自动机械变速器转速信号故障诊断及容错技术研究

李志伟，韩宇石，王景霞，王 叶，衣 超

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

为提高车辆的安全性和可靠性，应对AMT系统自身状态进行故障监测和诊断隔离，当故障发生时根据故障类型采用相应的容错措施，实现功能降级控制，使故障车辆仍具有一定的行驶能力，避免对人员和设备造成伤害.其中，在离合器控制和换挡过程中，转速信号是AMT控制系统的重要参数之一，转速信号的正确性对AMT系统的安全性至关重要，因此开展AMT系统转速信号的故障容错技术研究.

1 自动机械变速器工作原理

自动机械变速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)是在定轴式机械变速器的基础上，通过加装电控系统和执行机构，实现自动换挡过程.AMT系统以电子控制单元(Transmission Control Unit，TCU)为核心，通过采集驾驶员的操纵(油门踏板、制动踏板)和车辆运行状态(车速、发动机转速、变速器输入轴转速)，采用相应的控制规律，发出控制指令，借助于执行机构，完成离合器分离、接合以及变速器选、换挡动作，实现换挡过程的自动化，AMT系统原理如图1所示.

图1 AMT系统原理图

2 转速信号故障诊断

2.1 转速信号故障对AMT系统的影响

在AMT系统运行过程中，转速传感器信号是AMT换挡及离合器控制的重要参数，其中包括发动机转速、变速器输入轴转速和输出轴转速.变速器输入轴转速用于离合器过程控制，离合器接合过程理论上可以分为3个阶段，即空行程阶段、滑磨阶段和同步接合阶段.若输入轴转速出现故障，TCU无法判断发动机和输入轴转速的同步状态，系统将一直处于滑磨阶段，车辆无法实现正常起步，并导致离合器异常磨损或烧蚀.输出轴转速信号用于挡位决策和换挡过程中的发动机调速控制，若输入轴转速出现故障，AMT系统会出现乱挡或发动机调速失效等情况，严重影响AMT车辆的行驶安全性.

2.2 转速信号的故障诊断策略研究

根据信号的物理特性，转速信号值应处于一个合适范围内，且是一个连续变化的过程，当不满足允许条件时，TCU判定转速信号出现故障，转速传感器信号不正常主要表现在以下3个方面:

1)转速信号值超出了正常范围，如发动机和输入轴转速在0～2800 r/min之间，输出轴转速在0～3900 r/min之间;

2)转速信号值突变，即信号的变化率较大，正常情况下前后两个采样周期的转速差不会超过100 r/min;

3)转速信号值一直维持在某一个值不变，因为正常的情况下转速信号值都在最大值和最小值之间波动.

基于转速信号的时频特性，搭建了转速故障诊断的控制模型，如图2所示.其中INP_SignalIn是转速信号数值，MaxSpeed为转速信号时域最大值，MinSpeed为时域最小值，MaxdltSpeed为转速信号变化率上限，ConstantThr为可接受变化范围，其余参数为转速信号故障检测和诊断结果的状态参数.

图2 转速实时故障诊断模型

2.3 转速故障的解析冗余方法研究

解析冗余是指系统中部件的输入、输出在功能上具有的冗余性.利用不同部件间的解析冗余关系对某部件进行故障诊断.当某部件发生故障时，将其全部或部分功能由具有解析冗余关系的其他部件来代替完成.基于解析冗余先验知识的故障容错是提高系统可靠性的有效方法.

在AMT系统工作过程中，在离合器接合、变速器挡位为非空挡的情况下发动机转速Ne、输入轴转速N1和输出轴转速N2之间存在着如下解析冗余关系:

式中:i传为发动机与变速器之间传动比，ig为变速器某挡位的传动比.

用△Ni来表示上述3个等式的差值，即:

假设两个或两个以上传感器信号故障是极小概率事件，因此主要研究单个转速信号故障的情况，从而形成相应的专家知识库，如表1所示.

表1 转速信号故障诊断解析冗余逻辑表

3 转速信号故障容错策略

当转速出现故障时，应用发动机转速Ne、输入轴转速N1和输出轴转速N2之间的解析冗余关系，对故障转速信号进行重构.若解析关系不成立时，则将故障转速信号设定为故障发生之前的常量，从而实现降级处理，保证AMT控制系统的最低需求.其中发动机转速通过整车CAN总线获得，隶属于其它部件，故不对其进行故障容错.当输入轴转速信号出现故障时，将输出轴转速乘以当前挡位传动比代替输入轴转速，若处于换挡过程则应用换挡前一时刻的输入轴转速值;当输出轴转速出现故障时，将输入轴转速除以当前挡位传动比代替输出轴转速，若处于换挡过程则应用换挡前一时刻的输出轴转速值.转速信号故障容错策略模型如图3所示.

图3 转速故障容错策略模型

4 试验验证

将所设计的AMT转速信号故障诊断和容错策略在某轮式车辆上进行了试验验证.输入轴转速故障诊断及容错试验数据曲线如图4所示，图(a)为目标挡位和实际挡位，图(b)为输出轴转速信号，图(c)为发动机转速和输入轴冗余转速.试验前，拔除输入轴转速传感器的插头，传感器的信号值一直为零.启动发动机，由于离合器处于接合状态，故此时的输入轴转速等于发动机转速，运用转速信号时域阈值和冗余解析关系，判断出输入轴转速信号异常.驾驶员推动手柄换上起步挡车辆开始起步，TCU计算输出轴转速乘以起步挡传动比的值，并将其替代输入轴转速信号.在换挡过程中，由于输入轴和输出轴的转速冗余关系不成立，因此输入轴替代值采用换挡前一时刻的转速值，换挡结束后，恢复为输出轴转速冗余值.同理，也对输出轴转速传感器故障进行了试验验证.试验结果表明，AMT转速故障诊断和容错策略能实时监测各转速信号并对故障进行在线识别，并通过CAN总线向整车发送故障报警信息，从而保证发生转速信号故障时车辆能够正常行驶，极大地提高了AMT系统的可靠性和可维修性.

图4 输入轴转速故障诊断及容错试验数据曲线

5 结论

根据自动机械变速器的工作原理，研究和设计了AMT系统转速信号故障诊断及容错策略，在Matlab/Simulink软件环境下搭建了某轮式车辆AMT转速故障诊断与容错模型，并进行了试验验证，结果表明转速信号故障容错策略能有效地实现故障诊断和信号重构功能，大大提高了AMT系统的安全性和维修性.

［1］苏玉刚，曹长修，杨志刚.机械自动变速器的故障自诊断和容错控制［J］.重庆交通学院学报，2002，(2):103-107.

［2］黄 华，席军强，周圣砚，等.气动AMT系统故障诊断研究［J］.北京理工大学学报，2009，(7):587-591.