基于MATLAB的某DCT车型一挡抖动分析及滤波优化

严家 张飞兵 朱丽丹

摘  要：整车驾驶性开发中，整车抖动是个至关重要的问题，其严重影响驾乘人员的舒适性。本文针对某DCT车型抱怨的M1挡抖动问题，首先通过整车测试采集相关数据，其次借助MATLAB软件，应用时频分析的阶次跟踪技术进行问题分析，并通过MATLAB滤波设计工具进行优化，最后抖动问题显著改善。

关键词：DCT抖动;MATLAB时频分析;阶次跟踪;滤波

中图分类号：U467    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2021）01-0036-05

Abstract： Vibration is a important issue in the drivability performance development of vehicle， which seriously affected driver and passenger s comfort. In this paper， vehicle test was used to collect vibration related data， MATLAB software， time-frequency analysis and order tracking are applied for M1 vibration issue analysis. And based on MATLAB FilterDesigner tool， vibration issue was improved a lot with filter processing.

Key Words： Dct  Vibration; Matlab Time-frequency Analysis; Order Tracking; Filter

前   言

随着人们的生活水平的不断提高，人们对汽车的要求已经不单单停留在代步工具这个层面，对整车的驾驶性和舒适性品质也提出了更高的要求。整车的驾驶性表征主要反映了车辆纵向动力学的瞬态品质，驾驶性主观感受是车辆行驶过程中舒适性与易操控性的综合感觉[1]。而在驾驶性评价体系里，常见的冲击、抖动类问题也是最容易被消费者感知的，严重影响驾乘人员的舒适性。如果整车出现明显的抖动，会严重影响消费者的对车辆的满意度和汽车品牌效应。本文基于大量的驾驶性客观测试数据和驾驶性工程师的主观评价，借助MATLAB对某DCT车型抖动问题测试数据分析，找到了抖动问题的原因，并通过标定控制量的滤波处理解决了该问题。

1    问题描述

根据某DCT变速箱开发公司的驾驶性测试规范，某开发车型在M模式一挡小油门起步中出现了抖动抱怨。具体测试工况：变速箱油温80℃以上，M模式下，5-13%定油门起步，发动机转速在1300-2300rpm时，车辆出现明显抖动。具体实测抖动工况数据如图1所示，可以看到加速度、输入轴转速、离合器压力信号波动明显。

2    数据采集系统

测试采用INCA软件采集相关数据，其中TCU和CAN信号通过ET581采集，而整车纵向加速度信号通过ES415外接三轴加速度传感器采集，该套简易驾驶性数据采集系统简单且经济。本文研究的抖动问题的分析是基于该系统采集分析的数据，抖动问题在客观数据上的直接表现是纵向加速度信号的高频波动，纵向加速度高频波动的幅值反应抖动的剧烈程度。ETAS简易驾驶性数据采集系统硬件如图2所示，其中三轴加速度传感器安装在主驾导轨上。

3    原因分析

时频分析是非平稳信号分析的重要工具之一，它可以帮助人们理解信号的复杂结构，揭示其内在规律[2]。而驾驶性测试中的信号大都属于非平稳信号，需要借助时频分析技术进行数据分析。

阶次跟踪技术被广泛用于旋转机械的故障诊断，阶次跟踪是从受周期载荷作用的机械系统中分离正弦成分的一种信号处理方法。其恒角度增量采样能够得到稳定的信号[3]。阶次的循环定义为参考轴每转内发生的次数，它与振动频率的关系为：

式中，o为阶次;n为参考轴转速。

本文借助简易驾驶性数据采集系统，采集M1挡小油门起步抖动工况数据。通过MATLAB分别完成对问题车辆纵向加速度信号、输入轴转速信号、离合器压力和离合器请求压力信号进行时频分析，并结合相关转速信号的阶次跟踪进行分析。

对纵向加速度进行时频分析和阶次跟踪，结果如图3所示。其中，x轴为采样时间，y轴为频率，色谱的颜色深浅代表了加速度信号波动的幅度大小（即振动），Eng_Ord0.5为发动机0.5阶的频率，Eng_Ord1为发动机1阶的频率，Eng_Ord1.5 为发动机1.5阶的频率，Eng_Ord2为发动机2阶的频率，Slip O Ord1为离合器滑摩转速的1阶频率，Slip O Ord2为离合器滑摩转速的2阶频率。

由分析结果可知：纵向加速度信号在10Hz波动明显，最大波动的幅值为0.13m/s2，和发动机及离合器的旋转阶次无相关性，抖动为10Hz的定频抖动。

同理对输入轴转速进行时频分析和阶次跟踪，结果如图4所示，色谱的颜色深浅代表了输入轴转速波动的幅度大小。

由分析结果可知：输入轴转速信号在10Hz波动明显，最大波动的幅值为32rpm，和发动机及离合器的旋转阶次无相关性。

同理对离合器压力进行时频分析和阶次跟踪，结果如图5所示，色谱的颜色深浅代表了离合器压力信号波动的幅度大小。

由分析結果可知：离合器压力信号在10Hz波动明显，最大波动的幅值为70mbar，和发动机及离合器的旋转阶次无相关性。

同理对离合器请求压力进行时频分析和阶次跟踪，结果如图6所示，色谱的颜色深浅代表了离合器请求压力信号波动的幅度大小。

由分析结果可知：离合器压力请求信号在10Hz波动明显，最大波动的幅值为20mbar，和发动机及离合器的旋转阶次无相关性。

综上分析，该抖动问题为10Hz的定频抖动，和发动机及离合器的旋转阶次无相关性，同时输入轴转速，离合器压力和离合器请求压力在该频率下也有明显波动。结合工程经验以及离合器控制逻辑，波动的传递路线：离合器请求压力波动→离合器压力波动→输入轴转速波动→抖动。

4 滤波设计及验证

该抖动问题为10Hz的定频抖动，对离合器请求压力进行10Hz带阻滤波，从而衰减10Hz的压力波动，继而减弱10Hz压力波动引起的的抖动问题。

4.1   滤波设计

IIR数字滤波器是一种离散时间系统，其系统函数为[4]：

式中，ak和bk为滤波器的分母和分子系数，IIR数字滤波器设计实际上是求解滤波器的系数ak和bk。IIR数字滤波器设计是目前最通用的方法是借助于模拟滤波器的设计方法。模拟滤波器设计已经有了相当成熟的方法，它不但有完整的设计公式，而且有较为完整的图标供查询。

FilterDesigner[5]是MATLAB信号处理工具箱里的专用的滤波器设计分析工具，FilterDesigner可以设计几乎所有的常规滤波器，包括FIR和IIR的各种设计方法且操作简单方便。本文采用MATLAB FilterDesgin工具箱進行10Hz的IIR滤波设计。

在responsetype中选择带阻滤波bandstop（带阻滤波器），在design method选项中选择IIR（butterworth），在filter order中的specify order设置为2，信号频率Fs设置为400Hz，带阻下限截止频率Fc1设置为9Hz，带阻下限截止频率Fc2设置为11Hz。具体IIR的仿真和滤波系数如图7和图8所示。

将滤波分子系数，分母系数，gain值输入到TCU标定对应的滤波模块的参数中，就可以对离合器请求压力进行滤波优化。

4.2 滤波验证

对整车M1挡小油起步抖动问题，进行离合器请求压力10Hz滤波前后对比，验证滤波手段的有效性以及抖动原因的再次确认。

对滤波前后对比数据的纵向加速度进行进行时频分析和阶次跟踪，结果如图9：

由分析结果可知：滤波前后纵向加速度信号在10Hz波动幅值：0.13m/s2→0.02m/s2。

对滤波前后对比数据的输入轴转速信号进行进行时频分析和阶次跟踪，结果如图10：

由分析结果可知：滤波前后输入轴转速信号在10Hz波动幅值32rpm→6rpm。

对滤波前后对比数据的离合器压力信号进行进行时频分析和阶次跟踪，结果如图11：

对滤波前后对比数据的离合器请求压力信号进行进行时频分析和阶次跟踪，结果如图12：

由分析结果可知：滤波前后离合器请求压力信号在10Hz波动幅值20mbar→5mbar。

滤波前后对比汇总如表1：

综上结果，该抖动问题根本原因锁定为离合器压力波动，对离合器请求压力进行滤波的方法有效，且滤波后的主、客观评价都达到整车要求。

5     总结

抖动是整车驾驶性开发过程中的一种常见问题。本文结合工程实践经验，借助MATLAB软件，应用基于时频分析的阶次跟踪技术，完成了对M1挡小油门起步抖动问题的相关分析。借助MATLAB FilterDesigner工具箱进行滤波设计和对比验证，确认了标定相关控制量进行滤波优化的有效性，并最终集成到TCU软件中。在几乎不增加成本的情况下，解决了该抖动问题。该分析方法经济有效，为同类型抖动问题的分析和解决给出了参考。

参考文献：

[1] 孙坚. 驾驶性评价及其仿真方法研究[D]. 吉林大学，2017.

[2]武国宁，齐晶晶，周亚同. 时频分析方法：研究与展望[J].图像与信息处理，2018，7（1）：24-35.

[3]龙月泉，石晓辉，施全.基于阶次跟踪的变速箱噪声源识别[J].噪声与振动控制，2009，28（ 1） ： 76-80.

[4]耶晓. 基于MATLAB的IIR数字滤波器设计及DSP实现.电子设计工程，2011.

[5]MATLAB.Signal Processing Toolbox Users Guide[J]. The Mathworks， 2009.