電動機械式自動變速器控制系統設計

尤銀剛，羅映，李良，韓偉

（1.山重建機有限公司 電控研究院，山東 臨沂276000；2.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南250101；3.山東齊魯電機制造有限公司，山東濟南250100；4.山東大學機械工程學院，山東濟南250061）

0 引言

與傳統的汽車手動變速器相比，汽車自動變速器在操控性和駕駛舒適性等方面有顯著優勢。因此，自動變速器在汽車工業發達的國家和地區的市場上占有率越來越高。目前，汽車自動變速器運用較廣，可分為以下幾種：液力自動變速器、無級變速器、雙離合器自動變速器和機械式自動變速器［1－3］。機械式自動變速器 AMT（Automated MechanicalTransmission）是在原有的手動變速器的基礎上進行改造，主要改變換擋、離合操縱部分，即在總體傳動結構不變的情況下通過加裝自動操縱系統來實現換擋的自動化（如圖1所示）。與液力自動變速器（AT）相比，具有傳動效率高、結構簡單、制造成本低等優點［4］。

圖1 AMT系統結構示意圖

目前國外市場，尤其是歐洲和日本的重型多擋變速箱上，AMT都已是標準配置。奔馳、沃爾沃、日產、三菱、日野等都有自己的AMT商用車產品，歐洲商用車AMT裝機總量，已經超過其商用車總量的50%以上［5］。文章在分析AMT工作原理基礎上，采用基于直流電機驅動的執行機構設計，與主流的液壓驅動相比，制造難度和成本均大幅下降，更加適合我國國情。文章旨在設計電動機械式自動變速器控制系統，包括選換擋、離合執行機構、電控單元（TCU）、控制策略，并在實車上進行試驗和程序調試，以驗證系統設計的可行性和實際效果。

1 自動變速器控制系統總體設計方案

AMT的關鍵部件主要由傳感器、電子控制單元（TCU）和執行器三部分組成［6－7］。傳感器包括發動機轉速傳感器、加速踏板位置傳感器、變速器輸入軸速度傳感器、車速傳感器等。執行器包括離合器執行器、選擋執行器和換擋執行器，本設計采用了帶有電子節氣門的汽油發動機，節氣門期望值通過控制總線發送給發動機控制單元（ECU），由ECU對節氣門開度進行控制，系統結構框圖如圖2所示。

整個換擋過程概括為以下步驟：

（1）控制單元通過讀取傳感器信號來確定當前車輛的工作狀況。

（2）由換擋桿的觸點得到駕駛員（手動模式下）或控制單元（自動模式下）給出換擋命令。

（3）控制單元讀取換擋命令后進行安全分析從而對命令進行后期處理。

（4）通過執行器控制離合器的結合與分離和變速箱中的齒輪嚙合。

圖2 AMT控制系統結構簡圖

2 選換擋執行機構設計

2.1 選換擋動作分析

AMT車輛對換擋過程的基本要求是應能根據車輛的行駛狀況、道路條件和駕駛員的操縱意圖等信息采用相應的換擋規律，并通過選換擋執行機構，使變速器及時準確地切換到最佳擋位，使其具有良好的換擋品質，即希望換擋過程平穩快速地進行，避免換擋沖擊過大，增加傳動系統的動載荷［8］。換句話說，換擋機構的優劣將直接影響到傳動系統的壽命，也會影響到乘坐的舒適性［9］。因此，對換擋機構的研究己成為AMT技術體系研究中的關鍵部分。

該車使用的手動變速器有為5個前進擋和1個倒擋，分析變速器換擋機構的原理可知，要完成5個前進擋，1個倒擋的換擋動作，選擋桿與換擋桿分別有3個位置，即把換擋機構的運動抽象成一個正交坐標，橫坐標x方向的3個位置為換擋動作，縱坐標y方向的3個位置為選擋動作，共9個位置，如圖3所示。

圖3 選換擋動作位置圖

抽象成正交坐標系以后，所有的換擋動作就可以用兩套執行機構來完成，其中一個機構帶動換擋桿執行x方向的運動，另一機構帶動換擋桿執行y方向的動作，從而可到達9個位置中的任意一個。其動作性能要求如下：

（1）換擋輕便，很輕松的能掛入擋位。

（2）選擋要準，一次到位。

（3）換擋平順溫和，無沖擊、發阻現象。

經測量，選換擋的設計原始參數見表1。

表1 選換擋機構設計原始參數

2.2 選擋執行機構設計

選擋執行機構可以用電機作為動力，也可以用電磁鐵作為動力，因為選擋桿有自動回位功能，其上下各有一個彈簧，如圖4所示。

?當換擋機構不受外力的情況下是處于中位（空擋）的，如果采用直流電機，將實現三個位置的控制，對于中間位置的控制，必須精確，否則無法掛入空擋，而且給電路設計也帶來了麻煩，必須采用雙向H橋的控制電路，增加了電路成本，因此選擋機構采用電磁鐵更為合理，如圖5所示，當上下兩個電磁鐵都不通電時，選擋桿自動回到中位，這使換擋控制算法更為簡單，且不容易出現故障。當供電電壓為12 V時，選擋電磁鐵拉力為210 N。

圖5 選擋電磁鐵結構圖

2.3 換擋執行機構設計

選擋執行機構的任務是完成x方向的三個位置控制。

由于直流電動機輸出的轉速高而轉矩低，轉矩過低則無法驅動選換擋系統的執行機構完成選換擋操作，因此必須設計減速機構以提高轉矩。減速機構采用滾珠絲杠。

已知條件：

換擋行程：其左、右各15 mm，共計30 mm

換擋力F：130 N

執行時間：100 ms

額定電壓U：12 V

額定功率 P：100W

額定轉速：3000 rpm

若需執行時間小于100 ms，則需速度v應大于150 mm／s。

由式（1）電機額定速度計算執行速度為

若速度大于150 mm／s，則滾珠絲杠導程p應大于3 mm，考慮到電機剛起動時速度比額定轉速小，應選用更大導程的絲杠，本設計采用導程為5 mm的絲杠。其額定速度理論值為250 mm／s。

經測量，執行機構實際輸出推力大于300 N，滿足設計要求。

換擋執行機構采用絲桿螺母減速機構結構如圖6所示。

圖6 換擋執行機構示意圖

3 離合器執行機構設計

在現有電控機械式自動變速技術中，離合器分離接合采用電控液壓式、電控氣動式和電控電動式三種驅動方式［10］，其中電控電動式由于執行機構全部采用了電機，相對于傳統液壓油缸執行機構而言不僅可靠性提高而且成本也得到降低，樣機的性能價格比合理，具有良好應用前景。離合器分離接合控制機構的設計要求應該滿足如下要求：

（1）滿足離合器分離、接合的工作行程，具有足夠大的驅動力并有自鎖性能；

（2）保證最大的分離速度，接合平穩無沖擊；

（3）機構工作可靠，結構緊湊，便于總體布置。

測量離合器分離杠桿，得知其參數見表2。

表2 離合器設計原始參數

已知條件：

離合器分離行程：實際行程為27 mm，執行機構設計行程為50 mm

執行時間：100 ms

額定電壓U：12 V

額定功率P：180 W

額定轉速：3000 rpm

若需執行時間小于100 ms，則需速度v應大于150 mm／s。由電機額定速度計算執行速度，若速度大于150 mm／s，則滾珠絲杠導程p應大于3 mm，考慮到電機剛起動時速度比額定轉速慢，應選用更大導程的絲杠，本設計采用導程為5mm的絲杠。其額定速度理論值為250 mm／s。經測量，執行機構實際輸出推力大于500 N，滿足設計要求。

離合器減速機構為絲杠螺母機構，電機帶動螺母旋轉，使絲杠產生直線運動來實現離合器的分離，TCU發出指令，電動機轉動驅動螺母轉動，通過軸承支撐在筒內，拉動離合器拉線實現離合器分離，電動機反向轉動實現離合器結合，離合器操縱機構行程用傳感器檢測，拉線連桿在離合器完全結合時自動補償零部件磨損造成的拉線初始安裝位置變化，不再需要人工調整拉線的長短，如圖7所示。

圖7 離合器執行機構圖

對于離合器執行機構，其難點之一是絲杠螺母機構在極限點位置時容易出現不正常鎖死，在裝車試驗過程中，多次出現不正常的鎖死現象，需要在算法上進行處理。

4 控制系統軟硬件設計

4.1 控制系統硬件結構

控制系統包括輸入信號處理、中央處理器（MCU）和電機驅動三大部分，如圖8所示。

4.2 控制系統軟件設計

4.2.1 信號采集

（1）數字信號采集

TCU控制程序需要監測車輛上的一些數字量信號，從而獲取駕駛員的操作信息，車上數字信號通過電平轉換和濾波處理以后輸入到主控芯片，TCU控制程序調用固件函數可以獲取該引腳的電平的高低（0或1），也就獲知了對應車輛數字信號的狀態。TCU控制程序采用不間斷循環掃描的方式來實時監測這些數字量信息，數字信號包括：制動踏板信號、駐車制動信號、車門關閉信號、擋位選擇信號、模式選擇信號等。

圖8 AMT電控系統結構圖

（2）模擬信號采集

模擬信號主要用于反饋執行機構的位置，選擋、換擋、離合、節氣門、加速踏板位置等傳感器傳感器信號，其中節氣門和加速踏板各有兩路模擬信號，這些模擬信號經過濾波處理以后，輸入到主控芯片的AD轉換管腳，然后轉換成數字量，作為判斷執行機構位置的依據。

（3）頻率信號采集

TCU控制程序主要采集和處理發動機轉速信號和車速信號來獲得發動機轉速、變速器輸入軸轉速、車速等速度信息。

發動機輸出軸處安裝有飛輪，飛輪上均勻分布有60個齒，當發動機發動后飛輪同轉速旋轉，發動機旋轉一周，發動機轉速傳感器就會產生60個正弦脈沖信號，對脈沖計時就可以推算出發動機轉速。對頻率信號計時用的時鐘為100 kHz，計時單位為10μs。

在變速器輸出軸部位安裝霍爾式車速傳感器，用來監測車速。車速傳感器的旋轉軸每轉一周會產生若干個均勻的方波信號，同時變速器輸出軸與車速傳感器旋轉軸之間存在一個傳動比，經過該傳動比就可以推算出一個完整方波脈沖信號對應的變速器輸出軸旋轉的角度。采用與發動機轉速相同的單個脈沖信號計時方式可以計算出變速器輸出軸轉速。

變速器輸出軸經過一個減速器把動力傳遞給車輪，所以車速就是使用變速箱輸出軸轉速、減速器減速比、車輪尺寸計算出來的，經過單位換算，把轉速（r／min）轉換為速度（km／h）。利用變速器輸出軸轉速和當前變速器擋位的減速比還可以推算出變速箱輸入軸轉速，變速箱輸入軸轉速也是一個重要的速度信號，在起步和行進間換擋時貼合離合階段是一個重要參考。

由于發動機轉速較高，而且TCU通過計量發動機旋轉兩周的時間來計算發動機轉速，這樣得到的發動機轉速較為精確，所以如果車輛在某個擋位上正常行駛，可以使用發動機轉速來通過當前擋位傳動比來推算車速，而不使用原始車速信號，這樣可以得到更加精確的車速。但是，在離合分離或者車輛處于空擋時，需要切換成車速信號來計算車速。

4.2.2 數據通訊

（1）自動換擋需要發動機與變速器配合進行，因此 TCU需要與 ECU進行通信［11］。兩者采用CAN總線方式，一方面TCU通過與ECU通信獲取發動機轉速和油門踏板等信息，另一方面向ECU發送節氣門目標開度等信號，使發動機配合自動換擋過程。

（2）在車輛添加一個LED顯示器用于顯示車輛當前擋位信息、手動／自動模式、經濟／普通／動力三種換擋模式等狀態信息，如圖9所示。

圖9 顯示器外觀圖

其硬件接口為485接口，顯示分為LED數碼管和光柱顯示兩種。第1個數碼管顯示自動／手動狀態，如果為 “A”，表示自動模式，如果是“H”，就是手動模式；第2個數碼管顯示擋位，“1”至“5”代表1至5擋，“N”代表空擋，“R”代表倒擋；光柱的主要作用是在自動擋模式下顯示所選擇的換擋規律模式，其中綠色代表經濟模式，紅色為動力模式，橙色代表普通模式。顯示器還具有蜂鳴器報警功能，在特殊情況下用來警告駕駛員。

TCU控制程序通過485接口向顯示器發送指令來控制顯示內容，指令的格式由顯示器固件給出的。TCU控制程序把獲得的擋位等狀態信息按照給定的指令格式填寫指令，然后定時通過485接口把指令發送給顯示器，顯示器自動解析指令，并驅動LED燈顯示對應信息。

4.2.3 軟件分層

AMT控制系統的控制效果，主要取決于系統的控制軟件。每個控制對象有其特定的規律和控制要求，因此要選擇與之相適應的控制策略和控制算法，否則就會導致系統的控制品質較差，甚至會出現系統不穩定、控制失敗的后果［12－13］。

為提高控制系統軟件的可維護性和擴展性，該控制系統把軟件的各個功能層分離開來，以保證軟硬件的獨立，為今后系統的改進打下基礎，基本思路是用硬件抽象層將軟件和硬件分開，在硬件抽象層上建立驅動層，最上層是應用層，如圖10所示。

（1）硬件層

硬件層即控制系統硬件，如圖11所示。

圖10 程序分層框架圖

（2）硬件抽象層

硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer）將與硬件相關的操作寫成自定義的函數，在系統需要操作硬件時，只是調用相關的函數，由硬件抽象層的函數完成與硬件相關的操作并返回操作結果即可。硬件抽象層需要定義的操作包括：內部寄存器、時鐘、存儲器、中斷、總線通訊、普通I／O口等，當底層硬件做了修改或更換時，只更改硬件抽象層的函數內容，不更改硬件抽象層的函數名和函數參數，因此硬件抽象層以上的軟件無需更改。

圖11 控制系統硬件結構圖

（3）操作系統層

操作系統層（RTOS Layer），該系統采用了一個輕量級的實時操作系統，有公開源碼、可移植、可裁減、調度策略靈活，當更換硬件時，可以快速的移植到新的硬件上運行，操作系統跟硬件相關，但操作系統以上的軟件跟硬件無關。

（4）驅動層

驅動層（Drive Layer），或叫功能層，該層與整個控制系統的功能相關，其變量名和函數名直接與變速器控制系統相關，比如定義了各個需要采集的數據、與換擋相關的功能函數。應用層調用或包含（include）驅動層就可以實現宏定義、公共變量、應用層函數之間共享。

（5）應用層

應用層（App Layer），實現軟件最終的功能。由于整個控制系統的功能較多，是一個龐大的系統，應用層的程序框架結構至關重要，本設計采用模塊化設計方法。模塊功能包括換擋規律，起步決策，換擋決策，換擋品質控制等多方面的內容。為了使程序的可讀性強，維護方便，實現各個模塊單獨設計、單獨維護，將程序的應用層分為幾種狀態，相鄰兩個狀態之間有先后的關系，也可根據實際情況任意跳轉，定義的狀態有：發動機未起動狀態、起動但未起步狀態、已掛擋準備起步狀態、執行起步操作狀態、行進間換擋操作狀態、緊急情況處理狀態等，如圖12所示。

圖12 應用層狀態圖

5 裝車試驗與數據分析

5.1 起步試驗

起步快速平穩，能及時響應駕駛員的加速指令，是AMT控制的難點和重點［14］，軟硬件設計完成后，進行了裝車試驗。如圖13是起步實時數據隨時間的變化曲線。

從圖中可以看出，松開剎車后，離合迅速放回到半離合位置；踩下油門踏板后，一方面控制發動機轉速度上升，另一方面繼續緩慢貼合離合；離合貼合到半離合點之后，車輛開始移動，車速和輸入軸轉速開始增大；隨著離合繼續貼合，輸入軸轉速與發動機轉速趨于同步，在此過程中，發動機轉速沒有出現轉速過高或過低甚至熄火的情況，車速上升平穩，沒有速度沖擊。這說明這種起步控制邏輯既保證了起步平穩性又實現了駕駛員意圖。

圖13 起步過程圖

5.2 升擋試驗

換擋品質關系到AMT的舒適性［15］，要求在升擋過程中的無明顯頓挫感，實驗過程中，采集加速行駛過程中升擋切換實時數據隨時間的變化曲線，來分析換擋品質。以1擋升2擋為例進行說明，其他擋位類似，不再累述。

從圖14中可以看出，300 ms左右TCU發出換擋指令，首先是關小節氣門開度；接著拉起離合，離合拉起用時200 ms左右；離合分離后，執行選擋和換擋動作，輸入軸轉速跳變，說明換入2擋；待換入2擋后，馬上快放離合至半離合點；之后緩慢貼合離合，在貼合離合過程中，發動機轉速與輸入軸轉速實現同步；貼合離合的同時，開大節氣門開度，直至重新跟隨油門踏板深度；從離合開始拉起至離合貼合轉速同步的整個換擋過程用時約為1 s。

1擋升2擋過程中，離合貼合速度相對較小，因為這時車速較小，而且2擋輸出扭矩較大，若是離合貼合過快，容易導致車速波動，影響換擋過程的平順性，高擋之間切換時離合貼合過程會大大加快。從數據曲線可以看出，1擋升2擋過程用時短暫，發動機轉速未出現上升，車速平穩，動力及時跟進，未出現車速下降。

1擋升2擋，由于車速較低，換擋時的頓挫感是所有擋位切換過程中最明顯的，也是調試的重點。通過不斷的調試，實際的頓挫感和沖擊感明顯減輕，基本上感覺不到明顯的頓挫。

圖14 1擋升2擋過程曲線

5.3 降擋試驗

以汽車行駛過程中降擋切換實時數據隨時間的變化曲線來評價降擋品質。以2擋降1擋為例進行說明，其他擋位類似，不再累述。

圖15 2擋降1擋過程曲線圖

從圖15中可以看出，200 ms左右TCU發出換擋指令，從離合開始拉起至離合貼合轉速同步的整個換擋過程用時約為1 s，與3擋降2擋相比，離合貼合速度減小，是因為降至1擋輸出扭矩增大，而且這是車速較小，過快貼合離合會影響換擋平順性，所以換擋用時有所增加。從數據曲線可以看出，2擋降1擋過程用時短暫，發動機轉平穩上升，車速平穩，動力及時跟進。

6 結語

綜上試驗結果表明：

（1）直流電機驅動的選換擋、離合執行機構，在控制單元的控制下，位置精度和動作速度均基本滿足功能需求。

（2）控制器數據采集電路設計合理，能夠采集車輛上的數字信號、模擬信號和頻率信號。

（3）控制程序采用分層框架和模塊化設計，可讀性和可維護性較好。

（4）自主設計的控制策略基本合理，車輛起步、升擋、降擋過程快速平穩，達到設計目標，具有進一步改進和研究的價值。

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