純電動汽車兩擋AMT電子控制單元的設計與實現

陳林用，柴本本，林連華，張建武

（1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2.山東時風（集團）有限責任公司，山東，聊城 252800）

引用格式：

新能源汽車，尤其是純電動汽車，由于驅動電機特有的與發動機不同的外特性以及應用環境的要求，通常采用單級變速器。盡管單級變速器能夠滿足大部分行駛工況，并簡化系統結構，但也會導致驅動電機無法很好地兼顧汽車的起步加速與最高車速的要求，因此需要考慮純電動汽車的多擋化設計[1]。對此，國外的Paul Walker等[2]在純電動汽車上應用了雙離合兩擋變速器，研究表明該變速器對整車驅動效率和能耗有明顯提升效果；國內的梁瓊等[3]開發了一種電動車用倒置式兩擋I-AMT系統，采用后置離合器加嚙合套進行協同換擋，研究結果顯示其能夠顯著改善汽車的換擋平順性。此外，合肥工業大學的劉成[4]研究了搭載兩擋AMT的純電動汽車的整車控制器，闡述了硬件設計流程，其中包含選換擋電機的驅動控制等，但是系統過于復雜，不便于應用。

盡管如此，針對純電動汽車用的AMT系統TCU軟硬件設計的文獻依舊比較少。因此，本文基于一款小型純電動汽車，開發一套沒有離合器的兩擋機械式自動變速器（2AMT）系統，并系統地闡述了其TCU的軟硬件設計方法。

1 整車驅動系統組成

如圖1所示，基于一款小型純電動汽車，提出的2AMT整車驅動系統采用集中式前橋驅動方式，將驅動電機、2AMT、TCU、主減速器等集成在一起，構成結構緊湊、便于布置的整車動力驅動系統。

圖1 純電動車用2AMT整車動力驅動系統示意圖

采用的2AMT系統本體不包含離合器，驅動電機輸出軸直接與2AMT輸入軸相連。系統主要由三對常嚙合斜齒圓柱齒輪、單錐面鎖環式同步器以及換擋執行機構等組成。如圖2所示，由于小型乘用車驅動力矩范圍有限，所以采用結構小巧緊湊的單錐面鎖環式同步器；換擋執行機構采用便于布置和控制的電控電動式系統，結構為蝸輪蝸桿加凸輪轉轂的形式，將電機的旋轉運動轉化為換擋撥叉的直線運動，從而驅動撥叉移動完成換擋。因此，2AMT系統TCU主要功能之一就是輸出驅動以及控制信號對換擋執行電機進行驅動控制，實現自動換擋。

TCU采用基于端電壓檢測法檢測電機轉子位置的六步梯形換相法，來實現對換擋執行電機的驅動以及正反轉和制動控制。此外，由于2AMT系統無離合器，系統采用集成換擋控制策略對TCU和驅動電機控制單元（Motor Control Unit，MCU）進行協同控制，從而實現驅動電機的轉速匹配，使系統順利完成摘擋和掛擋過程。

圖2 電驅動2AMT系統本體以及換擋執行機構簡圖

2 2AMT電控單元硬件設計

2AMT系統由變速器本體、換擋執行機構和TCU組成，其中TCU是整個控制系統的中樞，它以微處理器為核心，以各類傳感器代替駕駛員的感覺器官來獲取車輛運行狀態，同時以內部存儲的算法程序來模擬人類思維進行決策和輸出，進而控制執行機構代替人的手腳完成擋位的切換和信息的傳遞。如圖3所示， TCU硬件采用模塊化方法設計，系統組成模塊包括：主控芯片及最小系統模塊、電源模塊、信號采集和處理模塊、直流無刷電機驅動模塊及通信模塊等。

圖3 電驅動2AMT電控單元系統結構框圖

2.1 主控芯片及最小系統模塊

主控芯片的選擇要滿足上述系統結構框圖中的各類信號處理和輸出功能，同時要具有足夠的運算能力和存儲空間。經過權衡比較，使用飛思卡爾公司MC9S12(X)系列的16位單片機——MC9S12XS128。該芯片價格低廉，功耗低，應用廣泛，適用于開發各類控制系統。MC9S12XS128單片機包含16位中央處理單元和128 kB程序Flash、8 kB RAM、8 kB數據Flash組成的片內存儲器，總線頻率最高可達40 MHz[5]。主要功能模塊包括：A/D轉換模塊、定時器模塊TIM、PWM模塊、MSCAN模塊、SCI模塊等，足以滿足系統要求。

主控芯片最小系統模塊主要包括芯片的多個電源電路、時鐘電路、程序調試電路、復位電路以及存儲擴展電路等，如圖4所示。

圖4 主控芯片復位、程序調試以及時鐘電路

2.2 電源模塊

系統所有電源均來自車載12 V蓄電池，系統正常工作時，TCU各模塊及傳感器和其它集成芯片所需電壓是不同的。為此，分別采用LM2940和LM2596兩種芯片將12 V直流電進行DC-DC轉換為專供主控芯片使用的+5VD和供其它集成芯片以及傳感器使用的+5VDA，其中+5VDA還通過電感隔離出用于模擬信號傳感器和主控芯片參考模擬電源使用的+5VA，相應電源和地均作了濾波和隔離處理，如圖5所示。

圖5 電源DC-DC轉換電路原理圖

2.3 信號采集和處理模塊

TCU系統能夠正常工作的前提是系統各個輸入信號的精確采集，這些信號主要包括啟動開關信號、擋位信號、加速和制動踏板信號、車速信號、換擋撥叉位置信號、換擋執行電機的霍爾信號等。要實現這些信號的精確采集，首先需要精度較高的傳感器以及抗干擾性強的信號傳輸線，系統主要采用霍爾傳感器進行車速和撥叉位置信號采集，踏板為輸出模擬電壓信號與踏板位移成正比的電子踏板，換擋操縱桿同樣也是電子式，輸出開關量信號。

因此，TCU系統需要處理的信號有三類：開關量信號、脈沖量信號和模擬量信號，分別對應主控芯片通用I/O口、輸入輸出捕捉TIM口和模擬量A/D采集口。如圖6所示，以加速和制動踏板模擬信號處理電路為例進行說明。電路使用四運算集成放大電路芯片LM324對輸入信號進行放大處理。首先對輸入信號進行分壓和濾波，然后通過LM324進行同相輸入比例運算處理并輸出，在信號輸入到主控芯片引腳前進行電壓鉗位和限流處理，以確保主控芯片安全。

圖6 加速及制動踏板輸入模擬量信號調理電路

2.4 直流無刷電機驅動模塊

TCU系統最主要的功能之一就是對換擋執行電機進行驅動和控制，換擋執行電機為有霍爾傳感器式無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）。經過分析計算，采用的BLDCM額定電壓12 V，額定功率130 W，最高轉速4 500 r/min，最大轉矩0.6 Nm。BLDCM的控制方式為換相調壓PWM方式，采用合成轉矩較大、平穩性較好的六步梯形換相法兩兩導通模式，具體調壓方式為H_PWM-L_ON[6]，即采用上橋臂PWM調制，下橋臂恒通的方式。采用有霍爾傳感器式BLDCM的原因是所設計硬件電路既可以根據霍爾信號判斷電機換相點，也可以通過無位置傳感器轉子位置檢測法中的端電壓檢測法進行判斷，進而簡化線路。關于前者的研究較多，本文不再贅述，這里僅對端電壓檢測法作詳細闡述。

TCU系統采用IR公司生產的半橋驅動芯片IR2103和STM公司生產的N溝道功率MOS管STP75NF75對BLDCM進行驅動和控制。圖7為電機U相驅動控制電路，其中，光耦合器件HCPL2630起到隔離PWM輸出和增加驅動的作用；IR2103電路中電容C46和快速恢復型二極管D202構成自舉升壓電路，用來保證上橋臂可靠導通[7]；電阻R52、R58和二極管1N4148用于上橋臂關斷時釋放電荷，保證上橋臂可靠關斷，防止上、下橋臂同時導通，杜絕電路短路的危險。

圖7 BLDCM驅動及控制電路（U相）

硬件系統采用反電勢法中的端電壓檢測法[8]進行轉子位置檢測。該方法的基本原理是BLDCM的三相反電勢波形eU，eV，eW為相位互差120°電角度的梯形波，梯形波平頂部分占120°電角度，一個電周期內的6個換相點分別滯后于相應反電勢波形過零點30°電角度。通過檢測非導通相繞組的端電壓，利用硬件電路獲得反電勢過零點，即可為驅動電路提供正確的換相信息。

BLDCM數學模型為

式中：uUG，uVG，uWG為三相端電壓，V；iU，iV，iW為三相繞組電流，A；UN為中性點電壓，V；L?M為繞組等效電感，H；R為電機等效內阻，Ω。假如U、V相導通，則此時eW處于反電勢梯形波斜坡處，有eU+eV=0且iU+iV=0。將式（1）前兩個等式相加并代入eU+eV=0和iU+iV=0可得：UN=(uUG+uVG)/2。同時可知，此時iW=0并且其導數也為0，帶入式（1）第三個等式可得：

因此，可利用上式使用軟件計算的方法獲得反電勢波形，進而求得過零點。但是這種方法需要編寫程序并且模擬量的采集很難達到較高精度。針對這一問題，搭建如圖8所示的硬件檢測電路。首先對三相端電壓信號進行分壓和RC濾波處理，確保輸入到比較器的信號在其工作電壓范圍內，同時濾除高頻干擾信號；然后利用三個阻值相同且為對稱Y接的精密電阻構造電機的“虛擬中性點”，接至高速電壓比較器LM339的反相輸入端。由式（2）可知，當非導通相反電勢eW=0時，有uWG=UN。因此可以利用uWG和UN搭建比較電路，利用電壓比較器比較uWG和UN信號電壓，得到電平跳轉信號輸入到主控芯片的普通I/O口即可得到反電勢過零點信號，無需進行任何計算，從而可以簡化電機控制算法，其它兩相同理。

圖8 端電壓檢測法硬件檢測電路

同時，為進一步消除信號中混有的噪聲干擾，采用遲滯比較器電路。其原理是在單限比較器的同相端加入一個正反饋網絡，這樣可以減小因干擾而產生的輸出電壓抖動。

2.5 通信模塊

本研究設計的2AMT系統沒有離合器，驅動電機輸出軸與變速器系統始終是剛性連接在一起的，因此需要精確控制驅動電機的轉速以適應擋位切換過程中變速器齒軸的轉速變化。控制器局域網（Controller Area Network，CAN）是目前應用在汽車上的最廣泛的通信網絡[9]，因此TCU硬件系統采用CAN網絡實現TCU與MCU的協同通信。如圖9所示，使用高速CAN收發器TJA050作為接口芯片，同時使用CAN總線網絡專用的共模濾波電感ACT45B有效濾除CAN網絡上的干擾信號。

圖9 帶濾波電感的CAN網絡接口電路

3 2AMT電控單元軟件設計

2AMT系統控制軟件設計的主要依據是系統的集成控制策略，其主要原理是TCU通過采集到的各類傳感器信號判斷車輛運行狀態和駕駛員意圖，然后根據預先制定好的換擋規律進行換擋點判斷。當滿足換擋要求時，輸出信號驅動換擋執行電機進行換擋，同時通過CAN網絡與MCU進行通信，使驅動電機按照轉矩模式-自由模式-調速模式-自由模式-轉矩模式進行協同調速，進而完成換擋操作。系統控制軟件采用模塊化方法進行設計[10]，主要包括系統初始化模塊、主控制模塊、信號采集模塊以及各個中斷服務子程序模塊等。圖10為系統主控程序以及換擋子程序流程圖。

這里以升擋為例進行說明。系統初始化完成后，TCU根據采集到的加速踏板開度信號和車速信號識別駕駛員操縱意圖和車輛運行狀態，然后按照預先設定的換擋規律曲線進行換擋時刻判定。當滿足換擋要求時，TCU通過CAN網絡向MCU發出換擋請求，待MCU響應換擋請求后，TCU向其發出轉矩卸載指令，而后MCU控制驅動電機使其進行卸載并由轉矩模式進入到自由模式，之后TCU根據MCU返回的卸載完成指令執行換擋子程序，通過BLDCM驅動電路向執行電機發出正轉驅動以及調速指令，而后驅動換擋執行電機帶動換擋撥叉移動進行退擋。當撥叉移動至空擋位置時，TCU根據采集到的空擋位置傳感器信號和此后執行電機反饋的圈數同時通過CAN網絡向MCU發出調速指令和通過BLDCM驅動電路向執行電機發出制動信號，待MCU調速完成恢復至自由模式以及執行電機制動響應完成后，TCU再次驅動換擋執行電機正轉以及調速，而后執行電機帶動撥叉移動進行掛擋。當TCU檢測到空擋位置傳感器信號發生跳變時，控制執行電機再轉動一定圈數完成掛擋，同時向MCU發出換擋完成請求加載指令，待MCU加載完成電機恢復至轉矩模式后返回加載完成指令，此時便完成一個換擋周期。整個換擋過程需要TCU和MCU通過CAN網絡進行實時通信，從而協同工作完成自動換擋。

圖10 系統主控程序以及換擋子程序流程圖（以升擋為例）

4 試驗驗證

為驗證2AMT系統的硬件可靠性、通信實時性、控制策略及軟件設計的準確性等，設計搭建了2AMT系統試驗臺架。如圖11所示，試驗臺架主要包括2AMT系統、負載電機、驅動電機、MCU、數據采集以及監控系統等。

圖11 2AMT系統試驗臺架

臺架試驗使用的2AMT系統不帶有主減速器和差速器，一擋速比2.63，二擋速比1.32。試驗條件為帶負載運行，采用輸出轉速達到600 r/min升擋，低于300 r/min降擋的單參數換擋規律。

圖12 帶負載條件下1擋升2擋臺架試驗結果

圖12為試驗臺架的一擋升二擋過程試驗結果數據圖，上面兩幅圖分別為BLDCM的圈數和轉速曲線，下面兩幅圖分別為驅動電機的轉矩和轉速曲線。由圖可知，升擋前驅動電機轉速為1 578 r/min，為輸出轉速的2.63倍，升擋后的驅動電機轉速與期望轉速792 r/min一致，說明設計的2AMT系統TCU的軟硬件可以實現集成換擋策略的協同控制，完成自動換擋。同時，可以對照上一節升擋過程進行分析，驅動電機在升擋過程中處于自由模式-調速模式-自由模式的時間為1.93 s，加上轉矩的卸載和加載時間，換擋過程總共耗時為2.07 s。

5 結論

本文闡述了一種純電動汽車用2AMT的結構及其TCU的軟硬件設計過程。該2AMT采用無離合器式結構，TCU軟硬件采用模塊化方法進行設計，重點闡述了采用端電壓硬件檢測法實現無霍爾傳感器式BLDCM驅動和控制的方法，通過采集比較器輸出信號的跳變沿即可得到電機換相點，無需進行計算，從而簡化系統電機控制算法。同時，系統采用集成換擋策略協同TCU和MCU進行工作，實現換擋過程，集成度高、實時性強，適合作為換擋控制規律等研究的基礎。經臺架試驗驗證，該2AMT及其TCU能夠實現自動換擋，換擋時間約為2 s，可以為換擋過程的進一步優化等研究提供基礎和依據。

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