档的初始位置，即±1°，学习顺序为D档-＞N档-＞R档-＞p档；之后MCU设定占空比δ的一个比较小的值δ1，并以δ1来驱动直流电机正转动作，设定时间t，MCU计时到达时间t后，以δ1来驱动直流电机反转动作，使得换挡码盘在一定的范围内摆动，从而得出一个确定的行程S，MCU不断的调整δ值从而使得到的稳定的行程S满足如下关系：SMIN≤S≤SMAX≤factor·Scopeangle；其中SMIN为最小摆动行程，SMAX为最大摆动行程，Scopeangle为某一档位槽角度范围；
当行程S满足以上条件后，即行程S是刻画了单一档位槽的行程，MCU记录此时的δ值，并通过磁铁霍尔传感器采集行程S中的最大位置值MAX和最小位置值MIN，MAX-MIN＝S≤factor·Scopeangle；
步骤4：MCU计算档位值，其包括如下步骤：
步骤S3：以换挡码盘的圆心为极点，以半径r为极轴，则曲线弧的极坐标方程为：
r＝r(θ)，α≤θ≤β；
其中，α为P档机械死点位置极角，β为D档机械死点位置极角，θ为一个变量函数；
则写成参数方程形式为：
Figure FDA0002479023630000021
可得：
Figure FDA0002479023630000022
故可得：
Figure FDA0002479023630000023
即可得出角度与行程S存在正相关特性；
步骤S4：档位槽底的位置反馈POS为：
Figure FDA0002479023630000024
其中l1，l2分别为单一档位槽的以槽底点分开的两段弧长；
步骤S5：若，学习到的新档位值POS与步骤S2中的学习档位的初始位置值相差不大，即绝对角度差小于5°，则认为当前学习档位成功，则按照学习档位顺序D档-＞N档-＞R档-＞P档，重新执行步骤3到步骤4，直到按照学习档位顺序，所有档位都学习成功则认为自学习完成；若相差很大，即绝对角度差大于5°，则认为当前学习档位不成功，则修正学习档位的初始值，其修正方法为学习值大于初始值2°，则减少初始值，反之则增大初始值2°，不改变学习档位顺序，重新执行步骤3到步骤4学习当前未成功学习的档位，直到3次都学习错误，判定学习失败，跳出自学习。
2.如权利要求1所述的一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，其特征在于：在执行步骤2时，所述档位槽角包括P档、R档、N档和D档。
3.如权利要求1所述的一种变速箱外置选档执行器的档位值学习方法，其特征在于：所述各档位的以槽底点分开的两段弧长l1和l2可根据换挡码盘的3D尺寸量出。
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